生物化学 | 脂质与生物膜

定义：低溶于水，高溶于非极性溶液的有机分子（化学结构的多样性）。

分类：

单纯脂质，eg 甘油三酯，蜡

复合脂质，eg 磷脂，糖脂

衍生脂质，eg 取代烃，固醇类，萜

生物学作用：

贮存能量

结构脂质

生物活性脂质

非极性脂质与极性脂质：

1. 非极性脂质：不具有溶剂可溶性（水中溶解度极度）和界面可溶性（在油水界面分散成单分子层），有长链脂肪烃（胡萝卜素、植烷）、大芳香烃、长链脂肪酸和长链一元醇间形成的酯。

2. Ⅰ极性脂：具界面可溶性，不具溶剂可溶性，渗入膜但不形成膜。

3. Ⅱ极性脂：磷脂与鞘糖脂，形成双分子层与微囊。

4. Ⅲ：界面可溶性，形成单分子层不稳定，有长链脂肪酸盐、胆汁酸盐、皂苷、青霉素等。

   脂肪酸盐具有亲水基（电离羧基）、疏水基（长烃链）。

   乳化：搅拌油水混合物时，大堆油分散成细小液滴，无去污剂，油滴很快聚集成原来的油层；有去污剂存在，油滴处于微团中，作为亲水物体悬于水中，形成乳胶。

碳原子数目：双键数目 △双键键合的碳原子号码较低者

脂肪酸种类：棕榈酸（16:0）,硬脂酸（18:0）,棕榈油酸（16:1，△9），油酸（18:1，△9），芥子酸（22:1，△13），亚油酸（18：2），α-亚麻酸（18:3，△9，12,15）、γ-亚麻酸（18:3，△6，9，12）,花生四烯酸（18:3），EPA（20:5），DHA（22:6）

△——双键距离羧基官能团的位置

天然脂肪酸双键多为顺式，少数为反式

ω-3，ω-6系列——双键距离甲基末端的碳原子个数

甘油取代物的构型及SN-（立体专一编号 stereospecific numbering）系统，甘油第二位碳不含取代基时，为非手性碳，一旦有取代基，转变为手性碳，取代物为手性异构体。Sn-系统是S-原和R-原碳原子编号，保证命名的唯一性。

必需多不饱和脂肪酸

（PUFA polyunsaturated fatty acids）

种类：

1. 亚油酸，ω-6  PUFA的原初成员，是二十碳烷化合物前体，在人和哺乳动物体内转化为γ-亚麻酸，延长为花生四烯酸，维持细胞膜结构和功能必须，ω-6家族可降低血清胆固醇。

2. α-亚麻酸，ω-3原初成员，ω-3可显著降低血清甘油三酯，防治神经、视觉和心脏疾病

3. EPA（20碳五烯酸）和DHA有保健价值，DHA在大脑皮层和眼视网膜中活跃。

4. PUFA缺乏引起生长停滞，生殖衰退和肾、肝功能紊乱。

5. 类二十碳烷

   由20碳PUFA衍生而成，包括前列腺素、凝血噁烷和白三烯等，合成前体是花生四烯酸。

   前列腺素存在广泛，种类较多，不同前列腺素或同一前列腺素作用于不同的细胞，产生不同的生理效应，升高体温，促进炎症，调节血流进入特定器官，控制跨膜转运，调整突触传递，诱导睡眠，刺激分娩和月经期间子宫肌肉收缩等。前列环素，血管内皮产生的主要前列腺素，血管扩张剂，防止血小板聚集和血小板黏着于内皮表面，用于心肺分流手术中减少凝血危险。

   凝血噁烷，最早从血小板分离获得，能引起动脉收缩，诱发血小板聚集，促进血栓形成。

   白三烯，最早从白细胞分离获得，促进趋化性，炎症和变态反应。

   阿司匹林消炎、镇痛、退热原理是抑制前列腺素的合成，抑制凝血噁烷合成，故有抗凝血作用。

1. 油脂物理性质：

   油脂非共轭双键系统中两个双键间的亚甲基可直接发生化学反应，形成自由基。共轭双键π电子有很大离域作用，易发生聚合作用。
   

   脂肪酸与脂肪酸化合物物理性质取决于脂肪酸烃链长度与不饱和度。

   溶解度：非极性烃链是造成脂肪酸在水中溶解度低的原因；烃链越长，溶解度越低。

   熔点：同样链长的饱和脂肪酸是蜡状固体，不饱和脂肪酸是油状液体。处于完全伸展构象的脂肪酸能紧密装配成近乎晶状排列，原子沿长向与相邻原子处于范德华接触，含多个结节的不饱和脂肪酸不能紧密组装，分子间相互作用被减弱。双键越多，熔点越低。顺式异构体熔点比反式低。

2. 三酰甘油在酸、碱、酶作用下水解成脂肪酸和甘油，碱水解是皂化。

   皂化1g油脂所需KOH的mg数是皂化值（与羧基数量相关，与分子量相关），皂化价越低，说明羧基数量少，分子量大。

   皂化值是三酰甘油中脂肪酸平均链长即三酰甘油（TG）平均相对分子质量的量度。

   TG平均Mr=3*56*1000/皂化值

   鉴定甘油的特征反应：甘油在脱水剂存在下加热则脱水，生成具有刺激性臭味的气体丙烯醛。

3. 油脂中双键氢化可制造人造黄油；油脂中的双键可与碘反应（离子型亲电加成），100g油脂能吸收的碘克数称为碘值（与双键数量相关）。

4. 油脂中的羟基可被乙酰化，中和1g油脂中乙酰基释放的乙酸所需的KOH mg数称作乙酰价。

5. 油脂自动氧化生成挥发性醛、酮、酸称为酸败，中和1g油脂游离脂肪酸所学的KOH mg数称作酸价。不饱和脂肪酸更易发生酸败。油脂自动氧化的结果之一是形成黏稠、胶状乃至固化的聚合物。

6. 蜡是长链脂肪酸和长链一元醇和固醇形成的酯，天然蜡是多种蜡酯的混合物（蜡分子含一个很弱极性头和非极性尾，完全不溶于水，蜡的印度有烃链的长度和饱和度决定）

定义：多不饱和脂肪酸和脂质的氧化变质。

1. 自由基：含有奇数价电子并因此在一个轨道上有一个未成对电子的原子或原子团，反应活性极高。（包括：普通氧，超氧阴离子，羟自由基，过氧化氢，单线态氧等）。

2. 自由基链式反应：有少数自由基诱导产生反应，反应过程可以产生更多的自由基，使反应加速，最终完成反应。

   引发：反应性足够强的起始自由基抽去脂质的氢原子，或高能辐射使脂质分子均裂，可生成起始脂质自由基。

   增长：起始脂质自由基通过加成、抽氢、断裂等一种或几种方式生成更多的脂质自由基，反应反复进行，成为链式反应。

   终止：两个自由基间发生偶联或歧化反应，消除自由基，使链式反应终止。

3. 抗氧化剂或自由基清除剂可以抑制脂质过氧化的发生。超氧化物歧化酶 superoxide dismutase,SOD；过氧化氢酶catalase，谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase,GSH-PH）、维生素E、某些中药活性成分。

4. 生物膜是生命系统最容易发生脂质过氧化的场所，具备两个必要条件：氧气；多不饱和脂肪酸。

   脂质过氧化对机体的损伤：中间产物自由基导致蛋白质分子聚合；终产物丙二醛导致蛋白质分子交联；对膜损害，膜的不饱和脂肪酸减少，膜脂的流动性降低，过氧化产物引起的膜蛋白共价交联与聚合，使膜蛋白处于永久性缔和状态，严重限制膜蛋白在膜平面上的运动性；在活性氧自由基与脂质过氧化醛类产物进攻生成的蛋白质聚合物在动脉粥样硬化硬斑形成中起重要作用。（生物膜功能异常、动脉粥样硬化、衰老、使脂褐素含量增加、DNA损伤等）

1. 生物膜由蛋白质和极性脂质组成，少量碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。

2. 所有生物膜拥有共同的基本特征：对多数极性分子或带电分子不通透，允许非极性分子通透；约5-8nm厚，横切电镜照片近似三层结构。脂质与水相共存时会迅速形成脂双层结构而避开水的作用。

3. 膜脂的多态性：膜流动的程度依赖于脂的组成及温度，低温下运动相对较少，脂双分子层几乎呈晶态（类晶体，半晶体）排列；温度升到一定高度时，运动增加，膜由晶态向液态转变。（脂双层结构本身稳定，单个磷脂和固醇在脂质平面内很大的运动自由，横向运动很快，几秒内单个脂分子可环绕红细胞的一周。）

4. 细胞与细胞间相互作用

5. 膜结构的流动镶嵌模型（fluid mosaic model）：生物膜中兼性的磷脂和固醇形成一个脂质双分子层，非极性部分相对构成双分子层的核心，极性头部朝外；球状蛋白以非正规间隔埋于其中，有的伸出膜的一面，有的跨越整个膜；蛋白质在脂双分子中的方向是不对称的，表现为膜蛋白功能的不对称。脂质和蛋白质间构成流动镶嵌模型。

6. 生物膜结构的特征：膜组分不对等分布，膜流动性。

7. 生物膜的功能：内外屏障，物质交换，细胞间通讯；（生物膜的形成对生物的物质贮存及细胞间通讯）。

磷脂：甘油磷脂和鞘磷脂两类

1.  甘油磷脂是由sn-甘油-3-磷酸衍生而成，甘油骨架的C1和C2被脂肪酸酯化，胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇、甘油、磷酯酰甘油酯等极性头与磷酸相连。每分子磷脂酸的磷酸基团分别与一个甘油分子的C1/C3上羟基以酯键相连。

   磷脂酰胆碱（卵磷脂）：卵磷脂与胆碱被认为与脂肪肝形成有关。
   

   磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）
   

   磷酯酰丝氨酸：血小板膜中带负电荷的酸性磷脂，“血小板第三因子”，当血小板因组织受损而被激活等，膜中的磷脂转向外侧，作为表面催化剂与其他凝血因子一起致使凝血酶原活化。
   

   双磷酯酰甘油（心磷脂）：最先在心肌线粒体膜和细菌细胞膜中找到。
   

2. 甘油磷脂属于两亲分子，在水中能形成双分子微囊，可构成生物膜。用碱、酶可水解成脂肪酸、甘油和含氮碱。根据水解产物，将磷脂酶分为A1、A2（存在于蛇毒、蜂毒、哺乳类胰脏）、C和D。如溶血甘油磷脂是强表面活性剂，使细胞膜溶解。
   

3. 醚甘油磷脂：甘油骨架 sn-1位碳连接的是羟基不是酰基。

   缩醛磷脂

   血小板活性因子：嗜碱性粒细胞释放，能引起血小板凝集和血管扩张，炎症和过敏反应中的有效介体。

4. 鞘磷脂：神经酰胺1-羟基被磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇胺形成的化合物。

   鞘氨醇（一种含不饱和烃基链的十八碳氨基醇）磷脂，在脑髓鞘和红细胞膜中含量丰富，由鞘氨醇、脂肪酸和磷脂酰胆碱组成。

   神经酰胺：脂肪酸通过酰胺键与鞘氨醇相连。

鞘糖脂：神经酰胺1-羟基被糖基化形成的糖苷化合物，主要分两类：中性鞘糖脂（脑苷酯），最早从脑中获得，糖基为半乳糖、葡萄糖等，其糖基在细胞表面，参与细胞识别；酸性鞘糖脂：糖基被硫酸化——硫酸鞘糖脂/硫苷酯，糖基含唾液酸——唾液酸鞘糖脂，称神经节苷酯。硫苷酯与血液凝固与细胞黏着有关。神经节苷酯在神经系统特别是神经末梢中含量丰富，种类多，在神经冲动传导中起作用。

甘油糖脂：主要存在于植物界与微生物界，叶绿体和微生物质膜中含大量甘油糖脂；哺乳类主要存在于睾丸和精子质膜以及中枢神经系统的髓磷脂中。

类固醇：由环戊烷多氢菲为基础的化合物，分子为扁平状，平面上的取代基直立时较稳定，有平伏状的。

胆固醇（非极性脂）：存在动物细胞中，参与膜的组成，质膜中含量比细胞器膜多；是血脂蛋白复合体成分，与粥样硬化相关，是动脉壁上形成的粥样硬化斑块成分之一；可转化为雄激素、雌激素、糖皮质激素、盐皮质激素和维生素D。胆固醇可以在肝脏中可转化为胆汁酸，使油脂乳化，促进吸收。

植物固醇可抑制胆固醇。

胆汁酸是机体内胆固醇的主要代谢终产物，分为胆酸、鹅胆酸、脱氧胆酸。胆酸和鹅胆酸在肝脏中合成（初级胆汁酸），脱氧胆酸是胆酸在肠道中经细菌-7-脱羟衍生（次级胆汁酸），在肠道内胆汁酸被重吸收并通过肠肝循环，初级与次级胆汁酸均在胆汁中出现。

1. 脂质的有机溶剂提取

   非极性脂质：乙醚、氯仿、苯

   膜脂：极性有机溶剂，降低脂质分子间的疏水相互作用，减弱膜脂与膜蛋白间的氢键结合和静电相互作用。

2. 脂质的色谱分离

   脂质混合物采用色谱（层析）、高效液相色谱、薄层层析分级分离。

3. 混合脂肪酸的气液色谱分析

   气液色谱（GLC）用于分析分离混合物中挥发成分，将各种链长和不饱和程度的脂肪酸可以得到完全分开。

4. 脂质结构的测定