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生物化學與分子生物學/脂質的構成、功能及分析

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脂質代謝 - 脂質的構成、功能及分析 - 脂質的消化與吸收 - 甘油三酯代謝 - 磷脂代謝 - 膽固醇代謝 - 血漿脂蛋白及其代謝

脂質是種類繁多、結構複雜的一類大分子物質[編輯]

脂質是脂肪和類脂的總稱。脂肪即甘油三酯(triglyceride), 也稱三脂肪醯基甘油(triacylglycerol)。類脂包括固醇及其酯、磷脂和糖脂等。

甘油三酯是甘油的脂肪酸酯[編輯]

甘油三酯為甘油的三個羥基分別被相同或不同的脂肪酸酯化形成的酯,其脂肪醯鏈組成複雜,長度和飽和度多種多樣包。體內還存在少量甘油一酯(monoacylglycerol)和甘油二酯(diacylglycerol)。

脂肪酸是脂肪烴的羧酸[編輯]

脂肪酸(fatty acid)的結構通式為CH3(CH2)nCOOH。高等動植物脂肪酸碳鏈長度一般在14~20之間、為偶數碳。脂肪酸系統命名法根據脂肪酸的碳鏈長度命名;碳鏈含雙鍵,則標示其位置。Δ編碼體系從羧基碳原子起計雙鍵位置,ω或n編碼體系從甲基碳起計雙鍵位置。不含雙鍵的脂肪酸為飽和脂肪酸(saturated fatty acid), 不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acid)含一個或以上雙鍵。含一個雙鍵的脂肪酸稱為單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acid); 含兩個及以上雙鍵的脂肪酸稱為多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid)。根據雙鍵位置,多不飽和脂肪酸分屬於 ω-3、ω-6、ω-7 和ω-9四簇。高等動物體內的多不飽和脂肪酸由相應的母體脂肪酸衍生而來,但 ω-3、ω-6 和ω-9簇多不飽和脂肪酸不能在體內相互轉化。

磷脂分子含磷酸[編輯]

磷脂(phospholipids)由甘油或鞘氨醇、脂肪酸、磷酸和含氮化合物組成。含甘油的磷脂稱為甘油磷脂(glycerophospholipids)。
含鞘氨醇(sphingosine)或二氫鞘氨醇(dihydrosphingosine)的磷脂稱為鞘磷脂(sphingophospholipid)。鞘氨醇的氨基以醯胺鍵與1分子脂肪酸結合成神經醯胺(ceramide),為鞘脂的母體結構。鞘脂因取代基-X不同,可分為鞘磷脂和鞘糖脂(glycosphingolipid)兩類。鞘磷脂的取代基為磷 酸膽鹼或磷酸乙醇胺,鞘糖脂的取代基為葡萄糖、半乳糖或唾液酸等。

膽固醇以環戊烷多氫菲為基本結構[編輯]

Cholesterol

膽固醇屬類固醇(steroid)化合物,由環戊烷多氫菲(perhydrocylopentanophenanthrene)母體結構衍生形成。因C3羥基氫是否被取代或C17側鏈(一般為8~10個碳原子)不同而衍生出不同的類固醇。動物體內最豐富的類固醇化合物是膽固醇(cholesterol), 植物不含膽固醇而含植物固醇,以β-谷固醇(β-sitosterol)最多,酵母含麥角固醇(ergosterol)。

脂質具有多種複雜的生物學功能[編輯]

甘油三酯是機體重要的能源物質[編輯]

由於獨特的性質,甘油三酯是機體重要供能和儲能物質。首先,甘油三酯富含高度還原碳,氧化分解產能多。lg甘油三酯徹底氧化可產生 38kJ 能量,lg 蛋白質或 lg 碳水化合物只產生 17kJ 能量。其次,甘油三酯疏水,儲存時不帶水分子,占體積小。再次,機體有專門的儲存組織——脂肪組織。甘油三酯是脂肪酸的重要儲存庫。甘油二酯還是重要的細胞信號分子。

脂肪酸具有多種重要生理功能[編輯]

脂肪酸是脂肪、膽固醇酯和磷脂的重要組成成分。一些不飽和脂肪酸具有更多、更複雜的生理功能。

  • 提供必需脂肪酸

人體自身不能合成、必須由食物提供的脂肪酸稱為必需脂肪酸 (essential fatty acid)。人體缺乏Δ9及以上去飽和酶,不能合成亞油酸(18:2,Δ9,12) 、α-亞麻酸(18:3,Δ9,12,15),必須從含有Δ9及以上去飽和酶的植物食物中獲得,為必需脂肪酸。花生四烯酸(20:4,Δ5,8,11,14)雖能在人體以亞油酸為原料合成,但消耗必需脂肪酸,一般也歸為必需脂肪酸。

  • 合成不飽和脂肪酸衍生物

前列腺素、血栓噁烷、白三烯是二十碳多不飽和脂肪酸衍生物。前列腺素(prostaglandin, PG)以前列腺酸(prostanoic acid)為基本骨架,有一個五碳環和兩條側鏈(R1及R2)。
根據五碳環上取代基團和雙鍵位置不同,前列腺素分為 PGA~PGI 等 9 型。體內PGA、PGE及PGF較多;PGC2和 PGH2是 PG 合成的中間產物。PGI2帶雙環,除五碳環外,還有一個含氧的五碳環,又稱為前列環素(prostacyclin) 。
根據R1及R2側鏈雙鍵數目,前列腺素又分為1、2、3類,在字母右下角標示。
血栓噁烷(thromboxane A2, TXA2)有前列腺酸樣骨架但又不同,五碳環被含氧噁烷取代。
白三烯(leukotriene,LT)不含前列腺酸骨架,有4個雙鍵,所以在LT右下角標以4。白三烯合成的初級產物為LTA4,在5、6位上有一氧環。如在12位加水引入羥基,並將5、6位環氧鍵斷裂,則為LTB4。如 LTA4 的5、6位環氧鍵打開,6位與穀胱甘肽反應則可生成LTC4、LTD4及LTE4等衍生物。
前列腺素、血栓噁烷和白三烯具有很強生物活性。PGE2能誘發炎症,促進局部血管擴張,使毛細血管通透性增加,引起紅、腫、痛、熱等症狀。PGE2、PGA2能使動脈平滑肌舒張,有降血壓作用。PGE2 及PGI2能抑制胃酸分泌,促進胃腸平滑肌蠕動。卵泡產生的PGE2、PGF在排卵過程中起重要作用。PGF可使卵巢平滑肌收縮,引起排卵。子宮釋放的PGF能使黃體溶解。分挽時子宮內膜釋出的PG凡能使子宮收縮加強,促進分挽。
血小板產生的TXA2、PGE2能促進血小板聚集和血管收縮,促進凝血及血栓形成。血管內皮細胞釋放的PGI2有很強舒血管及抗血小板聚集作用,抑制凝血及血栓形成。可見PGI2有抗TXA2作用。北極地區因紐特人攝食富含二十碳五烯酸的海水魚類食物,能在體內合成PGE3、PGI3 及TXA3 。PGI3能抑制花生四烯酸從膜磷脂釋放,抑制PGI2 及TXA2 合成。由於PGI3活性與PGI2 相同,而TXA3活性較TXA2弱得多,因此因紐特人抗血小板聚集/抗凝血作用較強,被認為是他們不易患心肌梗死的重要原因之一。
過敏反應慢反應物質(slow reacting substances of anaphylatoxis, SRS-A) 是LTC4、LTD4 及LTE4混合物,其支氣管平滑肌收縮作用較組胺、PGF強100~1000倍,作用緩慢而持久。LTB4能調節白細胞功能,促進其遊走及趨化作用,刺激腺苷酸環化酶,誘發多形核白細胞脫顆粒,使溶酶體釋放水解酶類,促進炎症及過敏反應發展。lgE與肥大細胞表面受體結合後,可引起肥大細胞釋放LTC4、LTD4及LTE4。這3 種物質能引起支氣管及胃腸平滑肌劇烈收縮,LTD4還能使毛細血管通透性增加。

磷脂是重要的結構成分和信號分子[編輯]

  • 磷脂是構成生物膜的重要成分 磷脂分子具有親水端和疏水端,在水溶液中可聚集成脂質雙層,是生物膜的基礎結構。細胞膜中能發現幾乎所有的磷脂,甘油磷脂中以磷脂醯膽鹼(phosphatidylcholine, PC)、磷脂醯乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)、磷脂醯絲氨酸(phosphatidylserine)含量最高,鞘磷脂中以神經鞘磷脂為主。各種磷脂在不同生物膜中所佔比例不同。磷脂醯膽鹼也稱卵磷脂(lecithin),存在於細胞膜中。心磷脂(cardiolipin)是線粒體膜的主要脂質。
  • 磷脂醯肌醇是第二信使的前體 磷脂醯肌醇(phosphatidylinositol)4、5位被磷酸化生成的磷脂醯肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, PIP2)是細胞膜磷脂的重要組成成分,主要存在於細胞膜的內層。在激素等刺激下可分解為甘油二酯和肌醇三磷酸(inositol triphosphate, IP3) , 均能在細胞內傳遞細胞信號。

膽固醇是生物膜的重要成分和具有重要生物學功能固醇類物質的前體[編輯]

  • 膽固醇是細胞膜的基本結構成分 膽固醇C3羥基親水,能在細胞膜中以該羥基存在於磷脂的極性端之間,疏水的環戊烷多氫菲和C17側鏈與磷脂的疏水端共存於細胞膜。膽固醇是動物細胞膜的另一基本結構成分,但亞細胞器膜含量較少。環戊烷多氫菲環使膽固醇比細胞膜其他脂質更強直,是決定細胞膜性質的重要分子。
  • 膽固醇可轉化為一些具有重要生物學功能的固醇化合物 體內一些內分泌腺,如腎上腺皮質、睾丸、卵巢等能以膽固醇(酯)為原料合成類固醇激素;膽固醇在肝可轉變為膽汁酸,在皮膚可轉化為維生素D3

脂質組分的複雜性決定了脂質分析技術的複雜性[編輯]

脂質是不溶於水的大分子有機化合物,加之組成多樣、結構複雜,很難用常規方法分析。通常需先提取,分離,還可能需要進行酸、鹼或酶處理,然後再根據其特點、性質和分析目的,選擇不同方法進行分析。

  • 用有機溶劑提取脂質 通常根據脂質的性質,採用不同的有機溶劑抽提不同的脂質,中性脂用乙醯、氯仿、苯等極性較小的有機溶劑,膜脂用乙醇、甲醇等極性較大的有機溶劑。血漿脂質的常規臨床定量分析通常不需要抽提、分離,直接採用酶法測定。抽提獲得的脂質為粗純物,需進一步分離後分析。
  • 用層析分離脂質層析(chromatography)也稱色譜,是脂質分離最常用和最基本方法,有柱層析和薄層層析(thin layer chromatography, TLC)兩種形式。通常採用矽膠為固定相,氯仿等有機溶劑為流動相。由於極性較高脂質(如磷脂)與矽膠的結合比極性較低、非極脂質(如甘油三酯)緊密,所以矽膠對不同極性脂質的吸附能力不同。抽提獲得的混合脂質通過層析系統時,非極性脂質移動速度較極性脂質快,從而將不同極性脂質分離,用於下一步分析。
  • 根據分析目的和脂質性質選擇分析方法 脂質分離後,常常需要進行定量或定性分析。層析後用鹼性蕊香紅、羅丹明或碳等染料顯色,然後掃描顯色的斑點進行定量分析。也可通過顯色斑點對比樣品與已知脂質的遷移率進行定性分析。還可以洗脫、收集層析分離的脂質,採用適當的化學方法(如滴定、比色等)測定含量。更精細的定量定性分析,可根據分析目的和脂質性質,選用質譜法、紅外分光光度法、熒光法、核磁共振法、氣-液色譜法(gas-liquid chromatography)等分析。
  • 複雜的脂質分析還需特殊的處理 脂質的組成及結構複雜,對其分析常常需要特殊處理。如甘油三酯、膽固醇酯、磷脂中的脂肪酸多種多樣、結構差異大。對其分析需經特殊處理,使其釋放,再結合前述方法分析。甘油三酯、磷脂、膽固醇酯可用稀酸和鹼處理使脂肪酸釋放,鞘脂則需強酸處理才能釋放脂肪酸。採用特定的磷脂酶還可特異釋放磷脂特定分子部位的脂肪酸。