《生物化學》教學課件：第5章 脂類與生物膜

第5章

脂類與生物膜2013年諾貝爾生理或醫(yī)學獎囊泡運輸機制重點與難點：

脂類的概念和分類；脂肪的結構和性質磷脂、糖脂及甘油醇磷脂的結構與生理意義；生物膜的結構與功能。第1節(jié)脂類脂類（lipids，脂質）是一類微或不溶于水而易溶于有機溶劑的有機化合物，其化學本質是脂肪酸和醇所形成的酯類及其衍生物。脂肪酸多為4碳以上的線形長鏈一元羧酸，少數(shù)分支或環(huán)狀，醇包括甘油、鞘氨醇、高級醇和固醇。

CH3-(CH2)n-COOH,n=14-20,often14or16CH2OH-CHOH-CH2OH甘油元素組成：主要是C、H、O，

有些含

N、S、P。一、

概念單純脂類：由脂肪酸與甘油或高級一元醇結合形成的酯。包括甘油三酯和蠟。

復合脂類：除含有脂肪酸和醇組成的酯外，分子中還含有磷酸、糖或含氮小分子等其他非脂成分的脂質。按非脂成分的不同，又分為磷脂和糖脂。

衍生脂類：指以上兩種脂類的衍生物或與之密切相關的具有脂類一般性質的物質，以及由若干異戊二烯碳架構成的物質。如高級一元醇、脂肪酸及衍生物、萜類、固醇類、脂多糖、脂蛋白等。二、

脂類的分類按分子組成和化學結構分類：簡單脂類：一般不含脂肪酸，不能進行皂化作用，所以也稱為非皂化脂類。它主要包括:萜類和固醇類。

復合脂類：與脂肪酸結合的脂類，能被堿水解生成皂，包括甘油三酯、磷脂、糖酯、蠟等。根據(jù)構成脂類分子的主要成分，即是否與脂肪酸結合分類：廣義：堿（通常為強堿）催化下，酯被水解產(chǎn)生醇和羧酸鹽。水解(制肥皂的一步)油脂脂肪酸鹽甘油1823年法國科學家Eugène

Chevreul皂化反應

(Saponification)

狹義指油脂的水解脂類lipids類脂lipoid脂肪（甘油三酯）fat(triglyceride)磷脂(phospholipid)糖脂(glycolipid）固醇及其酯細胞膜等結構的重要組分皮下脂肪腸系膜脂肪肩周脂肪體內(nèi)儲存能量的主要形式根據(jù)脂類分子是否僅含甘油和脂肪酸分類：******糖脂拓展內(nèi)容三、

脂類生理功能脂肪是動物機體氧化供能和儲存能量的物質;

1

g脂肪=38kJ能量=1.2ml體積

1g糖=17kJ能量=4.8ml體積

脂肪可以為機體提供物理保護;

保溫和固定內(nèi)臟、緩沖外部沖擊作用。

磷脂、糖脂和膽固醇:構成組織細胞膜系統(tǒng)的主要成分;

類脂還能轉變?yōu)槎喾N生理活性分子。膽固醇→膽汁酸、腎上腺皮質激素、性激素；高度不飽和脂肪酸→前列腺素；磷脂代謝物→信號分子。

四、脂肪酸脂肪酸(fattyacid，F(xiàn)A)是由一條長的烴鏈和一個末端羧基組成的羧酸。鏈長14-20個碳原子，多偶數(shù)。最常見的是16或18碳原子酸；CH3-(CH2)n-COOHn=14-20

少數(shù)以游離形式存在，大部分以甘油三酯、磷脂、糖脂等結合形式存在。飽和脂肪酸(saturatedFA)

不飽和脂肪酸

(unsaturatedFA)

烴鏈不含雙鍵，如硬脂酸、軟脂酸含不飽和雙鍵，如油酸、亞油酸、亞麻酸硬脂酸（stearicacid)軟脂酸（palmiticacid)油酸（oleicacid)亞油酸（linoleicacid)18C16C18C18C低級脂肪酸：碳原子小于10，易溶于水，常溫下呈液態(tài)高級飽和脂肪酸：碳原子高于10，基本不溶于水，常溫下呈固態(tài)烴基里含烷烴，且碳原子比較多（不含不飽和鍵）2)含有羧基，所以具有酸性例如：硬脂酸、軟脂酸都是重要的高級飽和脂肪酸；油酸則是高級不飽和脂肪酸。重要的脂肪酸簡寫符號：C原子數(shù):雙鍵數(shù)目Δ雙鍵位置c/t高等動植物的不飽和脂肪酸一般都屬于順式(c)構型ω?3脂肪酸

多不飽和脂肪酸ω-3脂肪酸主要有三種:ALA+EPA+DHAα-亞麻酸(α-Linolenicacid,ALA):含三個雙鍵,源于植物。二十碳五烯酸(Eicosapen

taenoicacid，EPA):含5個不飽和鍵,源于魚類動物及海豹。二十二碳六烯酸(Docosahexaenoicacid，DHA):含6個不飽和鍵,源于魚類動物及海豹。拓展內(nèi)容高等植物和低溫動物中，不飽和脂肪酸的含量高于飽和脂肪酸。熔點：不飽和脂肪酸

等長飽和脂肪酸；碳鏈越長，熔點越高。必需脂肪酸（essentialfattyacid）動物機體能制造多種脂肪酸，但缺乏脫飽和酶，不能合成對其生理活動十分重要的多不飽和脂肪酸，如亞油酸(18：2△9,12)、亞麻酸(18：3△9,12,15)和花生四烯酸(20：4△5,8,11,14)等。

把這種人和動物體不能合成的或合成量不能滿足機體需要的、必須由食物供給的脂肪酸稱為必需脂肪酸。五、單純脂類1.甘油三酯甘油三酯（脂肪,fat）：甘油與三分子高級脂肪酸組成的脂肪酸甘油三酯?；瘜W名稱為三酰（基）甘油。呈液態(tài)稱為油，呈固態(tài)稱為脂；兩者通稱為油脂、脂肪、中性脂、真脂。組成甘油三酯的脂肪酸多為含16或18個碳原子的酸。Ｒ,Ｒ1,Ｒ2相同

簡單甘油三酯Ｒ,Ｒ1,Ｒ2不同，混合甘油三酯甘油三酯2.蠟（wax）高級脂肪酸與高級一元醇或固醇形成的酯其脂肪酸一般為C16或C16以上的飽和脂肪酸不溶于水，常溫下為固態(tài)，熔點高于45oC，分為動物蠟和植物蠟Honeycombs六、復合脂類1.磷脂（phospholipid）2.糖脂（Glycolipid）六、復合脂類1.磷脂（phospholipid）甘油磷脂：由甘油、脂肪酸、磷酸和其他物質組成，是磷脂酸的衍生物，是生物膜膜脂的主要成分。非極性尾部極性頭部膽堿乙醇胺絲氨酸肌醇甘油甘油磷脂鞘磷酯(鞘氨醇磷酯)：細胞膜的組成成分之一由鞘氨醇、脂肪酸、磷酸、膽堿或乙醇胺組成最常見的是D-鞘氨醇鞘氨醇(2-氨基-4-十八烯-1,3-二醇)+

R-COOH脂肪酸（多為C16、C18、C24）鞘脂的共同基本單位(神經(jīng)）鞘氨醇（Sphingosine=D-4-sphingosine）HO–C–C–C–(CH2)14-CH3HHHH–C–NH2HO–CH2–HO–C–C–C–(CH2)14-CH3HHHH–C–NH–C–RHO–CH2–O神經(jīng)酰胺(ceramide)的典型結構

X2.糖脂(glycolipid)半乳糖腦苷脂神經(jīng)節(jié)苷脂甘油的3位OH成糖苷前列腺素、血栓素、白三烯萜類類固醇類脂溶性維生素脂蛋白七、衍生脂類脂溶性維生素

維生素A,D,E,K均溶于脂類溶劑，不溶于水，在食物中通常與脂肪一起存在，吸收它們，需要脂肪和膽汁酸。維生素A：抗夜盲、維持上皮的正常發(fā)育、促進幼兒生長發(fā)育維生素D：抗佝僂病的作用維生素E：抗氧化和抗不育的作用維生素K：凝血作用（1）維生素A

維生素A分A1,A2兩種，是不飽和一元醇類。脫氫視黃醇A1又稱為視黃醇，A2稱為脫氫視黃醇。（2）維生素D

維生素D是固醇類化合物，主要有D2,D3,D4,D5。其中D2,D3活性最高。維生素D的結構在生物體內(nèi)，D2和D3本身不具有生物活性。它們在肝臟和腎臟中進行羥化后，形成1，25-二羥基維生素D。其中1，25-二羥基維生素D3是生物活性最強的。（3）維生素E

又叫做生育酚，目前發(fā)現(xiàn)的有6種，其中，，，四種有生理活性。體內(nèi)最重要的自由基清除劑（4）維生素K

維生素K有3種：K1,K2,K3,K4。其中K3,K4是人工合成的。維生素K是2-甲基萘醌的衍生物。凝血作用

維生素K1

維生素K2第2節(jié)生物膜生物膜的化學組成生物膜的結構生物膜的功能生物膜生物膜結構是細胞結構的基本形式，細胞質膜和內(nèi)膜系統(tǒng)統(tǒng)稱為生物膜。一、生物膜的化學組成生物膜主要組成：

蛋白質（包括酶）

脂質（主要是磷脂和膽固醇）多糖類水金屬離子生物膜的組成，因膜的種類不同而有很大的差別，膜功能越復雜多樣，蛋白質含量和種類越多。1.膜脂脂質是構成生物膜最基本的結構物質，包括磷脂、膽固醇和糖脂等，磷脂最多；不同生物膜，各種脂類的組成和含量不同生物膜脂質在一般呈雙層結構，但在某些條件下會出現(xiàn)非脂雙層結構(如，六角形；微團等結構)。這稱為脂的多形性。拓展modelsforartificialcells磷脂(Phospholipids)包括甘油磷脂(Glycerophospholipids)和鞘磷脂，以甘油磷脂為主

甘油中第1，2位碳原子與脂肪酸酯基（主要是含16碳的軟脂酸和18碳的油酸）相連，第3位碳原子則與磷酸酯基相連。磷脂分子是雙親性分子。在水溶液中主要是形成雙層脂膜。這種性質，使它具有形成生物膜的特性。親水的頭部(磷酰－X)

疏水的尾部（脂肪鏈）形成脂質的雙分子層糖脂Glycosphingolipids

糖脂主要分布在細胞膜外側的單分子層中，主要為甘油糖脂和鞘糖脂。植物和細菌細胞膜中的糖脂主要是甘油糖脂，動物膜所含的糖脂主要以鞘糖脂為主，如腦苷脂。膽固醇Sterols膽固醇以中性脂的形式分布在雙層脂膜內(nèi)，調(diào)節(jié)膜中脂類的物理狀態(tài)，保持膜流動性和降低相變溫度。動物細胞中含量較高，且質膜中含量多于細胞器膜；植物中較少。2.膜蛋白

生物膜中含有的蛋白質通常稱為膜蛋白，具有重要的生物功能，是生物膜實施功能的場所。可分為外周蛋白和內(nèi)在蛋白，是受體、酶、抗原、通道和骨架蛋白等。

外周蛋白(peripheralprotein)：

約占膜蛋白的20－30%；通過離子鍵、氫鍵等非共價鍵和膜脂極性頭部結合，分布于雙層脂膜的外表層；能溶于水，較易分離（pH值改變）。內(nèi)在蛋白(integralprotein)：

約占膜蛋白的70-80%；

部分或全部嵌在雙層脂膜的疏水層中；主要以α-螺旋形式存在；不溶于水，且不容易從膜中分離出來?？缒さ鞍祝╰ransmembraneprotein)跨膜區(qū)為α-螺旋結構膜蛋白具有重要的生物功能：選擇透過物質運輸通道（海關檢查），信息識別受體（通信員）。生物膜中含有一定的寡糖類物質，它們大多與膜蛋白結合，少數(shù)與膜脂結合；

糖脂中的糖以單糖、雙糖或寡糖基存在，糖蛋白中的糖一般為含15個糖基的糖鏈。單糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等；

糖類在膜上的分布也呈不對稱性，糖脂和糖蛋白的寡糖全部分布在非細胞質的一側。3.糖類生物膜中的寡糖鏈在信息傳遞和細胞的相互識別方面有重要作用。糖蛋白上的寡糖鏈總指向胞外ABO血型專一性基礎半乳糖－乙酰氨基葡萄糖巖藻糖乙酰氨基半乳糖－半乳糖－乙酰氨基葡萄糖巖藻糖半乳糖－半乳糖－乙酰氨基葡萄糖巖藻糖OAB紅細胞糖蛋白末端糖基結構特點血型生物膜上各種化學組成之間的關系二、生物膜的結構流動鑲嵌模型：

流動的脂雙層中無規(guī)則地鑲嵌著蛋白質1.生物膜的基本結構—脂雙層微團雙分子層

脂質體waterwater合適的流動性對生物膜表現(xiàn)其正常生理功能(物質運輸、能量轉換、信息傳遞等）具有十分重要的作用。包括：（1）膜脂的流動性：分子擺動、旋轉運動、側向運動、翻轉運動等。

（2）膜蛋白的運動性：擴散運動、旋轉運動2.生物膜結構的主要特征

—流動性Video：http://v.pps.tv/play_347GGY.html主要取決于磷脂。磷脂呈液晶態(tài)，既具有液體的流動性，又具有晶體的有序性。溫度降低時，液晶態(tài)可轉變?yōu)轭愃朴诰w的凝膠態(tài)或固態(tài)。

相變溫度：膜脂液晶態(tài)和凝膠態(tài)互相轉變的溫度

含飽和脂肪酸多、烴鏈長的膜脂，相變溫度高

含不飽和脂肪酸多、烴鏈短的膜脂，相變溫度低

較低相變溫度使脂雙層具有較好的流動性。（1）膜脂的流動性高于相變溫度時，膜呈流動的液態(tài)，低于相變溫度時，膜呈凝固的膠態(tài)。T磷脂的運動方式：圍繞與膜平面相垂直的軸左右擺動；烴鏈圍繞C-C鍵旋轉而導致異構化運動；圍繞與膜平面相垂直的軸作旋轉運動；在膜內(nèi)作側向擴散或側向移動；跨越膜脂雙層做翻轉運動（很慢，維持雙層的不對稱性）。膽固醇—膜脂運動的重要調(diào)節(jié)劑膽固醇—膜脂運動的重要調(diào)節(jié)劑動物細胞中含量較高，質膜中膽固醇含量高于細胞器膜

膽固醇的插入，防止膜脂內(nèi)脂肪?；湹哪?，使脂肪?；溨g盡可能分開

降低膜脂的流動性：使脂肪?；湹倪\動性受到制約

相變溫度，膽固醇阻撓脂肪?；湹男D異構運動，降低流動性

相變溫度，膽固醇阻撓脂肪?；湹挠行蚺帕校乐鼓z態(tài)的轉化類晶體凝膠態(tài)液晶態(tài)側向擴散或移動翻轉運動膜蛋白的運動可分為兩種形式：側向擴散旋轉運動

膜蛋白的運動性與膜下細胞骨架和膜蛋白結合狀態(tài)有關。膜脂的流動性會影響膜蛋白的構象與功能。（2）膜蛋白的運動性膜蛋白的運動證據(jù)3.生物膜組分的不對稱性構成膜組分的脂質、膜蛋白、糖類在膜兩側分布不對稱：脂雙層中內(nèi)外側組分所占比例不同；膜蛋白中只有少量內(nèi)在蛋白暴露于膜外側，其它均在胞質一側；且外周蛋白和內(nèi)在蛋白在膜兩側的數(shù)量和種類不對稱；糖類大都分布于膜外側。膜蛋白分布不對稱脂質雙層鑲嵌蛋白跨膜蛋白膜表面蛋白流動鑲嵌模型要點:生物膜的基本結構是脂質雙層,蛋白質或鑲嵌在膜上,或結合在膜的表面,膜上的寡糖鏈總是指向膜的胞外一側。膜上的成分是運動的,隨溫度變化,脂質雙層呈液晶態(tài)或凝膠態(tài)，膜的相變溫度與膜上脂肪酸烴鏈的長度和飽和程度有關。生物膜的組成成分呈不對稱分布。保護功能：保持細胞或細胞器形狀和完整結構。

物質運輸：常與外界物質交換以維持其正常功能。

能量轉換：呼吸鏈在線粒體內(nèi)膜上。

信息傳遞：含有受體和信息傳遞途徑。

運動功能：吞噬作用;

外源物質包圍進入細胞(外吞）。

三、生物膜的功能

1.物質運輸維持細胞的容積、形態(tài)、滲透壓、電解質的濃度，為細胞的生理活動提供適宜的環(huán)境。

從環(huán)境攝取營養(yǎng)物質，向環(huán)境排出代謝廢物。

根據(jù)被運輸分子的大小，分為：(1)小分子物質的跨膜運輸：被動運輸、主動運輸(2)大分子物質的跨膜運輸被動轉運：物質從高濃度的一側通過膜轉運到低濃度的另一側，即沿著濃度梯度的方向跨膜轉運的過程。簡單擴散：

以自由擴散的方式順濃度梯度（simplediffusion)包括分子和離子的轉運不需要能量

促進擴散：

由高濃度向低濃度（facilitateddiffusion）不需要能量

需通道蛋白或載體蛋白介導

（1）小分子物質的跨膜運輸轉運通道：載體蛋白和通道蛋白離子通道：

膜上能自身形成橫貫細胞脂質雙層的通道，讓一定的離子通過的特定蛋白質。對被運輸離子的大小與電荷有高度的選擇性。特異性載體蛋白與被運輸物質結合主動運輸（Activetransport）轉運載體消耗能量逆濃度梯度特點ATP直接供能協(xié)同運輸基團轉位類型主動運輸?shù)奶攸c膜的專一性：膜對主動轉運的物質有專一性；

載體蛋白：物質主動轉運需要載體蛋白的參與,

載體蛋白具有專一性；

方向性：物質可逆濃度梯度或電化學梯度轉運；

主動轉運過程可被某些抑制劑抑制；

主動轉運所需的能量一般由ATP提供，如：質子泵、鈉-鉀泵、鈣泵等。是膜上的載體蛋白，稱為Na-K泵或Na-K-ATP酶，由α2β2四個亞基組成，兩個α亞基之間形成離子通道。（1）ATP供能：Na+-K+泵Na+-K+ATPase

鈉鉀泵：依賴Na+-K+

ATPase

，保持細胞內(nèi)高鉀低鈉，細胞外高鈉低鉀。細胞內(nèi)3個Na+與鈉鉀泵結合E1E2E1的α亞基催化水解ATP，使E1自身磷酸化變成E2E2釋放3個Na+并與2個細胞外2個K+結合E2脫去磷酸基，變成E1釋放2個K+到細胞內(nèi)，完成鈉鉀交換磷酸化前后鈉鉀泵兩種構的互變及對Na+、K+

的親和力不同，來完成其運輸循環(huán)。

轉運出3個Na+

，輸入2個K+

，消耗一分子ATP。Na+-K+ATPase

（2）協(xié)同運輸(co-transport):膜兩側離子濃度梯度提供能量,包括同向協(xié)同運輸和反向協(xié)同運輸。單向轉運反向協(xié)同運輸同向協(xié)同運輸單向運輸（3）基團轉位

運輸?shù)奈镔|在膜上發(fā)生化學變化

進行過膜運輸，如磷酸化。

脫磷酸磷酸化細菌中糖通過基團轉位的主動運輸原因方向能量載體簡單擴散濃度差高向低勢能無促進擴散濃度差高向低勢能通道、載體蛋白主動轉運逆濃度差低向高供能泵簡單擴散、促進擴散、主動運輸?shù)牟町悆?nèi)吞作用：

細胞從外界攝入大分子顆粒，逐漸被質膜的一小部分包裹，然后內(nèi)陷，脫落，形成囊泡的過程。（吞噬和胞飲）（2）大分子物質的跨膜運輸受體介導的細胞內(nèi)吞作用內(nèi)吞泡溶酶體內(nèi)體低密度脂蛋白（LDL，血漿中的膽固醇轉運蛋白）外排作用（分泌囊泡）細胞內(nèi)的物質形成分泌囊泡，向細胞質膜遷