3生物化学与分子生物学-脂类

引言

脂质概念

不溶于水、溶于非极性溶剂的生物分子

脂类分类

按化学组成

• • • • • 单纯脂质（simple lipid） 主要有甘油三酯和蜡（长链的脂肪酸和长链的脂肪醇缩合而成）

• • • • • 复合脂质（compound lipid） 主要有磷脂和糖脂

• • • • • 衍生脂质（derived lipid） 主要有取代烃，固醇类，萜和其它脂质

按照极性

• • • • • 非极性脂质（nonpolar） 水不溶性，不能在界面之间（油水、水-空气之间）形成单分子层。如胆甾烷、长链脂肪酸和长链一醇形成的脂等

• • • • • 极性脂质（polar）

• • • • • • Ⅰ类极性脂质：能掺入膜，但自身不能形成膜，如三酰甘油、胆固醇等

• • • • • • Ⅱ类极性脂质：能形成膜，如磷脂和鞘糖脂

• • • • • • Ⅲ类极性脂质：具有可溶性，如脂肪酸盐、胆汁酸盐、皂苷等

• • • • • • ⅢA类：有长链脂肪酸的盐；阴离子、阳离子和非离子去污剂；溶血磷脂酸；脂酰CoA等

• • • • • • ⅢB类：有胆汁盐、皂苷等

按照生物学功能

• • • • • 贮存脂（storage lipid）：花生等坚果、动物的皮下脂肪

• • • • • 结构脂（structural lipid）：细胞膜

• • • • • 活性脂（active lipid）：类固醇类的激素

基本了解脂质定义、分类和生物学作用，掌握重要脂肪酸如硬脂酸、软脂酸、油酸、亚油酸的结构 掌握三酰甘油—真脂的结构和性质 掌握磷脂、糖脂的结构和生物学意义

脂肪酸（fatty acid,FA）

定义

脂肪酸通常是指烃链链长为4-36碳的羧酸。自然界中已经发现100余种。绝大多数的脂肪酸含有偶数个碳原子，形成长而不分支的链（少数有分支的或 含环的脂肪酸），脂肪酸在体内大多都是以结合的形式存在，很少游离

脂肪酸的生物合成的碳链都是一次增加两个碳，这样就导致碳的原子数一般是偶数——乙酰CoA是脂肪酸合成最基本的原料

根据双链的有无，脂肪酸可分为饱和（saturated FA）与不饱和脂肪酸（unsaturated FA）。

• • • • • 每一种脂肪酸都有通俗名、系统名和简写符号：如亚油酸、十八（碳）二烯酸

• • • • • 18指的是亚油酸有十八个碳，2指的是有两个双键，Δ右上角的9和12代表的是两个双键分别的位置，c代表的是双键的顺反异构式中的cis-，表示两个相同原子或基团在双键同一侧

几种常见的脂肪酸：双键的位置是相对于α-C即羧基碳来定的

脂肪酸的结构特点

碳原子数多为偶数

单不饱和脂肪酸的双键多在第9位、第2和第3个双键多在第12和第15位；双键数多为1-4个 这些双键之间各隔一个亚甲基，这种特性使得这些亚甲基的反应活性很强

双键多为顺式，少数为反式

脂肪酸的物理和化学性质

一般脂肪酸都溶于水（有个羧基），但链越长则在水中的溶解度越低

同样链长情况下，双键多（不饱和脂肪酸含量高）则熔点低

顺式异构体的熔点比反式异构体低

• • • • • 从空间分子排布上看，饱和的脂肪酸呈现单链状态，分子的排列密集，要想抵消分子之间的弱的相互作用需要的能量更大

• • • • • 不饱和脂肪酸由于有双键的存在，C链的排列就不再规则

• • • • • 而反式异构体从空间上来看，空间的位阻效应与饱和脂肪酸链差别不太大，而顺式的不饱和脂肪酸的结构相当于凸出来一块，使得C链排布非常不紧密，分开更容易

可以发生氧化，加成等化学反应——含有不饱和键，可与卤素等发生反应

脂肪酸盐的乳化作用

脂肪酸盐有亲水部分和疏水部分，可以使脂类形成小滴，分散到水中，可以作为去污剂使用，也可以用于生化实验，分离膜蛋白--会使蛋白质变性失活

乳化作用：由于表面活性剂的作用，使本来不能互相溶解的两种液体能够混到一起的现象称为乳化现象

必须多不饱和脂肪酸

植物和细菌可以利用乙酰CoA合成所需的全部脂肪酸。哺乳动物可以合成饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸，所以需要从食物中获取不能合成的多不饱和脂肪酸（如亚油酸和亚麻酸），称为必需脂肪酸（essential fatty acids）

亚油酸是ω-6家族PUFA（Polyunsaturated fatty acid，多不饱和脂肪酸）的原初成员，也是二十碳烷化合物的前体，α-亚麻酸是ω-3家族PUFA的原初成员

ω-6家族PUFA可降低血清胆固醇，ω-3家族PUFA可显著降低血清甘油三酯，防治神经、视觉和心脏疾病

人类可能缺乏ω-3家族PUFA、EPA（20碳五烯酸）和DHA（22碳六烯酸）因此这些脂肪酸具有保健价值（由于不饱和键易被氧化，所以这些PUFA在被氧化的同时保护了人体其它组织免于被氧化）

类二十碳烷

类二十碳烷或二十烷酸（eicosanoid）是由20碳PUFA（如花生四烯酸）衍生而成的 包括：前列腺素（prostaglandin） 凝血噁烷（thromboxane） 白三烯（leucotriene）等

• • • • • 1982年这三位科学家由于发现前列腺素而或诺贝尔奖

前列腺素：最初是从前列腺的分泌液中提取而得到，实际上后来发现在人体的所有组织器官中都有它的存在，种类较多，不同的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，如升高体温，促进炎症，控制跨膜转运，调整突触传递，诱导睡眠，扩张血管等

凝血噁烷：最初从血小板中分离获得，能引起动脉收缩，诱发血小板聚集，促进血栓形成

白三烯：最早从白细胞中分离获得，能促进趋化性，炎症和变态反应

阿司匹林消炎、镇痛、退热的原因是抑制前列腺素的合成，也抑制凝血噁烷合成，因而有抗凝血作用—化学名为水杨酸，是植物中一种天然的植物激素，与植物的抗逆性有关（植物体内具有有效的免疫系统能对抗大多数微生物的攻击，而水杨酸作为一种被广泛认识的植物激素能够在植物体受到病原菌攻击时诱导免疫反应的产生）

三酰甘油和蜡

定义

油脂的化学本质是酰基甘油（acylglycerol），其中主要是三酰甘油（triacylglycerol,TG）或称甘油三酯（triglyceride），此外还有少量的二酰甘油（DG）、单酰甘油（MG）（这两者之所以会存在是因为它们是代谢中间产物）

油脂：油（植物）+脂（动物），脂肪酸的饱和性（链的长度和不饱和键的多少）决定了它们的状态——酰基甘油统称为油脂或中性脂（neutral fat）或真脂（true fat）

三酰甘油的结构

甘油取代物的构型—SN命名法

酰甘油化学性质

三酰甘油能在酸、碱或酶作用下水解成脂肪酸和甘油

碱水解称作皂化，皂化1g油脂所需的KOH所需的KOH mg数称作皂化值

油脂中的双键氢化可制造人造黄油

油脂中的双键还可与碘反应，100g油脂所能吸收的碘的克数称作碘值

油脂中的羟基可被乙酰化，中和1g油脂中乙酰基释放的所需的KOH mg数称作乙酰值

油脂自动氧化生成挥发性醛、酮、酸称作酸败（甘油被氧化成异臭的环氧丙醛），中和1g游离脂肪酸所需的KOH mg数称作酸值

• • • • • 在油脂中加入抗氧化剂（如生育酚、β-胡萝卜素），可以防止油脂酸败

蜡（wax）

是长链脂肪酸与长链脂肪醇形成的酯，具有储能、防水、润滑和保护作用 蜂蜡、藻类的储能物质、鸭子的尾脂腺

脂质过氧化作用

自由基、活性氧和自由基链反应

• • • • • 自由基（free radical）

• • • • • • 定义：含有奇数价电子并因此在一个轨道上有一个未成对的原子或原子团

• • • • • • 特征：有顺磁性；反应性强；寿命短

• • • • • • 产生：辐射诱导；热诱导；单电子氧化还原

• • • • • 活性氧（reactive oxygen） 含氧的高反应活性分子

• • • • • • 普通氧：存在顺磁性，一种双自由基，基态氧反应较低

• • • • • • 超氧阴离子（superoxide anion radical）：有一个未成对电子，有顺磁性，可由酶促反应和非酶促反应如电离辐射生成，既是氧化剂，又是还原剂。可发生歧化反应，引起脂质过氧化，寿命较长，可促进其它氧自由基的生成

• • • • • • • 超氧化物歧化酶又称超氧歧化酶。是一类能催化超氧阴离子自由基(O2-)歧化为H2O2和O2的酶。此酶分布极为广泛，迄今已从细菌、真菌、藻类、植物、原生动物、昆虫、鱼类和哺乳动物等各种生物体内分离到。

• • • • • • 羟基自由基：已知最强的氧化剂，几乎能与所有的细胞成分进行抽氢、加电子转移等反应，反应速度极高。羟自由基寿命短，可由辐射和氧自由基转化而成，过渡金属对羟自由基生成有促进作用

• • • • • • 过氧化氢：过氧键不稳定，见光均裂成羟自由基。可由超氧阴离子自由基歧化生成，也可由酶促反应直接生成。过氧化氢通过生成羟自由基对细胞造成伤害

• • • • • • 单线态氧：普通氧的激发态，无顺磁性，虽不是自由基，但反应活性高，可在自由基反应中生成

• • • • • 自由基链反应

• • • • • • 引发（initiation）：反应链足够强的起始自由基抽去脂质分子的氢原子，或高能辐射使脂质分子均裂，可生成起始脂质自由基

• • • • • • 增长（propagation）：起始脂质自由基通过加成、抽氢、断裂等一种或几种生成更多的脂质自由基，这种反应反复进行，即称为链式反应

• • • • • • 终止（termination）：两个自由基之间可发生偶联或歧化反应，消除自由基，使链式反应终止

• • • • • 生物膜脂质中的多不饱和脂肪酸两个双键之间的亚甲基的氢比较活泼，容易在自由基或辐射作用下被抽去，形成脂质自由基，有氧情况下还可生成脂质过氧自由基，进而引发链式反应，脂质过氧自由基可转化为丙二醛（Malondialdehyde,MDA）等醛类，MDA可用于测定脂质过氧化即细胞膜损伤的程度

脂质过氧化作用对机体的损伤

• • • • • 脂质过氧化的中间产物脂质自由基、脂质过氧自由基作为引发剂通过抽氢使蛋白质分子变成自由基，引起链式反应，导致蛋白质聚合

• • • • • 丙二醛导致蛋白质交联——做切片时加戊二醛使细胞形态结构固定一个原理

• • • • • 脂质过氧化导致生物膜功能异常

• • • • • 脂质过氧化导致动脉粥样硬化

• • • • • • 脂质 代谢障碍 为动脉粥样硬化的病变基础，其特点是受累动脉病变从内膜开始，一般先有脂质和 复合糖类 积聚、出血及 血栓形成 ，进而纤维组织增生及钙质沉着，并有动脉中层的逐渐蜕变和钙化，导致动脉壁增厚变硬、血管腔狭窄

• • • • • 脂质过氧化导致衰老，使脂褐素含量增加

• • • • • 脂质过氧化导致DNA损伤

• • • • • 但一定量的自由基对某些疾病有一定预防作用——与疾病的免疫一个道理（温室中的花朵禁不起摧残）

抗氧化剂的保护作用

• • • • • 基本概念

• • • • • • 具有还原性，能抑制自由基链式反应的物质称抗氧化剂

• • • • • • 能将自由基还原为非自由基的抗氧化剂称自由基清除剂——机体中存在一些基因能够编码类似的酶

• • • • • • 可消除链式反应引发剂的称预防型抗氧化剂。可消除链式反应产生的自由基，中断或延缓链式反应的称阻断型抗氧化剂

• • • • • • 有一些抗氧化剂为酶类，另一些为小分子，有一些是天然的，另一些是人工合成的

• • • • • 常见的抗氧化剂

• • • • • • 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）：存在广泛，可清除超氧阴离子——大宝SOD中的酶是经过特殊修饰，抗逆性非常高，所以才能够在常温下保持活性

• • • • • • 过氧化氢酶（catalase）：存在于过氧化氢酶体，可将过氧化氢转化为水和氧

• • • • • • 谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GSH-PX）：存在广泛，可还原脂质氢过氧化物或将过氧化氢转化为水，同时将谷胱甘肽转化为氧化型——其中含有一种非常重要的素-Se（硒），其抗癌、抗衰老的作用来源于具有清除自由基功能的硒代半胱氨酸，一种存在酶活性中心部位的氨基酸

• • • • • • 维生素E（生育酚）：可消除生物膜中活性氧自由基，是生物体内最重要的自由基清除剂

• • • • • • 某些中药活性成分：如酚类（还原性强）、黄酮类（大豆）和某些苷类化合物

• • • • • • 人工合成的抗氧化剂：主要有丁基羟基茴香醚（Butyl Hydroxy Anisol, BHA）、二丁基羟基甲苯（Dibutyl Hydroxy Toleuene, BHT）和没食子酸丙酯（Propyl Gallate, PG 主要存在与柿子、大豆、萝卜中），主要用于防止油脂的腐败。食品生产中在规定的剂量范围内使用是安全的

磷脂

磷脂（phosphlipid）包括：甘油磷脂（phosphoglyceride）鞘磷脂（sphingolipid）

它们主要参与细胞膜系统的组成

膜脂：磷脂、糖酯、胆固醇（对于细胞膜在相对较低/较高的状态保持液晶状态有非常重要的作用）

磷脂酸：磷脂酰甘油的母体的结构，是磷脂代谢的重要中间产物

几种常见的甘油磷脂

磷脂酰胆碱

• • • • • 在细胞膜中含量高，胆碱属季铵盐，所以碱性极强，是甲基供体（氨基酸代谢中 S-腺苷蛋氨酸是另一个供体，这两者对保护肝脏有非常重要的作用），可防止脂肪肝，乙酰胆碱是神经递质。磷脂酰胆碱在蛋黄和大豆中含量丰富

• • • • • 胆碱能神经中的磷脂酰胆碱是供乙酰胆碱合成的可动用胆碱的巨大前体储备。特别是对于乙酰胆碱释放负担比较重而使胆碱原料需求不断增加的神经细胞，这种储备是很重要的。如某些特定神经频繁释放神经冲动，或者胞质中胆碱供应不足时，培养的人类神经细胞可以利用磷脂酰胆碱作为乙酰胆碱合成中胆碱原料的来源

磷脂酰乙醇胺

• • • • • 在细胞膜中含量高

磷脂酰丝氨酸

• • • • • 即血小板第三因子，在血小板膜中含量高，血小板被激活时，磷脂酰丝氨酸转向膜外侧，参与凝血酶原活化

• • • • • 凝血酶原的活化是涉及到十几个蛋白质因子的一个级联激活过程，最终的作用就是激活凝血酶原成凝血酶

• • • • • 在体内血压高时，一旦体内血管出现内伤，激活此过程，容易造成动脉粥样硬化，严重的会造成脑溢血

磷脂酰肌醇

• • • • • 哺乳动物细胞膜中含有磷脂酰肌醇-4-单磷酸，5-双磷酸，后者可转化为细胞内信使肌醇-1，4，5-三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate receptors, IP3Rs）和1，2-二酰甘油

• • • • • 磷脂酰肌醇是信号转导过程中细胞膜产生的，非常重要的第二信使的合成原料，在信号传递过程中起着非常重要的作用

磷脂酰甘油

• • • • • 在细菌细胞膜中含量高，是心磷脂的头基部分

磷脂酰胆碱（PC，卵磷脂）和磷脂酰乙醇胺（PE，脑磷脂）的结构

甘油磷脂的一般性质

属于两亲分子，在水中能形成双分子微囊，可构成生物膜

用碱或酶可水解成脂肪酸、甘油和含氮碱，酶水解的一些中间物如溶血甘油磷脂是强表面活性剂，可使细胞膜溶解

磷脂酶作为工具酶与薄层层析一起用于磷脂的结构分析

醚甘油磷脂

其甘油骨架sn-1位碳连接的是烃基而不是酰基

鞘磷脂

即鞘氨醇磷脂，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

• • • • • 与甘油磷脂的基本组成成分—丙三醇作比较，鞘磷脂的基本组成成分结构为鞘氨醇，1、3位碳各有一个羟基，2位碳一个氨基，3位碳连接着一个不饱和烃，一般都含有一个不饱和键。目前已发现60多种鞘氨醇，模式图中为了与甘油磷脂比较做了一定弯曲，实际上鞘氨醇是直链状结构

• • • • • 鞘氨醇中的氨基被一个脂肪酸酰胺化就变成了神经酰胺，其在神经细胞的细胞膜中含量特别丰富

鞘磷脂的结构

鞘糖脂

即半缩醛羟基以糖苷键与脂质连接的化合物

鞘糖脂（glycosphingolipid）：神经酰胺的1-位羟基被糖基化形成的化合物

• • • • • 中性鞘糖脂：最先从脑中获得，又称脑苷脂。糖基为半乳糖、葡萄糖等，其糖基在细胞表面，参与细胞识别（跟 糖 一节中糖蛋白的链一样）

• • • • • 酸性鞘糖脂：糖基被硫酸化的称硫酸鞘糖脂或硫苷脂，在脑中含量丰富。糖基含唾液酸的称唾液酸鞘糖脂，又称神经节苷脂，在神经系统特别是神经末梢中含量丰富，可能与神经冲动传递有关

• • • • • • 这种糖酯与一种遗传性疾病Tay-Sachs病有关。电镜下脑细胞表现为异常的神经节苷脂沉积

• • • • • • 病状：发育阻滞、麻痹、失明、早亡

• • • • • • 原因：溶酶体中缺乏β-N-乙酰己糖胺酶A，引起GM2在脑细胞中的异常积累

甘油糖脂（glycerogkycolipid）

由二酰甘油sn-3位的羟基被糖基化形成的化合物，主要存在于植物和微生物，在动物的睾丸、精子和神经系统中含量丰富

萜和类固醇

在生物体内以乙酸为前体合成的，不含脂肪酸，属不可皂化脂，很多具有重要生理活性

萜

由两个以上异戊二烯单位构成，可头尾相连，亦可尾尾相连

两个异戊二烯单位构成的称单帖，大多是植物精油的成分

三个异戊二烯单位构成倍半萜，存在于某些中草药

双萜是叶绿素分子的成分；三萜是固醇类的前体；四萜可形成多种色素；多萜可形成天然橡胶

胆固醇

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，但也有平伏状的

• • • • • 其本身也是一种两亲化合物，但其极性头只有一个羟基，所以其极性部分非常弱

胆固醇在肝脏中可转化为胆汁酸，能使油脂乳化，以促进吸收。 胆汁酸是一个两亲性的分子，在消化过程中可包裹油脂促进吸收

胆固醇可转化为雄激素、雌激素、糖皮质激素、盐皮质激素和维生素D

植物固醇存在于谷物中，能抑制胆固醇吸收

微生物固醇如麦角固醇可转化为维生素D2

脂蛋白（lipoprotein）

脂蛋白：是由脂与蛋白质结合在一起形成的脂质-蛋白质复合物，通过脂质的非极性部分与蛋白质组分之间以疏水键相互作用而结合在一起。蛋白质部分称脱辅基脂蛋白或载脂蛋白（apolipoprotein，apo）或血浆脂蛋白（plasma lipoprotein）——对于血液中运输脂类具有非常重要的作用

在血液中不同的脂类常常和脂蛋白形成复合物（载脂蛋白、胆固醇、磷脂、三酰甘油、胆固醇酯），这些分子的极性部位暴露在复合物球体的表面，非极性部位在体内，这是脂蛋白在血液中运输油脂的结构基础

分类

蛋白质密度比水大，脂质的密度由小于水，所以可根据密度梯度离心分离出不同种类的脂蛋白

血浆脂蛋白的功能

乳糜微粒由小肠上皮细胞合成，主要功能是从小肠转运三酰甘油、胆固醇及其它脂质到血浆和其它组织

脂质的提取、分离与分析

脂质的有机溶剂提取

非极性脂质（三酰甘油、蜡和色素等）：乙醚、氯仿和苯等有机溶剂提取

膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）：乙醇或甲醇等极性的有机溶剂

组织碾碎后+氯仿：甲醇：水（1：2：0.8比值组成的匀浆），蛋白质、核酸一类的物质溶于水中，一些不溶性物质沉淀，再加入过量水，离心后脂质的混合物存在于下相氯仿层

然后在进行层析分离，分离出不同脂质

脂质的色谱分离

可用硅胶柱层析将脂质分为非极性（氯仿）、极性（丙酮）、荷电（甲醇）等多个组分，也可以用高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography \ HPLC）或薄层层析（thin layer chromatography \ TLC）分离（罗丹明或碘蒸汽显色）

分离出来的脂质如甘油三酯这样的成分会有脂肪酸的成分，可用酶将其分离出来，不同脂中的脂肪酸存在差异，有时为了专门分析此类脂肪酸组成，会采用气液色谱的方法进行分析

混合脂肪酸的气液色谱分析

混合脂肪酸一般链长都大于6碳，所以其沸点大多大于200℃，为了降低其沸点，可将其与甲醇进行一个酯化反应，将其转化为甲酯混合物，再用气液色谱分析其成分

脂质结构的测定

脂质结构可用专一性水解酶和色谱法研究

今天的文章 3生物化学与分子生物学——脂类分享到此就结束了，感谢您的阅读。