结构生物化学/有机化学/脂类

脂类概述

脂类是天然存在的（有机）化合物，不溶于极性溶剂，如水。它们的不可溶性完全归因于它们的长疏水烃链。这些疏水链可以是饱和的或不饱和的。不饱和链在相邻碳之间含有双键或三键共价键，而饱和链则由所有单键组成。脂类由甘油分子与长烃链（可以是单一的或多个）以及其他分子（如磷酸基团（磷脂））键合而成。

脂类类型的一些例子包括：中性脂肪、饱和脂肪、（多/单）不饱和脂肪和油（单甘油酯、二甘油酯、三甘油酯）、磷脂、固醇（甾醇）、动物固醇（胆固醇）、蜡，以及脂溶性维生素（维生素A、D、E和K）。脂类具有许多不同的生物学功能，如燃料分子、磷脂和糖脂的结构构建模块、共价连接引导分子到特定膜位置，以及细胞内信使。

膜脂类有三种常见类型。它们是磷脂、糖脂和胆固醇。[结构生物化学]。

脂肪脂肪由甘油和 3 个脂肪酸组成。脂肪通过 3 个缩合反应产生，形成酯键，将脂肪酸羧基连接到甘油中的羟基。脂肪酸有两种类型，饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。在饱和脂肪酸中，它具有可能的最大数量的氢原子，因此没有双键。只有单键。由于饱和脂肪酸只有单键，因此它可以在室温下更紧密地堆积在一起，这使得它在室温下呈固态。饱和脂肪酸的一个例子是黄油。不饱和脂肪酸含有一个或多个双键。这些双键在烃尾部形成一个扭结，反过来导致堆积松散。在室温下，它是一种液体。这方面的一个例子是油。

磷脂它们存在于生物膜中。磷脂的组成部分包括疏水尾部和亲水头部。疏水尾部由两个烃链组成。亲水头部由胆碱、磷酸盐和甘油组成。脂肪酸提供疏水屏障，而分子的其余部分具有亲水特性。磷脂由于脂类分子的两亲性而自发形成脂质双层。磷脂存在于所有细胞膜中。

胆固醇 胆固醇是一种甾醇，它们由 4 个稠合的烃环构成。烃尾部在一端连接到甾醇，而羟基连接到另一端。胆固醇是一种重要的甾醇，存在于细胞膜中，并作为某些性激素的前体。然而，原核生物没有胆固醇。

甘油三酯

中性脂肪（甘油三酯）由脂肪酸烃链与单个甘油分子键合而成。脂肪酸由具有羧基的长烃链组成，而甘油由 3 个碳和 3 个羟基组成。脂肪酸是脂肪分子的组成部分。甘油三酯中三个脂肪酸链连接到单个甘油分子的方法称为脱水合成。脱水合成也用于各种其他反应，包括将两个单糖连接起来形成二糖。甘油三酯的主要功能是能量储存，作为一种绝缘形式，以及保护和缓冲细胞和器官。

这里有一张甘油三酯分子的图片，其中包含三个中性脂肪酸链和一个甘油基团

饱和脂肪酸在疏水链的碳之间含有单键。饱和脂肪酸来源于动物，作为甘油三酯分子中的组成链存在。饱和脂肪酸在室温下呈固态。然而，不饱和脂肪酸在烃链的碳之间含有一个（单不饱和）或多个（多不饱和）双键，这会导致分子弯曲。含有太多弯曲的甘油三酯不能像中性脂肪酸那样紧密地堆积在一起，因此密度更低。下面是一个饱和脂肪酸的例子

由许多熔点低于那些具有饱和脂肪酸的甘油三酯的脂肪酸组成的甘油三酯。这些不饱和脂肪酸由于链中的碳之间的双键，不能以其最大数量的氢结合。不饱和脂肪酸来源于植物，作为甘油三酯分子的组成链存在。不饱和脂肪酸在室温下呈液态。

这些图像描述了一个饱和脂肪酸链（包含单碳键）和一个不饱和脂肪酸链（包含双碳键）。

磷脂

磷脂是经过修饰的甘油三酯，其中一个脂肪酸链被磷酸基团取代。它们由四个不同的基团构成：脂肪酸链、平台、磷酸基团和连接到磷酸的醇。脂肪酸链是烃链，通常长度为 14-24 个碳。平台是甘油或鞘氨醇，这是一种具有烃链的氨基醇。磷脂具有非常典型的非极性脂肪酸链部分和极性磷酸盐部分。磷脂的两亲性在其在磷脂双层中的关键作用中起作用。极性磷酸基团能够与水分子相互作用，并在水性环境中自发形成双层。磷脂自身定向，使得极性头部朝向水分子，而疏水性脂肪酸朝向双层的内部。双层环境使非极性脂肪酸链能够保持在一起，避免接触水，而亲水性磷酸基团则朝向水。磷脂通过两层磷脂的结合参与细胞膜的形成。磷脂负责膜的半透性和流动性。

该结构描述了一种磷脂

该图像说明了形成脂质双层的亲水性磷酸基团和疏水性脂肪酸链的组成和方向。

磷脂是最常见的脂类。事实上，细胞膜以及有组织的细胞区室都是由这些磷脂组成的。它们可以形成称为胶束的结构，在这种结构中，当磷脂聚集在一起时，疏水性脂肪酸尾部在球体的中心远离水性环境聚集在一起，而极性头部暴露在外部。脂质体等结构也可以从这些脂类人工形成：使用高频声波来超声处理含有磷脂和目标分子的样品，从而产生包含目标分子的磷脂囊泡。这通常用于将药物递送至细胞并研究药物如何穿过膜。

质膜由磷脂双层构成。该膜是一种两亲性片状结构，具有流动性和电极化性。该膜本身几乎没有功能，但与该膜完整结合或周边结合的蛋白质帮助介导了许多我们归因于膜的功能。该膜是不对称的，因为蛋白质在膜中随机分布，一些附着在细胞内部，一些附着在外部，另一些则整合在膜内。此外，快速的侧向扩散和缓慢的横向扩散都导致膜的不对称特征和流动性。在横向扩散中，磷脂被翻转进出，这种翻转由翻转酶调节。但是，脂肪酸链越长，横向扩散发生的可能性就越小。较长的链也降低了质膜的流动性。还有其他因素可能会影响质膜的流动性。例如，脂肪酸链排列得越好，膜就越不流动。最重要的是，脂肪酸越不饱和，膜就越流动。这是因为双键弯曲了链，从而允许松散的排列。胆固醇在膜内的中断也会导致流动性增加，因为胆固醇中的极性羟基会破坏磷脂双层内的疏水环境。

糖脂

糖脂是含有糖（糖基）的脂类。它们来源于鞘氨醇，而不是来源于甘油的磷脂形式（磷脂存在于甘油和鞘磷脂平台的两种衍生物中）。与磷脂的另一个区别是，糖脂含有糖单元（可以是葡萄糖或半乳糖），而不是磷酸基团。

例如：糖脂分子从最基本的分子脑苷脂存在，脑苷脂含有一个脂肪酸单元，一个鞘氨醇骨架和一个糖单元（葡萄糖或半乳糖），到包含多个糖残基的支链（在神经节苷脂中最多七个残基）的最复杂分子。

性质：当糖脂存在于膜中时，它们的糖残基末端总是面向细胞外侧。

糖脂的化学结构

胆固醇

胆固醇是一种形式的脂类，它与其他亲属不同。它是一个相对中等大小的分子，包含 4 个相邻的环状烃分子，三个六元环和一个五元环，具有一个羟基和一个饱和烃链末端。

该分子作为缓冲剂或膜的温度稳定剂，它可以构成膜的 25%。当存在于膜中时，胆固醇分子中的 4 个环状分子平行于磷脂的脂肪酸链，而羟基末端则指向极性磷脂头部的方向，它与之相互作用。

胆固醇分子主要存在于神经细胞中。该分子与髓鞘膜结合，髓鞘膜提供外层涂层，保护神经细胞免受周围环境的影响。

它是雄性（睾酮）和雌性（雌二醇）性激素的重要前体。也是维生素 D 的重要组成部分，维生素 D 使身体能够利用钙形成骨骼。

动物从食物中摄取的胆固醇很少；它们在体内合成胆固醇。虽然胆固醇对许多过程和结构功能至关重要，但过量的胆固醇可能是有害的。血液中胆固醇过多会导致动脉阻塞，从而导致心脏病、高血压和中风。只有 0.25% 的人类从遗传获得高胆固醇病，然而人们从食物中摄取的胆固醇越来越高（尤其是美国人）。

膜特性

细胞膜具有一套特性，这些特性归因于脂类和蛋白质的存在。1. 结构像薄片。2. 它们由脂类、蛋白质和碳水化合物形成。3. 膜是两亲性的（含有疏水区和亲水区）。4. 每种蛋白质都允许膜发挥功能。5. 膜通过弱的非共价键连接在一起。6. 结构是不对称的。7. 它的流动性很高。8. 膜是极化的。

流动性

膜结构中脂类的存在对细胞至关重要，尤其影响其流动性。正如以下部分所述，这是为了允许物质进出细胞所必需的。胆固醇在其中起着重要作用，如下所示。另一个是双键的存在。双键越多，脂类中扭结或弯曲越多，因此空隙越大。脂类的长度也起作用。脂类以两种不同的方式移动。最常见的是它们通过横向扩散相互作用，它们与左右两侧的脂类交换位置。其他时候，它们会经历横向扩散，它们会与它们尾巴所面对的脂类翻转。这是由于脂类分子的弱范德华相互作用。脂类越长，这种相互作用越强，因此会降低脂类的迁移率。降低脂类迁移率会导致降低膜的流动性。

胆固醇和流动性

胆固醇是膜通透性的重要因素，即有多少物质可以流过细胞。胆固醇充当“缓冲器”，防止任何极端情况。显然，膜通透性不能太流动，以至于允许任何物质进入细胞（即有害物质），但同时，膜通透性必须足够流动，以至于允许需要进入细胞的重要物质进入或离开细胞。

胆固醇是一种含有单个醇基的烃类甾体，这导致了它的两亲性。

一般来说，

1.在低温下：膜中的胆固醇会导致更具流动性的膜。

2.在高温下：膜中的胆固醇会导致流动性较低的膜。

具有支链的醚脂类

将古细菌（细菌）与细菌区分开的两个主要因素是古细菌的细胞膜磷脂由醚键组成，并且脂肪酸烃链完全饱和并分支，每 5 个碳原子有一个甲基。这些简单的结构差异为古细菌提供了与细菌在栖息地恶劣环境方面截然不同的差异。这两个因素有助于其膜的化学特性，使其更耐水解（醚键与酯键相比）和更耐氧化（支链饱和烃链）。

磷脂和糖脂在水性介质中容易形成双分子片

磷脂和糖脂具有两亲性，这使它们能够形成胶束或“脂双层”。由于疏水性烃尾和亲水性极性头部，脂类以一种形式排列，其中极性基团面向水，而尾部远离水。一种形成是胶束，其中脂类以圆形排列，头部基团构成圆周，而尾部位于内部。更优选的形成是脂双层或双分子片。这种排列使脂类形成屏障，其中极性头部基团面向水性介质，而疏水性尾部面向内部，远离水。这种类型的形成有利于细胞膜，因为它从细胞外液形成屏障并保护细胞内的细胞质。脂双层中可能存在整合蛋白和外周蛋白，以允许某些功能发生，例如离子转运或充当泵。

参考文献

Berg，Jeremy；Tymoczko，John；Stryer，Lubert。生物化学，第 6 版。W.H. Freeman and Company。2007 年。Berg，Jeremy M.，Tymoczko，John，L.，Stryer，Lubert。生物化学。第七版。

生物化学的有机物：[1]

“脂双层”。维基百科。2012 年 12 月 7 日。2012 年 12 月 7 日 <http://en.wikipedia.org/wiki/Lipid_bilayer>。

Viadiu，Hector。“脂类和细胞膜”。加州大学圣地亚哥分校，2012 年 11 月 19 日。