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第18章 细胞和分子基础(6)

2.糖脂类糖脂是分子中含糖的脂类,为神经酰胺的衍生物。其分子结构有神经氨基醇、脂肪酸和糖。

糖脂主要有脑苷脂和神经节苷脂两类。糖脂虽然在生物膜中含量很少,但有许多特殊的生物功能,它与组织器官的专一性有关,在组织免疫、细胞识别、神经传导等方面也起着重要作用。

3.胆固醇及其酯胆固醇及其脂肪酸酯是以环戊烷多氢菲为基本结构的甾醇类化合物。

胆固醇是最早由动物胆石中分离出的具有羟基的固体醇类化合物,故称为胆固醇。固醇类均具有环戊烷多氢菲的共同结构。环戊烷多氢菲由3个烷环及1个环戊烷稠合而成,4个环分别用A、B、C、D表示。

构成环戊烷多氢菲母核的每一个碳原子都有4个伸向空间的键,因而不可能同时处在一个平面上。因此,母核中的每个六碳环可有“椅式”或“船式”两种构象。实际上所有天然的固醇类化合物(包括胆固醇)均为椅式构象,因为这种构象比船式更稳定。

环戊烷多氢菲母核中环与环之间的连接可有顺或反两种构型。天然的固醇类化合物B/C及C/D间均为反式,仅A/B间有顺、反两种异构体。

胆固醇的A/B,B/C及C/D间均为反式构型,其3位碳连接β-羟基,5、6间为双键,10及13碳上各有一β-甲基,17碳β位有C8H17侧链,共有27各碳原子。

胆固醇以游离及脂肪酸酯的形式存在于动物组织中,故又称动物固醇,植物组织中无胆固醇,但含植物固醇,以β-谷甾醇含量最多。胆固醇是高等动物细胞的重要组成成分,在神经组织和肾上腺中含量最多。胆固醇是高等动物细胞的重要组成成分,在神经组织和肾上腺中含量特别丰富,肝、肾和表皮组织含量也很多。细菌不含固醇类化合物。

(三)脂肪酸

如上所述,脂肪酸是构成脂肪、磷脂、糖脂及胆固醇酯的必要成分。脂肪酸是无分支的具有偶数碳原子的饱和或不饱和脂肪族羟酸。自然界的脂肪酸有100多种,绝大多数为含偶数碳原子的脂肪酸,可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸两类。一般饱和脂肪酸含量高的三脂酰甘油,室温时为固态,俗称为脂。不饱和脂肪酸含量较高者,室温为液态,俗称为油。两者统称为油脂。

哺乳动物体内能合成饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸,但不能合成含两个以上双键的亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸(但它能以亚油酸为原料合成)。因此对维持人体正常生长所必需而体内又不能合成的脂肪酸称为必需脂肪酸。

按系统命名原则一般标出脂肪酸中的碳原子数目及双键的位置。如从脂肪酸的羟基碳开始计算碳原子的排列顺序,则这种编码体系为△编码体系。用希腊字母表示各碳原子的位置,则紧邻于脂酸羟基的为α碳,其余依次为β、γ、δ等,ω为距羧基最远的碳原子,即末位碳原子。按上述命名法,则软油酸(16∶1)为△9十六碳-烯酸,其书写方式为16∶1△9。

二、脂类的消化与吸收

膳食中的脂类主要为脂肪,此外还含少量磷脂、胆固醇等。脂类不溶于水,必须在肠中经胆汁中胆汁酸盐的作用,乳化并分散成细小的微团后,才能被消化酶消化。胰液及胆汁均分泌入十二指肠,因此小肠上段是脂类消化的主要场所。胆汁酸盐是较强的乳化剂,能降低油与水相之间的界面张力,使脂肪及胆固醇酯等疏水的脂质乳化成细小微团,增加消化酶对脂质的接触面积,有利于脂肪及类脂的消化及吸收。胰腺分泌入十二指肠中消化脂类的酶有胰脂酶、磷脂酶A2、胆固醇酯酶及辅脂酶。

经上述各种酶分解所得的消化产物,包括甘油一酯、脂肪酸、胆固醇及溶血磷脂等可与胆汁酸盐作用,乳化成更小的混合微团。这种微团体积更小(直径约为20nm),极性更大,易于穿过小肠黏膜细胞表面的水屏障,为肠黏膜细胞吸收。

脂类消化产物主要在十二指肠下段及空肠上段吸收。中链脂肪酸(C6~C10)及短链脂肪酸(C2~C4)构成的三酰甘油,经胆汁酸盐乳化后即可被吸收,在肠黏膜细胞内脂肪酶的作用下,水解为脂肪酸及甘油,通过门静脉进入血循环。长链脂肪酸(C12~C26)经一系列变化也形成乳糜微粒进入血循环。也有少量先进入肝,再由肝进入血液,由血液运至全身各组织器官。

三、血脂与血浆脂蛋白

(一)血脂

血脂指血浆中所含的脂类。包括:三酰甘油、磷脂、胆固醇及其酯,以及游离脂肪酸等。磷脂主要有卵磷脂(约70%)、神经鞘磷脂(约20%)及脑磷脂(约10%)。各类血脂又因脂肪酸组成的不同而有若干种。血脂的来源有二:一为外源性的,从食物摄取的脂类经消化吸收进入血液;二是内源性的,由肝、脂肪细胞以及其他组织合成后释放入血。血脂含量不如血糖恒定,受膳食、年龄、性别、职业以及代谢等的影响,波动范围较大。

血脂的总量只占全身脂类总量的很小一部分,但它是脂类物质转运往各组织间的必需通路,而且与各部分脂类处于动态平衡状态,因此可以借测血脂来分析某些疾病。

(二)血浆脂蛋白

1.分类脂类不溶于水,在水中呈乳浊液。而正常人血浆含脂类虽多,却仍清澈透明,说明血脂在血浆中不是以自由状态存在,而是与血浆中的蛋白质结合,以脂蛋白的形式而运输。

通常用电泳法或超速离心法分离各种脂蛋白。

电泳法主要根据不同脂蛋白的表面电荷不同,在电场中具不同的迁移率,按其在电场中移动的快慢,可将脂蛋白分为α、前β、β及乳糜微粒(CM)4类。一般常用滤纸、醋酸纤维素膜、琼脂糖或聚丙烯酰胺作为电泳支持物。α-脂蛋白泳动最快,相当于α1-球蛋白的位置;β-球蛋白相当于β-脂蛋白的位置,前β-脂蛋白位于β-脂蛋白之前,相当于α2-球蛋白的位置;乳糜微粒(CM)则留于原点不动。

超速离心法是根据各种脂蛋白含脂类及蛋白质量各不相同,因而其密度亦各不相同。血浆在一定密度的盐溶液中进行超速离心时,其所含脂蛋白即因密度不同而漂浮或沉降,据此分为4类:乳糜微粒(CM)含量最多,密度小于0.95,易于上浮;其余的按密度从小到大依次为极低密度脂蛋白(VLDL)、低密度脂蛋白(LDL)和高密度脂蛋白(HDL);分别相当于电泳分离的CM、前β-脂蛋白、β-脂蛋白及α-脂蛋白等4类。通常用漂浮率(Sf)表示其上浮情况。

2.组成血浆脂蛋白主要由蛋白质、三酰甘油、磷脂、胆固醇及其酯组成。各类脂蛋白都含有这4类成分,但其组成比例及含量却大不相同。乳糜微粒颗粒最大,含三酰甘油最多,达80%~95%,含蛋白质最少,约占1%,故相对密度最小,相对密度<0.95,血浆静置时即可漂浮。VLDL含三酰甘油亦多,达50%~70%,但其蛋白质含量(约10%)高于CM,故相对密度较CM大,近于1.006。LDL含胆固醇酯最多,约40%~50%。HDL含蛋白质量最多,约50%,故相对密度最高,颗粒最小。

血浆脂蛋白中的蛋白质部分称载脂蛋白,迄今已发现有18种以上。载脂蛋白的主要功能是结合和转运脂质。此外,还发现不同的载脂蛋白有其特殊功能。

3.功能

(1)乳糜微粒(CM)CM在小肠黏膜上皮细胞合成。肠黏膜上皮细胞在吸收食物中的脂类后形成CM,经乳糜管、胸导管进入血液循环。由于CM中的脂肪来源于食物,所以乳糜微粒是外源性脂肪的主要运输形式。因为CM颗粒大,能使光散射,所以餐后血浆可呈乳浊样外观。CM代谢较快,数小时后,血浆又可恢复为透明的外观,这种现象称为脂肪的廓清。

(2)极低密度脂蛋白(VLDL)在肝中合成。磷脂和胆固醇的含量比乳糜微粒多。脂肪来源为:糖在肝中转变而来;脂库中脂肪动员而来;乳糜微粒残余颗粒中的脂肪。VDVL在脂肪组织、骨骼肌、心肌等组织受脂蛋白脂肪酶的催化不断水解脱脂,其水解产物被组织氧化利用或重新合成脂肪储于脂库。脂蛋白颗粒变小,组成比例也发生变化,胆固醇含量相对增加,最后转变成低密度脂蛋白。所以,VLDL是转运内源性脂肪的主要形式。

(3)低密度脂蛋白(LDL)LDL是在血浆中由VLDL转变而来的,它是正常空腹血浆中主要蛋白,约占血浆脂蛋白总量的2/3。因LDL含有较多的胆固醇和胆固醇酯,所以它的主要功能是运输胆固醇,将胆固醇从肝内运输到肝外组织,经水解释放游离的胆固醇,供细胞利用;也可抑制细胞内胆固醇的合成,并促使过多的胆固醇转变为胆固醇酯加以储存。

(4)高密度脂蛋白(HDL)HDL主要在肝中合成。HDL是将肝外组织的胆固醇转运至肝内的运输工具。故HDL可降低血浆胆固醇的浓度,防止游离胆固醇在动脉壁和其他组织中积累。

四、脂类的代谢

(一)脂肪的分解代谢

体内的脂肪不断地进行分解代谢,以提供机体能量,被分解的脂肪除从食物脂肪的消化吸收加以补充外,主要由糖类化合物转化而来。

1.脂肪的水解催化脂肪水解的酶统称为脂肪酶。脂肪在体内氧化时,先在脂肪酶的催化下,水解为脂肪酸和甘油,这两种水解产物再分别进行氧化分解。

2.甘油的代谢肌肉及脂肪细胞中甘油激酶的活性很低,无法利用脂解产生的甘油,只能通过血液运至甘油激酶含量高的肝、肾等部位。甘油首先磷酸化形成α-磷酸甘油,再继续氧化成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛即可进入糖分解代谢途径。

由于甘油只占脂肪分子中很小一部分,所以脂肪氧化提供的能量主要来自脂肪酸部分。

3.脂肪酸的氧化脂肪酸的氧化过程包括:脂肪酸的活化,脂肪酰辅酶A进入线粒体,脂肪酸的β-氧化。在一系列酶的催化下,长链脂肪酸逐步降解,生成许多分子的****辅酶A,****辅酶A进入三羧酸循环被彻底氧化,生成CO2、H2O和能量。

脂肪酸氧化是体内能量的重要来源。以软脂酸为例,共进行7次β-氧化,生成7分子FADH2,7分子NADH+H+及8分子****辅酶A。每分子FADH2通过呼吸链氧化产生2分子ATP,每分子NADH+H+氧化产生3分子ATP,每分子****辅酶A通过三羧酸循环氧化产生12分子ATP。因此,1分子软脂肪酸彻底氧化共生成(7×2)+(7×3)+(8×12)=131个ATP。减去脂肪酸活化时耗去的2个高能磷酸键,相当于2个ATP,净生成129分子ATP。软脂酸的相对分子质量为256.4,1mol软脂酸完全氧化产生的能量约为9.67×106J(2.31×106cal)。每生成1molATP,保留32.2kJ(7700cal)能量。因此,在1mol软脂酸完全氧化,生成129molATP的情况下,将保留129×7700=1×106cal(4.19×106J),故其能量利用效率为1×106/2.31×106=0.433,即软脂酸在体内氧化生成的能量有43.3%储存在ATP的高能磷酸键中,其余以热能丧失。由此可见,脂肪酸和葡萄糖一样都是机体的重要能源,且脂肪酸产生的能量比葡萄糖多。

(二)甘油磷脂的分解代谢

生物体内存在能使甘油磷脂水解的多种磷脂酶类,分别作用于甘油磷脂分子中不同的酯键。作用于1,2位酯键的酶分别称为磷脂酶A1及A2,作用于溶血磷脂1位酯键的酶称为磷脂酶B1,作用于3位磷酸酯键的酶称为磷脂酶C,作用于磷酸取代基间酯键的酶称为磷脂酶D。

磷脂酶A2存在于动物各组织细胞膜及线粒体膜上,Ca2+为其激活剂,使甘油磷脂分子中2位酯键水解,产物为溶血磷脂及多不饱和脂肪酸(大多为花生四烯酸)。溶血磷脂1为2位脱去脂酰基的磷脂,是一类具较强表面活性的物质,能使红细胞膜或其他细胞膜破坏引起溶血或细胞坏死。有人认为,急性胰腺炎的发病机制与胰腺磷脂酶A2对胰腺细胞膜的损伤密切相关。溶血磷脂在细胞内磷脂酶B1的作用下,使1位酯键水解,另一脂肪酸脱下生成不含脂肪酸的甘油磷酸胆碱即失去溶解细胞膜的作用,后者能进一步被磷脂酶D水解为磷酸甘油及含氮碱。磷脂酶A1存在于动物组织溶酶体中(蛇毒及某些微生物亦含有),能水解磷脂的1位酯键,产生脂肪酸及溶血磷脂2。磷脂酶C存在于细胞膜及某些细菌中,能特异水解3位磷酸酯键,产物为甘油二酯及磷酸胆碱或磷酸乙醇胺等。

(三)胆固醇的代谢

胆固醇是人体主要的固醇,它既是细胞膜及血浆脂蛋白的主要成分,又是类固醇激素、胆汁酸及维生素D的前体。胆固醇及其衍生物在性质上类似脂肪,不溶于水而溶于有机溶剂中,是人体主要的脂类之一。

人体约含胆固醇140g,广泛分布于全身各组织中,大约1/4分布在脑及神经组织中,约占脑组织的2%。肝、肾、肠等内脏及皮肤、脂肪组织亦含较多的胆固醇,每100g组织含200~500mg,其中以肝最多。肌肉组织含量较低,每100g肌肉约含100~200mg胆固醇。肾上腺、卵巢等合成类固醇激素的内分泌腺胆固醇含量较高,达1%~5%。

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