脂类和生物膜化学.pptVIP

第三章 脂类与生物膜化学 化学与生物工程学院 主讲人：冉秀芝 E-mail：ranxiuzhi2006@cqut.edu.cn 教学目的 1.掌握： （1）甘油脂、磷脂的通式以及脂肪酸的特性 （2）油脂和甘油磷脂的结构与性质 （3）生物膜的组成、结构模型、特性及其功能 四、膜生物工程 二、生物膜的结构 （一）膜脂的结构特点 （二）膜蛋白的结构特点 （三）膜脂与膜蛋白的相互作用 （四）生物膜的结构模型 1.形成脂质双分子层的结构。两性分子（在一个分子中既含极性部分又含非极性部分）在水溶液中能迅速地在水-空气界面形成单分子层，极性头部与水接触，疏水的尾部伸向空气一侧。如加入较多量的膜脂，使水-空气界面达到饱和，膜脂分子就形成囊团和双层微囊。大多数天然膜脂更倾向于双层微囊的形式。脂质双分子层的结构构成了生物膜的基本骨架。 2.脂质双分子层两侧分布的不对称性 脂双层的内外两侧是不对称的，不对称性主要决定于磷脂的头部。脂双层内侧是含有氨基的磷脂，有丝氨酸磷脂（PS）、肌醇磷脂（PI）乙醇胺磷脂（PE）, 有较强的负电性，胆碱磷脂（PC）及鞘磷脂（SM）在脂双层的外侧。内外两侧磷脂的脂肪酸也不完全相同，PC及SM多为饱和脂肪酸，PS、PE含不饱和脂肪酸较多。 现在已知有三种酶维持生物膜脂双分子层两侧的正常不对称性：①氨基磷脂转移酶。它可以使PS及PE从脂双层的外层转入内层，而对PC无此作用，对PS的翻转速度比PE快5～10倍。②依赖ATP的翻转酶。对PE、PS、PC都有作用，它可将脂双层内层的脂质翻转到外层，与氨基磷脂转移酶作用相反，但速度为它的1/10。③脂质爬行酶。依赖钙离于活化，可在几分钟内在脂双层双相翻转。 3.膜脂的运动 近年来生物物理及物理技术的发展，可以快速准确地测出分子的运动。应用不同的荧光探针，可以在磷脂分子内分别结合到脂肪酸的长链、甘油骨架及碱基（如胆碱）上，测出磷脂不同部位的运动速度及偏转的角度，可以看出其运动状态。膜脂的基本组分在生理状态下处于相对流动状态，膜脂的运动有下列五种方式。 外周蛋白：外周蛋白通过离于键和氢键与膜脂的极性头相结合，它不伸入脂双层中。外周蛋白较易分离。外周蛋白一般约占膜蛋白的20％～30％，这类蛋白质可溶于水。 整合蛋白：整合蛋白约占膜蛋白的70％～80％，它们主要通过疏水作用而结合在膜上。全部或部分插人脂双层中，有的贯穿整个脂双层。与膜脂结合很紧密，不易与膜分离，这类蛋白质的特征是水不溶性。 膜蛋白的运动 膜蛋白与膜脂相似，在膜内是可以运动的，一方面它有本身的运动，另一方面它镶嵌在脂质中，脂质运动对它有影响。膜蛋白的自身运动可分为侧向扩散和旋转扩散。 膜的流动性，既包括膜脂也包括膜蛋白的运动状态。流动性是生物膜结构的主要特征。大量研究的结果表明，合适的流动性对生物膜表现其正常功能具有十分重要的作用。例如能量转换、物质运送、信息传递、细胞分裂、细胞融合、内吞外排以及激素作用等都与膜的流动性有密切关系。 1.膜脂对膜蛋白的作用 ①生物膜的内在蛋白需要一定量的膜脂才能维持其构象，表现出活性。 ②在膜蛋白周围有着一层不可活动的“界面脂”。有人提出在整个细胞膜脂处于流动状态时，界面脂与整体脂之间的交换是非常慢的。 ③研究发现膜脂流动性对物质运输、酶的活性、受体活性都有影响。 2.膜蛋白对膜脂的影响 近年来运用波谱技术、光谱技术研究了蛋白质的结合对膜脂的影响，现发现蛋白质可使脂的疏水链排列趋于无序，使脂质更趋于流动。 人类对生物膜的认识经历了一个漫长的过程。一系列重要研究成果的基础上，1972年美国的Singer和Nicolson提出“流体镶嵌”模型（如图）。其基本观点目前已普遍为大家接受，主要内容包括三个要点。 （1）组成膜的脂类分子呈双分子层排列，是构成膜结构的基础。脂双层有双重作用，既是内在蛋白的溶剂，又是物质通透的屏障。在生理条件下，膜脂处于流动状态，生物通过改变膜脂的脂肪酸组成等因素进行调节控制其流动性。 （2）外周蛋白分子表面分布有许多极性R基，通过静电力与膜脂的极性头部亲合而附着于膜两侧表面。内在蛋白以不同深度镶嵌在脂双层中，有的贯穿整个膜。其分子中有疏水结构域和亲水结构域，疏水域埋在脂双层中心，与膜脂疏水尾相亲合，亲水域朝向膜的表面。脂双层结构对于内在蛋白构象的形成和功能表现是必要的，若脱离膜，内在蛋白就失去活性。 （3）除非为特殊的相互作用所限制，膜蛋白在脂双层中可以自由地侧向扩散，但它们一般不能从膜的一侧翻转到另一侧。 这个模型与过去提出的种种模型的主要差别在于：一是突出了膜的流动性，认为膜是由脂质和蛋白质分子排列的流体组成；二是强调了生物膜的不对称性，即生物膜在结构与功能上的两侧不对称性。 “流体镶嵌”模型可以解释生物膜的许多物理、化学和生物学特性。 三、生物膜的功能