《脂类与生物膜》PPT课件.ppt

第四章 脂类与生物膜,脂类 脂的概念与分类 三酰甘油 甘油磷酸酯 鞘脂类 固醇类 脂蛋白 生物膜 膜的化学组成 膜的结构及其特点 膜的功能,Lipid and Biomembrane,一、脂类,（一）脂类的概念与分类 不溶于（或低溶于）水，但能溶于非极性有机溶剂的一类有机化合物。 生物体含有的脂类主要有脂肪、磷脂、糖脂和固醇等。,生物体内的脂质按不同组成可分为五类： 单纯脂：脂肪酸与醇所形成的酯，其中甘油三酯通 称为油脂，而高级醇的脂肪酸酯称为蜡 复合酯：除醇和脂肪酸以外，还含有其他物质，如 磷脂等。 萜类和类固醇及其衍生物 衍生脂：上述脂质的水解或氧化产物 结合脂：糖脂和脂蛋白,可皂化脂类 不可皂化脂类,极性脂类 非极性脂类,贮存脂质 结构脂质 活性脂质,脂类的分类、含量、分布及生理功能,（二）脂酰甘油,1、脂酰甘油（acyl glycerols),分为单脂酰、二脂酰和三脂酰甘油，其中三脂酰甘油又称为甘油三酯。,三脂酰甘油含量最丰富，单脂酰、二脂酰甘油在自然界中少见。 R1、R2和R3相同称为单纯甘油酯，若不同，则称为混合甘油酯。,脂肪酸链长多为14-20个碳原子，都是偶数。最常见的是16和18个碳原子的脂肪酸。 常见的饱和脂肪酸是软脂酸（16:0）、硬脂酸（18:0）；不饱和脂肪酸有油酸（18:1）等； 高等植物和低温生活的动物中，常见到多不饱和脂肪酸。含量高于饱和脂肪酸。 不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸的熔点低。常温下，植物油多呈液态，而动物油多呈固态。 单不饱和脂肪酸的双键位置一般在第9-10碳原子之间，多不饱和脂肪酸中的一个双键一般也位于9-10碳原子之间。 不饱和脂肪酸，几乎都具有顺式的几何构型。 细菌所含的脂肪酸绝大多数是饱和的，种类比高等动、植物少得多。,2、天然脂肪酸的特点：,3、游离脂肪酸（脂酸）的来源,自身合成 以脂肪形式储存，需要时从脂肪动员产生，多为饱和脂酸和单不饱和脂酸。,食物供给 包括各种脂酸，其中一些不饱和脂肪酸，动物不能自身合成，需从食物中摄取。,* 必需脂肪酸 亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等多不饱和脂酸是人体不可缺乏的营养素，不能自身合成，需从食物摄取，故称必需脂肪酸。,常 见 的 不 饱 和 脂 肪 酸,表示脂肪酸结构的简明方法如：软脂酸16：0；硬脂酸18：0；油酸18：1（9）；花生四烯酸20：4（5，8，11，14）；顺cis；反trans 。,4、脂酰甘油的理化性质,例：250mg油脂完全皂化时需要47.5mg的KOH，计算该油脂中三酰甘油的平均相对分子质量。,皂化和皂化值：一切脂肪都能被酸、碱、蒸汽及脂肪酶所水解，产生甘油及脂肪酸。如果水解剂是碱，则得甘油和脂肪酸的盐类。这种盐类称皂，因此，我们也称碱水解脂肪的作用为皂化作用。 皂化值为皂化1g脂肪所需的KOH的mg数。通常从皂化值的数值即可略知混合脂酸或混合脂肪的平均相对分子质量。 平均相对分子质量=3*56*1000/皂化价,（2）、酸败和酸值： 酸败原因：脂类因较长期经光和热或微生物的作用而被水解，放出自由脂酸，低分子脂酸即有臭味。因空气中的氧使不饱和脂酸氧化，产生的醛和酮，亦有臭味，故陈腐脂类酸败的原因，大概不外乎水解与氧化。 酸败程度的大小用酸值来表示。酸值就是中和1g脂类的游离脂酸所需的KOH的mg数。 （3）、氢化、卤化和碘值： 不饱和脂肪在有催化剂如Ni的影响下，其脂酸的双键上可加入氢而成饱和脂，这个作用称氢化。 表示油脂的不饱和度是用碘值。碘值就是100g脂类样品所能吸收的碘克数。,（三）甘油磷酸酯,又称甘油磷脂类，它是生物膜的主要成分 1、结构,X = 胆碱、水、乙醇胺、 丝氨酸、甘油、肌醇、磷脂酰甘油等,2、甘油磷脂的类型,磷脂酰胆碱,磷脂酸,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰肌醇,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰甘油,3、磷脂的特点,磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂性的脂肪酸链，是优良的两亲性分子。 磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能够形成双层脂膜结构或微团结构。 磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜（双层脂膜）的特性。,极性端,非极性端,磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式,双层微囊,水,空气,微团,单体,单层,（四）鞘脂类,也是动、植物细胞膜的重要组分。是两亲性分子。 1、结构：由1分子脂肪酸，1分子鞘氨醇或其衍生物，以及1分子极性头基团组成。 2、种类,鞘脂类,鞘磷脂类,鞘糖脂,中性鞘糖脂,酸性鞘糖脂,神经酰胺(Ceramide ),脂肪酸部分,（1）鞘氨醇、神经酰胺,脂肪酸通过酰胺键与鞘氨醇的-NH2相连，形成神经酰胺。 神经酰胺是鞘脂类共同的结构基础。,鞘氨醇(Sphingosine ),（2）鞘磷脂,鞘磷脂是神经酰胺的1-位羟基被磷酰胆碱或磷酰乙醇胺酯化形成的化合物。 鞘磷脂由鞘氨醇、脂肪酸和磷酰胆碱（少数是磷酰乙醇胺）组成 在高等动物的脑髓鞘和红细胞中特别丰富。,鞘糖脂是神经酰胺的1-位羟基被糖基化形成的糖苷化合物。 根据糖基是否含有唾液酸或硫酸基成分，鞘糖脂可分为中性鞘糖脂和酸性鞘糖脂。 中性鞘糖脂常见糖基有半乳糖、葡萄糖等单糖，还有寡糖。 半乳糖基神经酰胺最早从人脑中获得，又称脑苷脂。 鞘糖脂的极性糖基露在细胞表面，它们不仅是血型抗原而且与组织和器官的特异性，细胞-细胞识别有关。,（3）脑苷脂,（4）神经节苷脂的结构,糖基部分被硫酸化的鞘糖脂，称硫苷脂；糖基部分含有唾液酸的鞘糖脂，常称神经节苷脂。（酸性鞘糖脂） 神经节苷脂是最重要的鞘糖脂，在神经系统特别是神经末梢中含量丰富，它们可能在神经冲动传递中起重要作用。,（五）萜类,萜分子的碳架可看成由两个或多个异戊二烯单位连接而成。 由两个异戊二烯构成的萜称单萜，由3个异戊二烯构成的称倍半萜，由4个异戊二烯构成的称双萜。 全顺视黄醛是双萜类（C20）。 鲨烯和羊毛固醇属三萜类（C30）。 类胡萝卜素是四萜类（C40）。,（六）类固醇类,也称甾类，其结构以环戊烷多氢菲为基础。 固醇是其中一大类。结构特点是在甾核的C3上有一个羟基，C17上有一个含8-10个碳原子的烃链。 固醇存在于大多数真核细胞的膜中，细菌不含固醇。 胆固醇主要存在于动物细胞，参与膜的组成。 胆固醇以中性脂的形式分布在双层脂膜内，对生物膜中脂类的物理状态有一定的调节作用，有利于保持膜的流动性和降低相变温度。 胆固醇在脑、肝、肾和蛋黄中含量很高。,（七）血浆脂蛋白,血浆脂蛋白都是球形颗粒，由一个疏水脂（三酰甘油和胆固醇）组成的核心和一个极性脂（磷脂和游离胆固醇）与载脂蛋白参与的外壳层（单分子层）构成。载脂蛋白主要在肝脏和肠中合成分泌，富含疏水氨基酸残基，构成两亲的螺旋区。载脂蛋白的主要作用是：脂质的增溶剂；脂蛋白受体的识别部位。,乳糜微粒（CM）由小肠上皮细胞合成，颗粒大呈乳浊状，主要功能是运输外源油脂。 极低密度脂蛋白（VLDL）由肝细胞合成，主要成分是油脂，主要功能是转运内源油脂到组织中。当血液流经脂肪组织、肝和肌肉等组织的毛细血管时，CM和VLDL被毛细血管壁脂蛋白酯酶水解。 中间密度脂蛋白（IDL）颗粒所含的三酰甘油和胆固醇的量介于VLDL和LDL之间，一部分IDL被肝脏吸收，其余部分转化为LDL。IDL由载脂蛋白apoE介导结合。 低密度脂蛋白（LDL）来自肝脏，是血液中胆固醇的主要载体，主要功能是转运胆固醇到外围组织，并调节这些部位的胆固醇从头合成。 高密度脂蛋白（HDL）来自肝脏，颗粒最小，脂类主要是磷脂和胆固醇，主要功能是转运磷脂和胆固醇；激活脂肪酶；清除细胞膜上过量的胆固醇。,（八）蜡（wax）,蜡是高级脂酸与高级一元醇所生成的酯。一般为固体，不易水解。在动物体内多存在于分泌物中，主要起保护作用。蜂巢、昆虫卵壳、羊毛、鲸油皆含有蜡。 蜂蜡为许多高级一元醇酯的混合物，但主要成分是三十醇的棕榈酸酯（C15H31COOC30H61），C25C35的链烷也在蜂蜡中发现。,中国虫蜡是一种昆虫（ Coccus ceriferus Fabr）的分泌物。其主要成分为二十六醇的二十六及二十八酸酯。 羊毛蜡的成分为三羟蜡酸环醇酯（以胆固醇为主）。 鲸蜡的主要成分为十六醇棕榈酸酯（C15H31COOC16H33）。 蜡在工业上用途颇大，蜂蜡、虫蜡可作涂料、绝缘材料、润滑剂，羊毛蜡可制高级化妆品。,二、生物膜,（一）生物膜概述,细胞的外周膜和内膜系统称为“生物膜”；厚度约610nm。 生物膜是细胞结构的基本形式，对细胞内生物大分子的有序反应和整个细胞的区域化提供必需的结构基础。 生物膜有多种功能，如物质运输、能量转换、细胞识别、细胞免疫、神经传导和代谢调控等 生物膜模拟：用于污水处理、海水淡化以及农作物的抗旱、抗寒、耐盐、抗病等。,（二）生物膜的化学组成,主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇）、 蛋白质（包括酶）和多糖类组成， 水和金属离子等。 膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。 1、膜脂,脂质包括磷脂、胆固醇和糖脂等，其中以磷脂为主要成分。 脂质是构成生物膜最基本的结构物质,2、膜蛋白（membrane protein）,膜蛋白根据它们在膜上的定位情况，可以分为外周蛋白和内在蛋白。,膜蛋白分布不对称,脂质双层,镶嵌蛋白,跨膜蛋白,膜表面蛋白,（1）、外周蛋白（peripheral protein）,这类蛋白约占膜蛋白的2030%，分布于双层脂膜的外表层，主要通过静电引力或范德华力与膜结合。 外周蛋白与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来。 外周蛋白能溶解于水。 如线粒体内膜外侧的细胞色素C；支撑红细胞外形的膜骨架的主要成分血影蛋白等。,红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图,肌动蛋白 (Actin),蛋白质4.1 (Protein4.1),血影蛋白(Sectrin),带3蛋白(Band 3),锚蛋白 (Ankyrin),血型蛋白(Glycophorin),糖链,（2）内在蛋白（integral protein）,内在蛋白约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。 这类蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。 内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，由于没有水分子的影响，多肽链内形成氢键趋向大大增加，因此，它们主要以-螺旋和-折叠形式存在，其中又以-螺旋更普遍。,膜内在蛋白与膜结合的方式,以单一的螺旋跨膜 以多段螺旋跨膜 以蛋白质分子末端片段插膜 通过共价键结合的脂插膜,3、（膜）糖类（carbohydrate）,生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。 分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖-蛋白质复合物，称为细胞外壳（cell coat）。 糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。 生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用。,（三）生物膜的分子结构,1、生物膜的结构特点 （1）生物膜的不对称性 膜脂的不对称性 膜蛋白的不对称性 膜糖的不对称性 （2）生物膜的流动性 膜脂的流动性 膜蛋白的运动性,膜脂的运动方式：,膜蛋白的运动： 侧向扩散 旋转扩散,膜 脂 的 相 变,变相温度（Tc）,凝胶态,液晶态,TTc,TTc,2、生物膜分子结构模型,脂双层模型（E. Gorter, F.Grendel, 1925) 三明治式结构模型(H.Davson, J.F.Danielli, 1935) 单位膜模型(J.D.Robertson, 1959) 流动镶嵌模型(S.J.Singer, G.Nicolson, 1972),膜的流动镶嵌模型结构要点：,1.膜结构的连续主体是极性的脂质双分子层。,2.脂质双分子层具有流动性。,3.内嵌蛋白“溶解”于脂质双分子层的中心疏水部分。,4.外周蛋白与脂质双分子层的极性头部连接。,5.双分子层中的脂质分子之间或蛋白质组分与脂质之间无共价结合。,6.膜蛋白可作横向运动。,（四）生物膜与物质运输Membrane & Transportation,1、被动运输与主动运输,被动运输（Passive transport） 物质从高浓度一侧通过膜运送到低浓度一侧，即顺浓度梯度的方向跨膜运送的过程称被动运输 。在该过程中G0。,主动运输（Actic transport） 凡物质逆浓度梯度的运送称主动运送，这一过程进行需供给能量。 G 0,主动运输的特点： 专一性；饱和性；方向性；可被选择性抑制；需提供能量,2、小分子物质的运输,小分子的跨膜运输大都是通过专一性运输蛋白（transport proteins）实现。 如果只是运输一种分子由膜的一侧到另一侧，称为单向运输（uniport transport）。 如果一种物质的运输与另一种物质的运输相关而且方向相同，称为同向（symport）运输；方向相反则称为反向（antiport）运输，两者统称协同（cotransport）运输。,（1） Na+ 和 K+ 的运输,无论动植物细胞或细菌，细胞内外存在离子梯度。细胞内高K+低Na+，而外环境高Na+低K+。 这种离子梯度是主动运输的结果，执行这种运输功能的体系称为Na+ ,K+-泵 丹麦科学家Jens C.Skou于1957年首次发现该酶,Na+ ,K+-ATP酶由一个跨膜的催化亚基和一个糖蛋白亚基组成. 在膜上结合成22四聚体. 亚基在质膜内侧表面有Na+和ATP的结合位点，在外侧表面有K+和 乌本苷的结合位点。,Na+-K+- ATPase的体外重建,Na+-K+-ATPase,去污剂微囊,脂-去污剂微囊,增溶的膜蛋白,去污剂微囊,外加的磷脂,透析,纯化的膜蛋白,Na+-K+-ATPase在脂质体上重建,纯化,Na+- K+- ATPase的作用机制-构象变化假说模型,ATP,ADP,细胞外,细胞质,1,2,5,4,3,6,每水解1个ATP分子，向膜外 运出3个Na+，同时向膜内运送2个K+。,（2）糖的运输,a、协同运输： 在小肠和肾细胞中葡萄糖的运输是伴随Na+一起运输进入细胞的。既糖的主动运输并不直接通过水解ATP提供能量，而是依赖离子梯度贮存的能量。,b、基团运输（group transport）,有些糖通过细菌膜时需要进行磷酸化反应，以糖-磷酸的形式通过膜，称为基团运输。 转运过程中，糖的磷酸化和转运的能量来自PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）,3、生物大分子的跨膜运输,多糖等生物大分子的运输主要通过胞吐作用（exocytosis），胞吞作用（endocytosis）等来完成。蛋白质的跨膜运输除胞吞和胞吐，还有跨内质网膜、线粒体膜、叶绿体膜等运输类型。 （1）胞吐作用 细胞内物质先被囊泡裹入形成分泌泡，然后与细胞质膜结合并向外释放被裹入的物质，该过程称胞吐作用。 真核细胞中的分泌作用通常是通过胞吐作用发生，如胰岛素的分泌。,（2）胞吞作用,细胞从外界摄入的大分子或颗粒，逐渐被质膜的一小部分包围，内陷，然后从质膜上脱落下来而形成含有摄入物质的细胞内囊泡的过程，称胞吞作用。 可分为吞噬作用（phagocytosis）、胞饮作用（pinocytosis）以及受体介导的胞吞作用。,受体介导的胞吞作图示,4、离子载体（ionophores）,离子载体是一类可溶于脂双层的疏水性的小分子，可增加脂双层对离子的透性。 大多数离子载体是由微生物合成，有些离子载体就是抗生素。 可分为两类：移动性离子载体（mobile ion carrier）和通道形成体（channel former）。 缬氨霉素、A23187和尼日利亚菌素属于移动性离子载体； 短杆菌肽属于通道形成体。,通道,5、生物膜运输的分子机制,生物膜运输的分子机制，大致可概括为三种主要假设模型：移动性载体模型（mobile carrier model）、孔道或通道模型（pore or channel model）和构象变化模型（conformational change model）。,两种类型门控离子通道,考研真题,1.脑苷脂是一种类型的物质。（清华大学2002） A. 磷脂