生物化学课件（生物工程类）之第七章脂和生物膜ppt课件

7 脂和生物膜,7.1 脂在结构和功能上表现出多样性 7.2 脂肪酸是许多脂的成分 7.3 类花生酸是多不饱和脂肪酸的活性衍生物 7.4 三脂酰甘油是中性的，非极性脂 7.5 甘油磷脂是生物膜的主要成分 7.6 鞘脂构成了生物膜中的第二类脂 7.7 类固醇构成了第三类膜脂 7.8 脂双层形成膜的基本结构 7.9 流动镶嵌模型描述了生物膜的特征,7.10 脂双层是动态结构 7.11 存在着三种类型的膜蛋白 7.12 穿膜蛋白含有跨越脂双层的疏水区 7.13 某些膜蛋白可以快速地在脂双层中扩散 7.14 脂双层和细胞膜是有选择性的通透壁垒 7.15 跨膜转运系统对细胞是非常必要的 7.16 胞吞（作用）和胞吐（作用）与脂囊泡形成有关,脂常被定义为不溶于水的（或微溶的）有机化合物。 脂肪酸是通式为R-COOH的单羧酸。脂肪酸是三脂酰甘油 （脂肪和油）、甘油磷酯、鞘脂和蜡的组成成分。 前列腺素是来自于二十碳不饱和脂肪酸的类激素化合物。 胆固醇和脂溶性维生素虽然是结构上明显不同的两类脂， 但都是由5碳分子异戊二烯衍生来的。 含有磷酸基团的脂都归类于磷脂。 含有鞘氨醇和糖成分的脂称之鞘糖脂。,7.1 脂在结构和功能上表现出多样性,7.2 脂肪酸是许多脂的成分,哺乳动物中常见的一些脂肪酸列在表7.1中，它们的主要区别在于烃链的长度，以及不饱和程度（碳-碳双键的数目）和双键的位置。大多数脂肪酸都有一个处于4.55.0范围内的pK值，在生理pH下呈解离状态。,在通常的命名中，常使用希腊字母标记碳原子，与羧基毗邻的碳被指定为碳，其余的碳依次用、等字母表示。希腊字母常用于特指离羧基最远的碳原子，无论烃链有多长，实际上就是代表脂肪酸的末端碳。,脂肪酸烃链的长度和不饱和度对脂肪酸的熔点影响很大。比较饱和脂肪酸月桂酸（12：0）、豆蔻酸（14：0）和软脂酸（16：0）的熔点，可以看出随着烃链长度的增加，饱和脂肪酸的熔点也随之增高。因为当烃链增加时，相邻烃链之间的Van der Waals相互作用也增强，所以融解时就需要更多的能量去破坏这种相互作用。 比较硬脂酸（18：0）、油酸（18：1）和亚麻酸（18：3）的结构。含有双键的油酸和亚麻酸的烃链表现出明显的弯曲形状，这是因为围绕双键的旋转受到阻碍。这种弯曲妨碍了紧密接触和有序结晶的形成，因此减少了烃链内的Van der Waals相互作用，所以cis不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸的熔点低。硬脂酸（熔点70）呈固体状态，油酸（熔点13）和亚麻酸（熔点17）则呈现出液体状态。,硬脂酸,油酸,亚麻酸,阿司匹林（Aspirin（乙酰水杨酸）是一个众所周知的解热、镇痛、消肿和抗感染的药，其作用是抑制前列腺素的合成。 前列腺素是属于类花生四烯酸一类的化合物。类花生四烯酸是二十碳多不饱和脂肪酸（例如花生四烯酸）的加氧衍生物。前列腺素是含有一个环丙烷的类花生四烯酸。 类花生四烯酸参与很多生理过程，并且也可以引起一些潜在的病理反应。例如前列腺素E2可引起血管变窄，而血栓烷A2参与血块，或血栓的形成，白三烯D4是平滑肌收缩的调节分子，也会引起哮喘病中的支气管狭窄。,7.3 类花生四烯酸是多不饱和脂肪酸的衍生物,脂肪酸通常都是以中性脂三脂酰甘油形式贮存的。就象三脂酰甘油名称表示的那样，它是由3个脂酰基与甘油形成的酯。,甘油,甘油三酯,7.4 三脂酰甘油是中性的、非极性脂,生物膜中最丰富的脂是甘油磷脂，这类脂都含有甘油骨架。最简单的甘油磷脂是磷脂酸，它是由两个在甘油-3-磷酸的C-1和C-2处成酯的脂酰基组成的。其他磷脂都是有磷脂酸衍生的。 下面表中给出了一些常见的甘油磷脂的结构。其中磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰胆碱（卵磷脂）和磷脂酰丝氨酸 3种甘油磷脂是生物膜脂的最主要成员。 列在表中的甘油磷脂都不是单一的一种化合物，而是具有同样极性头部和不同脂酰基的一族化合物。例如已知人红细胞膜至少含有21种不同的磷脂酰胆碱，主要区别在甘油骨架的C-1和C-2处连接的脂酰基上。一般来说，饱和的脂肪酸在C-1成酯，而不饱和脂肪酸在C-2处成酯。,7.5 甘油磷脂是生物膜的主要成分,磷脂酸,甘油-3-磷酸,极性头部,非极性疏水尾部,一些常见的磷脂 他们都是在磷脂酸结构的基础上，一些取代基团与磷酸结合形成的磷脂酸衍生物。,磷脂酰 乙醇胺,（脑磷脂）,磷脂酰胆碱（卵磷脂）,磷脂酰丝氨酸,极性头部,疏水尾部,亲水头部,疏 水 尾 部,头部,尾部,磷脂酶A1和A2 分别特异地催化甘油磷脂中C-1和C-2位置酯键的水解。蛇毒以及蜂毒是磷脂酶A2的最好来源。向血管注射蛇毒会导致威胁生命的溶血（红细胞膜的裂解）。磷脂酶C 催化甘油和磷酸之间酯键的水解，释放出二脂酰甘油，磷脂酶D 催化甘油磷脂水解生成磷脂酸。,磷脂酰肌醇（PI）是极性更强的脂的前体，这种脂是通过在肌醇环上再接上磷酸基团后形成的。这类衍生物包括磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP）和磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP2）。,鞘脂也是主要的膜成分，在哺乳动物的中枢神经系统组织中含量特别丰富。鞘脂的结构骨架是鞘氨醇（反式-4鞘氨醇），是一个无分支的C18醇，该醇在C-4和C-5之间有一反式双键（图a）。 鞘氨醇的C-2氨基通过酰胺键连接脂肪酸后的化合物称之为神经酰胺（图b），神经酰胺是所有鞘脂代谢的前体。 鞘磷脂是由神经酰胺连接一个磷酰胆碱或磷酰乙醇胺构成的（图c）。鞘磷脂是个两性分子，因为含有极性胆碱、磷酸和两个长的疏水尾巴。鞘磷脂存在于大多数哺乳动物细胞的质膜内，是包围着某些神经细胞的髓鞘的主要成分。,7.6 鞘脂构成了生物膜中的第二类脂,鞘氨醇,神经酰胺,鞘磷脂,脑苷脂是含有一个单糖残基的糖鞘脂，该单糖通过-糖苷键与神经酰胺连接。 常见的脑苷脂有半乳糖脑苷脂和葡萄糖脑苷脂，他们的分子中分别含有半乳糖残基和葡萄糖残基。 注意: 脑苷脂中没有磷酸基团。,半乳糖脑苷脂,神经节苷脂是最复杂的糖鞘脂，分子中含有的N-乙酰神经氨酸的寡糖链连接在神经酰胺上。 N-乙酰神经氨酸是一个复杂的9碳氨基糖的乙酰衍生物。,类固醇是环戊烷多氢菲的衍生物。胆固醇是动物体内含量最高的一种类固醇。他的OH使胆固醇具有微弱的两亲性分子。胆固醇是制造另外一种乳化剂胆汁（胆酸）的原材料，而胆汁又对消化起着的重要作用。由胆固醇可以合成维生素D以及一些被称为固醇类激素的性激素等。 胆固醇是脑与神经细胞结构中的一种重要的固醇。事实上胆固醇是每一个细胞的细胞膜组成部分。与卵磷脂相似，胆固醇可以由人体合成，因此它不是必需营养素。尽管胆固醇遍布于全身和起着重要的作用，但它也是在动脉粥样硬化中阻塞动脉的蚀斑的主要成分，并且是导致心脏病发作和中风的潜在因素。,7.7 类固醇构成了第三类膜脂,胆固醇,胆酸,性激素,雄（甾）烯二酮,睾 酮,雌 酮,雌二醇,一个典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和胆固醇（在一些真核细胞中）。由于磷脂和糖鞘脂含有两条烃链的尾巴，不能很好地包装成微团，却可以精巧地组装成脂双层。 典型脂双层的厚度大约为56nm。脂双层内的脂分子的疏水尾巴指向双层内部，而它们的亲水头部与每一面的水相接触，磷脂中带正电荷和负电荷的头部基团为脂双层提供了两层离子表面，双层的内部是高度非极性的。脂双层倾向于闭合形成球形结构，这一特性可以减少脂双层的疏水边界与水相之间的不利的接触。 在实验室里可以合成由脂双层构成的小泡，小泡内是一个水相空间，这样的脂双层结构称之脂质体，它相当稳定，并且对许多物质是不通透的。,7.8 脂双层形成膜的基本结构,脂双层,微囊,流动镶嵌模型是描述膜结构的模型，在该模型中，膜蛋白看上去象是圆形的“ 冰山 ”飘浮在高度流动的脂双层“ 海”中。内在膜蛋白插入或跨越脂双层。外周膜蛋白与膜表面松散连接。膜蛋白质和脂可以快速地在双层中的每一层内侧向扩散。,7.9 流动镶嵌模型描述了生物膜的特征,生物膜示意图,冷冻断裂电子显微技术是一种特别用于膜研究的技术。一滴膜样品被快速冷冻到液氮温度，然后用刀切，膜沿着脂双层的层界面裂开，界面处的分子内相互作用是很弱的。 冰在真空状态下被蒸发，暴露出来的膜内表面用一薄的铂膜包被，做成用于在电子显微镜下研究的膜内表面的金属复制品。 富含内在膜蛋白的那层膜，例如一个红细胞的质膜，象一个凹陷的月亮画面。与此相反，脂质体的膜由于没有蛋白质，所以是光滑的。,内层,外层,7.10 脂双层的流动性,侧向扩散，即在双层中的每层平面内的脂运动是非常快的。在一个大约2m长的细菌细胞内，一个磷脂分子在37下从一端扩散到另一端大约只需一秒钟。因此一个脂双层可以看作一个二维溶液。,与侧向扩散相反，横向扩散（也称为翻转），即双层中的某一层内的脂过渡到另一层是非常慢的，大约比同一层内的任何两个脂的交换慢109倍，因为实现这一过程需要很大的激活能。,侧向扩散,快,横向扩散,非常慢,生物膜的内层和外层具有不同的脂组成。 鞘磷脂和磷脂酰胆碱几乎各占了人红细胞质膜外膜总脂含量的一半。 但它们在内膜的磷脂中所占的比例却很少，占优势的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸。,膜内层,膜外层,膜内层,鞘磷脂,磷脂酰胆碱,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰丝氨酸,总脂量,由带有单一磷脂构成的脂双层在低温时处于一种有序的凝胶相，在这种状态下脂酰链呈现伸展的构象，此时的Van der Waals接触最大，形成晶体排列。 当脂双层被加热时，发生了类似于晶体融解的相转换，形成液晶相，此时的膜脂是高度无序的，脂酰链之间松散。因为脂酰基的烃链并没有象低温时那样伸展，所以在相转换期间，脂双层的厚度大约减少了15。,脂双层的流动性受温度影响,有序的凝胶相,无序的液晶相,加热,冷却,由单一的脂组成的合成的双层膜会在一个特定温度下发生相转换，该温度称为相转换温度，或称为该脂的熔点（Tm）。 但非人工合成的生物膜由于是不同脂的集合体，所以从凝胶转换为液晶相的过程是个逐渐的变化过程，温度的变化在30到40之间。 脂双层中的相转换可以通过差式扫描量热仪来监测。将少量的脂样品和水样品同时以相同的速率加热，量热仪可以测量到两个样品之间吸收能量的差别，当温度低于相转换温度时，两个样品的热吸收速率是相似的，但当达到脂双层的相转换温度时，脂双层吸收的热能比水高得多了，差热吸收随温度变化的曲线出现一个凸起。,纯的磷脂 双层膜,加胆固醇,生物膜中脂的组成和结构对流动性的影响： 磷脂的分子结构对于流动性和相转换温度有显著的影响。一个不饱和脂肪酸残基中的cis双键的存在使得脂酰链产生一个永久性的扭折，这个扭折可以增加脂双层的流动性，而且可以大大地降低相转换温度。 例如18：0二硬脂酰脂双层的相转换温度是54，而18：1二油酰磷脂酰胆碱的脂双层的相转换温度却是20。 增加饱和脂肪酸残基的链长由于增加了Van der Waals相互作用，所以可以稳定凝胶相，但使相转换温度增高，同时使脂双层的流动性降低。,在大多数的温血生物中，膜中的不饱和脂酰基与饱和脂酰基的比例变化很小，因为这些生物通常都维持着恒定的体温。 典型的哺乳动物质膜的脂中大约含有2025的胆固醇，胆固醇在调节膜的流动性中起着主要的作用。胆固醇分子嵌入脂双层中的烃链之间使得相转换温度变宽了。 胆固醇的刚性的环结构限制了液晶态中脂酰链的运动，因此降低了膜的流动性。当将胆固醇加入到处于凝胶相的脂中，打乱了伸展的脂酰链的有序组装，因此可以增加膜的流动性，所以动物细胞膜中胆固醇的存在有助于维持非常恒定的流动性。,三种类型的膜蛋白：内在膜蛋白、外周膜蛋白和锚脂蛋白。 由于内在膜蛋白是嵌入在膜的脂双层中，所以这类蛋白的分离需要破坏蛋白和膜脂之间的疏水相互作用。 通常都是使用一些去污剂破坏疏水相互作用。因为去污剂在溶解膜的过程中可以取代大多数膜脂，形成可溶性的微团。 许多内在膜蛋白与它周围的脂的结合是非常紧密的，可以利用可溶性蛋白纯化使用过的技术（如凝胶过滤、离子交换等）将去污剂溶解的膜萃取物中的膜蛋白分离出来，纯化的内在膜蛋白一般都保存在去污剂中，一旦除去去污剂，将导致不可逆的蛋白凝聚和沉淀。,7.11 存在着三种类型的膜蛋白,外周膜蛋白与内在膜蛋白不同，它们与膜的作用弱得多，通常都是通过离子键和氢键与膜脂的极性头部或与内在膜蛋白结合的。 由于外周膜蛋白既没有共价连接在脂双层上，也没有嵌入在脂基质中，所以不需要切断共价键或破坏膜，只要改变离子强度或pH，就可很容易地将外周膜蛋白从膜上分离出来。,一般具有跨膜多肽区的内在膜蛋白称为穿膜蛋白，这是参与跨膜转运和信号传递的蛋白质所必须具备的特征。 单次跨膜蛋白通过唯一一个跨膜的肽段被锚定在脂双层上，这类蛋白大约占总膜蛋白的 510，受体蛋白一般都属于这类蛋白。,7.12 穿膜蛋白含有横跨脂双层的疏水区,细菌视紫红质蛋白是一个典型的多次跨膜蛋白，该蛋白的三维结构已经通过电子显微镜确定了。有7个跨膜的 -螺旋片段，每个片段大约含有25个氨基酸残基。,将小鼠细胞和人的细胞融合形成一个异核体（杂化细胞）。在融合之前利用可以特异结合在人细胞质膜中某个蛋白的红色荧光标记的抗体标记人细胞，而用可以特异结合在小鼠细胞质膜中某个蛋白的绿色荧光标记的抗体标记小鼠细胞。 这样一来可以通过免疫荧光显微镜观察两种标记的细胞融合后，细胞膜上内在膜蛋白的变化。大约在融合后40分钟，就观察到细胞表面抗原相互混合的情形。这一实验表明，至少某些内在膜蛋白可以在生物膜内自由扩散。,7.13 某些膜蛋白可以快速地在脂双层中扩散,人工诱导细胞融合,膜蛋白 侧向扩散,人细胞,鼠细胞,7.14 脂双层和细胞膜是有选择性的通透壁垒,疏水化合物扩散快，例如吲哚在不到一秒钟内就可跨过脂双层。而极性的和带电荷的分子跨过脂双层要慢得多，例如钠离子则需要数天到数周。 水分子是个例外，单个水分子扩散过膜非常快，只需千分之一秒就可达到平衡。 许多生物学上重要的分子通过简单的扩散就可进入和离开细胞，其中包括非极性的气体（例如O2和CO2）和疏水性的分子（例如类固醇激素、脂溶性维生素和某些药物等）。,葡萄糖,色氨酸,吲哚,甘油 尿素,通透性,转运蛋白通常都是对某些分子或结构上类似的分子的基团特异的。最简单的一类转运蛋白执行单向转运（图a），即它们只携带单一一种类型的溶质跨膜转运。而许多转运蛋白可进行两种溶质的同一方向的同向转运（图b）或协同转运（图c）。,单向转运,同向转运,协同转运,7.15 跨膜转运系统对细胞是非常必要的,许多转运蛋白的作用象个门，它们可呈现出面向外的或面向内的构象。当处于面向外构象的蛋白质结合一个特异的分子或离子后，经过构象转换变成面向内的构象，被转运的分子就在膜的内表面释放，然后转运蛋白又重新转换为面向外构象。转运蛋白构象的改变往往是被结合的转运物质击发的，就象某个酶对其底物的诱导契合。而在主动转运中，构象的改变是被ATP的水解或其它能源驱动的。,通道蛋白和孔蛋白是带有中央亲水通道的跨膜蛋白。一般来说术语“孔” 常用于细菌，而“通道” 常用于动物。大小、电荷和几何形状都合适的溶质都可顺着浓度梯度经通道快速地扩散。,7.15.1通道蛋白和孔蛋白使溶质扩散过膜,被动转运不需要能量驱动，被动转运也称为易化扩散。转运蛋白的作用是加快反应的平衡，如果没有转运蛋白，单靠扩散达到平衡非常慢。 红细胞主要依赖于葡萄糖作为能源。D-葡萄糖从血液通过被动转运经葡萄糖转运蛋白沿着葡萄糖浓度梯度降低方向进入红细胞内。葡萄糖转运蛋白是个膜糖蛋白，属于一个大的转运蛋白家族，具有12个跨膜片段。葡萄糖首先与转运蛋白的面向外构象结合，然后当转运蛋白构象改变时，葡萄糖跨过脂双层。在面向细胞质一侧，葡萄糖脱离转运蛋白，进入细胞质，而转运蛋白又改变为起始的构象。,7.15.2 被动转运是自发进行的,被动转运蛋白的另一个例子是人红细胞膜的阴离子交换蛋白。阴离子交换蛋白是一个对向转运蛋白，它执行二氧化碳和氯离子一对一的电中性交换。 在二氧化碳和氯离子交换的两种情况下，离子都是沿着其离子浓度梯度降低方向转运的。阴离子交换蛋白在CO2由组织到肺部的转运中起着重要的生理作用。废物CO2为了在血液中转运，应当转换为可溶性形式，所以CO2通过扩散进入红细胞，然后在碳酸酐酶的催化下转换为溶解性更高的碳酸氢盐的形式。然后碳酸氢盐与来自血液的Cl-经阴离子交换蛋白交换排出红细胞。 当碳酸氢盐溶解在血液中到达肺时，发生了与上述相反的过程，HCO3经阴离子交换蛋白重新进入红细胞，而在交换中Cl-从红细胞中排出。碳酸氢盐在碳酸酐酶催化下重新生成CO2，扩散出红细胞，进入血液，最终经肺排放掉。阴离子交换蛋白使得碳酸氢盐和Cl-的交换非常快。,氯-碳酸氢盐阴离子交换蛋白,碳酸酐酶,肺部,外周组织,被动转运是溶质沿着浓度梯度降低方向转运，不需要能量；与被动转运相反，主动转运可以逆浓度梯度转运，但需要能量。 主动转运可以利用不同形式的能源，常用的是ATP，离子转运ATP酶是一大类ATP驱动离子转运蛋白,几乎存在于所有细胞器官。其中包括Na+-K+ ATP酶和Ca2+ ATP酶，它们在制造和维持跨质膜和细胞内器官的离子浓度梯度中起着必要的作用。光是某些主动转运的能源，例如细菌视紫红质。原发主动转运是直接由ATP、光或电子传递驱动的，而第二级主动转运是靠离子浓度驱动的。 在大多数情况下，原发主动转运常用来在第二个溶质中制造一个梯度。将第一种溶质的“ 上坡”转运与第二种溶质的“ 下坡”转运耦联，贮存在第二种溶质的梯度的能量驱动第一种溶质的转运。,7.15.3 主动转运需要供给能量,ATP水解释放的能量驱动溶质逆梯度梯度运动，称之为原发主动转运。,原发主动转运中建立了离子 X 的浓度梯度，X 顺着浓度梯度运动提供能量驱动第二种溶质（S）逆梯度运动,Na+-K+ ATP酶（钠钾泵）典型的主动转运例子,细胞外,细胞内,构象变化,ATP驱动结合Na+,结合K+,释放Na+,释放K+ ，恢复到原来构象,原核生物在它们的质膜和外膜中含有多成分的输出系统，使得它们能够将某些蛋白质（往往是些毒素或酶）分泌到细胞外介质中。在真核细胞中，蛋白质的输入和输出细胞分别通过胞吞和胞吐实现的。,7.16 胞吞（作用）和胞吐（作用）与脂囊泡形成有关,要点归纳,1.脂肪酸是长链单羧酸。自然界中存在的主要脂肪酸含有一个偶数碳的烃链，碳数范围为1220。不含碳碳双键的脂肪酸称为饱和脂肪酸；含有一个以上碳碳双键的脂肪酸称为不饱和脂肪酸。脂肪酸中的双键大多数是cis构型。脂肪酸是很多脂的组成成分。 2. 脂肪酸通常都是以三脂酰甘油（脂肪和油）复合脂形式贮存的。三脂酰甘油是中性和非极性脂。蜡也是中性和非极性脂，它是由长链的脂肪醇和脂肪酸形成的酯。前列腺素是生理上重要的二十碳脂肪酸（例如花生四烯酸）的衍生物。,3. 极性脂（两性脂）带有一个极性头部和疏水尾部，是生物膜中最丰富的组成成分。甘油磷脂是生物膜中的主要的两性脂成分，两个脂肪酸分子与甘油的C-1和C-2的羟基成酯组成疏水尾部，而甘油C-3通过磷酸二酯键与另外的醇分子连接组成磷脂的极性头