脂类的化学和生物膜

脂类的化学和生物膜第一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三3.1概述脂常被定义为不溶（或微溶）于水的有机化合物

脂肪酸通式为R-COOH。单脂：仅含脂肪酸和醇脂肪酸是三酰甘油（脂肪和油）、甘油磷酯、鞘脂和蜡的组成成分。

胆固醇是激素的前体。复合脂：除脂肪酸和醇外，还含有糖、磷酸等其它成分

含有磷酸基团的脂都归类于磷脂。含有鞘氨醇和糖成分的脂称之鞘糖脂。第二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三贮存脂和膜脂第三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三3.2油脂的结构和性质1）脂肪酸

脂肪酸是含4至36个碳原子（C4至C36）的羧酸。大多数脂肪酸pK值处于4.5～5.0范围，生理pH下呈解离状态。脂肪酸分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸（含有一个或几个双键）。脂肪酸简单写法是先写碳原子数目，然后写双键数目，最后写双键位置。16碳饱和脂肪酸软脂酸简写为16:018碳含有一个双键的油酸简写为18:1（∆9）18碳含有两个双键的亚油酸简写为18:2（∆9,12）第四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三与羧基毗邻的碳被指定为碳，其余碳依次用、、、等字母表示。

字母常用于特指离羧基最远的碳原子，脂肪酸的末端碳。脂肪酸基本结构第五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三常见的一些脂肪酸第六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三常见脂肪酸含12－24个碳原子，多为偶数。单不饱和双键一般在C-9和C-10之间（∆9），天然存在的不饱和脂肪酸几乎都是顺式构型。在饱和脂肪酸中，每个C－C键可自由旋转，最稳定构象是完全伸展的状态。不饱和脂肪酸中顺式双键使碳氢链形成一个扭转，有一个或几个扭转的分子不可能做到紧密堆积，分子间作用力更弱，破坏它们不需要多少热能。不饱和脂肪酸熔点比同样链长的饱和脂肪酸低。第七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三

脂肪酸烃链长度对脂肪酸熔点的影响饱和脂肪酸月桂酸、豆蔻酸和软脂酸（16：0）的熔点：月桂酸（12：0）：44℃豆蔻酸（14：0）：52℃软脂酸（16：0）：63℃

随着烃链长度的增加，饱和脂肪酸的熔点也随之增高。当烃链增加时，相邻烃链之间的VanderWaals相互作用也增强，融解时就需要更多的能量去破坏这种相互作用。第八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三比较硬脂酸（18：0）、油酸（18：1）和亚麻酸（18：3）的结构，双键数目不同。顺式构型妨碍了紧密接触和有序结晶的形成，减少了烃链内的VanderWaals相互作用，顺式不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸的熔点低。

硬脂酸（熔点70℃）呈固体状态，油酸（熔点13℃）和亚麻酸（熔点－17℃）则呈现出液体状态。双键数目（不饱和度）不同对熔点的影响第九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三硬脂酸油酸亚麻酸第十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三2）三酰甘油三酰甘油（也称为甘油三酯）是一种中性酯，由1分子甘油与3分子脂肪酸形成的酯。3个脂肪酸可都为饱和、不饱和或两者的混合。甘油甘油三酯第十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三第十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三三酰甘油混合物呈固态（脂肪）还是液态（油）取决于它的脂肪酸成分和温度。动物脂肪中含饱和脂肪酸多，如只含有饱和的长链脂酰基的三酰甘油在体温下倾向于固态。植物油含不饱和脂肪酸多，通常呈液态。尤其是多不饱和脂肪酸含量高的油在很低温度下也仍呈液态。常见植物油，如色拉油、花生油、葵花籽油、橄榄油等。第十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三3）油脂的性质：皂化当脂肪用氢氧化钠那样的碱水解时，生成脂肪酸盐，这个过程称为皂化。脂肪酸钠盐称为硬肥皂，脂肪酸钾盐称为软肥皂。利用已知脂肪和碱的量可以进行皂化分析。皂化后用标准酸滴定测定未反应的碱量，可计算出对给定脂肪进行皂化所需要的碱量，通常用皂化值表示。由皂化值可推知所含脂肪酸的平均相对分子量（呈反比）。

皂化值被定义为使1g脂肪皂化所需氢氧化钾mg数。

第十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三经氢氧化钠水解可以生成3分子脂肪酸钠和一分子甘油。三酰甘油经脂肪酶催化可以生成脂肪酸和甘油。第十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三3.3磷脂和固醇类1）甘油磷脂

甘油磷脂含有甘油骨架，甘油的第一个羟基和第二个羟基被脂肪酸酯化，第三个则是通过磷酸酯键与一个高度极性化的带电基团相连。最简单的甘油磷脂是磷脂酸，其它磷脂都是由磷脂酸衍生的，甘油磷脂是两亲性分子。最主要的生物膜脂：磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇。第十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三磷脂酸甘油-3-磷酸极性头部

非极性疏水尾部第十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三极性头部疏水尾部磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱（卵磷脂）第十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三亲水头部疏水尾部头部尾部磷脂酰胆碱第十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三一些常见的甘油磷脂第二十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三

磷脂酶A1和A2分别特异催化甘油磷脂中C-1和C-2位置酯键的水解。蛇毒和蜂毒是磷脂酶A2的最好来源。磷脂酶C

催化甘油和磷酸之间酯键的水解，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。第二十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三磷脂酶A2在甘油磷脂的C-2位置水解下脂肪酸（R2），生成溶血磷脂。溶血磷脂是一种高效活性剂，可裂解细胞膜，导致细胞溶解。磷脂酶A2与多种器官功能衰竭有关第二十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三甘油磷脂中脂肪酸也可通过醚键连接甘油，脂肪酸可以是饱和的，也可以在C-1和C-2之间有双键，如缩醛磷脂，通过醚键连接烯烃。脊椎动物的心脏富含缩醛磷脂，约有一半的甘油磷脂是缩醛磷脂。

血小板激活因子：通过醚键连接一个烷烃。血小板激活因子是一种强信号因子，由白血球中嗜碱性细胞释放，激发血小板凝集并释放血清素（血管收缩剂）。醚酯第二十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三乙醇胺缩醛磷脂血小板激活因子第二十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三2）鞘（磷）脂鞘脂是主要的膜成分，大多数鞘脂都是C18鞘氨醇的衍生物，鞘氨醇在C-4和C-5之间有一反式双键。鞘氨醇的C-2氨基通过酰胺键连接脂肪酸后的化合物称之为神经酰胺，神经酰胺是鞘脂的前体。（1）鞘磷脂：由神经酰胺连接一个磷酰胆碱或磷酰乙醇胺构成。

鞘磷脂存在于动物细胞质膜中，髓鞘中含量丰富。髓鞘包围在神经细胞轴突的周围将它隔离。第二十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三鞘磷脂神经酰胺鞘氨醇磷酰胆碱头部第二十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三（2）脑苷脂：是含有一个单糖残基的糖鞘脂，单糖通过-糖苷键与神经酰胺连接。有半乳糖脑苷脂和葡萄糖脑苷脂，分布于质膜外表面注意脑苷脂中没有磷酸基团，是非离子物质。半乳糖脑苷脂-半乳糖神经酰胺第二十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三（3）神经节苷脂：是最复杂的糖鞘脂，神经酰胺上连接了至少含有一个N-乙酰神经氨酸（唾液酸）的寡糖链。唾液酸是一个9碳氨基糖的乙酰衍生物。神经节苷脂主要位于细胞表面，在大脑中占脂的比例比较高（6％）。神经节苷脂在细胞相互识别中具有决定作用，在组织生长、分化、甚至癌变中也扮演着重要的角色。已知神经节苷脂有60多种，例如神经节苷脂GM1、GM2、GM3等。第二十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三

N-乙酰神经氨酸（唾液酸）N-乙酰-D-半乳糖胺D-半乳糖D-半乳糖D-葡萄糖神经酰胺第二十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三

类固醇是环戊烷（骈）多氢菲的衍生物，是动物细胞的细胞膜组成部分。胆固醇是制造另外一种乳化剂---胆汁（胆酸）的原材料。由胆固醇可以合成维生素D和性激素等。胆固醇是脑与神经细胞结构中的一种重要的固醇。胆固醇可以由人体合成，它不是必需营养素。胆固醇是动脉粥样硬化中阻塞动脉的蚀斑的主要成分，并且是导致心脏病发作和中风的潜在因素。

3）类固醇第三十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三胆固醇胆酸第三十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三性激素雄（甾）烯二酮睾酮雌酮雌二醇第三十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三4）前列腺素

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。前列腺素由前列腺分泌，调节细胞内cAMP的合成，从而影响许多细胞和组织的功能；影响睡眠周期；另外可以使体温升高（发烧）、产生疼痛。凝血噁烷由血小板生成，刺激血管收缩和血小板凝集或血栓的形成，前列环素的作用则刚好与凝血噁烷作用相反。白三烯最初在白细胞中发现，调节平滑肌收缩，过量会引起哮喘病。抗哮喘药强的松可抑制白三烯合成。第三十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三由花生四烯酸合成类二十碳烷酸前列腺素H2第三十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三阿司匹林是止痛、退烧和消炎药。阿司匹林可使前列腺素H2合酶的一个特定Ser酰基化，阻止花生四烯酸靠近活性中心，抑制前列腺素、前列环素和凝血噁烷的合成。消炎药如布洛芬和醋氨醇与前列腺素H2合酶非共价结合也可“堵住”活性中心，不让花生四烯酸靠近。第三十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三2.4生物膜1）膜的组成和结构脂双层

膜的基本结构是脂双层结构，典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和胆固醇（在一些真核细胞中）。典型脂双层的厚度大约为5～6nm。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。磷脂中带正电荷和负电荷的头部基团为脂双层提供了两层离子表面，双层的内部是高度非极性的。第三十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三在实验室里通过对加有卵磷脂的溶液进行超声处理，可以形成2种不同类型的脂质聚合体－微团和由脂双层构成的脂质小泡。

微团可包含几个到上千个分子，是个疏水部位朝内，而亲水部位朝向外侧的单层球形结构。由脂双层构成的小泡内是一个水相空间，这样的脂双层结构称之脂质体，相当稳定，对许多物质是不通透的。第三十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三第三十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三生物膜镶嵌有蛋白质的脂双层，起着分隔细胞和细胞器的作用。流动镶嵌模型比较好地描述了生物膜：膜蛋白（内在膜蛋白和外周膜蛋白）看上去象是圆形的“冰山”飘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；

外周膜蛋白与膜表面松散连接；膜蛋白质和脂可以快速地在双层中的每一层内侧向扩散。第三十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三生物膜示意图外周膜蛋白内在膜蛋白内在膜蛋白锚脂蛋白糖鞘脂的寡糖链糖蛋白的寡糖链外周膜蛋白第四十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三第四十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三内层外层第四十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三膜蛋白：1、内在膜蛋白

也称为整合膜蛋白、内嵌膜蛋白，含有嵌入脂双层的肽段，穿膜的内在膜蛋白通常参与生物分子跨膜转运和信号传递。血型糖蛋白A是一个单次跨膜蛋白，通过唯一一个跨膜的肽段被锚定在脂双层上，该肽段含有一段穿膜的-螺旋。单次跨膜蛋白大约占总膜蛋白的5～10％，受体蛋白一般都属于这类蛋白。第四十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三血型糖蛋白A跨膜示意图第四十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三细菌视紫红质蛋白是一个典型的多次跨膜蛋白。有7个跨膜的-螺旋片段，每个片段大约含有25个氨基酸残基。细胞外空间细胞质第四十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三内在膜蛋白由于嵌入在膜的脂双层中，这类蛋白的分离需要破坏蛋白和膜脂之间的疏水相互作用。通常都是使用一些去污剂（十二烷基硫酸钠）破坏疏水相互作用，去污剂在溶解膜的过程中可以取代大多数膜脂，使膜崩解，形成可溶性的微团。

利用可溶性蛋白纯化使用过的技术（如凝胶过滤、离子交换等）将去污剂溶解的膜蛋白分离出来，纯化的内在膜蛋白一般都保存在去污剂中，一旦除去去污剂，将导致不可逆的蛋白凝聚和沉淀。第四十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三常用的溶解膜蛋白的去污剂第四十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三2、外周膜蛋白外周膜蛋白与内在膜蛋白不同，它们与膜的作用弱得多，通常都是通过离子键和氢键与膜脂的极性头部或与内在膜蛋白结合。由于外周膜蛋白既没有共价连接在脂双层上，也没有嵌入在脂基质中，不需要切断共价键或破坏膜，只要改变离子强度或pH，就可很容易地将外周膜蛋白从膜上分离出来。第四十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三2）膜的流动性膜脂的侧向扩散：指的是在脂双层双层中的每层平面内的脂运动，侧向扩散非常快。在一个大约2m长的细菌细胞内，一个磷脂分子在37℃下从一端扩散到另一端大约只需一秒钟。横向扩散（也称为翻转）：

双层中的某一层内的脂过渡到另一层是非常慢的，大约比同一层内的任何两个脂的交换慢109倍，要实现这一过程需要很大的激活能。

第四十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三

侧向扩散快横向扩散非常慢第五十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三生物膜的内层和外层膜脂组成具有不对称性。鞘磷脂和磷脂酰胆碱几乎各占了人红细胞质膜外层总脂含量的一半。

但它们在内膜的磷脂中所占的比例却很少，占优势的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸。膜内层膜外层膜内层鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸总脂量第五十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三

由带有单一磷脂构成的脂双层在低温时处于一种有序的凝胶相，脂酰链呈现伸展的构象，此时的VanderWaals接触最大，形成晶体排列。当脂双层被加热时，发生了类似于晶体融解的相转换，形成液晶相，此时的膜脂是高度无序的，脂酰链之间松散。因为脂酰基的烃链并没有象低温时那样伸展，所以在相转换期间，脂双层的厚度大约减少了15％。

相转换温度第五十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三有序的凝胶相无序的液晶相加热冷却第五十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三纯的磷脂双层膜加胆固醇

由单一磷脂组成的脂双层膜会在一个特定温度下发生相转换。该温度称为相转换温度，也称为熔点（Tm）。第五十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三

不饱和脂肪酸中顺式双键使得脂酰链产生一个扭转，可增加脂双层的流动性，降低相转换温度。18：0二硬脂酰脂双层的相转换温度是54℃，而18：1二油酰磷脂酰胆碱的脂双层的相转换温度却是－20℃。增加饱和脂肪酸链长会增加VanderWaals相互作用，可以稳定凝胶相，使相转换温度增高，同时使脂双层的流动性降低。

胆固醇的刚性环结构会限制其它膜脂酰链的运动，降低膜流动性。胆固醇分子嵌入脂双层烃链之间阻止形成凝胶相，使膜的相转换温度变宽。

第五十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三膜蛋白在脂双层中扩散用特异抗人细胞膜上蛋白的抗体标记人细胞，用特异抗小鼠细胞膜上蛋白的抗体标记小鼠细胞。抗人抗体和抗鼠抗体分别标记不同颜色的荧光。进行小鼠细胞和人细胞融合实验。通过免疫荧光显微镜观察两种标记的细胞融合后细胞膜上膜蛋白是否在脂双层中移动。开始两种标记颜色并没有混合，大约在融合后40分钟，观察到细胞表面出现颜色混合，说明膜蛋白快速地在脂双层中扩散了。第五十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三人工诱导细胞融合膜蛋白侧向扩散人细胞鼠细胞第五十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三3）生物膜的功能A.跨膜转运1、被动转运

被动转运也称为易化扩散。小分子和离子的跨膜转运借助于膜孔蛋白和通道蛋白、载体蛋白以及离子载体。（1）通道蛋白和膜孔蛋白通道蛋白和孔蛋白是带有通道的跨膜蛋白。术语膜孔蛋白常用于细菌，例如革兰氏阴性菌就含有许多膜孔蛋白。

术语通道蛋白常用于动物，通道蛋白对某些离子高度特异第五十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三乙酰胆碱离子受体通道释放的乙酰胆碱与受体结合，打开离子通道突触囊泡第五十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三葡萄糖结合转运释放恢复（2）载体蛋白

D-葡萄糖从血液经葡萄糖转运蛋白沿着葡萄糖浓度梯度降低方向进入红细胞内。第六十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三人红细胞膜的阴离子交换（转运）蛋白是个被动转运蛋白，执行二氧化碳和氯离子一对一的交换。CO2要转换为可在血液中转运的可溶性形式。首先CO2通过扩散进入红细胞，然后在碳酸酐酶催化下转换为溶解性更高的碳酸形式。碳酸氢根与来自血液的Cl-经阴离子交换蛋白交换排出红细胞。当碳酸氢根随着血液到达肺时，HCO3－经阴离子交换蛋白重新进入红细胞，而Cl－从红细胞中排出。碳酸在碳酸酐酶催化下重新生成CO2，扩散出红细胞，进入血液，最终经肺排放掉。第六十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三第六十二