第二章 脂質(zhì)與生物膜

1、第二章 脂質(zhì)與生物膜,1 脂 質(zhì) （Lipid）,脂質(zhì)-不溶于水，但能溶于非極性有機(jī)溶劑。,脂類(lèi),三酰甘油,磷脂,糖脂,固醇,基本脂，不代謝,按生物學(xué)功能分：,貯存脂質(zhì),結(jié)構(gòu)脂質(zhì),活性脂質(zhì),蠟,前列腺素，脂溶性維生素等,-海洋浮游生物的能量?jī)?chǔ)庫(kù),可代謝供能,（膜脂）,不因饑餓或者病理狀態(tài)發(fā)生較大的變化,1.1 脂肪酸,脂肪酸,飽和脂肪酸：軟脂酸（16C）、硬脂酸（18C）。,不飽和脂肪酸,含1個(gè)雙鍵（單不飽和脂肪酸）,含2個(gè)及以上雙鍵（多不飽和脂肪酸）,脂肪酸的名稱(chēng)的簡(jiǎn)寫(xiě),注明烴鏈的長(zhǎng)度，雙鍵的數(shù)目和位置。,亞油酸18:2,9,12,硬脂酸18:0,生物脂肪酸的物理、化學(xué)性質(zhì),生物脂肪酸的結(jié)構(gòu)

2、特點(diǎn),.絕大多數(shù)含偶數(shù)的碳原子，直鏈；,.雙鍵多是順式結(jié)構(gòu)，且不共軛。,.飽和脂肪酸12:024:0，在常溫下是固體；同樣鏈長(zhǎng)的不飽和脂肪酸則是液體。,.水溶性小，密度比水小；,.雙鍵可以發(fā)生氫化而飽和；雙鍵間的-CH2-可以被氧化為自由基。,AA（花生四烯酸）含4個(gè)雙鍵,植物和細(xì)菌可以利用乙酰CoA合成所需的全部脂肪酸。,哺乳動(dòng)物既可以從食物中獲得大部分脂肪酸，也可以合成飽和脂肪酸和一些單不飽和脂肪酸（16:1，18:1）。,必需脂肪酸,但是，亞油酸(18:2)和亞麻酸(18:3)必須從植物中獲取，也稱(chēng)為哺乳動(dòng)物的必需脂肪酸。,EPA（二十碳五烯酸）含個(gè)雙鍵,DHA（二十二碳六烯酸）含個(gè)雙鍵

3、,利用它們?cè)隗w內(nèi)合成：,腦黃金,一些常見(jiàn)油脂中高級(jí)脂肪酸含量,1.2 三酰甘油(TG),1分子甘油和3分子脂肪酸結(jié)合而成的酯。,當(dāng)R1R3，C2有手性；，,在室溫下呈液態(tài)的稱(chēng)為油，如豆油、桐油和花生油等; 固態(tài)或半固態(tài)的稱(chēng)為脂肪，如：牛油、豬油等,1.2.1 三酰甘油的結(jié)構(gòu),1.2.2 化學(xué)反應(yīng),1. 皂化反應(yīng)與皂化值,將油脂與NaOH溶液共熱，可水解生成甘油和高級(jí)脂肪酸的鈉鹽。如：,油脂的化學(xué)反應(yīng)主要表現(xiàn)在酯和雙鍵結(jié)構(gòu)上。,肥皂,油脂的堿性水解稱(chēng)為皂化。后將其推廣為酯的堿性水解反應(yīng)均稱(chēng)為皂化反應(yīng)。,皂化值：工業(yè)上把1g油脂完全皂化所需的KOH的質(zhì)量(單位：mg)，稱(chēng)為皂化值。,皂化值反映出油

4、脂的平均相對(duì)分子質(zhì)量。顯然，皂化值，油脂的平均相對(duì)分子質(zhì)量。,(為什么?),2. 加成反應(yīng)與碘值,含有不飽和酸的油脂，分子中的碳碳雙鍵可與H2或X2加成。,如：將油在200以上、0.10.3MPa下，以Ni為催化劑進(jìn)行催化加氫，稱(chēng)為油的氫化或油的硬化。,工業(yè)上常通過(guò)該反應(yīng)把液態(tài)的植物油轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽炷逃停浠椭?，用于食品加工烹飪?可能含反式結(jié)構(gòu),碘值：100g油脂所能吸收的碘的質(zhì)量(單位：g)，稱(chēng)為碘值(又稱(chēng)碘價(jià)) 。碘值，說(shuō)明油脂的不飽和程度。,由于碘與碳碳雙鍵加成較為困難，測(cè)定時(shí)通常用ICl或IBr作試劑，再折算成碘的質(zhì)量。,3. 酸敗,油脂和含油脂的食品，在貯存過(guò)程中經(jīng)微生物、酶、空氣

5、中的氧的作用，而發(fā)生變色、氣味改變等變化，稱(chēng)為油脂酸敗。,常可造成不良的生理反應(yīng)或食物中毒。,ICl 熔點(diǎn)：型27.17，不吸潮 。,原因是：,酸敗的結(jié)果導(dǎo)致油脂的酸性增加。,酸值是評(píng)定油品酸敗程度的指標(biāo)之一，它是指中和 1 g油脂中游離脂肪酸所消耗的氫氧化鉀的質(zhì)量(mg)。,酸值與皂化值有何差異？,（4）溫度：溫度升高，則油脂酸敗速度加快，溫度每升高10，酸敗速度一般加快一倍。因此，油脂應(yīng)盡量低溫保存。,完全避免酸敗是不可能的，只能采取措施減慢：,（1）水分：一般認(rèn)為油脂含水量超過(guò)0.2%，水解酸敗作用會(huì)加強(qiáng)。所以，在油脂的保管和調(diào)運(yùn)中，要嚴(yán)格防止水分的浸入。,（2）空氣：空氣中的氧氣是引起

6、酸敗變質(zhì)的主要因素，因此，應(yīng)充氮及嚴(yán)格密封儲(chǔ)存。,（3）光照：日光中的紫外線(xiàn)有利于氧的活化和油脂中游離基的生成，加快油脂氧化酸敗的速率，因此，油脂應(yīng)盡量避光保存。,1.3 蠟,蠟的主要成分C16以上的含偶數(shù)碳原子的高級(jí)脂肪酸的高級(jí)飽和一元醇酯。天然蠟中往往含有一定量的游離脂肪酸、脂肪醇及高級(jí)烷烴。,也廣泛存在于自然界中，如植物的莖葉和果實(shí)的外部、昆蟲(chóng)的外殼、動(dòng)物的毛皮以及鳥(niǎo)類(lèi)的羽毛中。,在海洋浮游生物中，蠟是代謝燃料的主要貯存形式。,用途：制造蠟?zāi)?、蠟紙、上光劑和軟膏的基質(zhì)等。,注意：石蠟與蠟盡管其物態(tài)、物性相似，但其化學(xué)組成不同，石蠟是C20以上的高級(jí)烷烴的化合物。,軟脂酸蜂蠟酯 (蜂蠟),

7、軟脂酸鯨蠟酯 (鯨蠟),蠟酸蠟酯,（蟲(chóng) 蠟）,1.4 甘油磷脂,非極性尾,極性頭,不飽和脂肪酰鏈18:1 9,18:2,18:3,飽和脂肪酰鏈16:0,18:0,主要參與細(xì)胞膜的組成，是第一大類(lèi)膜脂。不同的磷脂，其磷酸酯基組成也不相同。,sn-甘油-3-磷酸的衍生物,非極性尾,極性頭,1.4.1 磷脂酸,磷脂酸是甘油磷脂的母體化合物,凈電荷為-2,1.4.2 磷脂酰膽堿（卵磷脂）,極性頭部,膽 堿,卵磷脂和膽堿有防止脂肪肝形成的作用，在蛋黃和大豆中含量豐富。,凈電荷為 0,二軟脂酰膽堿,由型肺泡上皮細(xì)胞合成，可降低肺泡表面張力。,1.4.3 磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）,乙醇胺,極性頭部,凈電荷為

8、0,腦磷脂和卵磷脂是細(xì)胞膜中最豐富的脂質(zhì)。,1.4.4 磷脂酰絲氨酸,絲氨酸,極性頭部,凈電荷為 -1,常見(jiàn)于血小板膜中，當(dāng)組織受損血小板被激活時(shí)，膜中的磷脂酰絲氨酸從內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向外側(cè)，作為催化劑與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 PI,肌 醇,極性頭部,凈電荷為 -1,肌醇的多磷酸化產(chǎn)物PIP2是胞內(nèi)信使。,1.4.6 磷脂酰甘油,甘 油,極性頭部,凈電荷為 -1,磷脂酰甘油在細(xì)菌的細(xì)胞膜中含量豐富。,1.4.7 二磷脂酰甘油（心磷脂）,二磷脂酰甘油最先在心肌線(xiàn)粒體膜中找到。,極性頭部,凈電荷為 -2,磷脂酸,1.4.8 醚甘油磷脂,醚鍵,PAF，血小板激活因子,縮醛

9、磷脂，人中樞神經(jīng)中富含,醚鍵,特殊的磷脂,1.4.9 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，可選擇性利用,1.5 鞘脂類(lèi),由1分子脂肪酸，1分子鞘氨醇或其衍生物，以及1分子極性頭基團(tuán)組成。,鞘脂類(lèi),鞘磷脂類(lèi),腦苷脂類(lèi),神經(jīng)節(jié)苷脂類(lèi),主要參與細(xì)胞膜的組成，是第二大類(lèi)膜脂。,（糖鞘脂）,鞘氨醇,神經(jīng)酰胺,反式,鞘脂前體,極性頭,非極性尾,1.5.1 鞘磷脂,磷酸膽堿,結(jié)構(gòu)與磷脂酰膽堿相似,鞘磷脂存在于動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜中，特別是髓鞘（包圍某些神經(jīng)元的軸突并使之絕緣）中。,神經(jīng)酰胺,凈電荷為 0,極性頭,非極性尾,-D-半乳糖基,1.5.2 腦苷脂,中性鞘糖脂,半乳糖腦苷

10、脂,1.5.3 神經(jīng)節(jié)苷脂,N-乙酰神經(jīng)氨酸,硬脂酸,神經(jīng)酰胺,GM1,GM2,GM3,D-半乳糖,N-乙酰-D-半乳糖胺,D-半乳糖,D-葡萄糖,在神經(jīng)末梢中含量豐富,酸性鞘糖脂,Mono，Di，Tri,1.6 類(lèi)固醇（甾醇）,是環(huán)戊烷多氫菲的衍生物，由于含有羥基故命名為“醇”。其性質(zhì)由固醇骨架的取代基團(tuán)以及碳-碳鏈間飽和或不飽和的程度所決定。,結(jié)構(gòu)及編號(hào):,環(huán)戊烷(D)多氫菲(ABC),甾,四個(gè)環(huán)加三條側(cè)鏈,膽固醇是動(dòng)物質(zhì)膜的重要組分。可自身合成，在腦、肝、腎、蛋黃中含量很高。由于其既疏水又親水，所以屬于兩親分子。剛性平面結(jié)構(gòu)對(duì)膜的流動(dòng)性具有調(diào)節(jié)作用。,1.6.1 膽固醇,極性頭,非極性尾

11、,麥角固醇 -谷固醇,植物(29碳),酵母(28碳),可抑制膽固醇的吸收,可轉(zhuǎn)化為維生素D2前體,1.6.2 植物固醇,1.6.3 膽酸,A/B cis-,5-系,3, 7, 12-三羥基-5-膽烷-24-酸,是膽固醇的代謝物之一，膽酸一面親水，另一面疏水，具有增溶作用。,1.6.4 牛磺膽酸,是更強(qiáng)的表面活性劑，能溶于脂-水界面處，使油脂乳化，便于水溶性的脂酶發(fā)揮作用，促進(jìn)油脂和脂溶性維生素的吸收。,睪丸甾酮,雌酮,-雌二醇,黃體酮（孕甾酮）,1.6.5 固醇激素,2 生物膜,細(xì)胞膜以及各種細(xì)胞器的外膜通稱(chēng)為生物膜。 它是一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的選擇性通透膜， 主要功能可歸納為： 物質(zhì)運(yùn)送、

12、能量轉(zhuǎn)換、信號(hào)識(shí)別與傳導(dǎo)、細(xì)胞免疫等。,生物膜結(jié)構(gòu)是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基本形式，對(duì)細(xì)胞內(nèi)很多生物大分子的有序反應(yīng)和整個(gè)細(xì)胞的區(qū)室化都提供了必需的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，使整個(gè)細(xì)胞活動(dòng)有條不紊、協(xié)調(diào)一致地進(jìn)行。,2.1 生物膜的組成和結(jié)構(gòu),磷脂:甘油磷脂和鞘磷脂 脂質(zhì) 膽固醇 糖脂 外周蛋白 內(nèi)在蛋白 糖類(lèi): 糖脂，糖蛋白 水和金屬離子,生物膜的組成,蛋白質(zhì)(包括酶),生物膜的組成，因膜的種類(lèi)不同而有很大的差別。 例如神經(jīng)髓鞘，蛋白質(zhì)只占18%，脂質(zhì)約占79%，而線(xiàn)粒體內(nèi)膜和細(xì)菌質(zhì)膜，蛋白質(zhì)占75%左右，脂質(zhì)僅占25%。 一般講，功能復(fù)雜或多樣的膜，蛋白質(zhì)的比例較大。相反，膜功能愈簡(jiǎn)單，其膜蛋白的種類(lèi)和含量愈少。,神

13、經(jīng)髓鞘僅含3種蛋白,線(xiàn)粒體內(nèi)膜達(dá)60多種,磷脂分子在水溶液中存在的幾種結(jié)構(gòu)形式,雙層微囊,水,空氣,微團(tuán),單體,單分子層,水,2.1.1 生物膜的結(jié)構(gòu)-流動(dòng)鑲嵌模型,脂質(zhì)分子的自裝配,磷脂類(lèi)的雙層結(jié)構(gòu),水,56nm,通過(guò)疏水相互作用聚集,水,疏水環(huán)境，極性分子、離子不能自由通過(guò),2003年美國(guó)科學(xué)家彼得阿格雷因發(fā)現(xiàn)“水通道”，羅德里克麥金農(nóng)研究“離子通道”榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,流動(dòng)鑲嵌模型Singer 和 Nicolson 1972,認(rèn)為生物膜是一種流動(dòng)的、嵌有各種蛋白質(zhì)的脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)，其中蛋白質(zhì)猶如一座座冰山漂移在流動(dòng)脂質(zhì)的海洋中。,生物膜外周膜蛋白、內(nèi)在膜蛋白示意圖,a. b. c 內(nèi)在

14、膜蛋白， d. e 外周膜蛋白,2.1.2 膜蛋白,根據(jù)在膜上的定位情況，可以分為：外周蛋白和內(nèi)在蛋白。,膜蛋白與膜脂雙脂層結(jié)合的主要形式,通過(guò)離子鍵或氫鍵與膜的極性頭部或與內(nèi)在膜蛋白伸出膜表面的部位結(jié)合。,外周蛋白,特點(diǎn)：都能溶于水；易于分離，可在不破壞膜結(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)溫和方法（改變離子強(qiáng)度或pH）分離提取。,約占膜蛋白的20-30%，分布于膜的脂雙層表面。,內(nèi)在蛋白,靠疏水相互作用與膜脂相結(jié)合。,約占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在雙層脂膜的疏水層中。,特點(diǎn)：不溶于水；不容易從膜中分離。只有在較劇烈的條件下，如用表面活性劑（SDS）、有機(jī)溶劑或超聲波等才能將它們解離下來(lái)。,生

15、物膜中含有一定的寡糖類(lèi)物質(zhì)，大多與膜蛋白結(jié)合，少量與膜脂結(jié)合。,2.1.3 糖類(lèi),功能：細(xì)胞表面的天線(xiàn)，在接受外界信息，以及細(xì)胞間相互識(shí)別方面具有重要作用。,2.1.4 生物膜特性,生物膜具有兩個(gè)明顯的特性：,2、膜的流動(dòng)性,1、膜的不對(duì)稱(chēng)性,細(xì)胞質(zhì)膜的不對(duì)稱(chēng)性是指細(xì)胞質(zhì)膜脂雙層中各種成分不是均勻分布的，包括種類(lèi)和數(shù)量的不均勻。,2.1.4.1 膜的不對(duì)稱(chēng)性,a. 膜脂的不對(duì)稱(chēng)分布,占總量的百分比,50,25,50,25,外 層,膜脂總量,鞘磷脂（0）,磷脂酰膽堿（0）,磷脂酰絲氨酸（-1）,磷脂酰乙醇胺（0）,電位更低,內(nèi) 層,b. 膜蛋白的分布也是不對(duì)稱(chēng)的,每種膜蛋白在膜中都有特定的排布方

16、向和分布區(qū)域，與其功能相適應(yīng)，這是膜蛋白不對(duì)稱(chēng)性的主要因素。,膜蛋白的不對(duì)稱(chēng)性還包括外周蛋白分布的不對(duì)稱(chēng)以及整合蛋白內(nèi)外兩側(cè)氨基酸殘基數(shù)目的不對(duì)稱(chēng)。,糖類(lèi)在膜上的分布是不對(duì)稱(chēng)的，全部分布在非細(xì)胞質(zhì)的一側(cè)。,c. 糖類(lèi)的分布也是不對(duì)稱(chēng)的,膜不對(duì)稱(chēng)性的生物學(xué)意義：膜成分的不均勻分布，導(dǎo)致了膜功能的不對(duì)稱(chēng)性和方向性；使膜兩側(cè)具有不同功能。保證了生命活動(dòng)的高度有序性。,2.1.4.2 膜的流動(dòng)性,非常慢，需消耗能量,速度快，主要形式,側(cè)向擴(kuò)散,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),伸縮震蕩,翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)異構(gòu),磷脂分子運(yùn)動(dòng)的幾種方式,包括膜脂分子和膜蛋白的運(yùn)動(dòng),2.1.4.3 膜脂的相變（熱運(yùn)動(dòng)）,變相溫度（Tc）,凝

17、膠態(tài),液晶態(tài),T Tc,T Tc,加熱,冷卻,在生理狀態(tài)下，生物膜既不是有序的凝膠態(tài)，也不是液態(tài)，而是液晶態(tài)，即介于晶態(tài)與液態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)。,在這種狀態(tài)下，其既具有液態(tài)分子的流動(dòng)性，又具有固態(tài)分子的有序排列。,脂雙層變薄15%，流動(dòng)性增加,2.1.4.4 通過(guò)細(xì)胞膜融合證明膜蛋白運(yùn)動(dòng)示意圖,發(fā)綠光熒光素標(biāo)記的小鼠細(xì)胞膜蛋白抗體,發(fā)紅光堿性蕊香紅標(biāo)記的人細(xì)胞膜蛋白抗體,膜脂與膜蛋白處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它是保證正常膜功能的重要條件。,膜蛋白可以發(fā)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),（注意：膜蛋白不可以翻轉(zhuǎn)）,(A)是考馬斯藍(lán)染色的膠; (B)表示凝膠上主要蛋白質(zhì)的位置。,紅細(xì)胞膜蛋白電泳圖,血影,蛋白提取/分離,

18、細(xì)胞膜骨架成分,紅細(xì)胞膜骨架示意圖,肌動(dòng)蛋白 (Actin),蛋白質(zhì)4.1 (Protein4.1),血影蛋白(Sectrin),帶3蛋白(Band 3),糖蛋白 (Ankyrin),血型蛋白(Glycophorin),糖鏈,細(xì)胞膜骨架指細(xì)胞膜下由蛋白質(zhì)纖維組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為細(xì)胞膜骨架。,有些膜蛋白的運(yùn)動(dòng)受到限制,1. 膽固醇：TTc時(shí)，膽固醇會(huì)降低膜的流動(dòng)性； TTc，膽固醇可緩解低溫所引起的膜流動(dòng)性劇烈下降； 2. 脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。 3. 脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。 4. 卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動(dòng)性增加，是

19、因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?5. 脂雙層中嵌入的蛋白質(zhì)越多，膜流動(dòng)性越大 。,影響膜流動(dòng)的因素（除溫度外）,對(duì)于許多生物來(lái)說(shuō)，膜的流動(dòng)性是相對(duì)恒定的。,膜的流動(dòng)性的生物學(xué)意義：生物膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。 1.有利于物質(zhì)運(yùn)輸和交換,比如礦質(zhì)離子的主動(dòng)運(yùn)輸，內(nèi)吞外排作用等等； 2.有助于能量流動(dòng)和信息傳遞； 3.有助于自我修復(fù)； 4.它是細(xì)胞融合技術(shù)的基礎(chǔ) 。,細(xì)胞或細(xì)胞器通過(guò)生物膜，從膜外選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時(shí)也要排出不需要的廢物。,2.2 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),除了一些非極性的小分子（如O2，N2，CO2，EtOH）可以自由地?cái)U(kuò)散通過(guò)細(xì)胞膜，但絕大多數(shù)帶電的和極性的分子是需要一些轉(zhuǎn)

20、運(yùn)途徑來(lái)通過(guò)細(xì)胞膜。,水通道,尿素通道,按照轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程是否需要能量分為： 被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),簡(jiǎn)單擴(kuò)散（Diffusion） 協(xié)助擴(kuò)散（Facilitated transport）,初級(jí)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (Primary active transport) 次級(jí)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (Secondry active transport),物質(zhì)沿著濃度梯度（膜兩邊的濃度差）的方向跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程。 這類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)是通過(guò)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)本身的擴(kuò)散作用進(jìn)行的，濃度梯度越大，擴(kuò)散速度越大。 是一個(gè)不需要外加能量的自發(fā)過(guò)程。,2.2.1 被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),特點(diǎn)：,高 低,簡(jiǎn)單擴(kuò)散（Diffusion）：不需借助載體。 只有小分子量的不帶電或疏水分子（O2、CO2、乙醇）以此方式過(guò)膜。,協(xié)助擴(kuò)散（Facilitated transport）：需借助特殊的孔道蛋白或載體蛋白的物質(zhì)運(yùn)輸。包括極性分子如糖、氨基酸，水，尿素，無(wú)機(jī)離子等的運(yùn)輸。,a：通道或膜孔蛋