生物化学第三章脂类化学与生物膜课件

生物化学第三章脂类化学与生物膜1.定义：脂肪和类脂化合物总称为脂类化合物。生物脂类是一类范围很广的化合物，化学成分及构造差异极大；脂类的特点就是水不溶性(waterinsoluble)〔即脂溶性，fat-soluble〕，因此，多数脂类都易溶于乙醚、氯仿、己烷、苯等有机溶剂，而不溶于水。一般由醇和脂肪酸组成。醇包括甘油、鞘胺醇、高级醇、固醇等。第一节脂类概述2.分类〔根据化学构造及脂的组成〕：脂类单纯脂质：由脂肪酸和醇形成，包括脂肪、油和蜡复合脂质：还含有非脂成分，包括磷脂和糖脂衍生脂质：前两者的衍生物以及由假设干异戊二烯碳骨架构成的物质，包括多萜类及固醇和类固醇类等L-α-磷脂酰胆碱胆碱部分3.脂类的功能脂肪和油是很多生物主要能量贮存形式；磷脂及固醇组成了生物膜约一半的局部；有些脂类虽然数量相对较低，但在酶的辅助因子、电子载体、光吸收色素、疏水稳定体、乳化剂、激素及胞间信息等方面都起着关键作用；还有些脂类有防止机械损伤及防止热量散发的保护作用；必需脂肪酸和脂溶性维生素、激素等的溶剂；蜡。第二节脂肪1.脂肪酸碳链为4-36碳的碳氢化合物的羧酸，这些碳链在一些脂肪酸中为饱和的不分支脂肪酸，而其他的那么含有一个或多个双键，也有一些含有三碳的环或含有羟基；其中的亚油酸〔Linoleicacid〕、亚麻酸〔Linolenicacid〕和花生四烯酸〔Arachidonicacid〕为人体必需脂肪酸〔Essentialfattyacids〕。自然界一些常见的脂肪酸饱和脂肪酸：软脂酸〔棕榈酸〕，n-十六酸，16:0硬脂酸，n-十八酸，18:0花生酸，n-二十酸，20:0不饱和脂肪酸：1-6个双键油酸：顺-十八碳-9-烯酸，18：1△9c，亚油酸：顺，顺-十八碳-9，12-二烯酸，18：2△9c，12cα-亚麻酸：全顺-十八碳-9，12，15-三烯酸，18：3△9c，12c，15c花生四烯酸：全顺-二十碳-5，8，11，14四烯酸，20：4△5c，8c，11c，14c2、甘油三酯脂肪酸与甘油形成的最简单的脂类是甘油三酯，也称为三脂酰甘油、脂肪或中性脂肪。甘油与单个脂肪酸所形成的脂称为甘油单酯〔单脂酰甘油〕，与2个脂肪酸形成的酯称为甘油二酯〔二脂酰甘油〕。甘油酯中脂肪酸为同一脂肪酸的为单纯甘油酯，脂肪酸有两种或两种以上的为混合甘油酯。天然甘油酯多为混合甘油酯，形成甘油酯的脂肪酸种类很多，可以是饱和的，也可以是不饱和的，含不饱和脂肪酸较多的甘油酯室温下为液体，被称为油〔oil〕，含饱和脂肪酸较多的甘油酯室温下为固体，被称为脂肪〔fat〕，前者多见于植物体，后者多见于动物体。甘油三酯的贮存能量和保温作用：真核细胞中，甘油三酯在水相介质中成微小油滴状独立构造，作为代谢燃料的贮藏库，脊椎动物中这些特化的细胞被称为脂肪细胞。甘油三酯还贮藏在多种植物的种子中，提供种子萌发时所需能量及生物合成的前体物质。甘油三酯因碳链长且复原度高较糖贮藏的能量更多〔二倍〕，再者，甘油三酯的疏水性保证了运输中不必运送额外的水化物的重量。人体脂肪组织约有15-20kg甘油酯，足够数月的能量供给，相反人体可能只贮存少于一天人体需要能量的糖元。一些动物中，皮下贮存的甘油酯不仅是一种能量，还可对于极低温度对生物体产生保温作用，海豹、海象、企鹅及热血的极地动物都被非常丰厚的甘油酯所覆盖，冬眠的动物〔如熊〕在冬眠前要积累大量的脂肪，及时贮能、又是保温。甘油三酯的物理性质溶解度：水不溶性，也无形成高度分散的倾向，甘油二酯和甘油单酯含-OH，可形成高度分散态。熔点：由脂肪酸组成决定，随饱和脂肪酸数目及碳链长度的增加而增加。光学性质：甘油本身无光学活性，C1及C3的脂肪酸不同时，C2为不对称碳有光学活性。甘油三酯的化学性质：皂化反响酸败和酸值〔酸价〕卤化和碘价〔碘化值〕氢化作用甘油三酯的酯键对酸碱敏感，可被水解，脂肪在KOH或NaOH条件下加热，可产生甘油和脂肪酸的钠或钾盐，这种盐被称为皂。水解1g甘油三酯所需KOH的mg数为皂化值。a.皂化反响从皂化值的数量可略知混合脂肪酸或混合脂肪的平均相对分子量=3561000/皂化值。硬脂酸甘油酯b.酸败和酸值〔酸价〕脂肪长期暴露于潮湿闷热的空气中，受到空气的作用，游离脂肪酸被氧化、断裂生成醛、酮及低分子量脂肪酸，产生难闻的恶臭味，称之酸败。中和1g油脂中游离脂肪酸所消耗KOH的mg数称为酸值〔酸价〕，可表示酸败的程度。酸值是衡量油脂品质的主要参数之一。一般酸值大于6的油脂不宜食用。c.卤化和碘价〔碘化值〕油脂中不饱和双键与卤素发生加成反响，生产卤代脂肪酸，称为卤化作用。100g油脂所能吸收的碘的克数—碘价〔碘化值〕，可以用来判断油脂中不饱和双键的多少。d.氢化作用：在Ni的作用下，甘油酯中的不饱和双键可以与H2发生加成反响，油脂被饱和，液态变为固态，可防止酸败。第三节类脂类脂化合物通常是指磷脂、蜡和甾体化合物等。虽然它们在化学组成和构造上有较大差异，但由于这些物质在物态及物理性质方面与油脂类似，因此把它们称为类脂化合物。三、蜡一、复合脂二、萜类和固醇类化合物脂和其它化合物的复合物。包括磷脂、糖脂、硫脂、脂蛋白等，其中最重要的是磷脂。一、复合脂甘油磷脂：甘油、脂肪酸、磷酸和一分子氨基醇(如胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇)组成。1、磷脂胆碱基乙醇氨基2.鞘磷脂：以鞘氨醇代替了甘油。含有一个或多个糖残基的脂类，分为糖鞘氨脂和糖甘油脂；糖鞘氨脂也是神经鞘氨醇的衍生物，构造与鞘磷脂很相似，只是糖基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。糖鞘氨脂分布很广，几乎所有的动物细胞都有，特别是神经细胞含量丰富。糖甘油脂是以甘油代替了鞘氨醇，在植物和细菌中含量较多。3.糖脂〔1〕细胞构造的刚性〔2〕抗原的化学标记血型抗原〔3〕细胞分化阶段可鉴定的化学标记〔4〕调节细胞的正常生长〔5〕授予细胞与其它生物活性物质的反响性倾向。硫脂是分中含有硫酸的脂类。有两类：一类是含有糖残基的硫脂，主要存在于植物膜中，例如叶绿体片层膜中的6-磺基-6-脱氧-葡萄糖甘油二脂；另一类是存在于一些藻类膜中的烷基硫酸和氯化烷基硫酸。4.硫脂血浆脂蛋白可以把脂类(三酰甘油、磷脂、胆固醇)从一个器官运输到另一个器官。〔1〕乳糜微粒，运输甘油三酯和胆固醇脂，从小肠到组织肌肉和脂肪组织。〔2〕极低密度脂蛋白VLDL在肝脏中生成，将脂类运输到组织中。〔3〕低密度脂蛋白LDL，把胆固醇运输到组织。〔4〕高密度脂蛋白(HDL，1.063-1.210g/cm3)，也是在肝脏中生成，去除细胞膜上过量的胆固醇。5.血浆脂蛋白与前述的各类脂质不同，不含有脂肪酸，属于不可皂化脂质。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然不多，但不少是重要的活性脂质。二、萜类和固醇类化合物萜分子碳架可以看成是由两个或多个异戊二烯单位连接而成。可以头尾相连，也可以尾尾相连。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.萜类含有环戊烷多氢菲为根底的一类醇、酸及其衍生物。环戊烷多氢菲由四个固定环组成的类固醇的母核，四个环中的三个为六碳环，一个为五碳环，这种母核为环戊烷多氢菲母核，整个环几乎是平面、僵硬的，C-C之间不能旋转。包括：固醇、固醇衍生物。2.固醇类〔甾类〕胆固醇及其衍生物胆固醇的分布及功能：脑及神经组织中，肝、肾、肾上腺、卵巢等都有合成固醇激素的腺体。胆固醇是生物膜的重要成分；胆固醇是合成胆汁酸、类固醇激素、维生素D等生理活性物质的前体。睾酮和雌甾醇分别是天然的雄性和雌性激素，有促进动物的发育、生长及维持性特征的作用。黄体酮使受精卵在子宫中发育，临床上用于治疗习惯性流产。也具有抑制脑垂体促性腺素的分泌，卵巢得不到促性腺素的作用，阻止了排卵，因而可用于避孕。生物体的蜡由长链的饱和及不饱和脂肪酸(14-16C)与长链的醇〔16-30C〕形成的酯，是蜂蜡的主要成分。蜡的熔点为60-80℃，较甘油酯的为高。蜡因其防水性和坚硬度有广泛应用：脊椎动物一些皮腺分泌的蜡质保护它们的毛发和皮肤以保持它们的柔顺、润滑及防水；鸟类尤其水鸟由口腺分泌蜡质而使它们的羽毛不透水；一些热带植物被一层蜡质包裹以抵抗寄生物和水分的过分蒸腾。生物的蜡有一定的药学、化装品及其他工业用途，如用于洗涤剂、油膏及擦光剂等。三、蜡细胞中的多种膜性构造统称为生物膜〔biologicalmembranes﹠biomembranes〕。细胞膜和内膜系统称为生物膜。第四节生物膜细胞膜：生物的根本构造和功能单位是细胞〔cell〕，任何细胞都以一层薄膜〔厚度约6～10nm〕将其内含物与环境分开，这层薄膜称细胞膜或原生质膜或质膜〔plasmamembrane〕。内膜系统：大多数细胞中还有许多内膜系统，它们组成具有各种特定功能的亚细胞构造和细胞器，这些细胞内膜主要包括组成细胞核的核膜、组成线粒体的线粒体膜以及内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜、过氧化酶体膜、植物和某些藻类细胞的叶绿体膜等。与真核细胞相比，原核细胞内膜系统不很丰富，只有少量的膜构造。生物膜的重要性：生物膜构造是细胞构造的重要组成局部。在真核细胞中，膜构造约占整个细胞干重的70％～80％。这些膜构造不仅与细胞骨架一起提供了细胞赖以生存的空间，即构成了维持细胞内环境相对稳定的有高度选择性的半透性，是生命活动的主要构造根底。它们直接参与物质转运、能量转换、信息传递、细胞识别等重要的生命活动。细胞的形态发生、分化、生长、分裂以及细胞免疫、代谢调控、神经传导、肿瘤发生、吞饮与分泌作用、药物和毒物的作用、生物体对环境的反响等等，都与生物膜有密切的联系。研究生物膜的重要意义：生物膜的研究不仅只有重要的理论意义，而且在工、农、医实践方面也有很广阔的应用前景。在医药方面，用磷脂和能识别癌细胞外表抗原的抗体制成内含抗癌药物的微囊，能定向地杀死癌细胞。在工业方面，正在模拟生物膜选择透性的功能，一旦成功将大大提高污水处理、海水淡化以及工业副产品回收的效率。在农业方面，从细胞膜构造与功能的角度来研究农作物的抗寒、抗旱、耐盐、抗病的抗性机理，这方面的研究成果将为农业增产带来显著成效；70年代以来，生物膜的研究已深入到生物学的各个领域，取得了一系列进展，已经展示了这门年轻学科有广阔的前景。目前生物膜的研究已成为现代生命科学研究的焦点之一。生物膜的化学组成：主要由蛋白质和脂质组成，此外还有少量的糖类、水、金属离子等。其组成成分尤其是蛋白质和脂质的比例，因膜的种类不同可以有很大的差异，范围从1：4到4：1。一般说来，功能复杂或多样的生物膜其膜蛋白所占的比例较大；相反，膜功能简单，其膜蛋白的种类和含量越少。

生物膜膜蛋白膜脂质糖类水金属离子

磷脂糖脂硫脂胆固醇甘油磷脂鞘磷脂脂质:构成生物膜的脂质主要是磷脂，此外还有糖脂、胆固醇等。不同细胞其脂质组成差异很大，仅从某一细胞生物膜的组成来看也不是一成不变的，它随着细胞的生长、分化、外界条件等改变而改变。膜蛋白:

根据粗略估计，细胞中大约20％～25％的蛋白质是与膜结合存在的。不同的生物膜，膜蛋白含量相差很大。神经细胞膜只含三种蛋白质，含量为18％，细菌质膜及线粒体内膜蛋白质含量都超过75％，种类在60种以上。实验证明，功能越复杂多样的膜，膜蛋白含量越高，种类也越多。糖类：生物膜中含有一定的糖类，它们主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。膜中的糖以寡糖链共价键结合于蛋白、鞘磷脂上，形成糖蛋白和糖脂。糖类在细胞质膜和细胞内膜系统都有分布，但分布是不对称的，全局部布在非细胞质的一侧，即：质膜中所有的糖类均暴露在细胞外外表；细胞内膜系统的糖类那么朝向内膜系统的内侧。水和金属离子：据估计水占膜重量的30％，其中大局部呈结合状态。膜上金属离子和一些膜蛋白与膜的结合有关，例如Ca2+对调节膜的生物功能有重要作用，Mg2+对ATP酶复合体与膜的结合有促进作用。生物膜的构造〔一〕膜脂的构造特点〔二〕膜蛋白的构造特点〔三〕膜脂与膜蛋白的相互作用〔四〕生物膜的构造模型〔一〕膜脂的构造特点1.形成脂质双分子层的构造两性分子〔在一个分子中既含极性局部又含非极性局部〕在水溶液中能迅速地在水-空气界面形成单分子层，极性头部与水接触，疏水的尾部伸向空气一侧。如参加较多量的膜脂，使水-空气界面到达饱和，膜脂分子就形成囊团和双层微囊。大多数天然膜脂更倾向于双层微囊的形式。脂质双分子层的构造构成了生物膜的根本骨架。2.脂质双分子层两侧分布的不对称性脂双层的内外两侧是不对称的，不对称性主要决定于磷脂的头部。脂双层内侧是含有氨基的磷脂，有丝氨酸磷脂〔PS〕、肌醇磷脂〔PI〕、乙醇胺磷脂〔PE〕,有较强的负电性；胆碱磷脂〔PC〕及鞘磷脂〔SM〕在脂双层的外侧。内外两侧磷脂的脂肪酸也不完全一样，PC及SM多为饱和脂肪酸，PS、PE含不饱和脂肪酸较多。现在有三种酶维持生物膜脂双分子层两侧的正常不对称性：①氨基磷脂转移酶它可以使PS及PE从脂双层的外层转入内层，而对PC无此作用，对PS的翻转速度比PE快5～10倍。②依赖ATP的翻转酶对PE，PS，PC都有作用，它可将脂双层内层的脂质翻转到外层，与氨基磷脂转移酶作用相反，但速度为它的1/10。③脂质爬行酶依赖钙离子活化，可在几分钟内在脂双层双相翻转。3.膜脂的运动近年来生物物理及物理技术的开展，可以快速准确地测出分子的运动。应用不同的荧光探针，可以在磷脂分子内分别结合到脂肪酸的长链、甘油骨架及碱基〔如胆碱〕上，测出磷脂不同部位的运动速度及偏转的角度，可以看出其运动状态。膜脂的根本组分在生理状态下处于相对流动状态，膜脂的运动有以下三种方式。外周蛋白：外周蛋白通过离子键和氢键与膜脂的极性头相结合，它不伸入脂双层中。外周蛋白较易别离。外周蛋白一般约占膜蛋白的20％～30％，这类蛋白质可溶于水。整合蛋白：整合蛋白约占膜蛋白的70％～80％，它们主要通过疏水作用而结合在膜上。全部或局部插入脂双层中，有的贯穿整个脂双层。与膜脂结合很严密，不易与膜别离，这类蛋白质的特征是水不溶性。(二)膜蛋白的构造特点膜蛋白的运动膜蛋白与膜脂相似，在膜内是可以运动的，一方面它有本身的运动，另一方面它镶嵌在脂质中，脂质运动对它有影响。膜蛋白的自身运动可分为侧向扩散和旋转扩散。膜的流动性，既包括膜脂也包括膜蛋白的运动状态。流动性是生物膜构造的主要特征。大量研究的结果说明，适宜的流动性对生物膜表现其正常功能具有十分重要的作用。例如能量转换、物质运送、信息传递、细胞分裂、细胞融合、内吞外排以及激素作用等都与膜的流动性有密切关系。1.膜脂对膜蛋白的作用①生物膜的内在蛋白需要一定量的膜脂才能维持其构象，表现出活性。②在膜蛋白周围有着一层不可活动的“界面脂〞。有人提出在整个细胞膜脂处于流动状态时，界面脂与整体脂之间的交换是非常慢的。③研究发现膜脂流动性对物质运输、酶的活性、受体活性都有影响。〔三〕膜脂与膜蛋白的相互作用2.膜蛋白对膜脂的影响近年来运用波谱技术、光谱技术研究了蛋白质的结合对膜脂的影响，现发现蛋白质可使脂的疏水链排列趋于无序，使脂质更趋于流动。〔四〕生物膜的构造模型人类对生物膜的认识经历了一个漫长的过程。一系列重要研究成果的根底上，1972年美国的Singer和Nicolson提出“流体镶嵌〞模型。其根本观点目前已普遍为大家承受，主要内容包括三个要点。〔1〕组成膜的脂类分子呈双分子层排列，是构成膜构造的根底。脂双层有双重作用，既是内在蛋白的溶剂，又是物质通透的屏障。在生理条件下，膜脂处于流动状态，生物通过改变膜脂的脂肪酸组成等因素进展调节控制其流动性。〔2〕外周蛋白分子外表分布有许多极性R基，通过静电力与膜脂的极性头部亲合而附着于膜两侧外表。内在蛋白以不同深度镶嵌在脂双层中，有的贯穿整个膜。其分子中有疏水构造域和亲水构造域，疏水域埋在脂双层中心，与膜脂疏水尾相亲合，亲水域朝向膜的外表。脂双层构造对于内在蛋白构象的形成和功能表现是必要的，假设脱离膜，内在蛋白就失去活性。〔3〕除非为特殊的相互作用所限制，膜蛋白在脂双层中可以自由地侧向扩散，但它们一般不能从膜的一侧翻转到另一侧。三个要点这个模型与过去提出的种种模型的主要差异在于：一、突出了膜的流动性，认为膜是由脂质和蛋白质分子排列的流体组成；二、强调了生物膜的不对称性，即生物膜在构造与功能上的两侧不对称性。“流体镶嵌〞模型可以解释生物膜的许多物理、化学和生物学特性。生物膜的功能生物膜执行着许多复杂的重要的生物功能，可归纳为如下四个方面：物质运输、能量转换、细胞识别、信息传递。细胞靠它的质膜与周围环境分隔开，生物膜是具有高度选择性的半透膜，细胞能从环境中摄取所需要的营养物质，并排除代谢产物和废物，使细胞保持动态恒定，这是活细胞维持正常的生理内环境的根本因素。此外，生物膜的许多功能，如细胞间的相互作用、氧化磷酸化过程中能量的转化、神经和肌肉的兴奋等，都与膜的物质运输密切相关。〔一〕物质运输根据物质运输自由能变化的情况，膜对离子和小分子物质的运输可分为被动运输和主动运输。当ΔG＜0时，物质顺着电化学梯度〔浓度梯度和电位梯度总称为电化学梯度〕运输，为被动运输；当ΔG＞0时，物质逆着电化学梯度运输，为主动运输。被动运输被动运输是指物质顺着电化学梯度的方向跨膜运输，即从膜的高浓度一侧扩散到低浓度一侧，它的自由能减小，是不需要供给能量的自发过程。被动运输的扩散速度依赖于该物质在膜两侧的浓度差，并与分子大小、电荷性质、在膜脂双层中的溶解性有关。被动运输包括简单扩散和促进扩散。简单扩散是生物膜运送物质最简单的一种方式。依赖于物质的扩散作用和渗透作用，运送速率取决于物质在膜两侧的浓度差及物质的分子大小、亲脂性等因素。物质在两侧的浓度差越大、分子越小、亲脂性越大，那么穿膜速率越快。1.简单扩散一些非极性小分子物质如O2、N2、苯、甾类激素等，以及一些不带电荷的极性小分子物质如H2O、CO2、甘油、乙醇、尿素等，可以简单扩散的方式穿过膜。体积较大的极性分子如葡萄糖、蔗糖、氨基酸及各种离子都不能自由扩散通过膜。简单扩散在膜对物质的运输中只占很小的比例。有些小分子物质顺浓度梯度穿膜运送，需借助膜上载体蛋白的帮助，这种运送方式称为促进扩散。载体蛋白对物质的运送有很高的专一性，不同的物质由不同的载体蛋白运送。载体蛋白为跨膜蛋白，其分子中有与被运送物质专一结合的位点。在结合与释放被运送物质时，载体蛋白构象会发生可逆变化，促使其在膜一侧结合的物质在膜的另一侧释放。2.促进扩散促进扩散的速率在一定限度内与物质的浓度成正比，如果超过一定限度，浓度再高，运送速率不会再增加。此时，载体蛋白已被运送的物质所饱和，运送速率已接近或到达最大值。指物质逆着电化学梯度的方向跨膜运输，即从膜的低浓度一侧运输到高浓度一侧，它的自由能增大，是需要供给能量的过程。在被动运输中，生物膜相当于一个被动的过滤装置，不能起浓缩物质的作用；而主动运输使得细胞内某些物质的浓度能够远远超过细胞外，而另一些物质的浓度能够远远低于细胞外。例如，在许多细胞内K+浓度至少是周围介质中K+浓度的30倍，而Na+浓度那么低于周围介质；海带中碘的浓度比海水中碘的浓度大3×105倍。根据所耗能量的来源不同，主动运输又分为初级主动运输、次级主动运输和基团移位三种方式。主动运输初级主动运输的特点是，在转运过程中产生的能量〔ATP或PEP水解释放的自由能、光能、电子流等〕直接消耗于物质的跨膜运输。动物细胞内用来维持正常的高K+浓度和低Na+浓度的Na+-K+泵〔Na+-K+pump〕就是一个研究得较为详细的初级主动运输系统。1957年，丹麦科学家JensC.Skou发现了一种ATP水解酶，它只有在Na+和K+存在的情况下，并添加Mg2+才有活性，这种酶称为Na+-K+ATP酶〔Na+-K+ATPase〕。Na+-K+ATPase是一个跨脂膜的Na+-K+泵，即通过水解ATP提供主动向外运输Na+及向内运输K+输所需的能量。次级主动运输也叫协同运送，是经过主动运输过程的一种物质所产生的化学势能，被用于另一种物质的跨膜主动运输。这种方式不是直接依靠ATP等提供的能量，而是利用离子顺电化学梯度流动释放的自由能来推动的。这种方式主要用来运输葡萄糖、氨基酸等物质。此时，葡萄糖或氨基酸的运送速度和程