脂质和生物膜.ppt

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1、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,Sperm Whales:Fatheads of the Deep,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

2、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。,脂肪酸的命名与结构特点,1、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,人体及哺乳动物不能向脂肪酸引入超过9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。,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

3、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KOH mg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,2、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）,3、加成反应与碘值,油脂中

4、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。,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,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

5、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

6、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、糖质,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-糖苷键与神经酰胺相连。,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

7、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

8、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

9、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-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,Back,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。

10、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m/min；而磷脂的侧向扩散速率约为m/s。与侧向扩散相反，脂

11、质（或蛋白质）从膜的一面翻转到另一面的速率非常缓慢。,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,37C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（facilitated diffusion）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

12、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

13、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、电荷和几何形状都合适的溶质可以顺着浓度梯度经通道快速的扩散。在动物细胞中含有许多通道蛋白，它们对某些离子高度特异。某些通道连

14、续开放，而另外一些象个门，响应某些刺激或开或关。,转运蛋白通过构象变化实现物质跨膜运输,许多转运蛋白的作用象个“门”，它们可以呈现出面向外或面向内的构象。当处于面向外构象的蛋白质结合一个特异的分子或离子后，经过构象转换变成面向内的构象，被转运的分子就在膜的内表面释放，然后转运蛋白又重新转换为面向外构象。转运蛋白构象的改变往往是被结合的转运物质激发的（葡萄糖）。在主动运输中，构象的改变是被ATP的水解或其它能源驱动的（Na+,K+）。,葡萄糖首先与转运蛋白（GLUT1）的面向外构象结合，然后当转运蛋白构象改变时，葡萄糖跨过脂双层。在面向细胞质一侧，葡萄糖脱离转运蛋白，进入细胞质，而转运蛋白又变回

15、起始构象。,Na+,K+的跨膜运输,Na+,K+的跨膜运输,1、Na+,K+-ATP酶在膜内有钠的高亲和性位点,2、与钠结合后可以将ATP的末端的磷酸基团转移到酶上,3、酶的构象发生变化，Na+被运输到膜外,4、Na+的亲和性降低，同时K+的高亲和性位点暴露,5、K+结合同时Na+释放,6、在K+存在下，ATP酶去磷酸化,7、酶的构象发生变化，K+被运输到膜内,8、K+的亲和性降低。K+释放，同时Na+的高亲和性位点暴露,Na+,K+-ATP酶通过水解ATP提供的能量主动向外运输Na+,输入K+,生理意义：不仅维持细胞的膜电位，成为可兴奋细胞，是神经、肌细胞等的活动基础，可调节细胞的体积和驱动

16、某些细胞中糖和氨基酸的运送。,大分子的跨膜运输,蛋白质、多核苷酸或多糖等生物大分子甚至颗粒物的运输主要是通过胞吐作用、胞吞作用原核生物在它们的质膜和外膜中含有多成分的输出系统，使得它们能够将某些蛋白质（往往是些毒素或酶）分泌到细胞外介质中。在真核细胞中，蛋白质的输入和输出细胞分别通过胞吞和胞吐实现的。,胞吞和胞吐都涉及到一种特殊的脂囊泡的形成。蛋白质和某些其它的大的物质被质膜吞入并带入细胞内（以脂囊泡形式）。受体介导的胞吞开始是大分子与细胞的质膜上的受体蛋白结合，然后膜凹陷，形成一个含有要输入的大分子的脂囊泡（下图），也称为内吞囊泡，出现在细胞内。出现在胞内的囊泡与胞内体融合，然后再与溶酶体融合，胞吞的物质被降解。胞吐除了转运方向相反外，其过程类似于胞吞。,