脂和脂生物化学(LipidsandLipidBioch.ppt

脂和脂生物化学(LipidsandLipidBiochemistry),生命科学学院(CollageofLifeScience),（一）脂质的定义,脂质(lipid,也译为脂类或类脂),是一类分布范围广、化学成分及结构差异大、低溶于水而高溶于非极性溶剂的生物有机分子。对大多数脂质而言，其化学本质为脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。参与脂质组成的脂肪酸多是4碳以上的长链一元羧酸，醇成分包括甘油、鞘氨酸、高级一元醇和固醇。脂质的组成元素主要有碳、氢、氧，有些还含氮、磷、硫等元素。其共同点是不溶于水，只溶于苯、乙醚、氯仿及石油醚等有机溶剂。,（二）脂质的分类,按化学结构及其组成可把脂质大体上分为三类：.单纯脂质(Simplelipid),由脂肪酸和甘油形成的酯，包括脂肪、油和蜡。.复合脂质(Compoundlipid),除脂肪酸和醇外,还有含其他非脂质成分。包括磷脂（甘油磷脂和鞘氨醇磷脂）和糖脂（鞘糖脂和甘油糖脂）。.衍生脂质(Derivedlipid),由单纯脂质和复合脂质衍生而来或与之关系密切的物质,如萜、固醇类、脂多糖。,脂质是根据溶解性质定义的一类生物有机分子，在化学组成上变动性比较大，因此给分类造成了一定的困难。,按其皂化性质可分为：.可皂化脂质(Saponifiablelipid).不可皂化脂质(Unsaponifiablelipid),类固醇和萜是两类主要的不可皂化脂质。,皂化反应是碱催化下的酯水解反应，尤指油脂的水解。狭义的讲，皂化反应仅限于油脂与氢氧化钠或氢氧化钾混合，得到高级脂肪酸的钠/钾盐和甘油的反应。这个反应是制造肥皂流程中的一步，因此而得名。,乙酸乙酯皂化反应,根据脂质在水中和水界面上的行为不同，又可分为非极性和极性两大类，如表所示,类别,界面性质,体积性质,非极性脂质,极性脂质,类类A类B类,不能分散形成单分子层,不溶,如胡萝卜素、鲨烯、固醇酯,能分散形成稳定的单分子层,不溶或溶解度很低如VD、VA、胆固醇,能分散形成稳定的单分子层,不溶，在水中膨胀形成液晶如磷脂和鞘糖脂,能分散形成不稳定的单分子层，因为可溶于水基质,可溶，当高于临界微团浓度时形成微团；低浓度时形成液晶如软脂酰、神经节苷脂,能分散形成不稳定的单分子层，因为可溶于水基质,可溶，当高于临界微团浓度时形成微团；低浓度时形成液晶如皂苷、硫酸化胆汁醇,（三）脂质的生物学作用,生物膜的组分是碳及能量的主要储存形式作为缓冲屏障以防止热、电及机械冲击保护机体表面以防止感染及水分的过度丢失溶解一些维生素及激素是其他重要生理活性物质的前体参与细胞识别，是与免疫有关的细胞表面物质,脂肪酸(Fattyacid,FA),脂肪酸是由一条长的烃链(“尾”)和一个末端羧基(“头”)所组成的羧酸。,脂肪酸,饱和脂肪酸：月桂酸（14C）、硬脂酸（18C）,不饱和脂肪酸,单不饱和脂肪（monounsaturatedFA）：油酸,多不饱和脂肪酸（polyunsaturatedFA）：,（烃链不含双键和三键）,（烃链含有一个或多个双键）,（1个双键）,（两个或两个双键）,亚麻酸（3个）,亚油酸（2个）,花生四烯酸（4个）,自然界常见的一些脂肪酸,n-十二酸（月桂酸）,n-十四酸（肉豆蔻酸）,n-十六酸（软脂酸、棕榈酸）,n-十八酸（硬脂酸）,n-二十酸（花生酸）,n-二十四酸(木蜡酸）,十八碳-9-烯酸（顺）,棕榈油酸,油酸,亚油酸,亚麻酸,花生四浠酸,天然脂肪酸的结构特点,1.天然脂肪酸骨架的碳原子数目几乎全部为偶数，这是因为在生物体内脂肪酸是以二碳单位（乙酰CoA的形式）从头合成的。奇数碳原子的脂肪酸在陆地生物中含量极少，某些海洋生物中则有相当量的存在。2.天然脂肪酸碳骨架长度436个碳原子，多数为1224个碳，16和18个碳最为常见，低于14碳的脂肪酸主要存在与乳脂中。,几种天然脂肪中的脂肪酸,天然脂肪酸的结构特点,3.大多数单不饱和脂肪酸的双键位于C9和C10之间（9）。而多不饱和脂肪酸的双键通常一个位于9，其余双键多位于9和烃链的末端甲基之间，如12，15。4.分子中双键的安排形式多数属于非共轭系统或1,4-戊二烯结构(1,4-pentadienestructure)，少数为共轭系统(conjugatedsystem)。,CH2CHCHCH2CHCHCH2,CH2CHCHCHCHCHCHCH2,非共轭双键系统,共轭双键系统,天然脂肪酸的结构特点,5.天然脂肪酸中的双键多为顺式构型，少数为反式构型。6.饱和与不饱和脂肪酸构象差异显著。饱和脂肪酸最可能的构象是烃链完全伸展（此时相邻原子的位阻最小，能量最低）；而不饱和脂肪酸烃链则由于双键不能旋转，出现一个或多个结节（kink）（见右图）。7.顺式不饱和脂肪酸在某些特定催化剂存在的情况下加热可转化为反式。如油酸在亚硝酸存在下容易转变为反油酸（elaidicacid）。,天然脂肪酸的立体结构（空间填充模型）,硬脂酸,油酸,脂肪酸的理化性质,1.溶解性：非极性烃链是造成脂肪酸在水中溶解低的原因；烃链愈长，溶解度越低。脂肪酸的羧基具有极性，在中性pH时可发生电离，因此短链脂肪酸（少于10碳）略能溶于水。2.熔点：相同链长的情况下，非饱和脂肪酸的熔点比饱和脂肪酸低，双键数目多的不饱和脂肪酸熔点比双键少的低。顺式异构体的熔点比反式低。而且，熔点也受烃链长度和不饱和程度的影响。如图所示：,脂肪酸和含脂肪酸化合物的物理性质很大程度上决于脂肪酸烃链的长度与不饱和程度。,脂肪酸盐与乳化作用,脂肪酸盐（如钠皂和钾皂）属III类极性脂质，具有亲水基（电离的羧基）和疏水基（长的烃链），是典型的两亲化合物，是一种离子型去污剂（ionicdetergent）。去污剂都是两亲分子，在油水混合物中，疏水部分（hydrophobicpart）被吸引到油，亲水部分（hydrophilicpart）被吸引到水，在油水界面处形成单分子层，由于去污剂是可溶性脂，当浓度增加（大于cmc）时，在水中倾向于形成微团，亲水部分朝外，疏水部分聚集在中心。搅拌油水混合物时，大堆的油可分散成细小油滴，如果无去污剂存在，油滴很快聚集成原来的油层，然而有去污剂存在，油滴被裹上一层去污剂，既油滴处于微团中。这样，油滴作为亲水物体悬于水中而成乳胶（emulsion），此过程称为乳化（emulsification），去污剂也称为乳化剂。,必需多不饱和脂肪酸,人体及哺乳动物能制造多种脂肪酸，但不能向脂肪酸引人超过9的双键，因而不能合成亚油酸和亚麻酸。因为这两种脂肪酸对人体功能是必不可少的，但必须由膳食提供，因此被称为必需脂肪酸亚油酸和亚麻酸（-亚麻酸）属于两个不同的多不饱和脂肪酸（PUFA）家族：omega-6（第一个双键离甲基末端6个碳的PUFA）和omega-3（第一个双键离甲基末端3个碳的PUFA）系列。缺乏会影响机体代谢，表现为上皮细胞功能异常、湿疹样皮炎、皮肤角化不全、创伤愈合不良、对疾病抵抗力减弱、心肌收缩力降低、血小板聚集能力加强、生长停滞等。,亚油酸（Linoleicacid）,在人体和哺乳类体内能将它转变成-亚麻酸，并继而延长为花生四烯酸。后者是维持细胞膜的结构和功能所必需的，也是合成类二十碳烷（eicosanoid）化合物（包括前列腺素、凝血恶烷和白三烯）的主要前体。而且亚油酸能降低血中胆固醇，防止动脉粥样硬化，可用于预防和治疗心血管疾病。,-亚麻酸（-linolenicacid）,以甘油酯的形式存在于深绿色植物中,是构成人体细胞的主要成分,参与磷脂的合成与分解，可转化为机体必需的生命活性因子DHA和EPA(俗称“脑黄金”)。缺乏会引起机体脂质代谢紊乱，导致免疫力降低、健忘、疲劳、视力减退、动脉粥样硬化等症状的发生。尤其是婴幼儿、青少年如果缺乏-亚麻酸类物质的摄入，就会严重影响其智力正常发育。在降血脂、降血压、抗血栓、抗动脉粥样硬化、乃至提高机体免疫力和抗癌等方面的药用价值已得到充分肯定。,三酰甘油和蜡,动、植物油脂的化学本质是酰基甘油，其中主要是三酰甘油；此外，还有二酰甘油，单酰甘油。常温下，呈液态的酰基甘油称为油，呈固态的称为脂。,三酰甘油（triacylglycerol）也称甘油三酯（triglyceride）,是由甘油和脂肪酸形成的三脂（triester）。,三酰甘油的类型及二酰甘油、单酰甘油,甘油酯中脂肪酸为同一种脂肪酸的为单纯甘油酯(simpleglycerides)，两种或两种以上的为混合甘油酯(mixedglycerides)。甘油与单个脂肪酸所形成的脂称为甘油单酯（单脂酰甘油monoacylglycerol），与2个脂肪酸形成的酯称为甘油二酯(二脂酰甘油diacylglycerol）。大多数天然油脂是简单甘油三酯和混合甘油三酯的复杂混合物。,三酰甘油的物理和化学性质,1.物理性质(1)颜色和气味纯的三酰甘油是无色、无嗅、无味的稠性液体或蜡状固体。天然油脂的颜色来自溶于其中的色素物质(如类胡萝卜素)；气味少数是由于油脂中的挥发性短链脂肪酸所至，一般是由于非油脂成分引起的。(2)密度和溶解度三酰甘油的密度均小于1gcm3，三酰甘油不溶于水，略溶于低级醇，易溶于乙醚、氯仿、苯和石油醚等非极性有机溶剂，称脂溶剂。(3)熔点天然油脂由于都是多种三酰甘油的混合物，因此没有明确的熔点，只有一个大概范围。三酰甘油的熔点与其脂肪酸组成有关，一般随组分中不饱和脂肪酸(双键数目)和低相对分子质量脂肪酸的比例增高而降低。,（1）.水解和皂化三酰甘油能在酸、碱或脂酶的作用下水解为脂肪酸和甘油。如果在碱溶液中水解，产物之一是脂肪酸的盐类(如钠、钾盐)，俗称皂；油脂的碱水解作用称皂化作用。皂化1g油脂所需的KOHmg数称为皂化值(价)。皂化值是三酰甘油中脂肪酸平均链长即三酰甘油(TG)平均相对分子质量的量度式中56是KOH的Mr；中和1molTG需要3molKOH，此皂化值=3molKOH1molTG=3561000/Mr。,TG平均分子量=3561000皂化值,2.化学性质,氢化和卤化（加成反应）,油脂分子中的不饱和脂肪酸能与氢或卤素起加成反应（additionreaction）。在催化剂如Ni的存在的情况下油脂中的不饱和双键与H2发生加成反应使油脂被饱和的过程称为氢化（hydrogenation）。氢化作用可将液态的植物油转变为固态脂，从而防止酸败。不饱和油脂与卤素中的溴或碘发生加成而形成饱和卤化质的过程称为卤化（halogenation）。卤化反应中吸收卤素的量反映了不饱和键的多少。通常用100g油脂卤化时所能吸收碘的克数碘值(价)（ioninevalue）来表示油脂的不饱和程度。,乙酰化作用和乙酰化值,1.含羟脂肪酸(如蓖麻油酸,12-羟十八碳-9-烯酸)的油脂可与乙酸酐或其他酰化剂作用形成乙酰化油脂或其他酰化油脂的过程称为乙酰化作用（Acetylation）。2.油脂的羟基化程度一般用乙酰化值(价)表示。乙酰化值（AcetylationNumber）指中和从1g乙酰化产物中释放的乙酸所需的KOHmg数。,酸败和自动氧化,天然油脂长时间暴露在空气中会产生难闻气味的现象称为酸败（rancidity）。酸败的原因有两个：.油脂的不饱和成分发生自动氧化（autoxidation），产生过氧化物并进而降解成挥发性醛、酮、酸的复杂混合物（主要）；.微生物通过自身的作用把油脂分解为游离的脂肪酸和甘油，在这些分解产物中一些低级脂肪酸具有挥发性臭味。酸败程度一般用酸值(价)来表示。所谓的酸值（acidvalue）即中和1g油脂中的游离脂肪酸所需的KOHmg数。,蜡（Wax）,磷脂（Phospholipid）,磷脂是一类含有磷酸和含氮碱的复合脂。包括甘油磷脂和鞘磷脂两类；它们主要参与细胞膜系统的组成，少量存在于细胞的其他部位。甘油磷脂是第一大类膜脂，鞘脂类（包括鞘磷脂和鞘糖脂）。一、甘油磷脂的结构甘油磷脂（glycerophospholipid）也称为磷酸甘油脂（phosphoglycerride）。最简单的磷酸甘油酯是由甘油-3-磷酸衍生而来的，即它的甘油骨架C1和C2位被脂肪酸酯化形成的产物，称3-sn-磷脂酸（3-sn-phosphatidic）。,甘油磷酸(L-glycerol3-phosphate),甘油磷酸的结构通式,常见甘油磷脂的极性头部和电荷量,甘油磷脂结构,-X,双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol),磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol),甘油磷酸的一般性质,1.颜色纯的甘油磷脂为白色蜡状固体。暴露于空气中由于多不饱和脂肪酸的过氧化作用，磷脂颜色逐渐变暗。2.溶解性甘油磷脂溶于大多数含少量水的非极性溶剂，但难溶于无水丙酮，用氯仿-甲醇混合液可从细胞和组织中提取磷脂。3.带电性在生理pH(7左右)时，甘油磷脂分子的磷酸基带1个负电荷；胆碱或乙醇胺带1个正电荷；丝氨酸带1个正电荷和1个负电荷；肌醇和甘油基不带电荷。,4.水解情况用弱碱水解甘油磷脂产生脂肪酸盐和甘油-3-磷酰醇。用强碱水解则生成脂肪酸盐、醇和甘油-3-磷酸。甘油磷脂的酯键和磷酸二酯键能被磷脂酶专一地水解。这些脂酶根据所水解的部位不同分别命名为磷脂酶A1，A2，C和D；磷脂酶A1广泛分布于生物界；磷脂酶A2主要存在于蛇毒，蜂毒和哺乳类胰脏(酶原形式)；磷脂酶C来源于细菌及其他生物组织；磷脂酶D存在于高等植物中。,水解作用,5.磷酸属于两亲脂质、成膜分子，在水中可形成双分子微囊。,鞘磷脂（Sphingomyelin）,鞘磷脂即鞘氨醇磷脂（phosphingolipid），在高等动物的脑髓鞘和红细胞膜中特别丰富，也存在于许多植物种子中。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。,鞘磷脂分子的立体结构,1.鞘氨醇（sphingomyelin）,鞘氨醇(Sphingosine),2.神经酰胺（ceramide，Cer）,鞘氨醇分子的C1，C2和C3携有3个功能基(OH，NH2，OH)，很像甘油分子的3个羟基。当脂肪酸通过酰胺键与鞘氨醇的NH2相连，则成神经酰胺，结构上与二酰甘油相似。神经酰胺是鞘脂类(鞘磷脂和鞘糖脂)共同的基本结构。,是神经酰胺的1-位羟基（伯醇基）被磷酰胆碱或磷酰乙醇胺酯化形成的化合物。鞘磷脂也和甘油磷脂一样具有两条烃链和一个极性头基。,.鞘磷脂（sphingomyelin）,糖脂,糖脂是指糖通过其半缩醛羟基以糖苷键与脂质连接的化合物。鉴于脂质部分的不同，可分为鞘糖脂、甘油糖脂以及有类固醇衍生的糖脂。一、鞘糖脂（glycosphingolipid）为神经酰胺1-位羟基经糖基化所形成的糖苷化合物，与鞘磷脂同属于鞘脂类。根据糖基是否喊有唾液酸或硫酸基成分中性鞘糖脂和酸性鞘糖脂二、甘油糖脂（glycerolycolipid）,常见的几种鞘糖脂,鞘糖脂可以决定人的血型,神经节苷脂是最重要的鞘糖脂，在神经系统末梢中的含量丰富，种类繁多。可能在神经冲动传递中起重要作用。GM1,D-半乳糖,N-乙酰-D-半乳糖,D-半乳糖,D-葡萄糖,GM3,GM2,N-乙酰神经氨酸,硬脂酸,鞘氨醇,Tay-Sachs病脑细胞电镜照片,神经节苷脂GM1的降解途径,萜和类固醇,萜和类固醇与前述的各类脂质不同，一般不含脂肪酸，属不可皂化脂质。但在生物体内这两类脂质也是以乙酸为前体合成的。它们在生物体内含量虽不多，但不少是重要的活性脂质。一、萜（terpene）萜分子的碳架可看成是由两个或多个异戊二烯单位连接而成。连接方式一般是头尾相连，也有尾尾相接的（见p110）。形成的萜类可以是直链的，也可以是环状分子；可以是单环、双环和多环化合物。1.萜的分类：,根据所含的异戊二烯的数目、萜可分为单萜、双萜、三萜和多萜等。由两个异戊二烯（碳原子数为C10）构成的萜称单萜，由3个异戊二烯（C15）构成的称倍半萜，由4个异戊二烯（C20）构成的称双萜，其余依此类推。,类固醇,是由3个六元环(A、B、C环)和一个五元环(D环)稠合而成（见p112）。D环称环戊烷，ABC稠合环是菲的衍生物，称多氢菲，在环戊烷多氢菲的A，B环之间和C，D环之间各有一个甲基(18，19)，称角甲基，带有角甲基的环戊烷多氢菲称甾核是类固醇的母体。甾核碳原子的编号从A环开始。,类固醇也称甾类（steroid），这类化合物的结构以环戊烷多氢菲为基础。,2,胆固醇(Cholesterol),胆固醇也是两亲分子，但它的极性头基（C3上的羟基）弱小，而非极性部分（甾核核C17上的烷烃侧链）大而有刚性。,1.分布及特性胆固醇在脑、肝、肾和蛋黄中含量很高，它是最常见的一种动物固醇。胆固醇主要存在于动物细胞，参与膜的组成，质膜中的含量比细胞器膜中的多。胆固醇也是血中脂蛋白复合体的成分；并与粥样硬化有关，它是动脉壁上形成的粥样硬化斑块成分之一。存在于皮肤中的7脱氢胆固醇在紫外线作用下转化为维生素D胆固醇也是类固醇激素和胆汁酸的前体。胆固醇除人体自身合成外，尚可从膳食中获取。胆固醇既是生理必需的，但过多时又会引起某些疾病。例如胆结石症的胆石几乎是胆固醇的晶体，又如冠心病患者血清总胆固醇含量很高，超过正常值(3.306.20mmolL)上限。因