脂类和生物膜化学.ppt

第一节概述,一、脂质的概念二、脂质的分类三、脂类的生理功能,一、脂质的概念,脂质是醇与酸缩合的产物脂质或称脂类（lipids）是由脂肪酸与醇作用生成的酯及其衍生物。脂质包括的范围很广，这些物质虽然在化学成分和化学结构上有较大差异，但它们都具有脂质特有的性质。脂质通常是水不溶性化合物脂质的显著特点是一般不溶于水，而溶于乙醚、三氯甲烷、苯等有机溶剂,这种能溶于有机溶剂而不溶于水的特性称为脂溶性。但这并不是绝对的，由低级脂肪酸构成的脂质就溶于水。即使是完全不溶于水或很少溶于水的脂质，在高温高压下也能大量溶于水。,二、脂质的分类,脂质可按不同的方法分类，常用的分类法是根据脂质的主要成分进行分类，依照此原则可将脂质分为单脂和复脂。单脂（simplelipids）是由各种高级脂肪酸和醇构成的酯，如通常所说的油脂等。复脂（complexlipids）除了含有脂肪酸和各种醇以外，还含有其他成分的酯，如结合了糖分子的称为糖脂（glycolipids)；结合有磷酸的称为磷脂（phopholipids)；还有脂蛋白（lipoproteins）等。复合脂质往往兼有两种不同化合物的理化性质，因而具有特殊的生物学功能。,三、脂类的生理功能,结构组分磷脂是生物膜的主要成分储存能源脂质是机体的储存燃料溶剂脂质是一些活性物质的溶剂保温和保护脂质是润滑剂和防寒剂其他参与机体代谢调节,结构组分磷脂是生物膜的主要成分,磷酸甘油酯简称磷脂(phosphohpids)，是一类含磷酸的复合脂质。它广泛存在于动植物和微生物中，是一种重要的结构脂质。具有降低表面张力的特性，主要集中在原生质表面，特别是细胞的膜结构中，是细胞膜所特有的主要组分，细胞所含有的大部分磷脂都集中在生物膜中。生物膜所特有的柔软性、选择透性以及高电阻性都与其所含的磷脂有关。,储存能源脂质是机体的储存燃料,脂质本身的生物学意义在于它是机体代谢所需燃料的储存形式。摄取的营养物质超过正常需要量，大部分能量要转变成脂肪并在适宜的组织中积累下来；当营养不够时，可以对其进行分解供给机体所需能量。,溶剂脂质是一些活性物质的溶剂,有些生物活性物质必须溶解于脂质中才能在机体中运输并被机体吸收利用，如脂溶性维生素，脂类物质可以促进这类物质的吸收，而这些物质在体内起着重要的调节细胞代谢的作用。在此，脂质充当了良好的溶剂。,保温和保护脂质是润滑剂和防寒剂,在机体及其组织器官的表面，脂质可以起到润滑剂的作用，有效防止机械损伤。另外，皮下脂肪等还能防止热量散失，起防寒剂的作用。,其他参与机体代谢调节,脂类中的胆固醇在人体可以转化成多种激素类物质，如肾上腺皮质激素和性激素等，进而调节人体的代谢。脂类物质在代谢过程中产生的一些中间产物，如甘油二酯、共磷酸肌醇等是体内重要的代谢调节物质，起细胞内信号传递的作用。,第二节油脂的结构和性质,油脂广泛存在于动植物中，是构成动植物体的重要成分之一。油脂是油和脂的总称，习惯上把常温下呈液态的叫油（oil），呈固态或半固态的叫脂（fat）。但这种区分不是严格的，从化学结构来看均为甘油和脂肪酸所组成的酯。,结构三酰甘油是甘油的脂肪酸酯,最常见的油脂是三酰甘油（triacylglyoerol)，即1分子甘油和3分子脂肪酸缩合而成的酯。甘油（glycerol）即丙三醇，为无色无臭略带甜味的粘稠液体，可与水、乙醇以任意比例互溶。甘油用途极为广泛，可作为防冻剂、防干剂、柔软剂等。另外甘油还广泛用于化妆品、医药、国防等领域。,甘油分子中共含3个羟基，所以可逐一被脂肪酸酰化。如果甘油只有1个羟基或2个羟基被脂肪酸酯化，则分别称为单酰甘油（monoacylglycerol）和二酰甘油（diacylglycerol）。油脂的结构通式如下：,结构式中，R1、R2、R3为各种脂肪酸的烃基。R1、R2、R3相同的，称为单纯甘油酯（simpletriacylglycerols）；R1、R2、R3有2个或3个不同者，称为混合甘油酯（mixedtria-cylglycerols）。,脂肪酸脂肪酸是一元羧酸,组成油脂的脂肪酸（fattyacid）是有机羧酸，含有1个长的碳氢链（烃基）及1个末端羧基。烃基含碳原子数为3-33个，其中含12-20个碳原子的脂肪酸占多数，称为高级脂肪酸。脂肪酸的烃基有饱和的，如硬脂酸和软脂酸；也有不饱和的，如油酸（oleicacid）和亚油酸（liaoleicacld）等。饱和脂肪酸构成的脂质在常温下多为固态，而不饱和脂肪酸构成的脂质在常温下多为液态。,不饱和脂肪酸中的双键，在一定条件和催化剂作用下，可以与氢或卤素起加成反应，生成饱和脂肪酸。与卤素的加成反应也称作卤化作用（halogenation)，利用这一性质可以推断油脂中脂肪酸的不饱和程度，具体用碘值来表示。碘值（iodinenumber）是指在油脂的卤化作用中，100g油脂与碘作用所需碘的质量（g），用下式计算：,式中，v为滴定时用去的硫代硫酸钠的体积，mL;N为硫代硫酸钠的浓度；127为碘相对原子质量；,m为样品油脂质量，g。碘值越大，说明油脂中所含的不饱和脂肪酸越多，油脂的不饱和程度就越大。在油脂工业中，常用加氢的办法使不饱和脂肪酸转变为饱和脂肪酸（产物称为氢化油）。,二、油脂的性质,1溶解性三酰甘油不溶于水2皂化作用脂肪酸水解生成肥皂3乳化作用肥皂去污是脂肪的乳化作用4自动氧化脂肪的自动氧化及其防止,1溶解性三酰甘油不溶于水,三酰甘油不溶于水，也没有形成高度分散态的倾向，但可溶于乙醚、丙酮、三氯甲烷等非极性溶剂。二酰甘油和单酰甘油因为存在游离羟基，故有形成高度分散态的倾向，其形成的小微粒称为微团。,2皂化作用脂肪酸水解生成肥皂,所有油脂均能被酸、碱和脂肪酶水解，水解的产物是甘油和各种高级脂肪酸。脂肪H2O甘油+3脂肪酸但酸水解是可逆的，而碱水解是不可逆的，因为过量的碱会与分解产生的脂肪酸生成盐，所以其终产物是甘油和各种高级脂肪酸的盐（钠盐或钾盐），后者就是通常所说的肥皂。因此，也把油脂的碱水解过程称为皂化作用（saponification）。反应式如下：,油脂的皂化作用对于油脂的分析鉴定极为重要。人们常常通过皂化值来检测油脂的质量，分析油脂中是否混有其他物质，测定油脂的水解程度，而且可以指示将油脂转化为肥皂所需的碱量。所谓皂化值（saponificationnumber）是指完全皂化1g油脂所需氢氧化钾的质量(mg)，用下式计算：,式中，v为测定皂化值时滴定所用HCI的体积（空白减去样品）,mL;N为HCI的浓度；56.1为KOH的相对分子质量；m为测定时所用油脂的质量，g。,3乳化作用肥皂去污是脂肪的乳化作用,油脂虽不溶于水，但在乳化剂的作用下，可变成很细小的颗粒，均匀地分散在水中而形成稳定的乳状液，这个过程叫乳化作用（emulsification）。所谓乳化剂是一种表面活性物质，能降低水和油两相交界处的界面张力。在日常生活中，用肥皂去污就是一种典型的乳化作用，以肥皂作乳化剂，把衣物上的油污变成细小的颗粒使之均匀地分散在水中，以达到去污的目的。,4自动氧化脂肪的自动氧化及其防止,油脂在空气中暴露过久，就会产生一种难闻的臭味，这种现象称为油脂的酸败(rancidity）。酸败是由油脂的白动氧化或微生物作用造成的。酸败的化学本质一方面是油脂中不饱和脂肪酸的双键在空气中氧的氧化作用下成为过氧化物，过氧化物继续分解生成有臭味的低级醛、酮、羧酸和醛或酮的衍生物。油脂酸败的另一个原因是霉菌或脂酶将油脂水解成低级脂肪酸，脂肪酸再经过-氧化过程（见第十章第二节）生成-酮酸，-酮酸脱羧最终生成低级酮类物质。,铜、铁等金属盐以及光、热、潮湿都可加速油脂的自动氧化。油脂酸败的反应如下：油脂酸败的程度一般用酸值来表示。酸值（acidnumber）是指中和1g油脂中的游离脂肪酸所需要的KOH的质量（mg）。油脂的酸败程度越高，酸值也就越大。所以酸值可以用来监测油脂的品质。,第三节磷脂和固醇类,一、磷脂二、固醇类,1甘油磷脂甘油磷脂是磷脂酸衍生物,油磷脂也称磷酸甘油酯（phospholiplds)，实际上为磷脂酸的衍生物。磷脂酸（phosphatidicacid）为磷脂的母体物质，其结构为1,2-二脂酰-3-磷酰甘油。甘油磷脂中常见的是磷脂酰胆碱（卵磷脂，phosphatidylcholines或lecithin）和磷脂酰乙醇胺（脑磷脂，Phos-phatidylethanolamines或cephalin)，在动物的心、脑、肾、肝以及禽蛋的卵黄中含量最为丰富。甘油磷脂均含有甘油、脂肪酸、磷酸及碱性化合物（胆碱或胆胺）或其他成分，它们的结构通式如下：,其中，R1通常为饱和脂肪酸基;R2为不饱和脂肪酸基；X为胆碱（卵磷脂）、胆胺（脑磷脂）、丝氨酸（丝氨酸磷脂，serinephosphoglycerides）、肌醇（肌醇磷脂，inosltolphospholipid）等，而存在于线粒体膜中的心磷脂含有2分子磷脂酸。它们的结构如下：,1967年国际理论和应用化学联合会及国际生物化学联合会的生物化学命名委员会建议对甘油磷脂采取下列命名原则：,将甘油的3个碳原子指定为1、2、3（其顺序不能颠倒）。第二个碳原子的羟基用投影式（Fischer式）表示，一定要放在左边，位于碳2上面的碳原子称为碳1，位于碳2下面的碳原子称为碳3。这种编号称为立体专一编号，用Sn表示，写在化合物名称的前面。根据这一命名原则，磷酸甘油的命名如下：,2鞘磷脂神经磷脂是鞘氨醇衍生物,（神经）鞘磷脂（sphingomyelin）大量存在于神经组织和脑内，是动植物细胞膜的重要组分。神经鞘磷脂分子中不含甘油，它是由磷酸、脂肪酸、胆碱以及（神经）鞘氨醇(sphingenine）或二氢（神经）鞘氨醇组成。（神经）鞘氨醇是一个18碳的氨基二醇，目前发现的天然鞘氨醇有30余种，哺乳动物主要含鞘氨醇和二氢鞘氨醇，植物鞘氨醇为4-羟基二氢鞘氨醇。在哺乳动物中常见的结构如下：,神经鞘磷脂与前迷的几种磷脂不同，它的脂肪酸并非与醇基相连，而是借酰胺键与C2上的氨基结合。C1上的羟基再与磷酸胆碱连接，即为神经鞘磷脂。可见在神经鞘磷脂中的酰键位于神经鞘氨醇、磷酸与胆碱之间，因此，在神经鞘磷脂中只有1个脂肪酸分子。神经鞘磷脂的结构如下：,二、固醇类,固醇类（Stcrol）是环戊烷多氢菲（cyclopentanoperhydrophenanthrene）的衍生物，不能被碱皂化，在有机溶剂中容易结晶出来。从严格意义上说，固醇类不应属于脂质类化合物，但由于它们常与油脂共存，所以将其归人脂类中。环戊烷多氢菲是菲的饱和环与环戊烷结合的稠环化合物，结构如下自然界中各种环戊烷多氢菲衍生物不但基本碳架相同，而且所含侧链的位置也往往相同。例如C3上有1个羟基；C10和C13上各有1个甲基，称为角甲基；C17上有侧链，这一大类物质称为甾醇，即固醇。各种固醇类物质都具有上述共同的骨架，差别只是在B环中的双键位置、双键数目以及C17上侧链的结构各不相同。常见的固醇有胆固醇、7-脱氢胆固醇、麦角固醇等。,二、固醇类,1胆固醇胆固醇是甾体活性物质前体2胆酸及胆汁酸胆汁酸是脂肪消化的乳化剂3酵母固醇麦角固醇可转变成维生素D2,1胆固醇胆固醇是甾体活性物质前体,胆固醇（cholesterol）普遍存在丁动物细胞和组织中，尤以神经组织和肾上腺中含量最高。胆固醇的结构如下：胆固醇为白色斜方晶体，无味、无臭，熔点为148.5，高度真空条件下能被蒸馏。由以上结构可以看出，胆固醇分子的一端为一极性头部羟基，因而亲水，而另一端是具有烃链及固醇的环状结构，所以疏水，因此胆固醇与磷脂类化合物都属于两性分子。,7脱氢胆固醇是胆固醇在7、8位上脱氢后的产物，它经阳光或紫外线照射后，能转变成维生素D3。维生素D3参与机体的钙磷代谢，与骨骼的生长发育有关。7-脱氢胆固醇的结构如下：胆固醇还是临床生化检查的一个重要指标，在正常情况下，机体在肝脏中合成和从食物中摄取的胆固醇，将转化为幽体激素或成为细胞膜的组分，并使血液中胆固醇的浓度保持恒定。当肝脏发生严重病变时，胆固醇浓度会降低。而在黄疽性梗阻和肾病综合征患者体内，胆固醇浓度往往会升高。,2胆酸及胆汁酸胆汁酸是脂肪消化的乳化剂,胆汁中的重要成分是胆酸及其衍生物。除常见的胆酸外，还有脱氧胆酸（deoxycholic）、鹅脱氧胆酸（chenodeoxycholicacid）和石胆酸（lithocholicacid）等，它们的结构如下：,在胆汁中，胆酸通常不是以游离状态存在，而是与甘氨酸或牛磺酸结合成甘氨胆酸或牛磺胆酸，称为胆汁酸，并常以钠盐形式存在，称为胆汁酸盐。胆汁酸盐为水溶性的，是种表面活性物质，能将肠道中的脂肪、胆固醇和脂溶性维生素乳化，促进肠壁细胞对它们的吸收。此外，胆汁酸盆还可激活脂肪酶，所以它对脂肪的消化和吸收具有重要的生理意义。,3酵母固醇麦角固醇可转变成维生素D2,在某些植物、酵母和麦角菌等微生物中含有麦角固醇（ergosterol）。它的B环上有2个双键，17位上的侧链是9个碳的烯基。阳光和紫外线的照射可使B环开裂生成维生素D2。麦角固醇的结构为：,此外，在植物中还存在多种固醇，其结构与胆固醇很相似，是植物新陈代谢不可缺少的物质，统称为植物固醇。例如大豆中的豆固醇（stigmasterol）和多种植物中的谷固醇(glusterol)，它们与胆固醇的主要区别在于24位多一个乙基。麦角固醇、豆固醇和谷固醇不能被人体肠道吸收，饭前服用谷固醇还能抑制肠黏膜细胞对胆固醇的吸收，因此可作为一种降低血液中胆固醇含量的药物。,第四节生物膜,生物体的基本结构和功能单位是细胞，生命活动过程中各种代谢反应几乎都是在细胞内进行的。细胞借助细胞膜与外界隔开，使细胞内部形成一个相对稳定的内环境，并通过它与外界进行信息、能量和物质交换。此外，细胞内还存在各种细胞器，包括细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体及过氧化物酶体等，这些细胞器也都是由膜包裹或构成的，细胞膜和各种细胞器膜统称为生物膜（biomembrane）。,第四节生物膜,一、生物膜的组成及结构模型二、生物膜的特性三、生物膜的功能四、膜生物工程,一、生物膜的组成及结构模型,1膜成分生物膜都含有脂质和蛋白质2膜结构液态镶嵌模型是目前公认的生物膜结构模型,1膜成分生物膜都含有脂质和蛋白质,所有的生物膜都由蛋白质和脂质组成。蛋白质的含量因细胞的类型不同而有所差异，但大多数在40一60之间。根据膜蛋白分离的难易及其与脂质结合的牢固程度，可将膜蛋白分为两类：外在膜蛋白或称外周膜蛋白（peripheralmembraneproteins)；内在膜蛋白或称整合膜蛋白（integralmembraneproteins）。后者在所有膜蛋白中占了70以上。外周膜蛋白为水溶性蛋白，靠离子键或其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂质结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以将其抽提出来。而整合膜蛋白与脂质结合紧密，只有用去垢剂（如十二烷基硫酸钠）或伸展剂（如6mol/L盐酸胍）使膜崩解才能将其分离出来。膜蛋白不仅起到结构组分的作用，而且还有许多重要的生物学功能。,组成膜的脂质主要是磷脂（磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺）、糖脂及胆固醇，但不同的膜其组成有明显的不同，这与不同组分在生物膜的功能中所起作用的不同有关。表3-1列出了部分生物膜的化学组成。,组成生物膜的磷脂分子有以下几个主要特征：具有1个极性头部和2个非极性尾部（脂肪酸链），但心磷脂除外，它具有4个非极性的尾部；除饱和脂肪酸外，还常常含有不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸多为顺式结构。磷脂中不饱和脂肪酸对膜的流动性有极大影响，因为磷脂在温度较低时排列成一种半晶体凝胶状，其分子相对不能移动。但在温度较高时，它们可以移动。此时，其疏水基有较大的活动性。于是在这两种状态发生转变时，像溶解过程需要能量一样，其转变点与脂肪酸的饱和度密切相关。,2膜结构液态镶嵌模型是目前公认的生物膜结构模型,对膜结构的认识有一个发展的过程，自从1935年Danielli等提出“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治式的质膜结构模型以来，曾出现过各种其他的模型。但目前为大家所公认的模型是1972年由SingerS.J等人提出的液态镶嵌模型（图3-1）。,图3-1生物膜液态镶嵌模型,液态镶嵌模型（fluid一mosaicmodel）将膜描述为是由蛋白质在黏滞的流体状脂质双层中所形成的镶嵌物。该模型强调以下几点：具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，以疏水性尾部相对（处于膜内部），极性头部朝向膜内外表面水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构，且磷脂双分子层具有一定的流动性；蛋白质分子以不同的方式镶嵌在这种流动的结构中，有的全部镶嵌在脂双层的内部，有的则部分镶嵌在其中，而以它的亲水性残基暴露于膜表面，有些蛋白质还可以穿过膜，两端处于膜两侧的水介质中，包括所谓的“通道蛋白”(channelproteins）和“运载蛋白”(carrierproteins)，膜蛋白可以侧向运动，但不能翻转滚动；生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维结构，但膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之问以及其与膜两侧其他生物大分子间的复杂相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。,二、生物膜的特性,1膜的流动性2膜的不对称性3选择性渗透作用,1膜的流动性,膜的流动性主要指脂质分子的侧向运动，除此之外，还包括膜脂分子围绕轴心的自旋运动、脂分子尾部的摆动以及双层脂分子间的翻转运动。生物膜的流动性很大程度上取决于膜的磷脂分子中不饱和脂肪酸的含量及碳链长度，不饱和程度越高、脂肪酸链越短，膜的流动性越大。膜脂的流动性与温度密切相关，各种膜脂都具有不同的相变温度，在生物膜中膜脂的相变温度是由组成生物膜的各种脂分子的相变温度共同决定的。此外，膜脂的流动性还与膜胆固醇含量相关。膜蛋白在膜中的运动则主要包括旋转运动和侧向扩散运动。,2膜的不对称性,膜的不对称性主要指膜脂、膜蛋白分布的不对称性，进而表现为生物膜的不同部位具有的功能上的不对称性。在膜脂双分子层中，外层以磷脂酰胆碱为主，内层则以磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺为主，同时不饱和脂肪酸主要位于外层；膜蛋白的不对称性表现为膜脂内外两层所含外周蛋白种类及数量的不同，除此之外，外周蛋白和内在蛋白在质膜上也呈不对称分布。膜结构的这种不对称性与其生物学功能密切相关。,3选择性渗透作用,生物膜具有疏水性，因此一些极性化合物及离子不能自由通过生物膜扩散到内部，而需要借助于膜上的蛋白质来完成运输过程，膜蛋白的种类不同，其所能运送的物质也不同，因而具有一定的选择性。,三、生物膜的功能,1物质转运物质转运是生物膜的基本功能2信息传递质膜可将膜外信息传至细胞内3能量转换线粒体膜是能量转换的主要装置4免疫功能细胞膜具有识别外源物质的功能,1物质转运物质转运是生物膜的基本功能,细胞质膜是细胞与环境进行物质交换的通透性屏障，小分子物质进出细胞的方式主要有简单扩散（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）、主动运输（activetransport）等。所谓简单扩散是指物质由浓度高的一侧转运到浓度低的一侧，这种跨膜转运方式既不需要提供能量，也不需要膜蛋白的协助，而是依赖于膜两侧物质的浓度差和分子大小。协助扩散也是物质顺浓度梯度减小方向的跨膜转运，也不需要细胞提供能量。但在扩散的过程中，有特异的膜蛋白“协助”其转运，使转运速率增加、转运特异性增强。这类特异的膜蛋白有两类：载体蛋白和通道蛋白。主动运输与上两种转运方式截然不同，它是物质逆浓度梯度与电化学梯度运输的跨膜运输方式，转运过程中需要ATP直接提供能量，并需要特定膜蛋白的参与。例如K和Na+逆浓度梯度与电化学梯度输入和输出的