第五章脂类和生物膜汇总.

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1、第五章 脂类和生物膜, 脂类 一、脂质的定义 是一类低溶于水而高溶于非极性溶剂的生物有机分子，对大多数脂质而言即是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。脂肪酸多是四碳以上的长链一元羧酸，而醇类包括甘油、鞘氨醇、高级一元醇和固醇。 二、脂质分类 按照化学组成可分为： 1、单纯脂质，包括甘油三酯和蜡。 2、复合脂质（含有非脂分子成分）包括磷脂和糖脂 3、衍生脂质 包括取代烃、固醇类、萜类、其它脂质,三、脂质的生物学作用 1、贮存脂质：三酰甘油和蜡； 2、结构脂质:参与生物膜的组成； 3、活性脂质:类固醇激素、脂溶性维生素。 必需脂肪酸：人体不能合成的，但是对人体功能必不可少的，必需由膳食提供的。亚油酸

2、和亚麻酸。 亚油酸：各种植物油 亚麻酸：坚果,四、脂质过氧化作用对机体的损伤 1、中间产物自由基导致蛋白质分子的聚合 2、脂质过氧化终产物可与蛋白质的氨基发生作用导致多肽链的链内交联和链间交联。被修饰了的蛋白质和酶失去生物活性，导致代谢异常。 3、脂质过氧化对膜的伤害 脂质过氧化的直接结果是不饱和脂肪酸减少，膜脂的流动性降低。 4、脂质过氧化和动脉粥样硬化 5、脂质过氧化和衰老 老年斑、老年色素、脂褐素、黑色素,五、抗氧化剂的保护作用 几种重要的抗氧化剂 超氧化物歧化酶（SOD） 过氧化氢酶（CAT），人体肝脏和红细胞中含量最为丰富。 维生素E，生物体内的自由基清除剂。, 生物膜 一、生物膜组

3、成、结构的探索历程 1、1859年，欧文顿利用500多种化学物质对植物细胞的细胞膜进行了上万次的研究，发现凡是易溶于脂类的物质比较容易通过膜，反之不容易溶于脂类的物质则不容易穿过膜。 2、1897年，crijins 和hedin用红细胞做实验，同样证明分子的通透性与其在脂质中的溶解度有关，溶解度越大越容易通过。 根据相似相容原理可以证明膜中含有脂类，那么还是否含有其它成分呢？ 3、20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，发现细胞膜也会被蛋白酶水解，化学分析表明也含有蛋白质成分。,细胞膜：包裹在细胞外的，将内含物与环境分开的一层膜。 内膜系统：组成具有各种特定功能的亚细胞结构和

4、细胞器的膜。 二、生物膜的组成和性质 蛋白质、脂类（磷脂）、糖类、水和无机离子。 其中蛋白质和脂类的比例差别很大，功能复杂的膜，蛋白质比例大，功能简单的膜，蛋白质比例小。 （一）膜脂 分类：磷脂、糖脂、胆固醇,1、磷脂 甘油磷脂：以甘油为骨架; 鞘磷脂：以鞘氨醇为骨架. 磷脂结构：亲水性头部疏水性尾部，构成生物膜的骨架。,脂质分子在细胞膜中是如何排列的呢？哪一种排列方式又是最稳定的呢？ 1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气水界面上铺成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞的两倍。 单体、微团、双层微囊（最稳定的结构）,单层,微团,双层微囊,2、糖脂 动物细胞几乎都含有

5、糖脂，含量约占外层膜脂的5，大多是鞘氨醇的衍生物。 植物细胞和细菌质膜的糖脂几乎都是甘油的衍生物，非极性部分亚麻酸含量丰富，极性是糖残基。 功能：糖脂往往具有受体功能，与药物结合起作用，如神经节苷脂（干扰素、促甲状腺素、破伤风素等的受体）。 3、胆固醇（胆甾醇） 动物细胞的胆固醇多，植物细胞中没有，质膜含量多于细胞内膜。 功能：调整膜的流动性。,（二）膜蛋白 20-25%蛋白质与膜结构相联系，根据在膜上的定位可分为膜周边蛋白质和膜内在蛋白质。 1、膜周边蛋白质（占膜蛋白的20-30%外周蛋白 分布于膜的脂双层表面，通过静电力或非共价键与其它膜蛋白相互作用连接到膜上，膜周边蛋白易于分离，改变离子

6、强度或金属螯合剂可提取，这类蛋白质溶于水。 2、膜内在蛋白质（占膜蛋白的70-80%）,膜内在蛋白质有的部分嵌在脂双层中，有的横跨全膜，通过疏水作用与膜脂结合，膜内在蛋白质不易分离，只有用剧烈的条件（去垢剂、有机溶剂、超声波）才能溶解下来，这类蛋白质不溶于水，分离下来之后一旦除去去垢剂或有机溶剂又聚合成不溶性物质，构象和活性发生很大的变化。 膜内在蛋白质与膜的连接方式： 1）以单一螺旋跨膜 2）以多段a-螺旋跨膜 3）以蛋白质分子末端片段插膜 4）通过共价键结合的脂插入膜中 功能：选择性透过物质运输通道，信息识别受体。,以非共价键结合,静电力结合,Pr分子末端片段插入膜中,以单一a螺旋跨膜,以

7、多段a螺旋跨膜,通过共价键结合的脂插膜,（三）糖类 质膜：糖类占质膜2-10%，大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。 内膜系统 分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖-蛋白质复合物（细胞外壳-糖萼） 糖蛋白功能：糖蛋白与大多数细胞的表面行为有关，细胞与周围环境的相互作用都涉及到糖蛋白，在接受外界信息及细胞间相互识别方面有重要作用。 二、生物膜的分子结构 （一）生物膜中的分子作用力 1、静电力：一切极性和带电基团之间，相互吸引或排斥 2、疏水作用：对维持膜结构起主要作用 3、范德华力：使膜中分子彼此靠近，在膜结构中也很重要。,（二）生物膜结构的几个特征 1、脂双层是生物膜的基本骨架 2、膜蛋白以两种方

8、式与膜结合 外周蛋白和内在蛋白 3、膜组分的不对称分布 构成膜的脂质、蛋白质和糖类在膜两侧分布都是不对称的。（脂质在双层之间可以翻转，而膜蛋白在双层之间不能翻转） 4、生物膜的流动性（主要特征）变形虫运动.avi 合适的流动性对生物膜表现正常功能具有重要作用。,通过细胞膜的融合证明细胞的流动性,1）膜脂的流动性（取决于磷脂） 膜脂运动的方式： 磷脂分子在膜内侧作侧向扩散或侧向移动（速度很快）人工膜和生物膜中均有。 磷脂分子在脂双层中作翻转运动（速度较慢）。 磷脂烃链围绕C-C键旋转而导致异构化运动。 磷脂分子围绕与膜平面垂直的轴左右摆动。 磷脂分子围绕与膜平面垂直的轴旋转运动。 影响流动性的因

9、素：脂酰链的不饱和度、链长、蛋白质、pH、离子强度。 2）膜蛋白的运动性 膜蛋白的侧向扩散、膜蛋白的旋转扩散 膜蛋白的旋转扩散膜蛋白的侧向扩散 膜脂的侧向扩散 膜脂合适的流动性是膜蛋白正常功能表现的必要条件。 生物膜流动性异常导致疾病,磷脂分子运动的几种方式,（三）生物膜分子结构的模型 1、脂双层模型：1925年，荷兰科学家Gorter，Grendel 2、Danielli与Davson的三夹板模型 1935年，蛋白质-脂质-蛋白质，蛋白质以单层覆盖两侧。 3、Robertson单位膜模型 20世纪50年代末，与三夹板不同之处，脂双层两侧蛋白质分子以-折叠形式存在，而且是不对称性分布。 4、流

10、动镶嵌模型（广泛接受的膜结构模型）细胞膜的三维动画模型.avi,1972年，Singer与Nicolson 膜结构特点： 膜结构主体是脂质双分子层。 脂质双分子层具有流动性。 内在蛋白质镶嵌于脂质双分子层中或横跨全膜。 外周蛋白质分布于脂质双分子层的表面。 脂质分子之间或脂质与蛋白质之间无共价结合。 膜蛋白质可作横向运动。 与以往模型相比，最大的区别两点： 一是突出了膜的流动性；二是显示了膜蛋白分布的不对称性,晶格镶嵌模型 1975年，Wallach提出了晶格镶嵌模型。他在流动镶嵌模型的基础上，进一步强调：生物膜中流动性脂质的可逆性变化。这种变化区域呈点状分布在膜上。相变表现为膜脂分子的一种协

11、同效益，即几十个以上的脂分子同时相变。膜脂的相变受温度、脂本身的性质、膜中其他成分、pH和二价阳离子浓度等因素的影响。 板块镶嵌模型 板块镶嵌模型 1977年，Jain和White提出了板块镶嵌模型，其内容本质上与晶格镶嵌模型相同。他们认为：在流动的脂双分子层中，存在许多大小不同的、刚度较大的、彼此独立运动的脂质“板块”（有序结构区），板块之间被无序的流动的脂质区所分割，这两种区域处于一种连续的动态平衡之中。,胆固醇,糖脂,卵磷脂,锚定膜蛋白,内嵌蛋白,三、生物膜的功能 信号传递、能量转换、细胞识别、细胞免疫、神经传导和代谢调控、物质运输。,四、生物膜的物质运输方式及其机理 根据物质运输自由能

12、变化：主动运输和被动运输 （一）被动运输 1、定义 ：物质从高浓度一侧，通过膜运输到低浓度一侧，即顺浓度梯度跨膜运输的过程。 2、特点：顺浓度梯度、不需供能的自发过程，有的需要孔道蛋白或载体蛋白。 3、分类：简单扩散是许多脂溶性小分子的运输的主要形式，从高浓度一侧向低浓度一侧，不需要载体，不具有特异性，不具有饱和性，扩散结果使物质在膜两侧浓度相等。,协助扩散溶质在顺浓度梯度扩散时，依赖于特定载体。 这些载体主要是镶嵌在膜上的多肽或蛋白质，属于透性酶系，通过载体构象的变化完成运输，如：红细胞膜对葡萄糖的运输。 两者的区别：协助扩散具有明显的饱和效应。 （二）主动运输（运送） 定义：凡物质逆浓度梯

13、度的运输过程。 特点：专一性（有的细胞膜只能运输氨基酸,不能运输葡萄糖）；运输速度可达到饱和状态（需载体蛋白）；方向性（细胞总是向外运输Na+，向内运输K+以维持正常的生理功能）选择性抑制（乌本苷抑制Na+向外运输，根皮苷抑制肾细胞对G的运输）需提供能量 主动运输过程发生需要两个体系：一是参与运输的传递体、二是酶系组成的能量传递系统。,（三）小分子物质的运输 单向运输：只能运输一种物质由膜的一侧到另一侧。 同向运输：如果一种物质的运输和另一种物质的运输相关且方向相同。（葡萄糖和钠的运输） 反向运输：如果一种物质的运输和另一种物质的运输相关且方向相反。（钠和钾的运输） 通常情况下，分子越小，疏水

14、性越强，越容易透过膜。 1、Na+和K+的运输（逆浓度梯度的主动运输且为反向运输） 发现：Na+、K+ATP酶 ，1957年丹麦科学家Jens c.Skou提出。该酶是一个跨膜脂的Na+、K+泵，即通过水解ATP产生的能量向外运输Na+ 、向内运输K+，每水解一个ATP向外运输3个Na+ 、向内运输2个K+。,结构：一个催化亚基（-亚基）和一个糖蛋白亚基（亚基），以22四聚体的形式结合在膜上，-亚基在膜内侧有Na+和ATP的结合位点，在膜外侧有K+和乌本苷的结合位点。 作用机制：符合构象变化学说,Na+- K+- ATPase的作用模型,ATP,ADP,细胞外,细胞质,1,2,5,4,3,6,

15、构象变化学说,2、Ca2+的运输（单向运输） Ca 2+泵和Ca 2+ ATP酶 Ca2+ATP酶可以催化下列反应： 2Ca 2+ （外）+ATP 2Ca 2+ （内） + ADP（外）+Pi （外） Ca2+ATP酶是肌质网的主要成分，占膜蛋白的90%，易于提纯，对Ca2+有很高的亲和力。 肌肉的收缩和松弛过程，是Ca 2+从肌质网释放和再摄入的主动运输过程。 每一分子ATP酶每秒钟可以水解10个ATP分子，每水解一分子ATP运输2个Ca 2+。 钙调蛋白：可刺激细胞对钙离子的摄取，钙调蛋白的作用与Ca 2+浓度有关。, Ca 2+ 浓度极低时，钙调蛋白以不与Ca 2+结合的状态存在，不能激

16、活Ca 2+ ATP酶，酶对钙的亲和力低。 如细胞内的钙离子浓度升高，则钙调蛋白与钙形成复合物，可与Ca 2+ ATP酶结合，提高酶对钙的亲和力。 Ca 2+ ATP酶的作用机制 经历磷酸化和去磷酸化的过程，通过E1和E2两种构象的相互转变，将钙从膜的一侧运输到另一侧。,Na+.K+-ATPase的亚基结构及其在膜上定位,Na+-K+- ATPase的体外重建,Na+-K+-ATPase,去污剂微囊,脂-去污剂微囊,增溶的膜蛋白,去污剂微囊,外加的磷脂,透析,纯化的膜蛋白,Na+-K+-ATPase在脂质体上重建,纯化,3、阴离子的运输 4、糖和Aa的运输 1）葡萄糖的运输（主动运输、协同运输中的同向运输） 葡萄糖的运输利用Na+梯度提供能量，通过载体蛋白，伴随着Na+一起运输入细胞，Na+梯度越大，葡萄糖进入的速度越快，进入膜内的Na+又通过Na+、K+ATP酶运输体系