第二章脂质和生物膜

第二章脂质和生物膜第一部分脂质•脂的概念：是一类不溶于水而高溶于乙醚、氯仿、苯等非极性有机溶剂的化合物，其化学本质是脂肪酸和醇形成的酯类及其衍生物。•脂的分类：•单纯脂：脂肪酸与醇类形成的酯，甘油酯、蜡•复合脂：甘油磷脂、鞘磷脂、糖脂。•前体及衍生脂：高级脂肪酸、甘油、固醇、萜类、维生素ADEK、前列腺素、脂蛋白等。脂类的功能•贮存脂质：三酰甘油，蜡•结构脂质：磷脂双酯层，胆固醇•活性脂质：类固醇，萜，前列腺素•SpermWhales:FatheadsoftheDeep三酰甘油和蜡的特殊功能：改变抹香鲸的浮力主要内容•2.1.1、脂肪酸•2.1.2、三酰甘油•2.1.3、磷脂•2.1.4、糖质•2.1.5、类固醇2.1.1、脂肪酸•脂肪酸是由一条长的烃链（尾）和一个末端羧基（头）组成的羧酸。•烃链不含双键（和三键）的为饱和脂肪酸，含一个或多个双键的为不饱和脂肪酸。1-脂肪酸的命名与结构特点棕榈酸，正十六烷酸，16:0油酸，cis-9-十八碳烯酸，18:1Δ9c亚油酸，cis-9,12-十八碳二烯酸，18:2Δ9c,12c1、天然脂肪酸骨架的碳原子数目几乎都是偶数2、天然脂肪酸的双键都是顺式构型2-脂肪酸的物理性质•脂肪酸的物理性质很大程度上决定于其脂肪酸烃链的长度与不饱和程度。•溶解度：烃链越长，溶解度越低。•熔点：烃链越长、不饱和度越大、熔点越高，顺式异构熔点比反式异构低。十二烷基磺酸钠（SDS）TritonX-1003-生化实验中常用的脂肪酸盐•人体及哺乳动物不能向脂肪酸引入超过Δ9的双键，因而不能合成亚油酸和亚麻酸。因为这两种脂肪酸对人体功能是必不可少的，但必须由膳食提供，因此被称为必需脂肪酸。4-必需脂肪酸饱和脂肪酸必需脂肪酸5-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。•前列腺素能使体温升高（发烧）、产生疼痛，凝血噁烷刺激血管收缩和血小板凝集或血栓的形成，而前列环素的作用则刚好与凝血噁烷作用相反。白三烯调节平滑肌收缩，也会引起哮喘病中见到的支气管狭窄。•前列腺素广泛分布于人或动物组织，而血小板基本上只产生凝血噁烷，而位于血管壁上的内皮细胞主要合成前列环素。这些化合物在产生他们的细胞附近起作用，一般在几秒钟或几分钟之内就被降解了。阿司匹林解热、镇痛、消肿和抗感染，抑制前列腺素合成2.1.2、三酰甘油•三酰甘油是甘油和脂肪酸形成的三脂，因为不带电荷，于是又称中性脂。三酰甘油的物理性质•颜色与气味：无色、无味、无嗅•溶解度：不溶于水，而溶于乙醇、乙醚、氯仿、表面活性剂等•熔点：天然油脂没有固定的熔点，只有一个大概范围。熔点由脂肪酸的饱和性决定•构型：都是L-型（规定）。化学性质1、水解与皂化•三脂酰甘油能在酸、碱或脂酶的作用下水解为脂肪酸和甘油。•如果在碱溶液中水解，产物之一是脂肪酸的盐类，俗称皂；油脂的碱水解作用称为皂化作用。•皂化1g油脂所需的KOHmg数称为皂化值。皂化值是三酰甘油中脂肪酸平均链长即三酰甘油（TG）平均相对分子量的量度TG平均Mr=3×56×1000皂化值2、加成反应与碘值•油脂中的不饱和双键可以与H2、I2、HCl、Cl2等发生加成反应。•卤化反应中吸收卤素的量反应不饱和键的多少。通常用碘值表示不饱和度。•碘值：100g油脂卤化是吸收碘的克数。3、酸败与自动氧化•油脂长期暴露在空气中会产生酸臭味，这种现象称为酸败。•原因是油脂受空气和光照作用，部分发生分解，不饱和脂肪酸被氧化成为醛或酮以及羧酸，产生酸臭味。（自动氧化）•酸值：KOH（mg）/油脂（g）2.1.3、磷脂•磷脂是重要的两亲物质，它们是生物膜的重要组分、乳化剂和表面活性剂•磷脂有两类：甘油磷脂和鞘磷脂。A、甘油磷脂•甘油磷脂也称磷酸甘油脂。最简单的磷酸甘油脂是由sn-甘油-3-磷酸衍生而来•磷脂酸的磷酸基进一步被一个极性醇（X-OH）酯化，形成各种常见甘油磷脂X•甘油磷脂属于两亲脂质，是生物膜的主要成分。•在生理条件下，许多甘油磷脂的极性头基带有净电荷。•甘油磷脂的脂键和磷酸二酯键能被磷脂酶专一性水解。特性：磷脂酶A1和A2分别特异地催化甘油磷脂中C-1和C-2位置酯键的水解。由磷脂酶A作用产生的高浓度的溶血磷脂（lysophosphoglycerides）可能会破坏细胞膜，其它两种磷脂酶C和D，磷脂酶C催化甘油和磷酸之间的键的水解，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甘油磷脂举例：•磷脂酰胆碱（卵磷脂）B、鞘磷脂•鞘脂的结构骨架是鞘氨醇，它是一个无分支的C18醇，在C4和C5之间有一反式双键。•神经酰胺由一个通过酰胺键与鞘氨醇的C2氨基连接的脂肪酸构成。是所有鞘脂代谢的前体。•胆碱鞘磷脂是由连接在神经酰胺C1羟基上的磷酰胆碱组成的。可以看出，鞘磷脂是两性分子，与磷脂酰胆碱很相似，因为二者都含有胆碱、磷酸和两个长的疏水尾巴。鞘磷脂存在于大多数哺乳动物细胞的质膜内，是包围着某些神经细胞的髓鞘的主要成分。2.1.4、糖脂•糖脂是指糖通过半缩醛羟基以糖苷键与脂质连接的化合物。•脑苷脂是含有一个单糖残基的糖鞘脂，该单糖通过β-糖苷键与神经酰胺相连。鞘脂鞘糖脂储存脂类及膜脂的一般类型2.1.5、类固醇•类固醇是环戊烷多氢菲的衍生物，是真核生物中常见的第三类膜脂。•胆固醇是动物体内含量最多的一种类固醇。胆固醇•70千克人体含140克左右，1/4在脑及神经组织中，肝、肾含量也较多。血清中含量升高，会增加患心血管疾病的可能性。•胆固醇是生物膜的重要成分，羟基极性端分布于膜的亲水界面，母核及侧链深入膜双层，控制膜的流动性，阻止磷脂在相变温度以下时转变成结晶状态，保证膜在低温时的流动性及正常功能。•胆固醇是合成胆汁酸、类固醇激素、维生素D等生理活性物质的前体。一些重要的类固醇激素第二部分生物膜生物膜的功能•1、将内含物与外环境分开•2、物质的运输•3、能量的转换•4、细胞的运动•5、繁殖•6、信号传递•7、与临近分子或细胞的相互作用•2.2.1、生物膜的组成•2.2.2、生物膜的分子结构•2.2.3、生物膜的物质运输——跨膜转运2.2.1、生物膜的组成•主要由脂质（主要是磷脂、糖脂和胆固醇）、蛋白质（包括酶）和糖类组成，•生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。A、脂质•一个典型的生物膜含有磷脂、糖脂和胆固醇。•由于磷脂和糖脂含有两条烃链尾巴，可以精巧的组装成脂双层。•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。脂双层倾向于闭合形成球形结构。脂双层的应用——脂质体（liposome）•磷脂分子在水溶液中自发形成脂双层，并自我封合成双层微囊，称为脂质体（liposome）。•作为一种人造的微囊，用来向细胞或人体器官传送疫苗、麻醉药、酶或其它物质。B、膜蛋白•生物膜中存在两种类型的膜蛋白：内在膜蛋白、外周膜蛋白•内在膜蛋白也称内嵌膜蛋白，含有嵌入脂双层疏水部位的疏水区。有些内在膜蛋白横跨脂双层。•外周膜蛋白通常通过离子键或氢键与膜脂的极性头部或内在膜蛋白结合。穿膜蛋白含有跨越脂双层的疏水区•一般具有跨膜多肽区的内在膜蛋白称为穿膜蛋白。这是参与跨膜转运和信号传递的蛋白质必须具备的特征。•单次跨膜蛋白：具有唯一一个跨膜的肽段。•多次跨膜蛋白：具有几个跨膜肽段。转运蛋白大多是多次跨膜蛋白。C、糖类•生物膜中的糖类大多与膜蛋白结合。•血型糖蛋白A，是生物化学中第一个被研究的穿膜糖蛋白。•它的穿膜结构域是一个非常像含有19个疏水氨基酸残基的α-螺旋。•细胞外部残基上还连有许多亲水性寡糖，这些寡糖的种类和位置决定了人的血型。2.2.2、生物膜的分子结构脂双层内在膜蛋白外周膜蛋白流动镶嵌模型的描述•膜蛋白看上去象是圆形的“冰山”漂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，与疏水内部接触。外周膜蛋白与膜表面松散连接。生物膜是一个动态结构，即膜中的蛋白质和脂可以快速的在双层的每一层内，侧向扩散。生物膜的两个主要特征•1、膜组份的不对称分布性•2、生物膜的流动性膜组分的不对称分布性•脂在生物膜的内层和外层分布呈不对称性。以人红细胞质膜为例，鞘磷脂和磷脂酰胆碱占了外膜总脂含量的80%以上；而在内膜上，占优势的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸。•膜蛋白在膜两侧的分布也是不对称的。有的蛋白质镶嵌在脂双层表面，有的则部分或全部嵌入其内部，有的则横跨整个膜。生物膜的流动性•组成生物膜的脂和蛋白处于快速的运动之中。•一个典型蛋白质分子在生物膜上的侧向扩散速率约为μm/min；而磷脂的侧向扩散速率约为μm/s。•与侧向扩散相反，脂质（或蛋白质）从膜的一面翻转到另一面的速率非常缓慢。Hopdiffusionofindividuallipidmolecules.Hopdiffusionofindividuallipidmolecules.•Themotionofasinglefluorescentlipidmoleculeinacellsurfaceisrecordedonvideobyfluorescencemicroscopy,withatimeresolutionof25μs(equivalentto40,000frames/s).Thetrackshownhererepresentsamoleculefollowedfor56ms(atotalof2,250frames);thetracebeginsinthepurpleareaandcontinuesthroughblue,green,andorange.Thepatternofmovementindicatesrapiddiffusionwithinaconfinedregion(about250nmindiameter,shownbyasinglecolor),withoccasionalhopsintoanadjoiningregion.Thisfindingsuggeststhatthelipidsarecorralledbymolecularfencesthattheyoccasionallyjump.通过细胞膜融合实验证明生物膜运动性的示意图带有特异性蛋白和不同荧光标记的不同细胞融合初期37°C保温40min后2.2.3、跨膜转运•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，同时将细胞生成的产物输出，并排出废物的过程叫做跨膜转运。•在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着重要的调控作用。•被动运输被动扩散、协助扩散（facilitateddiffusion）•主动运输从热力学的观点看，物质的跨膜运输有两种形式：A、简单扩散是一个热力学自发过程，不需要转运系统或分子的协助•疏水的、小的、不带电荷的分子可以自由的扩散通过脂双层。•极性和带电荷的物质不易通过脂双层。B、协助扩散也是一个热力学自发过程，但需要转运蛋白的协助•许多物质通过简单扩散过程穿过生物膜的速率远不能满足维持生命活动的需要，实际上，小分子的跨膜运输大都是通过专一性运输蛋白的作用实现的。•转运蛋白具有两个基本特点：1）它们只在热力学允许的方向上帮助小分子的运输；2）它们对要转运的分子具有很强的亲和性和专一性。C、主动运输需要供给能量•主动运输可以逆浓度梯度转运，但需要能量。•主动运输可以利用不同形式的能源，常用的是ATP。离子转运ATP酶是一大类ATP驱动离子转运蛋白，几乎存在于所有细胞器官中，它们的作用是制造和维持跨质膜和细胞内器官的离子浓度梯度。主动运输的特点•1、专一性•2、运输速度可达到“饱和”状态•3、方向性•4、选择性抑制•5、需要提供能量•小分子的运输•生物大分子的运输根据运输物质的分子大小，物质运输可以分为：小分子的跨膜运输•小分子和离子跨膜运输除少数经简单扩散、离子载体运输外，多数借助于2种类型的内在膜蛋白：通道蛋白或孔蛋白——协助扩散转运蛋白——协助扩散，主动运输通道蛋白和孔蛋白使溶质扩散过膜•通道蛋白和孔蛋白是带有中央亲水通道的跨膜蛋白。•大小、电