脂类和生物膜化学 - 2012生物化学.ppt

1、第三章 脂类和生物膜化学,Contents,定义：一般由醇和脂肪酸作用生成酯及其衍生物。 醇：甘油、鞘胺醇、高级醇、固醇 脂肪酸：饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸,第一节 概述,脂类Lipid，也称脂质,元素组成：C、H、O，有的还含有N、P等。,一、脂质的概念,脂类物质具有三个特征,（1）一般不溶于水而溶于脂溶剂(乙醚、氯仿、苯等非极性溶剂)。,（2）化学本质为脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。,（3）一般能被生物体利用，作为构建、修补组织或供能。,二脂类的分类（按化学结构及其组成）,（1）单脂（simple lipid）,脂（fat）、油（oil）、蜡（wax）,甘油三酸酯,油脂:三酰甘油或甘油三

2、酯的通称,3分子脂肪酸1分子甘油,蜡:长链脂肪酸和长链醇或固醇组成,（2）复脂（complex lipid）,A 磷脂: 含磷酸的单脂衍生物，其非脂成分是磷酸和含氮碱(如胆碱、乙醇胺),B 糖脂: 含糖的单脂衍生物，非脂成分是糖(如单已糖,二已糖),分子中除脂肪酸和醇外，还有其他非脂成分,磷脂根据醇成分的不同,又可分为 甘油磷脂和鞘氨醇磷脂(简称鞘磷酯),Major component: lipid Controls density and buoyancy when diving deep into the ocean,鲸蜡,Fatty acid composition of three f

3、ood fats,Melting point as affected by the proportion of saturated fat,Beewax(蜂蜡): an ester of palmitic acid（软脂酸） with the alcohol triacontanol（三十醇）,1储存能源最佳的能量储存方式 主要是三酰甘油和蜡，生物中油脂是能量的主要贮存形式。脂质氧化程度低，产热高。 单位重量的供能： 1 g 油脂 37 kJ（9 kcal） 1 g 糖或蛋白质 17 kJ 胖人脂肪 1520 Kg 供一个月的能量， 而贮存的糖原 不足一天的能量. 储存体积：糖元或淀粉:水=1

4、:2， 脂则是纯的，体积小得多。 动用先后：糖优先 蜡是浮游生物代谢燃料的主要贮存形式,三、脂类的主要生理功能,2结构脂质磷脂作为生物膜的主要成分，参与构成生物膜的骨架 细胞和细胞壁的膜生物膜 主要是磷脂类构成的双分子层或称脂双层， 膜脂还包括固醇和糖脂,4活性脂质激素、辅酶类等 活性脂质是小量的细胞成分 类固醇(类固醇激素)、 萜：合成糖蛋白时，磷酸多萜醇作为羰基的载体 脂溶性的维生素A、D、E、K,3为脂溶性物质提供溶剂，促进人及动物体吸收脂溶性物质。,6.信号传递：细胞表面的脂类物质与细胞的识 别、组织免疫、种特异性等都有密切关系。固醇类激素 7.酶的激活剂：卵磷脂 激活 -羟丁酸脱氢酶

5、,5电与热的绝缘体 电绝缘：神经细胞的鞘细胞，像电线的包皮， 避免神经短路 热绝缘(防寒剂)：冬天保暖，企鹅、北极熊 其次，储存脂还有一定的润滑和衬垫作用。 防止机械损伤和器官的定位,脂质体,亲水,疏水,第二节 油脂的结构和性质,一、油脂的结构 三酰甘油（或甘油三脂）俗称油脂 二酰甘油（甘油二脂）： 单酰甘油（甘油单脂）：,甘油 + 脂肪酸,单纯甘油脂：脂肪酸相同 混合甘油脂：脂肪酸不同,蜡：长链脂肪酸+长链一元醇（或固醇）,油：常温下呈液态 Oils（不饱和脂肪酸） 脂：常温下呈固态 Fats（饱和脂肪酸） R一般为不同的脂肪酸 R1R2=R3 单纯甘油酯 R1R2R3 混合甘油酯,甘油三酸

6、酯,二脂酸（fatty acid, FA）,脂肪酸一元羧酸 必须脂肪酸(FA)：维持哺乳动物正常生长所需的，而体内又不能合成的脂肪酸称为必需脂肪酸。亚油酸、亚麻酸。 脂肪酸的C一般为12个以上，（饱和、不饱和）,脂肪酸简写原则： 先写碳原子数，再写双键数，最后表明双键的位置。,例如： 软酯酸C16:0 表明16个碳原子，无双键（饱和，0省去） 亚油酸C18:2(9,12) 18个碳原子，2个双键，分别位于910碳或者1213碳之间。,FA名称+碳数:双键数双键位数,如:亚油酸18:29,12 亚麻酸18:29,12,15,其它教材脂肪酸简写原则：,1. FA链长为1420个碳，所含C多为偶数,

7、 2. 不饱和脂肪酸的双键多为顺式,双键位置一般在C910间 3. 相同链长的FA，双键愈多熔点愈低 4. 饱和FA的每个单键可自由旋转，有多种构 像，不饱和FA的双键不能旋转，只有一种 或少数几种构像,5. 脂肪酸的结构特点：线形不分支,自然界脂肪酸特点：,Oleic acid or Oileate（油酸）,Stearic acid（硬脂酸）,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,饱和脂肪酸：,油酸： 顺-十八碳-9-稀酸，18:19c， 亚油酸(-6): 顺，顺-十八碳-9，12-二稀酸，18:29c，12c -亚麻酸(-3)

8、: 全顺-十八碳-9，12，15-三稀酸，18:39c，12c，15c 花生四稀酸（-6） ： 全顺-二十碳-5，8，11，14四稀酸，20:4 5c，8c，11c，14c 二十二碳六稀酸(DHA)(-3) ： 全顺-二十二碳-4-7-10-13-16-19六稀酸 ，22:6 4c，7c，10c， 13c，16c，19c,不饱和脂肪酸：1-6个双键,有些不饱和脂肪酸具有显著的生物活性， EPA(二十碳五烯酸)被称为“血管清道夫”，有降低血脂、降低血清胆固醇含量、防止动脉粥样硬化等药理作用。 经权威专家论证和临床病理性试验,EPA有调节血脂、降低血液粘稠度、预防动脉硬化、脑血栓和脑梗塞及改善脑供

9、血不足、头晕、头痛等症状的功能。调节血脂主要表现在：降低血液中低密度脂蛋白的浓度，升高血液中高密度脂蛋白的浓度，这种对于血脂的调节效果，对预防动脉硬化的发生和发展有着重要的作用. DHA（二十二碳六烯酸）有“脑黄金”之称，是大脑细胞形成和发育不可缺少的物质，对促进智力、加强记忆力、延缓大脑衰老有重要作用。DHA只存在于鱼、贝类等水生动物中，在鱼油中含量最高。 若母体缺乏DHA，会造成胎儿细胞的磷脂质不足，从而影响其脑细胞的生长和发育，产生弱智儿。,亚油酸（Linoleic acid）,亚油酸是人体不能合成，或是合成的量远不能满足需要的脂肪酸，叫做必需脂肪酸。亚油酸是公认的唯一的必需脂肪酸。由于

10、亚油酸能降低血液胆固醇，可用于预防和治疗心血管疾病。预防动脉粥样硬化而倍受重视。研究发现，胆固醇必须与亚油酸结合后，才能在体内进行正常的运转和代谢。如果缺乏亚油酸，胆固醇就会与一些饱和脂肪酸结合，发生代谢障碍，在血管壁上沉积下来，逐步形成动脉粥样硬化，引发心脑血管疾病。亚油酸是脂肪酸的一种。为以甘油酯形态构成的亚麻仁油、棉籽油之类的干性油、半干性油的主要成分。占核桃油,棉籽油、向日葵种子油、芝麻油的总脂肪酸的4060，占核桃油,花生油、橄榄油的总脂肪酸的25左右。因为在空气中易氧化变硬，所以也称为干性酸，含干性酸多的油亦称为干性油。 建议多吃些核桃油,大豆油等,-亚麻酸（-linolenic

11、acid）,以甘油酯的形式存在于深绿色植物中,是构成人体细胞的主要成分, 参与磷脂的合成与分解，可转化为机体必需的生命活性因子DHA和EPA(俗称“脑黄金”)。缺乏会引起机体脂质代谢紊乱，导致免疫力降低、健忘、疲劳、视力减退、动脉粥样硬化等症状的发生。尤其是婴幼儿、青少年如果缺乏-亚麻酸类物质的摄入，就会严重影响其智力正常发育。在降血脂、降血压、抗血栓、抗动脉粥样硬化、乃至提高机体免疫力和抗癌等方面的药用价值已得到充分肯定。,1熔点：取决于所含FA的成分 FA饱和度相同, C数 ，熔点 FA碳数相同，不饱和脂肪酸熔点饱和脂肪酸熔点 2溶解性: 三酰甘油不溶于水也不形成高度分散相。 二酰、单酰甘

12、油能形成高度分散体系微团,三油脂的理化性质,3. 皂化作用油脂的碱水解过程，不可逆(肥皂) 油脂能被酸、碱、酶水解甘油和各种脂肪酸(钠) 皂化值：皂化1g油脂所需的KOH的mg数，它是甘油 三酯平均相对分子质量的量度。皂化值越 大，相对分子质量越小。,V 为滴定HCl毫升数， N 为HCl浓度， 56.1 为氢氧化钾的相对分子质量 m 为油脂的质量（克）。,4乳化作用： 油脂在乳化剂的作用下，成为细小的颗粒均匀地分散在水里面，形成稳定的乳状液的过程称为乳化作用。 如：肥皂去污 脂类的消化吸收需要胆汁酸盐乳化,5自动氧化与酸败 酸败油脂在空气中氧化产生臭味的现象。,酸值：中和1g 油脂中的游离F

13、A 所需KOH的mg数。 酸败程度高，酸值也大。可用于鉴测油脂的品质,产生原因：不饱和成分的自动氧化，继而降解成醛、酮酸的混合物。酸败的程度用酸值表示。,不饱和FA的双键在适当的温度和催化剂作用下，可与氢、卤素加成。氢化作用，生成饱和脂肪酸，由此可推断FA的不饱和程度碘值。 碘值（iodine number）：油脂卤化时，100g油脂与碘作用所需碘的克数。,6. 氢化与卤化,V：滴定时用去硫代硫酸钠的毫升数， N：硫代硫酸钠的浓度， 127：碘相对原子质量， W：样品油脂重量。,碘值越大，油脂中含不饱和FA越多，油脂的不饱和程度越大。,第三节磷脂和固醇类,一、磷脂 含有磷酸的复合脂质，包括：

14、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。 鞘氨醇磷脂：以鞘氨醇代替了甘油。,磷脂酸的衍生物,1、 甘油磷脂,(1) 甘油磷脂的结构特征： 甘油分子C1上连接的多为饱和脂酰基，C2上连接的多 为不饱和脂酰基； 2. 甘油分子C3被磷酸酯化，在磷酸上连有X 3. 两个碳原子脂酰化，为疏水性，C3磷酸酯化并带有胆 碱、胆胺等亲水基团 特点：两亲性分子,磷脂酸 磷脂酰胆胺（脑磷脂） 磷脂酰胆碱（卵磷脂） 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰甘油 磷脂酰肌醇 二磷脂酰甘油（心磷脂）,胆碱,乙醇胺,丝氨酸,甘油,肌醇,卵磷脂,胆碱,磷酸,（2）磷脂的性质 (a) 溶解性质 磷脂有二

15、条柔软的长链脂肪酸基, 故磷脂具有脂溶性质；磷脂的另一组份是磷酰化合物，是强亲水基, 故磷脂既能溶解在有机溶剂中成为透明溶液，又能在水中少量溶解，以胶体状态在水中扩散,。这种在同一分子中含有极性区和非极性区的化合物称之为单极性化合物或双性化合物，也叫中极双性化合物。磷脂的这种性质对于生物膜结构的形成起着重要的作用。,(b) 带电性质 不同磷脂的极性头部所带电荷的种类是不同的,因此,这些磷脂在不同的pH条件下解离所带电荷的种类和数量也是不同的,因而可以通过电泳把它们彼此分开. (c) 磷脂的酶水解 甘油磷脂可被磷脂酶水解，因磷脂酶作用的专一性，已成为鉴定甘油磷脂结构的重要的工具酶。磷脂酶A1专一

16、地水解磷酸甘油酯分子中与甘油第一位碳原子相连的酯键。磷脂酶A2专一地水解与甘油第二位碳原子相连的酯键。磷脂酶B可水解A1 和 A2作用部位。磷脂酶C专一地水解极性头部和磷酸基之间形成的酯键。,（1） 组成（不含甘油）,由(神经)鞘氨醇、FA、磷酸及胆碱各一分子组成,是一种不含甘油的磷脂。,2、 鞘磷脂,神经酰胺,葡萄糖苷神经酰胺,乳糖苷神经酰胺,神经节苷脂,神经鞘氨醇,神经鞘磷脂,磷酸胆碱,X,某些鞘糖脂是血型决定簇，例如人类A、B、O型决定簇如图所示。,二、 固醇类环戊烷多氢菲的衍生物,常见的有胆固醇、胆酸、植物固醇等。,型固醇,型固醇,类固醇,胆固醇（二氢胆固醇、7脱氢胆酸、胆固醇酯） 白

17、色、斜方晶体。 a. 醇基可与脂酸成酯（棕榈酸、硬脂酸、油酸） b. 双键可加氢,1、胆固醇Cholesterol,胆固醇与磷脂共同构成细胞膜的结构，还能转化为激素、胆酸、VitD3等。VD3参与机体的钙磷代谢，与骨骼生长有关。,胆固醇除人体自身合成外，可从膳食获取，如蛋黄、肝、肾、脑中含量很高。胆固醇是生理必须的，但过多会引起疾病。它是动脉壁上粥样硬化斑块的成分之一，也是胆结石主要成分。老年人应注意膳食中的胆固醇量。,胆固醇不能皂化，易溶于有机溶剂。在氯仿溶液中与乙酸酐及浓硫酸反应产生绿色测Ch含量。,2.固醇衍生物胆酸及胆汁酸 胆汁酸是脂肪消化的乳化剂 胆汁中，胆酸多与甘氨酸或牛磺酸结合成

18、甘氨胆酸或牛磺胆酸胆汁酸，常成钠盐胆汁酸盐，是表面活性剂，乳化肠道中的脂肪、胆固醇和Vit（脂溶性），促进肠壁细胞对脂肪的吸收，还可激活脂肪酶，对脂肪的消化和吸收具有重要的生理意义。,（牛磺胆酸）,牛磺胆酸,牛磺胆酸,雌二醇,睾丸激素,胆固醇,脑及神经组织中，肝、肾、肾上腺、卵巢等合成固醇激素的腺体。 介电常数很高，不导电，是传递冲动神经结构的良好绝缘体。 在体内还可转变成胆汁酸盐类。胆汁盐是脂肪良好的乳化剂，能降低水和油脂的表面张力，使之乳化成微粒，有利于脂肪的消化。 具液晶性质，溶液既有流动性，又能在一定条件下非常有规则地排列起来。胆甾醇与不同的脂酸制成的胆甾醇酯，是有显著温度效应的液晶材

19、料。,固醇的性质,补充：脂质的提取、分离与分析 脂质存在于细胞、细胞器及胞外的体液中，因脂质不溶于水，从组织中提取和分离都需要用有机溶剂和某些特殊技术。脂质混合液的分离是因其极性差别或在非极性溶剂中的溶解度差别进行的。 1、有机溶剂提取（氯仿:甲醇:水=1:2:0.8） 2、脂质的色谱分离；TLC HPLC TLC 显色：罗丹明 rhodamine染料（产生荧光） 碘熏：测含不饱和脂肪酸的油脂黄综色 3、混合脂肪酸的气液色谱分析,第四节 生物膜 biological membrane,在地球上出现有生命物质和它由简单到复杂的长期演化过程中，生物膜的出现是一次飞跃，它使细胞能够既独立于环境而存在

20、，又能通过生物膜与周围环境进行有选择的物质交换而维持生命活动。显然，细胞要维持正常的生命活动，不仅细胞的内容物不能流失，且其化学组成必须保持相对稳定，这就需要在细胞和它的环境之间有某种特殊的屏障存在。它能使新陈代谢过程中，经常由细胞得到氧气和营养物质接受各种信息分子和离子，排出代谢产物和废物，使细胞保持稳态，这对维持细胞的生命活动极为重要。因此细胞、细胞器和其环境接界的所有膜结构的总称。 生物膜是一个具有特殊结构和功能的选择性通透膜.,所有的细胞都以一层薄膜将它的内含物与外界环境分开。 另外，大多数细胞中还含有许多内膜系统，组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器。 例如，线粒体、细胞核、内质

21、网、溶酶体和叶绿体等。细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。,生物中除某些病毒外,都具有生物膜,厚度一般为7nm8nm。真核细胞除质膜外，还有分隔各种细胞器的内膜系统，包括核膜、线粒体膜、内质网膜、溶酶体膜、高尔基器膜、叶绿体膜、过氧化酶体膜等。这些细胞或细胞器由膜包裹着与外界分开，形成一个稳定的内环境，在活细胞的物质、能量及信息的形成、转换和传递等生命活动过程中，是必不可少的结构。,一、生物膜的组成和结构,生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。,一生物膜的组成 膜成分脂质(主要)、蛋白质（包括酶） 、糖类 脂质主要是磷脂、胆固醇及糖脂。 外周膜蛋白 30 内在膜蛋白 70 寡糖类物质

22、：大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。在信息传递和相互识别方面具有重要作用。水和金属离子等不同的膜其组成有明显的不同（与其功能有关）,生物膜的结构,生物膜是以磷脂、胆固醇和糖脂为主构成的双层脂膜,丝状细胞骨架,胆固醇,双分子层磷脂膜,生物膜的结构,外周蛋白,整合蛋白,醣脂类,醣蛋白,低聚糖,疏水,膜脂化学组成：磷脂为主，还有固醇、糖脂 双分子层：生物膜的基质是极性脂质：磷脂、胆固醇和糖脂。磷脂的分子形态包括一个亲水性的极性头部和疏水性的脂肪酰链尾部。这种两亲性特性维持了膜结构的稳定性。亲水性头部朝向水相，疏水性尾部彼此聚集。,液态镶嵌模型（液晶态镶嵌模型）膜是蛋白质镶嵌在粘滞的流体状脂质双层中所

23、形成的。 1972年，S.J.Singer和G.L.Nicolson提出生物膜流动镶嵌模型。根据疏水相互作用明确了双分子层中的基质是脂质，蛋白质靠静电相互作用结合在脂质的极性头部（外周膜蛋白），或镶嵌在双分子层的疏水性区域（内在性膜蛋白）即膜的镶嵌特性。 生物膜的内外表面上，脂类和蛋白质的分布不均衡，这反映了膜两侧的功能的不同。,二.膜结构液态镶嵌模型,主要特征： 膜中的磷脂疏水尾相对,极性头朝外,基本结构是磷脂双分子层，有一定的流动性。 蛋白质分子有的镶嵌在膜脂中,有的贯穿磷脂双层,膜Pr可侧向运动，但不能翻滚。 膜Pr与膜脂，膜Pr与膜Pr等的相互作用限制了膜的流动 性。 膜在化学组成及结

24、构上的不对称性,保证了膜功能(物质运输，信息传递)的方向性。 糖类多以糖蛋白,糖脂的形成结合在细胞表面天线，在接受信息与细胞识别上起重要作用。,膜的流动性是生物膜极为重要的结构特征,它保证生物膜实现能量转换、物质转运、信息传递、细胞分裂等功能,生物膜磷脂中的多聚不饱和脂肪酸（PUFA）可维持膜的流动性。,组成膜的磷脂具有一个极性头二个非极性尾 常含有不饱和脂肪酸以调节膜的流动性 膜中的胆固醇也可调节膜的流动性，降低水溶性物质的通透性。 影响流动性的因素： 1. 所含的FA不饱和程度、链长， 2. 胆固醇、鞘磷酯的含量， 3. 膜蛋白及温度，pH等等。,膜蛋白的流动性,三生物膜的功能 不同的生物

25、膜具有不同的功能， 主要包括: 保护作用稳定内环境 物质运输 能量转换 信息的传递 细胞识别,1保护功能,在细胞或细胞器中，生物膜第一个重要作用是将其内含物质与外界环境分隔开来，使之成为具有特殊功能的独立个体。 生物膜能够保护细胞或细胞器不受或少受外界环境因素改变的影响。,2转运功能,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，同时也要排出不需要的物质。 在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着重要的调控作用。,物质转运生物膜的基本功能 主要方式 简单扩散：物质从浓度高的一侧到浓度低的一侧，不需能量，不需膜Pr协助，依赖于物质

26、种类，分子大小，两侧的浓度差。 促进扩散：顺浓度梯度，不需能量，需特异的膜Pr促进转运，增加速率和特异性。如载体蛋白，通道蛋白。,单纯扩散及促进扩散都是被动运输，两者都是在浓度梯度的驱动下，向平衡态进行的跨膜扩散运动。,被动运输,借膜的变形将大分子、配体、菌体等物质摄入细胞而将蛋白质、多糖等分泌出细胞的过程。其中通过膜上受体中介的内吞作用是个很重要的细胞学过程。铁传递蛋白、胰岛素、上皮生长因子，许多毒素和病毒等亦是通过这一途径进入细胞的。,逆浓度梯度和电化学梯度，需要能量和特异膜蛋白参与，如Na+, K+泵。,主动运输,膜动运输,转运通道,钠、钾离子泵,钠泵实际上就是膜结构中的一种特殊蛋白质，它本身具有催化ATP水解的活性，可以把 ATP分子中的高能键切断而释放能量，并利用此能量进行Na+，K+的主动运送。因此钠泵就是这种被称为Na+-K+依赖式ATP酶的蛋白质。细胞膜上的钙泵也是一种ATP酶，它能把细胞内过多的Ca2+转移到细胞外去。,3信息传递,质膜可将膜外信息传至胞内 细胞接受外界的刺激和信息，通过质膜上的受体（膜Pr）将其传入胞内，产生生物学效应