《生物化學(xué)》-第4章-脂類和生物膜

第四章脂類和生物膜生物化學(xué)4.1脂類脂類是生物體內(nèi)的一大類重要的有機化合物,它們有一個共同的物理性質(zhì),就是不溶于水,但能溶于非極性有機溶劑（如氯仿、乙醚、丙酮、苯等）中。生物體含有的脂類主要有脂肪（三酰甘油）、磷脂、糖脂、固醇等。這些脂類不但化學(xué)結(jié)構(gòu)有差異,而且具有不同的生物功能。如脂肪酸是生物體的重要代謝燃料,脂肪是貯存能量的主要形式、在機體表面的脂類有防止機械損傷和防止熱量散發(fā)的作用。磷脂、糖脂、固醇等是構(gòu)成生物膜的重要物質(zhì)。脂類作為細(xì)胞表面的組分與細(xì)胞識別、種的特異性、組織免疫性等有密切關(guān)系。有些脂類如萜、類固醇是具有維生素、激素等生物功能的脂溶性生物分子。脂類在生物體中還常以共價鍵或通過弱鍵與其他生物分子結(jié)合形成各種雜交分子。如糖脂含有糖類和脂類基團,脂蛋白則是由脂類與蛋白質(zhì)組成的一類重要的生物大分子物質(zhì)。4.1.1三酰甘油三酰甘油也稱脂肪，中性脂肪或三酰甘油是1分子甘油和3分子脂肪酸結(jié)合而成的酯，其結(jié)構(gòu)通式是:三酰甘油通式式中R1R2及R3是脂肪酸的烴鏈,若相同則稱為單純甘油酯；若不同則稱為混合甘油酯。在天然脂肪酸的碳鏈中,C原子的數(shù)目絕大多數(shù)是雙數(shù)的,并且大多數(shù)含16個或18個C原子。脂肪酸又分為飽和及不飽和兩種,飽和脂肪酸的碳鏈完全為H所飽和,如軟脂酸、硬脂酸、花生酸等。不飽和脂肪酸的碳鏈則含有不飽和的雙鍵,如油酸含1個雙鍵、亞油酸含2個雙鍵、亞麻酸含3個雙鍵、花生四烯酸含4個雙鍵等。植物油含不飽和脂肪酸比動物油多。不飽和脂肪酸比飽和脂肪酸容易起化學(xué)反應(yīng),所以在生物化學(xué)上,不飽和脂肪酸比較重要。4.1.2甘油磷酸酯類甘油磷酸酯類所含的第三個羥基被磷酸所酯化，而被其它兩個羥基被脂肪酸酯化，他們的結(jié)構(gòu)可表示為:甘油磷酸酯類甘油磷酸酯所含的兩個長的烴鏈?zhǔn)拐麄€分子的一部分帶有非極性的性質(zhì),而甘油分子的第三個羥基與磷酸形成酯鍵,因而是有極性的,我們把這個極性部分稱為極性頭,把非極性的烴長鏈稱為非極性尾。所以這類化合物又稱為兩性脂類或極性脂類。由于甘油磷酸酯為兩性分子,因此在水中他們的極性基團指向水相,而非極性的烴長鏈部分由于對水的排斥力而聚集在一起形成雙分子層的中心疏水區(qū)。這種脂雙分子層結(jié)構(gòu)在水中處于熱力學(xué)的穩(wěn)定狀態(tài),構(gòu)成生物膜的結(jié)構(gòu)基本特征之一。4.1.3鞘脂類鞘脂類是植物和動物細(xì)胞膜的重要組分,在神經(jīng)組織和腦內(nèi)含量較高。鞘脂類也具有一個極性頭和兩個非極性尾,但不含甘油。他們是由一分子脂肪酸,一份子鞘氨醇或其衍生物,以及一分子極性頭基團所組成。鞘脂類又可分為三類,即鞘磷脂類、腦苷脂類及神經(jīng)節(jié)苷脂類。①鞘磷脂類最簡單而在高等動物組織中含量最豐富的鞘脂類。他們的極性頭是磷酰膽堿或磷酰乙醇胺。由于鞘磷脂類含有磷，所以也可以與磷酰甘油酯一起劃分到磷脂類中。②腦苷脂類不含有磷，由于極性頭不帶電荷故呈中性。此類化合物含有一個或多個糖單位故常稱為糖鞘脂。③神經(jīng)節(jié)苷脂類這是一類最復(fù)雜的糖鞘脂類，它含有由幾個糖基組成的巨大極性頭。4.1.4固醇類固醇類都是環(huán)戊烷多氫菲的衍生物,由于含有醇基故命名為固醇。每一種固醇的性質(zhì)是由固醇骨架的取代基團以及碳-碳鏈間飽和或不飽和的程度所決定的。4.2.1細(xì)胞中的膜系統(tǒng)4.2生物膜生物的基本結(jié)構(gòu)和功能單位是細(xì)胞。任何細(xì)胞都是以一層薄膜將其內(nèi)容物與環(huán)境分開,這層薄膜稱為細(xì)胞的質(zhì)膜。此外大多數(shù)細(xì)胞中還有許多內(nèi)膜系統(tǒng),他們組成具有各種特定功能的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器如細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體、高爾基體、過氧化酶體等。在植物細(xì)胞中還有葉綠體。在細(xì)菌等原核細(xì)胞中,在細(xì)胞壁內(nèi)也有一層質(zhì)膜。某些細(xì)菌的質(zhì)膜還可以向內(nèi)延伸或內(nèi)陷形成的結(jié)構(gòu)稱中體或質(zhì)膜體,他們可以完成真核細(xì)胞器的部分功能。比細(xì)菌小得多的支原體直徑僅為0.33~1.0μm,只有一層膜包圍著細(xì)胞質(zhì)。病毒顆粒的外周也有一層由蛋白和類脂組成的外殼膜,有的病毒外殼膜的類脂也是典型的雙分子層生物膜結(jié)構(gòu)。所有這些膜雖然組分和功能不同,但在電鏡下卻表現(xiàn)出大體相同的形態(tài)、厚度6~9nm左右的3片層結(jié)構(gòu),他們統(tǒng)稱為生物膜。4.2.2膜的化學(xué)組成化學(xué)分析結(jié)構(gòu)表明生物膜幾乎都是由脂類和蛋白質(zhì)兩大類物質(zhì)組成。此外尚含有少量糖（糖蛋白和糖脂）以及金屬離子等,水分一般占15.20%左右。生物膜的脂類主要包括磷脂、固醇及其他脂類,其中包括磷脂酰膽堿（PC）,磷脂酰乙醇胺（PE）,磷脂酰絲氨酸（PS）,磷脂酰肌醇（PI）,鞘磷脂（SM）等。膜脂對膜的結(jié)構(gòu)和膜功能均有重大影響。①膜脂生物膜中的脂類主要是脂類、固醇和鞘脂，都屬于兩性分子。當(dāng)磷脂分散于水相時，分子的疏水尾部傾向于聚集在一起，避開水相，而親水頭部暴露在水相，形成具有雙分子層結(jié)構(gòu)的封閉囊泡，通稱為脂質(zhì)體（liposome）。脂質(zhì)體大小不均勻，大體上可分為兩類:一類是呈同心球殼的多片層囊泡（MLV），直徑0.2~10μm；另一類為單片層囊泡（UV），該結(jié)構(gòu)僅含單片雙分子層。單片層囊泡又可分為大單片層囊泡（LUV），直徑200~1000nm和小單片層囊泡（SUV），直徑20~50nm。脂質(zhì)體是一類人工膜，由于其理化特性十分接近天然生物膜，因而是研究生物膜結(jié)構(gòu)與功能的良好材料。膜中蛋白質(zhì)根據(jù)其在膜結(jié)構(gòu)中的分步大體可分為兩大類,外周蛋白與內(nèi)嵌蛋白。外周蛋白的主要特點是分布于膜的外表,通過靜電作用及離子鍵作用等較弱的非共價鍵與膜的外表相結(jié)合。內(nèi)嵌蛋白的主要特征為水不溶性,他們分布在磷脂的脂雙分子層中,有時橫跨全膜或者以多酶復(fù)合物形式由內(nèi)嵌蛋白和外周蛋白結(jié)合,或者以疏水和親水兩部分分別與磷脂的疏水和親水部分兩結(jié)合。膜蛋白對物質(zhì)代謝（酶蛋白）、物質(zhì)傳送、細(xì)胞運動、信息的接受與傳遞、支持與保護均有重要意義。②膜蛋白主要是以糖蛋白和糖脂的形式存在。在細(xì)胞質(zhì)膜表面分布較多,一般占質(zhì)膜總量的2%~10%左右。與膜蛋白和膜脂結(jié)合的糖類主要有中性糖、氨基糖和唾液糖。糖脂主要為神經(jīng)糖脂。糖蛋白和糖脂與細(xì)胞的抗原結(jié)構(gòu)、受體、細(xì)胞免疫反應(yīng)、細(xì)胞識別、血型及細(xì)胞癌變等均有密切關(guān)系。③膜糖類4.2.3膜的結(jié)構(gòu)自從1935年Daneilli提出連續(xù)的脂質(zhì)雙分子層組成生物膜的主體的理論以來,曾提出過許多種說明膜結(jié)構(gòu)的理論模型。目前,為人們所廣泛接受的模型是1972年由S.J.Singer和G.Nicolson提出的流動鑲嵌模型。流動鑲嵌模型的要點

⑥膜蛋白可作橫向移動，外周蛋白漂浮在雙分子層“海洋”的表面，而內(nèi)嵌蛋白又如“冰山”幾乎完全浸沉于烴基核心中。⑤雙分子層中的脂質(zhì)分子之間或蛋白質(zhì)組分與脂質(zhì)之間無共價結(jié)合；④外周蛋白的表面含有親水性R基，可通過靜電引力與帶電荷的脂質(zhì)雙分子層的極性頭部連接；③膜的內(nèi)嵌蛋白的表面具有疏水的氨基酸側(cè)鏈基團，故可使此類蛋白“溶解”于雙分子層的中心疏水部分中；②由于極性脂質(zhì)的疏水尾部含有一定量的飽和或不飽和脂肪酸，而這些脂肪酸在細(xì)胞正常溫度下呈液體狀態(tài)，因此脂質(zhì)雙分子層具有流動性；①膜的基質(zhì)或膜結(jié)構(gòu)的連接主體是極性的脂質(zhì)雙分子層；該模型雖然可以解釋膜的許多物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì),但問題遠(yuǎn)未解決。一種模型也難以概括不同來源不同功能的生物膜。4.2.4膜的功能細(xì)胞膜（質(zhì)膜）及各種內(nèi)膜系統(tǒng),統(tǒng)稱生物膜（biomembrane）。在細(xì)胞中,生物膜以不同的形式存在,而且功能也各有差異。細(xì)胞膜是包圍在細(xì)胞外周的一層界膜,具有多種重要的功能。①物質(zhì)傳送作用細(xì)胞在生命活動過程中，不斷地與外界進行物質(zhì)交換，需依賴細(xì)胞膜上專一性的傳送載體蛋白或通道蛋白，實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的傳送。②保護作用生物膜具有自我封閉的特點，細(xì)胞膜作為細(xì)胞外周界膜，對保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定起主要作用。③信息傳遞作用細(xì)胞膜上有各種受體，能特異地結(jié)合激素等信號分子。④細(xì)胞的識別作用細(xì)胞識別是指細(xì)胞有識別異己的能力，尤其是生殖細(xì)胞和免疫細(xì)胞的識別能力更為明顯。鑒于特定的膜受體和膜抗原的化學(xué)本質(zhì)都是糖蛋白或糖脂，因此認(rèn)為細(xì)胞識別的分子基礎(chǔ)是糖鏈結(jié)構(gòu)的特異性。思考題:生物膜由那些