第二章脂質(zhì)和生物膜

第二章脂質(zhì)和生物膜第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第一部分脂質(zhì)脂的概念：是一類不溶于水而高溶于乙醚、氯仿、苯等非極性有機溶劑的化合物，其化學(xué)本質(zhì)是脂肪酸和醇形成的酯類及其衍生物。脂的分類：

單純脂：脂肪酸與醇類形成的酯，甘油酯、蠟復(fù)合脂：甘油磷脂、鞘磷脂、糖脂。前體及衍生脂：高級脂肪酸、甘油、固醇、萜類、維生素ADEK、前列腺素、脂蛋白等。

第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三脂類的功能貯存脂質(zhì)：三酰甘油，蠟結(jié)構(gòu)脂質(zhì)：磷脂雙酯層，膽固醇活性脂質(zhì)：類固醇，萜，前列腺素第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三SpermWhales:FatheadsoftheDeep第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容2.1.1、脂肪酸2.1.2、三酰甘油2.1.3、磷脂2.1.4、糖質(zhì)2.1.5、類固醇第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.1.1、脂肪酸脂肪酸是由一條長的烴鏈（尾）和一個末端羧基（頭）組成的羧酸。烴鏈不含雙鍵（和三鍵）的為飽和脂肪酸，含一個或多個雙鍵的為不飽和脂肪酸。第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三脂肪酸的命名與結(jié)構(gòu)特點棕櫚酸，正十六烷酸，16:0油酸，cis-9-十八碳烯酸，18:1Δ9c亞油酸，cis-

9,12-十八碳二烯酸，18:2Δ9c,12c1、天然脂肪酸骨架的碳原子數(shù)目幾乎都是偶數(shù)2、天然脂肪酸的雙鍵都是順式構(gòu)型第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三人體及哺乳動物不能向脂肪酸引入超過Δ9的雙鍵，因而不能合成亞油酸和亞麻酸。因為這兩種脂肪酸對人體功能是必不可少的，但必須由膳食提供，因此被稱為必需脂肪酸。第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三飽和脂肪酸必需脂肪酸第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.1.2、三酰甘油三酰甘油是甘油和脂肪酸形成的三脂，因為不帶電荷，于是又稱中性脂。第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三三酰甘油的物理性質(zhì)顏色與氣味：無色、無味、無嗅溶解度：不溶于水，而溶于乙醇、乙醚、氯仿、表面活性劑等熔點：天然油脂沒有固定的熔點，只有一個大概范圍。熔點由脂肪酸的飽和性決定構(gòu)型：都是L-型（規(guī)定）。第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三化學(xué)性質(zhì)

1、水解與皂化三脂酰甘油能在酸、堿或脂酶的作用下水解為脂肪酸和甘油。如果在堿溶液中水解，產(chǎn)物之一是脂肪酸的鹽類，俗稱皂；油脂的堿水解作用稱為皂化作用。皂化1g油脂所需的KOHmg數(shù)稱為皂化值。皂化值是三酰甘油中脂肪酸平均鏈長即三酰甘油（TG）平均相對分子量的量度TG平均Mr=3×56×1000皂化值第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2、酸敗與自動氧化

油脂長期暴露在空氣中會產(chǎn)生酸臭味，這種現(xiàn)象稱為酸敗。原因是油脂受空氣和光照作用，部分發(fā)生分解，不飽和脂肪酸被氧化成為醛或酮以及羧酸，產(chǎn)生酸臭味。（自動氧化）酸值：KOH（mg）/油脂（g）第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三3、加成反應(yīng)與碘值

油脂中的不飽和雙鍵可以與H2、I2、HCl、Cl2等發(fā)生加成反應(yīng)。鹵化反應(yīng)中吸收鹵素的量反應(yīng)不飽和鍵的多少。通常用碘值表示不飽和度。碘值：100g油脂鹵化是吸收碘的克數(shù)。第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3、磷脂磷脂是重要的兩親物質(zhì)，它們是生物膜的重要組分、乳化劑和表面活性劑磷脂有兩類：甘油磷脂和鞘磷脂。第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三A、甘油磷脂甘油磷脂也稱磷酸甘油脂。最簡單的磷酸甘油脂是由sn-甘油-3-磷酸衍生而來磷脂酸的磷酸基進一步被一個極性醇（X-OH）酯化，形成各種常見甘油磷脂X第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三甘油磷脂屬于兩親脂質(zhì)，是生物膜的主要成分。在生理條件下，許多甘油磷脂的極性頭基帶有凈電荷。甘油磷脂的脂鍵和磷酸二酯鍵能被磷脂酶專一性水解。特性：第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三磷脂酶A1和A2分別特異地催化甘油磷脂中C-1和C-2位置酯鍵的水解。由磷脂酶A作用產(chǎn)生的高濃度的溶血磷脂（lysophosphoglycerides）可能會破壞細胞膜，其它兩種磷脂酶C和D，磷脂酶C催化甘油和磷酸之間的鍵的水解，釋放出二脂酰甘油，磷脂酶D催化甘油磷脂水解生成磷脂酸第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三甘油磷脂舉例：磷脂酰膽堿（卵磷脂）第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三B、鞘磷脂鞘脂的結(jié)構(gòu)骨架是鞘氨醇，它是一個無分支的C18醇，在C4和C5之間有一反式雙鍵。神經(jīng)酰胺由一個通過酰胺鍵與鞘氨醇的C2氨基連接的脂肪酸構(gòu)成。是所有鞘脂代謝的前體。第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三膽堿鞘磷脂是由連接在神經(jīng)酰胺C1羥基上的磷酰膽堿組成的?？梢钥闯?，鞘磷脂是兩性分子，與磷脂酰膽堿很相似，因為二者都含有膽堿、磷酸和兩個長的疏水尾巴。鞘磷脂存在于大多數(shù)哺乳動物細胞的質(zhì)膜內(nèi)，是包圍著某些神經(jīng)細胞的髓鞘的主要成分。第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.1.4、糖質(zhì)糖脂是指糖通過半縮醛羥基以糖苷鍵與脂質(zhì)連接的化合物。腦苷脂是含有一個單糖殘基的糖鞘脂，該單糖通過β-糖苷鍵與神經(jīng)酰胺相連。第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.1.5、類固醇類固醇是環(huán)戊烷多氫菲的衍生物，是真核生物中常見的第三類膜脂。膽固醇是動物體內(nèi)含量最多的一種類固醇。第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三膽固醇第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三70千克人體含140克左右，1/4在腦及神經(jīng)組織中，肝、腎含量也較多。血清中含量升高，會增加患心血管疾病的可能性。膽固醇是生物膜的重要成分，羥基極性端分布于膜的親水界面，母核及側(cè)鏈深入膜雙層，控制膜的流動性，阻止磷脂在相變溫度以下時轉(zhuǎn)變成結(jié)晶狀態(tài)，保證膜在低溫時的流動性及正常功能。

膽固醇是合成膽汁酸、類固醇激素、維生素D等生理活性物質(zhì)的前體。

第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三一些重要的類固醇激素第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第二部分生物膜第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三生物膜的功能1、將內(nèi)含物與外環(huán)境分開2、物質(zhì)的運輸3、能量的轉(zhuǎn)換4、細胞的運動5、繁殖6、信號傳遞7、與臨近分子或細胞的相互作用第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1、生物膜的組成2.2.2、生物膜的分子結(jié)構(gòu)2.2.3、生物膜的物質(zhì)運輸——跨膜轉(zhuǎn)運第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1、生物膜的組成主要由脂質(zhì)（主要是磷脂、糖脂和膽固醇）、蛋白質(zhì)（包括酶）和糖類組成，生物膜的組成，因膜的種類不同而有很大的差別。第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三A、脂質(zhì)一個典型的生物膜含有磷脂、糖脂和膽固醇。由于磷脂和糖脂含有兩條烴鏈尾巴，可以精巧的組裝成脂雙層。脂雙層內(nèi)的脂分子的疏水尾巴指向雙層內(nèi)部，親水頭部與每一面的水相接觸。脂雙層傾向于閉合形成球形結(jié)構(gòu)。第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三脂雙層的應(yīng)用——脂質(zhì)體（liposome）磷脂分子在水溶液中自發(fā)形成脂雙層，并自我封合成雙層微囊，稱為脂質(zhì)體（liposome）。作為一種人造的微囊，用來向細胞或人體器官傳送疫苗、麻醉藥、酶或其它物質(zhì)。第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三B、膜蛋白生物膜中存在兩種類型的膜蛋白：內(nèi)在膜蛋白、外周膜蛋白內(nèi)在膜蛋白也稱內(nèi)嵌膜蛋白，含有嵌入脂雙層疏水部位的疏水區(qū)。有些內(nèi)在膜蛋白橫跨脂雙層。外周膜蛋白通常通過離子鍵或氫鍵與膜脂的極性頭部或內(nèi)在膜蛋白結(jié)合。第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三穿膜蛋白含有跨越脂雙層的疏水區(qū)一般具有跨膜多肽區(qū)的內(nèi)在膜蛋白稱為穿膜蛋白。這是參與跨膜轉(zhuǎn)運和信號傳遞的蛋白質(zhì)必須具備的特征。單次跨膜蛋白：具有唯一一個跨膜的肽段。多次跨膜蛋白：具有幾個跨膜肽段。轉(zhuǎn)運蛋白大多是多次跨膜蛋白。第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三C、糖類生物膜中的糖類大多與膜蛋白結(jié)合。血型糖蛋白A，是生物化學(xué)中第一個被研究的穿膜糖蛋白。它的穿膜結(jié)構(gòu)域是一個非常像含有19個疏水氨基酸殘基的α-螺旋。細胞外部殘基上還連有許多親水性寡糖，這些寡糖的種類和位置決定了人的血型。第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.2.2、生物膜的分子結(jié)構(gòu)脂雙層內(nèi)在膜蛋白外周膜蛋白Back第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三流動鑲嵌模型的描述膜蛋白看上去象是圓形的“冰山”漂浮在高度流動的脂雙層“?！敝小?nèi)在膜蛋白插入或跨越脂雙層，與疏水內(nèi)部接觸。外周膜蛋白與膜表面松散連接。生物膜是一個動態(tài)結(jié)構(gòu)，即膜中的蛋白質(zhì)和脂可以快速的在雙層的每一層內(nèi)，側(cè)向擴散。第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三生物膜的兩個主要特征1、膜組份的不對稱分布性2、生物膜的流動性第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三膜組分的不對稱分布性脂在生物膜的內(nèi)層和外層分布呈不對稱性。以人紅細胞質(zhì)膜為例，鞘磷脂和磷脂酰膽堿占了外膜總脂含量的80%以上；而在內(nèi)膜上，占優(yōu)勢的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸。第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三膜蛋白在膜兩側(cè)的分布也是不對稱的。有的蛋白質(zhì)鑲嵌在脂雙層表面，有的則部分或全部嵌入其內(nèi)部，有的則橫跨整個膜。第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三生物膜的流動性組成生物膜的脂和蛋白處于快速的運動之中。一個典型蛋白質(zhì)分子在生物膜上的側(cè)向擴散速率約為μm/min；而磷脂的側(cè)向擴散速率約為μm/s。與側(cè)向擴散相反，脂質(zhì)（或蛋白質(zhì)）從膜的一面翻轉(zhuǎn)到另一面的速率非常緩慢。第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三通過細胞膜融合實驗證明生物膜運動性的示意圖帶有特異性蛋白和不同熒光標記的不同細胞融合初期37°C保溫40min后第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3、跨膜轉(zhuǎn)運細胞或細胞器需要經(jīng)常與外界進行物質(zhì)交換以維持其正常的功能。細胞或細胞器通過生物膜，從膜外選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時將細胞生成的產(chǎn)物輸出，并排出廢物的過程叫做跨膜轉(zhuǎn)運。在各種物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程中，細胞膜起著重要的調(diào)控作用。第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三被動運輸被動擴散、協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）主動運輸從熱力學(xué)的觀點看，物質(zhì)的跨膜運輸有兩種形式：第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三A、簡單擴散是一個熱力學(xué)自發(fā)過程，不需要轉(zhuǎn)運系統(tǒng)或分子的協(xié)助疏水的、小的、不帶電荷的分子可以自由的擴散通過脂雙層。極性和帶電荷的物質(zhì)不易通過脂雙層。第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三B、協(xié)助擴散也是一個熱力學(xué)自發(fā)過程，但需要轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助許多物質(zhì)通過簡單擴散過程穿過生物膜的速率遠不能滿足維持生命活動的需要，實際上，小分子的跨膜運輸大都是通過專一性運輸?shù)鞍椎淖饔脤崿F(xiàn)的。轉(zhuǎn)運蛋白具有兩個基本特點：1）它們只在熱力學(xué)允許的方向上幫助小分子的運輸；2）它們對要轉(zhuǎn)運的分子具有很強的親和性和專一性。第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三C、主動運輸需要供給能量主動運輸可以逆濃度梯度轉(zhuǎn)運，但需要能量。主動運輸可以利用不同形式的能源，常用的是ATP。離子轉(zhuǎn)運ATP酶是一大類ATP驅(qū)動離子轉(zhuǎn)運蛋白，幾乎存在于所有細胞器官中，它們的作用是制造和維持跨質(zhì)膜和細胞內(nèi)器官的離子濃度梯度。第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三主動運輸?shù)奶攸c1、專一性2、運輸速度可達到“飽和”狀態(tài)3、方向性4、選擇性抑制5、需要提供能量第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三小分子的運輸生物大分子的運輸根據(jù)運輸物質(zhì)的分子大小，物質(zhì)運輸可以分為：第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三小分子的跨膜運輸小分子和離子跨膜運輸除少數(shù)經(jīng)簡單擴散、離子載體運輸外，多數(shù)借助于2種類型的內(nèi)在膜蛋白：

通道蛋白或孔蛋白——協(xié)助擴散轉(zhuǎn)運蛋白——協(xié)助擴散，主動運輸?shù)?3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三通道蛋白和孔蛋白使溶質(zhì)擴散過膜通道蛋白和孔蛋白是帶有中央親水通道的跨膜蛋白。大小、電荷和幾何形狀都合適的溶質(zhì)可以順著濃度梯度經(jīng)通道快速的擴散。在動物細胞中含有許多通道蛋白，它們對某些離子高度特異。某些通道連續(xù)開放，而另外一些象個門，響應(yīng)某些刺激或開或關(guān)。第64頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第65頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三轉(zhuǎn)運蛋白通過構(gòu)象變化

實現(xiàn)物質(zhì)跨膜運輸許多轉(zhuǎn)運蛋白的作用象個“門”，它們可以呈現(xiàn)出面向外或面向內(nèi)的構(gòu)象。當處于面向外構(gòu)象的蛋白質(zhì)結(jié)合一個特異的分子或離子后，經(jīng)過構(gòu)象轉(zhuǎn)換變成面向內(nèi)的構(gòu)象，被轉(zhuǎn)運的分子就在膜的內(nèi)表面釋放，然后轉(zhuǎn)運蛋白又重新轉(zhuǎn)換為面向外構(gòu)象。轉(zhuǎn)運蛋白構(gòu)象的改變往往是被結(jié)合的轉(zhuǎn)運物質(zhì)激發(fā)的（葡萄糖）。在主動運輸中，構(gòu)象的改變是被ATP的水解或其它能源驅(qū)動的（Na+,K+）。第66頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三葡萄糖首先與轉(zhuǎn)運蛋白（GLUT1）的面向外構(gòu)象結(jié)合，然后當轉(zhuǎn)運蛋白構(gòu)象改變時，葡萄糖跨過脂雙層。在面向細胞質(zhì)一側(cè)，葡萄糖脫離轉(zhuǎn)運蛋白，進入細胞質(zhì)，而轉(zhuǎn)運蛋白又變回起始構(gòu)象。第67頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三Na+,K+的跨膜運輸?shù)?8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三Na+,K+的跨膜運輸1、Na+,K+-ATP酶在膜內(nèi)有鈉的高親和性位點2、與鈉結(jié)合后可以將ATP的末端的磷酸基團轉(zhuǎn)移到酶上3、酶的構(gòu)象發(fā)生變化，Na+