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1、第五章 脂和生物膜,Lipids and Biomembrane,1881年，Johann Thudichum发现了鞘脂的功能，提出Tay-Sachs病系由脑苷脂降解缺陷引起。,1940年间，Konrad Bloch和同事证明了胆固醇所有碳原子皆来自乙酰辅酶A 。,脂类研究历史：,20世纪5060年代，科学家已经揭示了脂类在储能物质和膜结构组分发挥重要生理作用。,6070年代后，薄层层析和气-液层析技术迅速发展，为科学家认识脂类的特殊作用提供了有力工具，揭示了脂类在生物膜、转运、受体和信息转导中的作用。,第一节 脂类与复合脂,Lipids and Lipid Complexs,一、脂类结构成分
2、复杂且非均一,（一）脂类包括脂肪和类脂两大类,脂类(lipids)：脂肪(fat)和类脂(lipoid)的总称，是一类不溶于水的生物分子。,脂肪：动物源性的甘油三酯(triglyceride, TG) 植物源性TG 类脂：胆固醇 (cholesterol, CHOL) 胆固醇酯 (cholesterol ester, CE) 磷脂 (phospholipid, PL) 鞘脂 (sphingolipids),脂类的分类、含量、分布及生理功能,脂类的基本元素组成是碳、氢和氧,脂类的基本元素组成为碳(C) 、氢(H) 、氧(O) ，一些复合脂含有氮(N)和其他元素 。,脂类是一类非均一化合物，结构的
3、不均一性可导致功能的多样性。,甘油三酯 (triglyceride, TG),甘油磷脂 (phosphoglycerides),胆固醇酯,脂类物质的基本构成：,X = 胆碱、水、乙醇胺、丝氨酸、甘油、肌醇、磷脂酰甘油等,脂类是水不溶性生物分子,脂类组成的共同特征是含有不溶于水的长链脂肪酸或胆甾（基）。,长链脂肪酸,胆甾（基）,结构决定了脂类在溶剂中的溶解度，即不溶于水而易溶于非极性有机溶剂。但磷脂的结构中含有少量如羟基、氨基或磷酸等亲水基团，在体内微环境中，这些磷脂可带电荷，使其具有微弱的亲水性。磷脂的这种特性是其作为生物膜基本成分的基础。,（二）脂类有简单脂和复合脂，可与糖、蛋白质形成复合脂
4、,脂类与糖形成的复合物称为糖脂或脂多糖,是含糖而不含磷酸的脂类，其间通过糖苷键相连，也是两性分子，普遍存在于真核和原核细胞的质膜上。,糖脂(glycolipid)：,半乳糖脑苷脂（galactocerebroside）,神经节苷脂（ganglioside）,鞘糖脂（glycosphignolipid，GSL）,脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）,脂类与蛋白质形成的复合物称为脂蛋白,脂类可与蛋白质有机结合形成脂蛋白(lipoprotein),人体内脂类的来源：,自身合成 利用小分子有机化合物合成，如甘油三酯、磷脂等。多为饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸。,食物供给 包括各种脂肪酸，
5、其中一些不饱和脂 酸，动物不能自身合成，需从植物中摄取。,一些常见食物的脂肪和胆固醇含量,*以100 g食物计算,一些常见食物的脂肪和胆固醇含量,*以100 g食物计算,（一）甘油三酯中的脂肪酸是脂肪烃的羧酸,脂肪酸结构通式为CH3(CH2)nCOOH。,高等动植物中的脂肪酸碳链长度一般在1420碳之间，且为偶数碳。,二、甘油三酯是甘油的脂肪酯,1.脂肪酸的系统命名是由母链混合物派生的,脂肪酸系统命名遵循有机酸命名的原则，将包括羧基碳原子在内的最长直链碳链作为主链，依其碳原子数称为某烷酸，并从羧基碳原子开始编号；若碳链中含有双键，从羧基端编号，称为某碳烯酸，并将双键位置写在其前面。,系统命名法
6、标示脂肪酸的碳原子数即碳链长度和双键的数目和位置。,编码体系从脂肪酸的羧基碳起计算碳原子的顺序。,油酸含18个碳原子，在第9-10位间有一个双键，被称为9-十八碳单烯酸，写成18:1(9)或18:19 。,不饱和脂肪酸的命名,例如：,或n编码体系,亚麻酸为18碳3烯多不饱和脂肪酸，其双键位置按碳原子编号分别为9、12和15；按字母编号分别为-3、-6和-9。根据碳原子编号命名为9,12,15-十八碳三烯酸，写成18:3(9,12,15)或18:39,12,15；按字母编号归类于-3不饱和脂肪酸，写成18:3-3 。,例如：,2. 脂肪酸主要根据其碳链长度和饱和度分类,（1）脂肪酸根据其碳链长度
7、分为短链、中链和长链脂肪酸,短链脂肪酸：碳链长度小于或等于10的脂肪酸,如：癸酸(碳链长度为10),中链脂肪酸：碳链长度介于10和20之间的脂肪酸,如：油酸(碳链长度为18),长链脂肪酸：碳链长度大于或等于20的脂肪酸,如：DHA(碳链长度为22),（2）脂肪酸根据其碳链是否存在双键分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸,饱和脂肪酸的碳链不含双键,饱和脂肪酸(saturated fatty acid)以乙酸(CH3-COOH)为基本结构，不同的饱和脂肪酸的差别在于这两基团间亚甲基(-CH2-)的数目不同 。,常见的饱和脂肪酸,不饱和脂肪酸的碳链含有一个或一个以上双键,常见的不饱和脂肪酸,哺乳动物不饱和脂
8、肪酸按编码体系分类：,3.脂肪酸的某些物理和生理特性基于碳链长度和不饱和度,脂肪酸一个重要物理性质是熔点：,随着碳链长度的增加熔点逐渐增加；随着不饱和度的增加熔点逐渐下降。,细胞膜的脂质在各种环境温度下以液态形式存在对维持细胞膜的正常功能具有十分重要的意义。,4.不饱和脂肪酸具有十分重要的生物学作用,（1）人体不能合成必须从食物获得的脂肪酸被称为营养必需脂肪酸,亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等多不饱和脂肪酸是人体不可缺乏的营养素，不能自身合成，需从食物摄取，故称营养必需脂肪酸（essential fatty acid） 。,（2）多不饱和脂肪酸的衍生物具有十分重要的生物学活性,前列腺素(PG )、
9、血栓噁烷(TX)和白三烯(LT)是二十碳多不饱和脂肪酸花生四烯酸代谢产生的类花生酸类物质（eicosanoids），具有十分重要的生理作用，几乎参与了所有细胞的代谢活动，并与炎症、免疫、过敏、心血管等疾病的病理生理过程有关。,（二）甘油三酯是甘油的脂肪酸酯,含有同一种脂肪酸的甘油三酯称为简单甘油三酯(simple triacyglycerol),含有两种或三种脂肪酸的甘油三酯称为混合甘油三酯(mixed triacyglycerol),1.甘油三酯是脂肪酸的主要储存形式,游离形式的脂肪酸：很少量在血液中和白蛋白结合。,酯化形式的脂肪酸：主要以甘油三酯(主要)、胆固醇酯等于体内，或存在脂蛋白,大
10、多数存在脂肪细胞中。,2.甘油三酯的主要作用是为机体提供能量,（1） 甘油三酯是机体重要的能量来源,（2） 甘油三酯是机体的主要能量储存形式,TG合成的主要场所：肝脏,TG储存的主要场所：脂肪组织,正常人体内的脂肪量可抵抗23个月的饥饿。,糖原储备量仅能提供少于1天的代谢需要。,蛋白质作为功能和结构分子，不能无序地进行分解代谢提供能量。,三、含磷酸的脂类被称为磷脂,磷脂(phospholipids)主要由甘油或鞘氨醇、脂肪酸、磷酸和含氮化合物等组成。,分类： 甘油磷脂 由甘油构成的磷酯 （体内含量最多的磷脂） 鞘磷脂 由鞘氨醇构成的磷脂,X = 胆碱、水、乙醇胺、 丝氨酸、甘油、肌醇、磷脂酰甘
11、油等,两类磷脂的分子组成,1.由甘油构成的磷脂统称为甘油磷脂,甘油磷脂又称为磷酸甘油酯(phosphoglycerides)， 其结构特点是甘油的两个羟基被脂肪酸酯化，3位羟基被磷酸酯化成为磷脂肪酸(phosphatidic acid; PA)。,R1常为饱和脂肪酸 R2常为不饱和脂肪酸,体内几种重要的甘油磷脂,2. 由鞘氨醇或二氢鞘氨醇构成的磷脂称为鞘磷脂,（1）鞘磷脂是鞘氨醇的衍生物,鞘氨醇的氨基通过酰胺键与1分子长链脂肪酸相连形成神经酰胺(ceramide)，为鞘脂的母体结构 。,鞘氨醇的羟基通过酯键与取代基团结合而成为不含甘油、仅含鞘氨醇或二氢鞘氨醇的脂类被称为鞘脂(sphingoli
12、pids)。,鞘氨醇以18碳最多，分子中含有双键 ，有顺反异构体，但自然界均为反式构形 。,鞘氨醇或二氢鞘氨醇是具有脂肪族长链的氨基二元醇，具有2个羟基及一个氨基的极性头和疏水的长链脂肪烃尾 。,X-磷脂胆碱 、 磷脂乙醇胺 单糖或寡糖,m多为12，n多在1222,（2）鞘脂包括鞘磷脂和鞘糖脂两类,神经组织各种膜 结构的重要成分,3.甘油磷脂在体内具有重要的生理功能,（1）磷脂是构成生物膜的重要成分,脂质双层是构成生物膜的重要成分和结构基础。,几乎所有类型的磷脂在细胞膜中均有发现，其中甘油磷脂中以磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidyleth
13、anolamine)、磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine)含量最高，鞘磷脂中以神经鞘磷酯为主 。,卵磷脂存在于细胞膜中,卵磷脂即磷脂酰胆碱是组成细胞膜最丰富的磷脂之一 ，其甘油2位含多不饱和脂肪酸，被水解后生成溶血卵磷脂。卵磷脂也储存着体内大部分胆碱 。,心磷脂是线粒体膜的主要脂质,心磷脂与大量的线粒体内膜蛋白质，如细胞色素C氧化酶、细胞色素C NADH:泛醌(ubiquinone)等相互作用，激活某些酶，特别与氧化磷酸化和ATP的产生密切相关 。,（2）磷脂酰肌醇是第二信使的前体,磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸 (phosphatidylinositol 4,5-bisphosp
14、hate，PIP2),甘油二酯,三磷酸肌醇 (inositol triphosphate，IP3),（3）缩醛磷脂存在于脑和心肌组织中,缩醛磷脂(plasmalogens)结构与磷脂酰乙醇胺相似，其甘油的位以缩醛方式与脂肪酸结合，但乙醇胺可被胆碱、丝氨酸或肌醇取代，其在脑、心肌组织、红细胞和血小板等中含量较高。,当缩醛磷脂缺乏时，可导致罕见的康-亨综合征(rhizomelic chondrodysplasia punctata, RCDP)，又称点状软骨发育不良(常染色体显性型)等疾病的发生。,（4）神经鞘磷脂和卵磷脂在神经髓鞘中含量较高,神经鞘磷脂是构成生物膜的重要磷脂，常与卵磷脂共同存在于
15、细胞膜的外侧。构成神经髓鞘的脂质种类众多，约占神经髓鞘干重的97%，其中卵磷脂为11%，神经鞘磷脂为5%。,四、胆固醇是含环戊烷多氢菲的脂类,（一）胆固醇是动物特有的一种类固醇衍生物,环戊烷多氢菲核,不同类固醇的区别在于C3羟基和C17连接的侧链碳原子数(一般为810个碳原子)及取代基团的不同，生理功能各异。 分子组成中含大量的碳氢、无氧或少氧而为非极性化合物。,动物胆固醇(27碳),胆固醇仅存在于动物体内,植物以-谷固醇(-sitosterol)为最多,酵母含麦角固醇(ergosterol),1. 胆固醇是含有羟基的固体醇类化合物,胆固醇仅含一个亲水性的羟基 ，疏水性极强，不溶于水而溶于非极
16、性溶剂。,胆固醇熔点较高(149)，在常温下以固态形式存在。,2.胆固醇的羟基酯化为胆固醇酯,（二）胆固醇是细胞膜的基本结构成分,胆固醇是动物细胞膜的基本结构成分之一，但亚细胞细胞器(subcellular organelle)膜含量较少。 胆固醇因含环戊烷多氢菲环使得其比细胞膜中其他脂质成分更强直(rigidity)。因此，胆固醇是决定细胞膜性质的一种重要分子。,（三）胆固醇可转化为一些具有重要生物学活性的固醇类化合物,1. 胆固醇可转化为类固醇激素,人体内利用胆固醇为原料合成的主要类固醇激素,2. 胆固醇可转变为胆汁酸,胆固醇在体内代谢的主要去路是在肝细胞中转化成胆汁酸(bile acid) ，随胆汁经胆管排入十二指肠。 胆汁酸具有促进脂类消化与吸收、抑制胆汁中胆固醇的析出等作用。,3. 胆固醇可转化为一些具有重要生物学活性的固醇类化合物,第二节 生物膜及跨膜转运,Biomembrane and Transport Across Membranes,生物膜（bi
