第二章-脂质与生物膜

第二章脂质与生物膜§1脂质（Lipid）脂质----不溶于水，但能溶于非极性有机溶剂。脂类三酰甘油磷脂糖脂固醇基本脂，不代谢按生物学功能分：贮存脂质结构脂质活性脂质蜡前列腺素，脂溶性维生素等------海洋浮游生物的能量储库可代谢供能（膜脂）不因饥饿或者病理状态发生较大的变化1.1脂肪酸脂肪酸饱和脂肪酸：软脂酸（16C）、硬脂酸（18C）。不饱和脂肪酸含1个双键（单不饱和脂肪酸）含2个及以上双键（多不饱和脂肪酸）脂肪酸的名称的简写注明烃链的长度，双键的数目和位置。亚油酸18:29,12硬脂酸18:0生物脂肪酸的物理、化学性质生物脂肪酸的结构特点１.绝大多数含偶数的碳原子，直链；２.双键多是顺式结构，且不共轭。２.饱和脂肪酸12:0~24:0，在常温下是固体；同样链长的不饱和脂肪酸则是液体。１.水溶性小，密度比水小；３.双键可以发生氢化而饱和；双键间的-CH2-可以被氧化为自由基。AA（花生四烯酸）含4个双键植物和细菌可以利用乙酰CoA合成所需的全部脂肪酸。哺乳动物既可以从食物中获得大部分脂肪酸，也可以合成饱和脂肪酸和一些单不饱和脂肪酸（16:1，18:1）。必需脂肪酸但是，亚油酸(18:2)和亚麻酸(18:3)必须从植物中获取，也称为哺乳动物的必需脂肪酸。EPA（二十碳五烯酸）含５个双键DHA（二十二碳六烯酸）含６个双键利用它们在体内合成：脑黄金一些常见油脂中高级脂肪酸含量1.2三酰甘油(TG)1分子甘油和3分子脂肪酸结合而成的酯。H2CHCOHH2COHOHCHOOR1CHOOR2CHOOR3H2CHCOH2COOCOR1COR2COR3-3H2O当R1≠R3，C2有手性；Ｄ，Ｌ在室温下呈液态的称为油，如豆油、桐油和花生油等;固态或半固态的称为脂肪，如：牛油、猪油等1.2.1三酰甘油的结构1.2.2化学反应1.皂化反应与皂化值将油脂与NaOH溶液共热，可水解生成甘油和高级脂肪酸的钠盐。如：油脂的化学反应主要表现在酯和双键结构上。H2CCHH2COCROCRR-C-O'OOOCH2OCOC17H33CHOCOC15H31CH2OCOC17H35CH2CHCH2+3NaOHOHOHOH+C15H31COONaC17H35COONa油酸钠软脂酸钠硬脂酸钠C17H33COONa肥皂油脂的碱性水解称为皂化。后将其推广为酯的碱性水解反应均称为皂化反应。皂化值：工业上把1g油脂完全皂化所需的KOH的质量(单位：mg)，称为皂化值。皂化值反映出油脂的平均相对分子质量。显然，皂化值↑，油脂的平均相对分子质量↓。(为什么?)2.加成反应与碘值含有不饱和酸的油脂，分子中的碳碳双键可与H2或X2加成。如：将油在200℃以上、0.1~0.3MPa下，以Ni为催化剂进行催化加氢，称为油的氢化或油的硬化。工业上常通过该反应把液态的植物油转变为人造奶油（氢化油脂），用于食品加工烹饪。OHO可能含反式结构碘值：100g油脂所能吸收的碘的质量(单位：g)，称为碘值(又称碘价)。碘值↑，说明油脂的不饱和程度↑。由于碘与碳碳双键加成较为困难，测定时通常用ICl或IBr作试剂，再折算成碘的质量。3.酸败油脂和含油脂的食品，在贮存过程中经微生物、酶、空气中的氧的作用，而发生变色、气味改变等变化，称为油脂酸败。常可造成不良的生理反应或食物中毒。ICl熔点：α型27.17℃，不吸潮。H2CCOCOCOOHRRHRR++原因是：酸败的结果导致油脂的酸性增加。酸值是评定油品酸败程度的指标之一，它是指中和1g油脂中游离脂肪酸所消耗的氢氧化钾的质量(mg)。酸值与皂化值有何差异？OROOHO+HO-ROHOHOHOCHO（4）温度：温度升高，则油脂酸败速度加快，温度每升高10℃，酸败速度一般加快一倍。因此，油脂应尽量低温保存。完全避免酸败是不可能的，只能采取措施减慢：（1）水分：一般认为油脂含水量超过0.2%，水解酸败作用会加强。所以，在油脂的保管和调运中，要严格防止水分的浸入。（2）空气：空气中的氧气是引起酸败变质的主要因素，因此，应充氮及严格密封储存。（3）光照：日光中的紫外线有利于氧的活化和油脂中游离基的生成，加快油脂氧化酸败的速率，因此，油脂应尽量避光保存。1.3蜡蜡的主要成分——C16以上的含偶数碳原子的高级脂肪酸的高级饱和一元醇酯。天然蜡中往往含有一定量的游离脂肪酸、脂肪醇及高级烷烃。也广泛存在于自然界中，如植物的茎叶和果实的外部、昆虫的外壳、动物的毛皮以及鸟类的羽毛中。在海洋浮游生物中，蜡是代谢燃料的主要贮存形式。用途：制造蜡模、蜡纸、上光剂和软膏的基质等。注意：石蜡与蜡尽管其物态、物性相似，但其化学组成不同，石蜡是C20以上的高级烷烃的化合物。软脂酸蜂蜡酯(蜂蜡)C15H31COOC30H61C15H31COOC16H33C25H51COOC26H53软脂酸鲸蜡酯(鲸蜡)蜡酸蜡酯（虫蜡）CHCH2H2COOOCOCOPOO(X)O1231.4甘油磷脂非极性尾极性头不饱和脂肪酰链18:19,18:2,18:3饱和脂肪酰链16:0,18:0主要参与细胞膜的组成，是第一大类膜脂。不同的磷脂，其磷酸酯基组成也不相同。sn-甘油-3-磷酸的衍生物非极性尾极性头1.4.1磷脂酸磷脂酸是甘油磷脂的母体化合物净电荷为-2CHCH2H2COOOR1COR2COPOOOCH2CH2-N(CH3)3+1.4.2磷脂酰胆碱（卵磷脂）HOCH2CH2-N(CH3)3+极性头部胆碱卵磷脂和胆碱有防止脂肪肝形成的作用，在蛋黄和大豆中含量丰富。净电荷为0二软脂酰胆碱由Ⅱ型肺泡上皮细胞合成，可降低肺泡表面张力。R1、R2为软脂酸X为胆碱CH2O-C-R1R2C-O-CHCH2O-P-OXOOO-OOOOCHCH2H2COOOR1COR2COPOOOCH2CH2-NH3+1.4.3磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）HOCH2CH2-NH2乙醇胺极性头部净电荷为0脑磷脂和卵磷脂是细胞膜中最丰富的脂质。1.4.4磷脂酰丝氨酸CHCH2H2COOOR1COR2COPOOOCH2CH-NH3+COO-丝氨酸极性头部净电荷为-1H3N+HCH2CCOO-OH常见于血小板膜中，当组织受损血小板被激活时，膜中的磷脂酰丝氨酸从内侧转向外侧，作为催化剂与其他凝血因子一起促使凝血酶原的活化。1.4.5磷脂酰肌醇PI123CHCH2H2COOOR1COR2COPOO456OOHOHOHOHHO123456OHOHOHOHOHOH肌醇极性头部净电荷为-1肌醇的多磷酸化产物PIP2是胞内信使。CHCH2H2COOOR1COR2COPOOOCH2CHCH2OHOH1.4.6磷脂酰甘油HOCH2CHCH2OHOH甘油极性头部净电荷为-1磷脂酰甘油在细菌的细胞膜中含量丰富。1.4.7二磷脂酰甘油（心磷脂）CHCH2H2COOOR1COR2COPOOOCH2CHCH2OHHCH2CCH2OCR1OCR2OPOOOOO二磷脂酰甘油最先在心肌线粒体膜中找到。极性头部净电荷为-2磷脂酸1.4.8醚甘油磷脂CHCH2H2COOOCOPOOCH2CH2NH3OR1R2123+HH醚键CHCH2H2COOOCOPOOCH2CH2N(CH3)3OH3C123+PAF，血小板激活因子缩醛磷脂，人中枢神经中富含醚键特殊的磷脂CHCH2H2COOOR1COR2COPOOOX1.4.9甘油磷脂的水解磷脂酶A2磷脂酶D磷脂酶C磷脂酶A1研究充分，可选择性利用1.5鞘脂类——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。鞘脂类鞘磷脂类脑苷脂类神经节苷脂类主要参与细胞膜的组成，是第二大类膜脂。（糖鞘脂）123+456H2CHCCHCOHNH3OHCHH18鞘氨醇123456H2CHCCHCOHNHOHCHH18CO神经酰胺反式鞘脂前体123+456H2CHCCHCONHOHCHH18COPOO-OCH2CH2N(CH3)3极性头非极性尾1.5.1鞘磷脂磷酸胆碱结构与磷脂酰胆碱相似鞘磷脂存在于动物细胞的质膜中，特别是髓鞘（包围某些神经元的轴突并使之绝缘）中。神经酰胺净电荷为0123456H2CHCCHCNHOHCHH18COOOOHOHOHCH2OH极性头非极性尾β-D-半乳糖基1.5.2脑苷脂中性鞘糖脂半乳糖脑苷脂1.5.3神经节苷脂N-乙酰神经氨酸硬脂酸神经酰胺GM1GM2GM3D-半乳糖N-乙酰-D-半乳糖胺D-半乳糖D-葡萄糖在神经末梢中含量丰富酸性鞘糖脂Mono，Di，Tri1.6类固醇（甾醇）是环戊烷多氢菲的衍生物，由于含有羟基故命名为“醇”。其性质由固醇骨架的取代基团以及碳-碳链间饱和或不饱和的程度所决定。结构及编号:CH3RCH31234567891011121314151617ABCD环戊烷(D)多氢菲(ABC)甾四个环加三条侧链1819123456789101112131415161718192021222324252627HO胆固醇是动物质膜的重要组分。可自身合成，在脑、肝、肾、蛋黄中含量很高。由于其既疏水又亲水，所以属于两亲分子。刚性平面结构对膜的流动性具有调节作用。1.6.1胆固醇极性头非极性尾麦角固醇β-谷固醇植物(29碳)酵母(28碳)12345678910111213141516171819202122232425262728HO12345678910111213141516171819202122232425262728HO29可抑制胆固醇的吸收可转化为维生素D2前体1.6.2植物固醇1.6.3胆酸A/Bcis-5-系3,7,12-三羟基-5-胆烷-24-酸是胆固醇的代谢物之一，胆酸一面亲水，另一面疏水，具有增溶作用。CH3CH3OHOH-OOC37125OHH23241.6.4牛磺胆酸37125HOOHOHHCONHCH2CH2SO3-是更强的表面活性剂，能溶于脂-水界面处，使油脂乳化，便于水溶性的脂酶发挥作用，促进油脂和脂溶性维生素的吸收。睾丸甾酮雌酮-雌二醇COCH3O黄体酮（孕甾酮）OHOOHOHHHOHHOHHH1.6.5固醇激素§2生物膜细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。它是一个具有特殊结构和功能的选择性通透膜，主要功能可归纳为：物质运送、能量转换、信号识别与传导、细胞免疫等。生物膜结构是细胞结构的基本形式，对细胞内很多生物大分子的有序反应和整个细胞的‘区室化’都提供了必需的结构基础，使整个细胞活动有条不紊、协调一致地进行。2.1生物膜的组成和结构磷脂:甘油磷脂和鞘磷脂脂质胆固醇糖脂外周蛋白内在蛋白糖类:糖脂，糖蛋白水和金属离子生物膜的组成蛋白质(包括酶)生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。例如神经髓鞘，蛋白质只占18%，脂质约占79%，而线粒体内膜和细菌质膜，蛋白质占75%左右，脂质仅占25%。一般讲，功能复杂或多样的膜，蛋白质的比例较大。相反，膜功能愈简单，其膜蛋白的种类和含量愈少。神经髓鞘仅含3种蛋白线粒体内膜达60多种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分子层水2.1.1生物膜的结构------流动镶嵌模型脂质分子的自装配磷脂类的双层结构水5~6nm通过疏水相互作用聚集水疏水环境，极性分子、离子不能自由通过2003年美国科学家彼得·阿格雷因发现“水通道”，罗德里克·麦金农研究“离子通道”荣获诺贝尔化学奖。流动镶嵌模型Singer和Nicolson1972认为生物膜是一种流动的、嵌有各种蛋白质的脂质双分子层结构，其中蛋白质犹如一座座冰山漂移在流动脂质的海洋中。生物膜外周膜蛋白、内在膜蛋白示意图a.b.c—内在膜蛋白，d.e—外周膜蛋白2.1.2膜蛋白根据在膜上的定位情况，可以分为：外周蛋白和内在蛋白。膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式通过离子键或氢键与膜的极性头部或与内在膜蛋白伸出膜表面的部位结合。外周蛋白特点：都能溶于水；易于分离，可在不破坏膜结构的情况下，通过温和方法（改变离子强度或pH）分离提取。约占膜蛋白的20-30%，分布于膜的脂双层表面。内在蛋白靠疏水相互作用与膜脂相结合。约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在双