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《生物化学 Biochemistry》课程教学资源(课本材料)第12章 脂质与细胞膜

12.1 脂肪酸是脂质的关键组分 12.2 常见的膜脂分子有三类 12.3 磷脂和糖脂在水相介质易形成双分子层 12.4 生物膜的大多数功能由膜蛋白执行 12.5 脂质和很多膜蛋白在膜平面上能迅速扩散 12.6 真核细胞的胞内膜形成包裹的区室
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第12章脂质与细胞膜 肥皂泡表面是一种去污剂分子分子形成的脂质双层膜。脂质分子的极性头部(红色)压在一 起,疏水基团(绿色)与肥皂泡内外的空气接触。细胞的脂质双层结构确定细胞的边界。 细胞的边界由生物膜构成。生物膜确定了细胞内外的障碍(图12.1)。这种障碍阻止细 胞内分子的外泄和细胞外不需要的物质扩散进入。细胞膜上还有特异的运输系统摄取胞外特 定分子,移出胞内不需要分子。这种运输系统使细胞膜具有选择通透性。 图12.1红细胞的细胞质膜。红细胞质膜制备物的电镜图谱显示膜截面的边缘。 膜蛋白漂浮于脂质双层海洋中,因此细胞膜是一种动态结构。细胞膜的脂质组分构成通 透性障碍,而蛋白组分构成物质运输泵或通道,使细胞膜允许特定分子进入或输出。下一章 将详细介绍膜蛋白。 除了细胞外膜(通常称为细胞质膜)外,真核细胞胞内有膜形成细胞器如线粒体、叶绿 体、过氧化物酶体、和溶酶体的边界。在进化过程中各个细胞器功能特异华进化与细胞分室 形成密切相关。进化产生的特定系统能够将特定蛋白质定位于特定的胞内膜或细胞器。胞内 膜和胞外膜有一些共同的必须特征。本章介绍这些共同的必需特征

第 12 章 脂质与细胞膜 肥皂泡表面是一种去污剂分子分子形成的脂质双层膜。脂质分子的极性头部(红色)压在一 起,疏水基团(绿色)与肥皂泡内外的空气接触。细胞的脂质双层结构确定细胞的边界。 细胞的边界由生物膜构成。生物膜确定了细胞内外的障碍(图 12.1)。这种障碍阻止细 胞内分子的外泄和细胞外不需要的物质扩散进入。细胞膜上还有特异的运输系统摄取胞外特 定分子,移出胞内不需要分子。这种运输系统使细胞膜具有选择通透性。 图 12.1 红细胞的细胞质膜。红细胞质膜制备物的电镜图谱显示膜截面的边缘。 膜蛋白漂浮于脂质双层海洋中,因此细胞膜是一种动态结构。细胞膜的脂质组分构成通 透性障碍,而蛋白组分构成物质运输泵或通道,使细胞膜允许特定分子进入或输出。下一章 将详细介绍膜蛋白。 除了细胞外膜(通常称为细胞质膜)外,真核细胞胞内有膜形成细胞器如线粒体、叶绿 体、过氧化物酶体、和溶酶体的边界。在进化过程中各个细胞器功能特异华进化与细胞分室 形成密切相关。进化产生的特定系统能够将特定蛋白质定位于特定的胞内膜或细胞器。胞内 膜和胞外膜有一些共同的必须特征。本章介绍这些共同的必需特征

生物膜还有几种功能是生命必不可少的,如能量储存和信息转导。这些过程就是与生物 膜结合的蛋白质执行的。本章我们将介绍膜蛋白的普遍特性一一这些蛋白质如何存在于生物 膜的疏水环境?在这种疏水环境中如何执行自身功能?后续章节还要涉及这方面的内容。 结构和功能不同的细胞膜有一些共同的特征 虽然膜的结构和功能差异很大,但是它们有很多共同的特征: 1.膜是层类结构,只有两个分子厚度,形成内容物和外在环境之间封闭的边界。大多数生 物膜的厚度是60-100A(即6-10nm)。 2.膜的组分主要是脂质和蛋白质。脂质和蛋白质之间的质量比是1:4至4:1。膜含有碳 水化合物。这些糖分子与脂质或蛋白质连接。 3.膜的脂质分子小,有亲水和疏水两个部分。在水溶液环境中,这些脂质分子能够自动形 成封闭的水分子层,即脂质双层。这种双分子层是极性分子跨膜移动的障碍。 4.特殊蛋白质介导生物膜的不同功能。膜蛋白质可以充当泵、通道、受体、能量转导器、 和酶。脂质双层为处于脂质双层的酶蛋白分子发挥酶促作用提供了适宜的环境。 5.膜分子组装依靠非共价相互作用。膜蛋白和脂质分子之间有很多非共价作用。这些非共 价相互作用协同,将蛋白质和脂质分子结合在一起。 6.膜不对称。生物膜的两面总是不相同的。 7.生物膜是流动性结构。脂质分子沿脂质双层平面进行侧向水平移动,速度很快。膜蛋白 也能这样(除非蛋白质受特异的相互作用被锚定)。脂质分子和蛋白质不能跨膜旋转。 因此,生物膜可以看作是脂质和蛋白质之间有序排列的二维结构。 8. 大多数细胞膜两侧电极化,导致胞内呈电负性(通常是-60mV)。膜电位在物质运输、能 量转化、和激活等方面起关键作用(13章) 12.1脂肪酸是脂质分子的关键组分 脂质分子的疏水特性是脂质分子能够形成膜结构不可或缺的。大多数脂质分子的疏水特 性来自其脂肪酸组分的性质。 脂肪酸的命名基于母本碳氢化合物 脂肪酸是带有羧基的碳氢化合物。碳氢化合物的长度和饱和度有差异。脂肪酸的系统命 名法如下,将母本碳氢化合物的名称最后的字母e用oic acid替换即可。例如,C18饱和 脂肪酸称为octadecanoic acid(母本碳氢化合物名称是octadecane).。有一个双镀的CI8 脂肪酸叫octadecenoic acid,有两个双键的C18脂肪酸叫octadecadienoic acid,有三个 双键的C18脂肪酸叫octadecatrienoic acid。脂肪酸用数字命名的方法:18:0表示18碳 原子的脂肪酸,没有不饱和键:18:2表示18碳原子的脂肪酸,有两个双键。脂肪酸的羧基 发生解离,如软脂酸(16:0,pa1 mitic acid)和油酸(18:1)(图12.2)。 Palmitate (ionized form of palmitic acid) Oleate (ionized form of oleic acid) 图12.2两个脂肪酸的结构。软脂酸是含有16个碳原子的饱和脂肪酸。油酸是含有一个顺 式双键的18个碳原子脂肪酸

生物膜还有几种功能是生命必不可少的,如能量储存和信息转导。这些过程就是与生物 膜结合的蛋白质执行的。本章我们将介绍膜蛋白的普遍特性——这些蛋白质如何存在于生物 膜的疏水环境?在这种疏水环境中如何执行自身功能?后续章节还要涉及这方面的内容。 结构和功能不同的细胞膜有一些共同的特征 虽然膜的结构和功能差异很大,但是它们有很多共同的特征: 1. 膜是层类结构,只有两个分子厚度,形成内容物和外在环境之间封闭的边界。大多数生 物膜的厚度是 60 -100 A(即 6 -10 nm)。 2. 膜的组分主要是脂质和蛋白质。脂质和蛋白质之间的质量比是 1:4 至 4:1。膜含有碳 水化合物。这些糖分子与脂质或蛋白质连接。 3. 膜的脂质分子小,有亲水和疏水两个部分。在水溶液环境中,这些脂质分子能够自动形 成封闭的水分子层,即脂质双层。这种双分子层是极性分子跨膜移动的障碍。 4. 特殊蛋白质介导生物膜的不同功能。膜蛋白质可以充当泵、通道、受体、能量转导器、 和酶。脂质双层为处于脂质双层的酶蛋白分子发挥酶促作用提供了适宜的环境。 5. 膜分子组装依靠非共价相互作用。膜蛋白和脂质分子之间有很多非共价作用。这些非共 价相互作用协同,将蛋白质和脂质分子结合在一起。 6. 膜不对称。生物膜的两面总是不相同的。 7. 生物膜是流动性结构。脂质分子沿脂质双层平面进行侧向水平移动,速度很快。膜蛋白 也能这样(除非蛋白质受特异的相互作用被锚定)。脂质分子和蛋白质不能跨膜旋转。 因此,生物膜可以看作是脂质和蛋白质之间有序排列的二维结构。 8. 大多数细胞膜两侧电极化,导致胞内呈电负性(通常是-60mV)。膜电位在物质运输、能 量转化、和激活等方面起关键作用(13 章) 12.1 脂肪酸是脂质分子的关键组分 脂质分子的疏水特性是脂质分子能够形成膜结构不可或缺的。大多数脂质分子的疏水特 性来自其脂肪酸组分的性质。 脂肪酸的命名基于母本碳氢化合物 脂肪酸是带有羧基的碳氢化合物。碳氢化合物的长度和饱和度有差异。脂肪酸的系统命 名法如下,将母本碳氢化合物的名称最后的字母 e 用 oic acid 替换即可。例如,C18 饱和 脂肪酸称为 octadecanoic acid(母本碳氢化合物名称是 octadecane)。有一个双键的 C18 脂肪酸叫 octadecenoic acid,有两个双键的 C18 脂肪酸叫 octadecadienoic acid,有三个 双键的 C18 脂肪酸叫 octadecatrienoic acid。脂肪酸用数字命名的方法:18:0 表示 18 碳 原子的脂肪酸,没有不饱和键;18:2 表示 18 碳原子的脂肪酸,有两个双键。脂肪酸的羧基 发生解离,如软脂酸(16:0,palmitic acid)和油酸(18:1)(图 12.2)。 图 12.2 两个脂肪酸的结构。软脂酸是含有 16 个碳原子的饱和脂肪酸。油酸是含有一个顺 式双键的 18 个碳原子脂肪酸

脂肪酸碳原子的编号从羧基碳原子开始。第2号和第3号碳原子常被分别称为和β碳 原子。脂肪链最远的碳原子称为⊙碳原子(倒数第二位的碳原子称为⊙-2碳原子)。双键用△ 表示。双镀的位置标在△的右上角。而双键的构型在△前面用cis-或trans-表示。例如, cis-△’表示第9号碳原子和第10号碳原子之间有一个顺式双键:trans--△2表示在第2号 碳原子和第3号碳原子之间有一个反式双键。此外,也可以用倒数的形式(即▣-)表示双键。 例如o-3脂肪酸。在生理pH条件下,脂肪酸都是解离的,因此通常称为脂酸根,如palmitate 或hexadecanoate 脂肪酸之间的差异表现在长度和饱和度 生物体内的脂肪酸通常是偶数碳原子,典型的脂肪酸碳链长度在14至24碳原子之间(表 12.1)。最常见的脂肪酸碳原子长度是16碳原子和18碳原子脂肪酸。偶数碳原子脂肪酸占 优势与脂肪酸生物合成方式一致(参阅26章)。动物脂肪酸链几乎总是直链,没有分支。脂 肪链可能是饱和的,也可能含有双键。大多数不饱和脂肪酸的双键都是顺式(cⅰs)。脂肪链 含有多个双键的脂肪酸的双键之间至少间隔一个甲基。 TABLE 12.I Some naturally occurring fatty acids in animals Number of Number of Common carbons double bonds name Systematic name Formula 12 0 Laurate n-Dodecanoate CH3(CH,)COO 14 0 Myristate n-Tetradecanoate CH3(CH2)12COO- 0 Palmitate n-Hexadecanoate CH(CH,),COO 18 Stearate n-Octadecanoate CH.(CH,).COO 0 0 Arachidate n-Eicosanoate CH3(CH2)1sCOO 22 0 Behenate n-Docosanoate CH,(CH,)COO 0 Lignocerate n-Tetracosanoate CH;(CH,),COO 16 Palmitoleate c-△9-Hexadecenoate CH (CH,).CH-CH(CH,).COO Oleate cis-A-Octadecenoate CH,(CH,)CH-CH(CH,).COO 18 2 Linoleate cs,cis-A,△12. CH3 (CH)(CH-CHCH)(CH).COO Octadecadienoate 18 9 Linolenate all-ci-△9,A12,△15. CH CH,(CH-CHCH,)(CH,).COO Octadecatrienoate 20 4 Arachidonate all-cis△5,△8,△11,-A14 CH(CH,)(CH-CHCH)(CH.).COO Eicosatetraenoate Sixth Edition 2007W.H.Freeman and Company 脂质分子的脂肪酸性质主要取决于脂肪链长度和饱和度。不饱和脂肪酸的熔点比同等长 度的饱和脂肪酸低。例如,硬脂酸的熔点是69.6℃,而油酸(顺-9-十八碳单烯酸,oleic acid) 的熔点是13.4℃。含有多个双键的十八碳脂肪酸熔点更低。脂肪链的长度也影响脂肪链的 熔点。十六碳原子的饱和脂肪酸比十八碳原子的饱和脂肪酸低6.5度。因此脂肪链长度短、 不饱和度高能促进脂肪酸及其衍生物的流动性。 12.2有三类膜脂质 根据定义,脂质是水不溶、而在有机溶剂如氯仿中溶解的生物物质。脂质分子有不同的 生物功能:可以充当燃料、储存能量、信号传导途径的信号分子、和膜组分。后面章节将介 绍脂质分子前面的几个功能。此处我们集中讨论作为膜组分的脂质分子。膜脂质分子主要有 三类:磷脂、糖脂、和胆固醇。首先介绍真核生物和细菌的磷脂。虽然古生菌脂质的性质与 其它生物的膜脂质有很多共性,但是古生菌的脂质分子很独特

脂肪酸碳原子的编号从羧基碳原子开始。第 2 号和第 3 号碳原子常被分别称为和碳 原子。脂肪链最远的碳原子称为碳原子(倒数第二位的碳原子称为碳原子)。双键用△ 表示。双键的位置标在△的右上角。而双键的构型在△前面用 cis-或 trans-表示。例如, cis-△ 9表示第 9 号碳原子和第 10 号碳原子之间有一个顺式双键;trans-△ 2表示在第 2 号 碳原子和第 3 号碳原子之间有一个反式双键。此外,也可以用倒数的形式(即表示双键。 例如脂肪酸。在生理 pH 条件下,脂肪酸都是解离的,因此通常称为脂酸根,如 palmitate 或 hexadecanoate。 脂肪酸之间的差异表现在长度和饱和度 生物体内的脂肪酸通常是偶数碳原子,典型的脂肪酸碳链长度在14至24碳原子之间(表 12.1)。最常见的脂肪酸碳原子长度是 16 碳原子和 18 碳原子脂肪酸。偶数碳原子脂肪酸占 优势与脂肪酸生物合成方式一致(参阅 26 章)。动物脂肪酸链几乎总是直链,没有分支。脂 肪链可能是饱和的,也可能含有双键。大多数不饱和脂肪酸的双键都是顺式(cis)。脂肪链 含有多个双键的脂肪酸的双键之间至少间隔一个甲基。 脂质分子的脂肪酸性质主要取决于脂肪链长度和饱和度。不饱和脂肪酸的熔点比同等长 度的饱和脂肪酸低。例如,硬脂酸的熔点是 69.6℃,而油酸(顺-9-十八碳单烯酸,oleic acid) 的熔点是 13.4℃。含有多个双键的十八碳脂肪酸熔点更低。脂肪链的长度也影响脂肪链的 熔点。十六碳原子的饱和脂肪酸比十八碳原子的饱和脂肪酸低 6.5 度。因此脂肪链长度短、 不饱和度高能促进脂肪酸及其衍生物的流动性。 12.2 有三类膜脂质 根据定义,脂质是水不溶、而在有机溶剂如氯仿中溶解的生物物质。脂质分子有不同的 生物功能:可以充当燃料、储存能量、信号传导途径的信号分子、和膜组分。后面章节将介 绍脂质分子前面的几个功能。此处我们集中讨论作为膜组分的脂质分子。膜脂质分子主要有 三类:磷脂、糖脂、和胆固醇。首先介绍真核生物和细菌的磷脂。虽然古生菌脂质的性质与 其它生物的膜脂质有很多共性,但是古生菌的脂质分子很独特

膜脂质的主要组分是磷脂 所有生物膜中,磷脂最丰富。一个磷脂分子有四种组分:一个或多个脂肪酸,结合脂肪 酸的平台分子(如甘油),一个磷酸,和与磷酸结合的羟基分子(图12.3)。脂肪酸组分使 膜提供了一种疏水障碍,而分子的其他组分是亲水的,能够与水环境相互作用。 Fatty G acid y Fatty acid e 0 Phosphate Alcohol 图12.3磷脂分子的结构示意图。 构建脂质的平台分子可以是甘油,也可以是鞘氨醇(sphingosine)。甘油是三碳醇,鞘 氨醇结构更为复杂。用甘油作为平台分子构建的磷脂称为磷脂酰甘油脂。磷脂酰甘油脂含甘 油骨架,与甘油骨架连接的两个脂肪酸链和一个磷酰基醇。 磷脂酰甘油脂的C1和C-2羟基与两个脂肪酸的羧基结合形成脂,甘油的C3羟基与磷 酸形成酯。如果不加入其他组分,这种产物就是二酰基甘油3-磷酸(磷脂酸, phosphatidate)。二酰基甘油磷酸是最简单的磷酰甘油脂,在细胞膜中含量很低。但是二脂 酰磷酸是合成其他磷脂的关键中间产物(26.1节)。图12.4显示膜脂质分子甘油3-磷酸的 绝对构型。 Acyl groups with fatty acid hydrocarbon chains H2 Phosphatidate (Diacylglycerol 3-phosphate) m 图12.4二脂酰甘油磷酸的结构。图中显示C-2的绝对构型。 大多数磷脂是二脂酰甘油的磷酸进一步与醇羟基结合形成的磷脂。磷脂酰甘油酯中最常 见的醇羟基分子是丝氨酸、乙醇胺、胆碱、甘油、和肌醇。图12.5列出了磷脂酰胆碱和其 他几种主要的磷脂分子,即磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇和二磷脂酰甘油酯的 分子结构。 H H2 以2 HO CH3 HO HO NH3+ NH3+ CH3 H2 H2 CH3 Serine Ethanolamine Choline HO OH OH HO、 OH HO H2 H2 H Glycerol Inositol 30

膜脂质的主要组分是磷脂 所有生物膜中,磷脂最丰富。一个磷脂分子有四种组分:一个或多个脂肪酸,结合脂肪 酸的平台分子(如甘油),一个磷酸,和与磷酸结合的羟基分子(图 12.3)。脂肪酸组分使 膜提供了一种疏水障碍,而分子的其他组分是亲水的,能够与水环境相互作用。 图 12.3 磷脂分子的结构示意图。 构建脂质的平台分子可以是甘油,也可以是鞘氨醇(sphingosine)。甘油是三碳醇,鞘 氨醇结构更为复杂。用甘油作为平台分子构建的磷脂称为磷脂酰甘油脂。磷脂酰甘油脂含甘 油骨架,与甘油骨架连接的两个脂肪酸链和一个磷酰基醇。 磷脂酰甘油脂的 C-1 和 C-2 羟基与两个脂肪酸的羧基结合形成脂,甘油的 C-3 羟基与磷 酸 形成 酯。 如果 不 加入 其他 组分 ,这 种 产物 就是 二酰 基 甘油 3-磷 酸( 磷脂 酸, phosphatidate)。二酰基甘油磷酸是最简单的磷酰甘油脂,在细胞膜中含量很低。但是二脂 酰磷酸是合成其他磷脂的关键中间产物(26.1 节)。图 12.4 显示膜脂质分子甘油 3-磷酸的 绝对构型。 图 12.4 二脂酰甘油磷酸的结构。图中显示 C-2 的绝对构型。 大多数磷脂是二脂酰甘油的磷酸进一步与醇羟基结合形成的磷脂。磷脂酰甘油酯中最常 见的醇羟基分子是丝氨酸、乙醇胺、胆碱、甘油、和肌醇。图 12.5 列出了磷脂酰胆碱和其 他几种主要的磷脂分子,即磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇和二磷脂酰甘油酯的 分子结构

H NH CH C00 Phosphatidylserine Phosphatidylcholine H H OH -OH Phosphatidylethanolamine Phosphatidylinositol OH Diphosphatidylglycerol(cardiolipin) Figure 12-5 Biochemistry,Sixth Edition 2007 W.H.Freeman and Company 图12.5生物膜中一些常见的磷酰甘油酯。 鞘磷脂(sphingomye l in)是不用甘油作为骨架的膜脂质分子。鞘磷脂的骨架是鞘氨醇, 使含有双键的长脂肪链(图12.6)。鞘氨醇骨架的氨基与脂肪酸连接形成酰胺键,其羟基与 胆碱磷酸结合。 H OH HO Sphingosine H3CHzC92、 Sphingomyelin 二 图12.6鞘氨醇和鞘磷脂的结构。鞘磷脂的鞘氨醇结构用蓝线标出

图 12.5 生物膜中一些常见的磷酰甘油酯。 鞘磷脂(sphingomyelin)是不用甘油作为骨架的膜脂质分子。鞘磷脂的骨架是鞘氨醇, 使含有双键的长脂肪链(图 12.6)。鞘氨醇骨架的氨基与脂肪酸连接形成酰胺键,其羟基与 胆碱磷酸结合。 图 12.6 鞘氨醇和鞘磷脂的结构。鞘磷脂的鞘氨醇结构用蓝线标出

有的膜脂质有糖基组分 糖脂,其名字就提示是含有糖的脂分子。与鞘磷脂一样,动物细胞膜的糖磷脂是鞘氨醇 的衍生物。鞘氨醇骨架的氨基与脂肪酸结合(与鞘磷脂相同),但是醇羟基结合组分是一个 或多个糖分子。最简单的糖脂是脑苷脂(cerebros ide),只含有一个单糖(蔺萄糖或半乳糖)。 更复杂的糖脂,如神经节苷脂(ganglioside),含有多达7个糖基构成的支链糖。糖脂在膜上 排列不对称,糖基组分总是处于细胞膜的胞外。 0 Fatty acid unit Sugar unit R NH H3CH2q12、 glucose or galactose HO Cerebroside (a glycolipid) 胆固醇是含有甾体核的脂质分子 胆固醇是结构与磷脂显著不同的脂质分子。胆固醇属于甾体类化合物,含有4个融合在 一起的碳氢环。这个四环结构的一端是碳氢原子组成的尾巴,另一端是羟基。在生物膜中, 胆固醇与磷脂分子平行排列,羟基与附近的磷脂分子的磷酸基团作用。原核生物没有胆固醇, 但是所有的动物的生物膜都有。有些神经细胞膜,25%的膜脂质是胆固醇。但是胞内膜系统 基本没有胆固醇。 H3C CH3 CH3 CH3 HO Cholesterol 古生菌膜脂质有分支脂肪醚脂质分子 古生菌的细胞膜在组成上与真核细胞和细菌明显不同。其中两个差异与古生菌生活条件 密切相关(图12.7)。(1)非极性脂肪链与甘油的结合是醚键(而不是酯键)。醚键比酯键 更耐水解。(2)脂肪链不是线状,有分支。是完全饱和的五碳原子重复。这种分支的饱和脂 肪链更耐氧化。古生菌脂质抗水解和抗氧化的特性有助于古生菌耐受极端环境(如高温、低 pH、或高盐浓度),古生菌生长在这些恶劣条件下。(3)与图12.4的结构相比,古生菌甘油 不对称碳原子的立体化学也发生颠换

有的膜脂质有糖基组分 糖脂,其名字就提示是含有糖的脂分子。与鞘磷脂一样,动物细胞膜的糖磷脂是鞘氨醇 的衍生物。鞘氨醇骨架的氨基与脂肪酸结合(与鞘磷脂相同),但是醇羟基结合组分是一个 或多个糖分子。最简单的糖脂是脑苷脂(cerebroside),只含有一个单糖(葡萄糖或半乳糖)。 更复杂的糖脂,如神经节苷脂(ganglioside),含有多达 7 个糖基构成的支链糖。糖脂在膜上 排列不对称,糖基组分总是处于细胞膜的胞外。 胆固醇是含有甾体核的脂质分子 胆固醇是结构与磷脂显著不同的脂质分子。胆固醇属于甾体类化合物,含有 4 个融合在 一起的碳氢环。这个四环结构的一端是碳氢原子组成的尾巴,另一端是羟基。在生物膜中, 胆固醇与磷脂分子平行排列,羟基与附近的磷脂分子的磷酸基团作用。原核生物没有胆固醇, 但是所有的动物的生物膜都有。有些神经细胞膜,25%的膜脂质是胆固醇。但是胞内膜系统 基本没有胆固醇。 古生菌膜脂质有分支脂肪醚脂质分子 古生菌的细胞膜在组成上与真核细胞和细菌明显不同。其中两个差异与古生菌生活条件 密切相关(图 12.7)。(1)非极性脂肪链与甘油的结合是醚键(而不是酯键)。醚键比酯键 更耐水解。(2)脂肪链不是线状,有分支。是完全饱和的五碳原子重复。这种分支的饱和脂 肪链更耐氧化。古生菌脂质抗水解和抗氧化的特性有助于古生菌耐受极端环境(如高温、低 pH、或高盐浓度),古生菌生长在这些恶劣条件下。(3)与图 12.4 的结构相比,古生菌甘油 不对称碳原子的立体化学也发生颠换

图12.7一种古生菌及其生活环境。古生菌可以生活在火山口这样的极端环境中。此处的古 生菌形成橘红色垫子,周围是黄色含硫污泥。 0 H.C H Membrane lipid from the archaeon Methanococcus jannaschii 高 膜脂质是含有一个亲水区和一个疏水区的两性分子 膜脂质分子式样很多,但是它们有共同的结构特征。膜脂质是两性分子(amphilic molecule)。生物膜的一个脂质分子既含有亲水区域也含有疏水区域。 现在来看看磷脂酰甘油酯(如磷脂酰胆碱)的结构模型。这种脂质分子的总结构形状大 致是长方形(图12.8A)。两个疏水性脂肪酸链相互间大致平行排列,而亲水性磷酰胆碱区 域指向另一侧。鞘磷脂的构型与此类似,古生菌的脂质分子也是这样。因此,脂质分子可以 简写为,圆圈代表极性的亲水头部,直线或波浪线代表疏水的碳氢尾巴(图12.8B)。 Phosphoglyceride ●●●◆● Sphingomyelin Archaeal lipid Shorthand depiction 图12.8膜脂质示意图。(A)磷脂酰甘油脂、鞘磷脂、和古生菌脂质分子的空间填充模型, 显示这些脂质分子的形状,亲水部分和疏水部分在分子结构上的分布。(B)膜脂质分子的结 构缩写

图 12.7 一种古生菌及其生活环境。古生菌可以生活在火山口这样的极端环境中。此处的古 生菌形成橘红色垫子,周围是黄色含硫污泥。 膜脂质是含有一个亲水区和一个疏水区的两性分子 膜脂质分子式样很多,但是它们有共同的结构特征。膜脂质是两性分子(amphilic molecule)。生物膜的一个脂质分子既含有亲水区域也含有疏水区域。 现在来看看磷脂酰甘油酯(如磷脂酰胆碱)的结构模型。这种脂质分子的总结构形状大 致是长方形(图 12.8A)。两个疏水性脂肪酸链相互间大致平行排列,而亲水性磷酰胆碱区 域指向另一侧。鞘磷脂的构型与此类似,古生菌的脂质分子也是这样。因此,脂质分子可以 简写为,圆圈代表极性的亲水头部,直线或波浪线代表疏水的碳氢尾巴(图 12.8B)。 图 12.8 膜脂质示意图。(A)磷脂酰甘油脂、鞘磷脂、和古生菌脂质分子的空间填充模型, 显示这些脂质分子的形状,亲水部分和疏水部分在分子结构上的分布。(B)膜脂质分子的结 构缩写

12.3磷脂和糖脂在水相能形成双分子片层结构 磷脂的什么性质能形成膜?脂质分子的两性特征导致膜的形成。在水溶液中脂质分子的 极性头部喜好与水接触,而非极性尾部相互接触。有这种倾向性的分子在水溶液中如何排 列?一种结构是形成微团(micel le)。极性头部处于微团表面,周围是水分子,疏水性的烃 类尾巴相互接触、包埋于微团内部(图12.9)。 图12.9微团的截面图谱。解离的脂肪酸易于形成这样的结构,但是大多数磷脂分子不形成 这样的结构。 膜脂质分子完全相反的溶解选择性倾向于形成两层脂质分子构成的脂质双层(图 12.10)。脂质双层也叫双分子层。一层脂质分子的疏水性尾部与另一层脂质分子的疏水性尾 部接触,形成疏水性内部,阻碍分子透过。双分子层各面的极性头部与水相接触。每个脂质 双层的两个对应的分子层称为小叶(leaflet)。 图12.10双层膜的截面示意图。 在水相环境中,大多数磷脂或糖脂所形成的结构是双分子脂质层,而不是微团。原因是 磷脂或糖脂的两个脂肪酸链太大,微团内部空间容纳不下。相反,脂肪酸(如软脂酸钠,肥 皂的组分)易于形成微泡,因为这些分子只有一条脂肪链。磷脂分子形成脂质双层(而不形 成微泡)有重要的生物学意义。微泡大小有限,通常直径不超过20m。相反,直至双层的 片状结构能够扩展球体的直径,直径可达1毫米(10°m)甚至更大。磷脂和相关的生物分子 是生物膜重要组分,因为这些分子易于形成片状的脂质双层结构(图12.11)。 分子自组装能够形成脂质双层。换句话说,含有脂质分子都能形成脂质双层结构。在水 中,磷脂分子自动形成脂质双层的速度快。疏水作用是形成脂质双层的主要驱动力。我们记 得,疏水作用在核酸碱基堆积和蛋白质折叠过程中作用显著。膜脂质分子疏水性尾巴置于脂 质双层内部的非极性环境,释放水分子。而且疏水尾巴的van der Waals相互作用有助于它

12.3 磷脂和糖脂在水相能形成双分子片层结构 磷脂的什么性质能形成膜?脂质分子的两性特征导致膜的形成。在水溶液中脂质分子的 极性头部喜好与水接触,而非极性尾部相互接触。有这种倾向性的分子在水溶液中如何排 列?一种结构是形成微团(micelle)。极性头部处于微团表面,周围是水分子,疏水性的烃 类尾巴相互接触、包埋于微团内部(图 12.9)。 图 12.9 微团的截面图谱。解离的脂肪酸易于形成这样的结构,但是大多数磷脂分子不形成 这样的结构。 膜脂质分子完全相反的溶解选择性倾向于形成两层脂质分子构成的脂质双层(图 12.10)。脂质双层也叫双分子层。一层脂质分子的疏水性尾部与另一层脂质分子的疏水性尾 部接触,形成疏水性内部,阻碍分子透过。双分子层各面的极性头部与水相接触。每个脂质 双层的两个对应的分子层称为小叶(leaflet)。 图 12.10 双层膜的截面示意图。 在水相环境中,大多数磷脂或糖脂所形成的结构是双分子脂质层,而不是微团。原因是 磷脂或糖脂的两个脂肪酸链太大,微团内部空间容纳不下。相反,脂肪酸(如软脂酸钠,肥 皂的组分)易于形成微泡,因为这些分子只有一条脂肪链。磷脂分子形成脂质双层(而不形 成微泡)有重要的生物学意义。微泡大小有限,通常直径不超过 20 nm。相反,直至双层的 片状结构能够扩展球体的直径,直径可达 1 毫米(10 6 nm)甚至更大。磷脂和相关的生物分子 是生物膜重要组分,因为这些分子易于形成片状的脂质双层结构(图 12.11)。 分子自组装能够形成脂质双层。换句话说,含有脂质分子都能形成脂质双层结构。在水 中,磷脂分子自动形成脂质双层的速度快。疏水作用是形成脂质双层的主要驱动力。我们记 得,疏水作用在核酸碱基堆积和蛋白质折叠过程中作用显著。膜脂质分子疏水性尾巴置于脂 质双层内部的非极性环境,释放水分子。而且疏水尾巴的 van der Waals 相互作用有助于它

们互相靠近。最后,脂质分子极性头部与水分子之间有静电作用和氢键作用。因此生物系统 中脂质分子之间、脂质分子与环境分子之间各种相互作用稳定了脂质双层结构。由于脂质双 层有很多非共价相互作用(主要是疏水相互作用)协同加强将脂质双层分子结合在一起,脂 质双层是协同结构。这种脂质双层结构有三种生物学意义:(1)脂质双层有形成大面积的倾 向:(2)脂质双层倾向于形成封闭的结构,因此没有边界:(3)由于脂质双层的孔洞在能量 上处于不利状态,脂质双层能自我封闭脂质双层的孔洞。 2Ce 图12.11磷脂双层膜戴面的填充模型。()理想化的规则结构。(B)更实际的流动状态结 构,脂肪酸链结构更加不规则。 璘脂能够形成脂质囊泡 磷脂形成膜的倾向用作实验研究和临床研究的工具。脂质囊泡,或脂质体,是脂质双层 膜包裹水相组分的结构(图12.12)。这些结构可以用来研究膜的通透性,或者将化学物质 递送到细胞内。将适当的脂质,如磷脂酰胆碱,悬浮于水相,然后用超声波处理产生大小相 当一致密闭囊泡的分散溶液。这种方式产生的囊泡是直径为50m左右的球形。缓慢挥发磷 脂混合溶剂系统的有机溶剂能够获得更大的囊泡,其直径达到1nm。 Outer aqueous Inner aqueous compartment compartment -Bilayer membrane 二 图12.12脂质体。一个脂质体或脂质囊泡是外面包有脂质双层膜的水滴。 若水相含有离子或分子,囊泡能够包入这些离子或分子(图12.13)。例如,在0.1M 甘氨酸溶液中形成的直径为50m的囊泡能够包裹2000个甘氨酸分子。用透析或凝胶过滤层 细能够将这些囊泡与囊泡外的甘氨酸分开。然后测定囊泡内甘氨酸向周围溶液扩散的速度。 将蛋白质溶于去污剂溶液,然后加入用于形成脂质体磷脂溶液,能够形成膜上嵌合蛋白质的 脂质体。蛋白质一脂质体复合物是研究膜蛋白功能的有用工具

们互相靠近。最后,脂质分子极性头部与水分子之间有静电作用和氢键作用。因此生物系统 中脂质分子之间、脂质分子与环境分子之间各种相互作用稳定了脂质双层结构。由于脂质双 层有很多非共价相互作用(主要是疏水相互作用)协同加强将脂质双层分子结合在一起,脂 质双层是协同结构。这种脂质双层结构有三种生物学意义:(1)脂质双层有形成大面积的倾 向;(2)脂质双层倾向于形成封闭的结构,因此没有边界;(3)由于脂质双层的孔洞在能量 上处于不利状态,脂质双层能自我封闭脂质双层的孔洞。 图 12.11 磷脂双层膜截面的填充模型。(A)理想化的规则结构。(B)更实际的流动状态结 构,脂肪酸链结构更加不规则。 磷脂能够形成脂质囊泡 磷脂形成膜的倾向用作实验研究和临床研究的工具。脂质囊泡,或脂质体,是脂质双层 膜包裹水相组分的结构(图 12.12)。这些结构可以用来研究膜的通透性,或者将化学物质 递送到细胞内。将适当的脂质,如磷脂酰胆碱,悬浮于水相,然后用超声波处理产生大小相 当一致密闭囊泡的分散溶液。这种方式产生的囊泡是直径为 50 nm 左右的球形。缓慢挥发磷 脂混合溶剂系统的有机溶剂能够获得更大的囊泡,其直径达到 1 nm。 图 12.12 脂质体。一个脂质体或脂质囊泡是外面包有脂质双层膜的水滴。 若水相含有离子或分子,囊泡能够包入这些离子或分子(图 12.13)。例如,在 0.1 M 甘氨酸溶液中形成的直径为 50nm 的囊泡能够包裹 2000 个甘氨酸分子。用透析或凝胶过滤层 细能够将这些囊泡与囊泡外的甘氨酸分开。然后测定囊泡内甘氨酸向周围溶液扩散的速度。 将蛋白质溶于去污剂溶液,然后加入用于形成脂质体磷脂溶液,能够形成膜上嵌合蛋白质的 脂质体。蛋白质-脂质体复合物是研究膜蛋白功能的有用工具

Glycine in H2O Phospholipid Sonication Gel filtration Glycine trapped ⑧ in lipid vesicle © © 2e 200 WFI 图12.13含有甘氨酸的脂质体的制备。在甘氨酸存在下,超声波处理磷脂溶液形成含有甘 氨酸的脂质体。凝胶过滤能够除去游离的甘氨酸。 目前正在开展脂质体的临床应用研究。例如将含有药物或基因治疗用的基因的脂质体注 入病人体内,脂质体与病人细胞融合将药物分子或治疗基因引入细胞。用脂质体供应药物通 常能够降低药物毒性。因为脂质体集中于血液需求高的区域(如实体瘤或炎症位点),药物 在正常组织部位的含量低。而且脂质体与特定细胞的选择性融合给药物定向输送到特定靶标 提供了一个诱人的方法。 另一种研究得很深入的合成膜是平面双层膜。在两个分室的水相溶液之间,直径达到1 m孔洞可以形成这种脂质双层结构。将一个精细的油漆刷浸入膜形成溶液(如溶于葵烷的 磷脂酰胆碱溶液),然后用刷子的尖头击打两个分室之间的孔洞就能形成这样的膜。覆盖孔 洞的磷脂膜能自动形成脂质双层。将电极置于两个分室的水相,能够研究脂质双层膜的导电 性(图12.14)。例如,测定一定电场中的跨膜电流能够确定脂质双层膜的离子通透性。 Electrode mm Aqueous Bilayer compartments membrane 图12.14研究平面双层膜的实验装置。在两个水相溶液分室之间,直径1-mm的空洞形成脂 质双层隔膜。这种装置能够用来研究脂质双层膜的物质通透性和导电性

图 12.13 含有甘氨酸的脂质体的制备。在甘氨酸存在下,超声波处理磷脂溶液形成含有甘 氨酸的脂质体。凝胶过滤能够除去游离的甘氨酸。 目前正在开展脂质体的临床应用研究。例如将含有药物或基因治疗用的基因的脂质体注 入病人体内,脂质体与病人细胞融合将药物分子或治疗基因引入细胞。用脂质体供应药物通 常能够降低药物毒性。因为脂质体集中于血液需求高的区域(如实体瘤或炎症位点),药物 在正常组织部位的含量低。而且脂质体与特定细胞的选择性融合给药物定向输送到特定靶标 提供了一个诱人的方法。 另一种研究得很深入的合成膜是平面双层膜。在两个分室的水相溶液之间,直径达到 1 mm 孔洞可以形成这种脂质双层结构。将一个精细的油漆刷浸入膜形成溶液(如溶于葵烷的 磷脂酰胆碱溶液),然后用刷子的尖头击打两个分室之间的孔洞就能形成这样的膜。覆盖孔 洞的磷脂膜能自动形成脂质双层。将电极置于两个分室的水相,能够研究脂质双层膜的导电 性(图 12.14)。例如,测定一定电场中的跨膜电流能够确定脂质双层膜的离子通透性。 图 12.14 研究平面双层膜的实验装置。在两个水相溶液分室之间,直径 1-mm 的空洞形成脂 质双层隔膜。这种装置能够用来研究脂质双层膜的物质通透性和导电性

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