第2章 脂质和生物膜

2.1.1、脂肪酸
• 脂肪酸是由一条长的烃链（尾）和一个 末端羧基（头）组成的羧酸。 • 烃链不含双键（和三键）的为饱和脂肪 酸，含一个或多个双键的为不饱和脂肪 酸。
1-脂肪酸的命名与结构特点 1、天然脂肪酸骨架的碳原子数目 几乎都是偶数
棕榈酸，正十 六烷酸，16:0 油酸，cis-9-十八 碳烯酸，18:1 Δ9c
• 前列腺素与前列环素、凝血噁烷和白三烯都是类二 十碳烷酸，是花生四烯酸的衍生物，也称为类花生 酸。 • 前列腺素能使体温升高（发烧）、产生疼痛，凝血 噁烷刺激血管收缩和血小板凝集或血栓的形成，而 前列环素的作用则刚好与凝血噁烷作用相反。白三 烯调节平滑肌收缩，也会引起哮喘病中见到的支气 管狭窄。 • 前列腺素广泛分布于人或动物组织，而血小板基本 上只产生凝血噁烷，而位于血管壁上的内皮细胞主 要合成前列环素。这些化合物在产生他们的细胞附 近起作用，一般在几秒钟或几分钟之内就被降解了。
Hop diffusion of individual lipid molecules.
• The motion of a single fluorescent lipid molecule in a cell surface is recorded on video by fluorescence microscopy, with a time resolution of 25 μs (equivalent to 40,000 frames/s). The track shown here represents a molecule followed for 56 ms (a total of 2,250 frames); the trace begins in the purple area and continues through blue, green, and orange. The pattern of movement indicates rapid diffusion within a confined region (about 250 nm in diameter, shown by a single color), with occasional hops into an adjoining region. This finding suggests that the lipids are corralled by molecular fences that they occasionally jump.
2.1.4、糖脂
• 糖脂是指糖通过半 缩醛羟基以糖苷键 与脂质连接的化合 物。 • 脑苷脂是含有一个 单糖残基的糖鞘脂， 该单糖通过β-糖 苷键与神经酰胺相 连。
鞘脂
鞘糖脂
储存脂类及膜脂的一般类型
2.1.5、类固醇
• 类固醇是环戊烷多氢菲的衍生物，是真 核生物中常见的第三类膜脂。
• 胆固醇是动物体内含量最多的一种类固 醇。
2、加成反应与碘值
• 油脂中的不饱和双键可以与H2、I2、HCl、 Cl2等发生加成反应 。
• 卤化反应中吸收卤素的量反应不饱和键 的多少。通常用碘值表示不饱和度。 • 碘值：100g油脂卤化是吸收碘的克数。
3、酸败与自动氧化
• 油脂长期暴露在空气中会产生酸臭味， 这种现象称为酸败 。 • 原因是油脂受空气和光照作用，部分发 生分解，不饱和脂肪酸被氧化成为醛或 酮以及羧酸，产生酸臭味。 （自动氧 化） • 酸值：KOH（mg）/油脂（g）
甘油磷脂举例：
• 磷脂酰胆碱（卵磷脂）
B、鞘磷脂
• 鞘脂的结构骨架 是鞘氨醇，它是 一个无分支的C18 醇，在C4和C5之 间有一反式双键。 • 神经酰胺由一个 通过酰胺键与鞘 氨醇的C2氨基连 接的脂肪酸构成。 是所有鞘脂代谢 的前体。
• 胆碱鞘磷脂是由连接 在神经酰胺C1羟基上 的磷酰胆碱组成的。 可以看出，鞘磷脂是 两性分子，与磷脂酰 胆碱很相似，因为二 者都含有胆碱、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。
X
特性：
• 甘油磷脂属于两亲脂质，是生物膜的主 要成分。 • 在生理条件下，许多甘油磷脂的极性头 基带有净电荷。 • 甘油磷脂的脂键和磷酸二酯键能被磷脂 酶专一性水解。
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。 由磷脂酶A作用产生的 高浓度的溶血磷脂 （lysophosphoglycer ides）可能会破坏细胞 膜，其它两种磷脂酶C 和D，磷脂酶C催化甘油 和磷酸之间的键的水解， 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
2.2.2、生物膜的分子结构
外周膜蛋白
内在膜蛋白
脂双层
流动镶嵌模型的描述
• 膜蛋白看上去象是圆形的“冰山”漂浮 在高度流动的脂双层“海”中。内在膜 蛋白插入或跨越脂双层，与疏水内部接 触。外周膜蛋白与膜表面松散连接。生 物膜是一个动态结构，即膜中的蛋白质 和脂可以快速的在双层的每一层内，侧 向扩散。
生物膜的流动性
• 组成生物膜的脂和蛋白处于快速的运 动之中。 • 一个典型蛋白质分子在生物膜上的侧 向扩散速率约为μm/min；而磷脂的 侧向扩散速率约为μm/s。 • 与侧向扩散相反，脂质（或蛋白质） 从膜的一面翻转到另一面的速率非常 缓慢。
Hop diffusion of individual lipid molecules.
化学性质
1、水解与皂化
• 三脂酰甘油能在酸、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，俗称皂；油脂的碱水解作用称为皂化作用。 • 皂化1g油脂所需的KOH mg数称为皂化值。皂化 值是三酰甘油中脂肪酸平均链长即三酰甘油 （TG）平均相对分子量的量度
TG平均Mr = 3×56×1000 皂化值
一些重要的类固醇激素
第二部分 生物膜
生物膜的功能
• • • • • • • 1、将内含物与外环境分开 2、物质的运输 3、能量的转换 4、细胞的运动 5、繁殖 6、信号传递 7、与临近分子或细胞的相互作用
• 2.2.1、生物膜的组成 • 2.2.2、生物膜的分子结构
• 2.2.3、生物膜的物质运输—— 跨膜转运
3-生化实验中常用的脂肪酸盐
十二烷基磺酸钠（SDS）
Triton X-100
4-必需脂肪酸
• 人体及哺乳动物不能向脂肪酸引入超过 Δ9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。
饱和脂肪酸
必需脂 肪酸
5-前列腺素
通过细胞膜融合实验证明生物膜运动 性的示意图
带有特异性蛋白和不同 荧光标记的不同细胞
融合初期
37°C保温40min后
2.2.3、跨膜转运
• 细胞或细胞器需要经常与外界进行物 质交换以维持其正常的功能。 • 细胞或细胞器通过生物膜，从膜外选 择性地吸收所需要的养料，同时将细 胞生成的产物输出，并排出废物的过 程叫做跨膜转运。 • 在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜 起着重要的调控作用。
脂类的功能
• 贮存脂质：三酰甘油，蜡
• 结构脂质：磷脂双酯层，胆固醇 • 活性脂质：类固醇，萜，前列腺素
• Sperm Whales: Fatheads of the Deep
Βιβλιοθήκη Baidu
三酰甘油和蜡的特殊功能：改变抹香鲸的浮力
主要内容
• • • • • 2.1.1、脂肪酸 2.1.2、三酰甘油 2.1.3、磷脂 2.1.4、糖质 2.1.5、类固醇
从热力学的观点看，物质的跨膜运输有 两种形式： • 被动运输 被动扩散、协助扩散（facilitated diffusion） • 主动运输
A、简单扩散是一个热力学自发过程， 不需要转运系统或分子的协助
• 疏水的、小的、不 带电荷的分子可以 自由的扩散通过脂 双层。 • 极性和带电荷的物 质不易通过脂双层。
脂双层的应用——脂质体 （liposome）
• 磷脂分子在水溶液中自发形成脂双层，并自我 封合成双层微囊，称为脂质体（liposome）。 • 作为一种人造的微囊，用来向细胞或人体器官 传送疫苗、麻醉药、酶或其它物质。
B、膜蛋白
• 生物膜中存在两种类型的膜蛋白：内在 膜蛋白、外周膜蛋白 • 内在膜蛋白也称内嵌膜蛋白，含有嵌入 脂双层疏水部位的疏水区。有些内在膜 蛋白横跨脂双层。 • 外周膜蛋白通常通过离子键或氢键与膜 脂的极性头部或内在膜蛋白结合。
2.2.1、生物膜的组成
• 主要由脂质（主要是磷脂、糖脂和胆 固醇）、蛋白质（包括酶）和糖类组 成，
• 生物膜的组成，因膜的种类不同而有 很大的差别。
A、脂质
• 一个典型的生物膜含有磷脂、 糖脂和胆固醇。 • 由于磷脂和糖脂含有两条烃链 尾巴，可以精巧的组装成脂双 层。 • 脂双层内的脂分子的疏水尾巴 指向双层内部，亲水头部与每 一面的水相接触。脂双层倾向 于闭合形成球形结构。
生物膜的两个主要特征
• 1、膜组份的不对称分布性 • 2、生物膜的流动性
膜组分的不对称分布性
• 脂在生物膜的内层和外层分布呈不对称性。 以人红细胞质膜为例，鞘磷脂和磷脂酰胆碱 占了外膜总脂含量的80%以上；而在内膜上， 占优势的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸。
• 膜蛋白在膜两侧的分布也是不对称的。 有的蛋白质镶嵌在脂双层表面，有的则 部分或全部嵌入其内部，有的则横跨整 个膜。
2、天然脂肪酸的双键都是顺式构 型
亚油酸，cis- 9,12-十八 碳二烯酸，18:2 Δ9c,12c
2-脂肪酸的物理性质
• 脂肪酸的物理性质很大程度上决定于其 脂肪酸烃链的长度与不饱和程度。
• 溶解度：烃链越长，溶解度越低。
• 熔点：烃链越长、不饱和度越大、熔点 越高，顺式异构熔点比反式异构低。
2.1.3、磷脂
• 磷脂是重要的两亲物质，它们是生物膜 的重要组分、乳化剂和表面活性剂 • 磷脂有两类：甘油磷脂和鞘磷脂。
A、甘油磷脂
• 甘油磷脂也称磷酸 甘油脂。最简单的 磷酸甘油脂是由 sn-甘油-3-磷酸衍 生而来
• 磷脂酸的磷酸基进 一步被一个极性醇 （X-OH）酯化，形 成各种常见甘油磷 脂
阿司匹林解热、镇痛、 消肿和抗感染，抑制前 列腺素合成
2.1.2、三酰甘油
• 三酰甘油是甘油和脂肪酸形成的三脂， 因为不带电荷，于是又称中性脂。
三酰甘油的物理性质
• 颜色与气味：无色、无味、无嗅 • 溶解度：不溶于水，而溶于乙醇、乙醚、 氯仿、表面活性剂等 • 熔点：天然油脂没有固定的熔点，只有 一个大概范围。熔点由脂肪酸的饱和性 决定 • 构型：都是L-型（规定）。
胆固醇
• 70千克人体含140克左右，1/4在脑及神经组 织中，肝、肾含量也较多。血清中含量升高， 会增加患心血管疾病的可能性。 • 胆固醇是生物膜的重要成分，羟基极性端分 布于膜的亲水界面，母核及侧链深入膜双层， 控制膜的流动性，阻止磷脂在相变温度以下 时转变成结晶状态，保证膜在低温时的流动 性及正常功能。 • 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。
穿膜蛋白含有跨越脂双层的疏水区
• 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 递的蛋白质必须具备的特征。 • 单次跨膜蛋白：具有唯一一个跨膜的肽 段。 • 多次跨膜蛋白：具有几个跨膜肽段。转 运蛋白大多是多次跨膜蛋白。
C、糖类
• 生物膜中的糖类大多与 膜蛋白结合。 • 血型糖蛋白A，是生物化 学中第一个被研究的穿 膜糖蛋白。 • 它的穿膜结构域是一个 非常像含有19个疏水氨 基酸残基的α-螺旋。 • 细胞外部残基上还连有 许多亲水性寡糖，这些 寡糖的种类和位置决定 了人的血型。
第二章 脂质和生物膜
第一部分 脂质
• 脂的概念：是一类不溶于水而高溶于乙醚、 氯仿、苯等非极性有机溶剂的化合物，其化 学本质是脂肪酸和醇形成的酯类及其衍生物。 • 脂的分类： • 单纯脂：脂肪酸与醇类形成的酯，甘油 酯、蜡 • 复合脂：甘油磷脂、鞘磷脂、糖脂。 • 前体及衍生脂：高级脂肪酸、甘油、固 醇、萜类、维生素ADEK、前列腺素、脂蛋白 等。