章节概述
脂类、萜类以及甾族化合物都是相当重要的天然产物，它们都是由相同的原始物质转化而来的产物， 广泛分布于动植物体内，具有特殊生理效能。这些化合物主要由碳和氢两种元素组成，是非极性的或极性比较小的， 大多不溶于水，基本性质属于疏水的。
细胞膜构建
工业原料
激素、维生素
脂类化合物及其分类
脂类化合物的定义
脂类化合物又称脂质，是自然界中存在的一大类极易溶于有机溶剂、难溶于水、在化学成分及结构上非均一的化合物， 主要包括油脂、蜡、磷脂三大类。研究表明，哺乳动物细胞含有1000～2000种脂质，而且随着新技术和新方法的发展， 各种新的脂质分子还在不断地被发现。
脂质结构的多样性赋予了脂质多种重要的生物功能。脂质在生命体中的主要功能有能量储存、信号传递以及细胞膜的骨架构成。 目前，脂质还应用于化妆品行业、纳米技术以及其他工业应用。
脂类化合物的分类
自然界存在的脂质基本上由两个性质完全不同的结构单元组成：高级脂肪酸和甘油。据此，脂质可以细分为：
脂肪酸类
fatty acids
甘油酯类
glycerolipids
甘油磷酸酯类
glycerophospholipids
鞘脂类
sphingolipids
糖脂类
saccharolipids
天然多酮类
polyketides
各种脂类化合物
油脂以及脂肪酸
油脂主要包括油(oils)和脂肪(fats)。油脂由C、H、O三种元素组成，可溶于多数有机溶剂，但不溶于水。 油脂是由甘油和脂肪酸(fatty acids)反应生成的甘油三酯(triglycerides)，是与一种或一种以上脂肪酸形成的甘油酯。
脂肪与油的区别在于，在室温下脂肪是固体，而油是液体。
脂肪酸的分类
脂肪酸通常指的是带有长烃基链的羧酸。自然界中大多数脂肪酸的骨架为偶数个碳原子的直链，不带有支链。 这条直链的长度为4～28个碳原子。在生命体的新陈代谢中，脂肪酸是非常重要的能量来源。
脂肪酸根据链的长度可以分为短链脂肪酸(6个碳原子以下)、中链脂肪酸(6～12个碳原子)、 长链脂肪酸(13～21个碳原子)，以及超长链脂肪酸(21个碳原子以上)； 也可以根据链中所含碳碳双键的数目分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。
表22-1 各种脂肪酸
| 俗名 | 英文俗名 | 系统名称 | 结构式 | 熔点/℃ |
|---|---|---|---|---|
| (a) 饱和脂肪酸 | ||||
| 月桂酸 | lauric acid | dodecanoic acid | CH₃(CH₂)₁₀COOH | 44 |
| 肉豆蔻酸 | myristic acid | tetradecanoic acid | CH₃(CH₂)₁₂COOH | 59 |
| 棕榈酸 | palmitic acid | hexadecanoic acid | CH₃(CH₂)₁₄COOH | 63 |
| 硬脂酸 | stearic acid | octadecanoic acid | CH₃(CH₂)₁₆COOH | 69 |
| 花生酸 | arachidic acid | eicosanoic acid | CH₃(CH₂)₁₈COOH | 75 |
| (b) 不饱和脂肪酸 | ||||
| 油酸 | oleic acid | (9E)-octadec-9-enoic acid | CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH | 4 |
| 亚油酸 | linoleic acid | (9Z,12Z)-octadeca-9,12-dienoic acid | 具有两个双键 | -12 |
| α-亚麻酸 | α-linolenic acid | (9Z,12Z,15Z)-octadeca-9,12,15-trienoic acid | 具有三个双键 | — |
| 花生四烯酸 | arachidonic acid | (5Z,8Z,11Z,14Z)-eicosa-5,8,11,14-tetraenoic acid | 具有四个双键 | -49 |
有些人体所必需的脂肪酸，由于体内无法自发合成，因此必须从食物中获得，它们被称为必需脂肪酸(essential fatty acids)。 人体的必需脂肪酸主要包括两种：α-亚麻酸和亚油酸。这两种脂肪酸广泛分布于植物油中。
磷脂
磷脂(phospholipids)由C、H、O、N、P五种元素组成，也称磷脂类、磷脂质，是指磷酰化的脂类，属于复合脂。 磷脂是组成生物膜的主要成分。生命体主要含有两大类磷脂：由甘油构成的磷脂称为甘油磷脂 (glycerophospholipids或phosphoglycerides)；由神经鞘氨醇构成的磷脂称为鞘磷脂 (sphingomyelins或phosphosphingolipids)。
从以上结构中可以看出，磷脂为两性分子，一端为亲水的含氮或磷的头，另一端为疏水（亲油）的长烃基链。 由于此原因，磷脂分子亲水端相互靠近，疏水端也相互靠近，常与蛋白质、糖脂、胆固醇等其他分子共同构成脂双分子层， 即细胞膜的结构。其特点是在水解后产生含有脂肪酸和磷酸的混合物。
蜡
蜡作为有机化合物，种类繁多，包括高级烷烃和脂类。其基本特点是疏水性的，不溶于水，但易溶于有机的、非极性的溶剂。 它们的熔点通常在40℃以上，熔化为低黏度液体，在室温下是一可塑性很强的固体。 不同类型的天然蜡是由植物和动物产生的，或在石油产品中分离提取。
蜡是长链烷基组成的一类有机化合物。天然蜡可能是未取代的高级烷烃，但也可以是各种类型取代长链化合物， 如脂肪酸、原发性和继发性长链醇类、酮类和醛类。它们也可能是含有脂肪酸和长链醇的酯。
蜂蜡为软脂酸蜂花酯，是一种混合物，主要成分为三十烷醇与棕榈酸形成的酯，它的熔点是62～65℃。
前列腺素
前列腺素(prostaglandin, PG)是存在于动物和人体中的一类不饱和脂肪酸组成的，具有多种生理作用的活性物质。 最早发现它存在于人的精液中。现已证明，精液中的前列腺素主要来自精囊，全身许多组织细胞都能产生前列腺素。
由于其含量很低，因此一直没法确定其结构。直到20世纪60年代，才首次分离并确定了前列腺素E₁(PGE₁) 和F₁ₐ(PGF₁ₐ)的结构。实验结果表明，所有前列腺素均为含有20个碳原子的羧酸，其结构中含有一个五元脂肪环， 环上带有两个侧链(上侧链7个碳原子，下侧链8个碳原子)，在C11和C15位有羟基取代。
前列腺素从结构上看应该属于与二十酸(icosanoic acid)相关的一大类化合物，因此，又被称为二十酸类化合物(icosanoids)。 这类化合物还有血栓素(thromboxanes)、前列环素(prostacyclines)以及白三烯(leukotrienes)。
不同类型的前列腺素具有不同的功能，如前列腺素E能舒张支气管平滑肌，降低通气阻力； 而前列腺素F的作用则相反。前列腺素的半衰期极短(1～2分钟)，除前列腺素I₂外， 其他的前列腺素经肺和肝迅速降解。前列腺素对内分泌、生殖、消化、血液、呼吸、心血管、泌尿及神经系统均有作用。
萜类化合物的结构、组成和分类
萜类化合物的定义
萜类化合物(terpenes)是广泛分布于植物、昆虫、微生物等体内的一类有机化合物。 19世纪末期，是萜类化学发展的早期，O. A. Wallach通过细致的研究认识到，萜类化合物在结构上具有一个共同点， 就是这些分子可以看做是两个或两个以上的异戊二烯分子，以头尾相连的方式结合起来的。
萜类化合物的分类
后来研究了更多的这类化合物，总结并发展成为异戊二烯规则(isoprene rule)。现在已知， 绝大多数萜类分子中的碳原子数目是异戊二烯五个碳原子的倍数，仅发现个别的例外。 因此，萜类化合物可以根据组成分子中异戊二烯单元的数目来分类：
| 类别 | 碳原子数 | 异戊二烯单元 | 代表性化合物 |
|---|---|---|---|
| 半萜 hemiterpenes | 5 | 1 | 3-甲基-2-丁烯-1-醇 |
| 单萜 monoterpenes | 10 | 2 | 月桂烯 myrcene |
| 倍半萜 sesquiterpenes | 15 | 3 | 蛇麻烯 humulene |
| 二萜 diterpenes | 20 | 4 | 松柏烯A cembrene A |
| 二倍半萜 sesterterpenes | 25 | 5 | 香叶基法呢醇 geranyl farnesol |
| 三萜 triterpenes | 30 | 6 | 羊毛甾醇 lanosterol |
| 多萜 | >30 | >6 | 天然橡胶、古塔波胶 |
萜类化合物在自然界中广泛存在，高等植物、真菌、微生物、昆虫以及海洋生物中都有萜类成分的存在， 其种类繁多，估计有1万种以上，是天然物质中最多的一类。萜类化合物是中草药中一类比较重要的化合物， 已经发现许多萜类化合物是中草药中的有效成分，有许多的生理活性，如祛痰、止咳、驱风、发汗、驱虫、镇痛。 同时它们也是一类重要的天然香料，在化妆品和食品工业中有其独特的地位。
各种萜类化合物
单萜类化合物依据其基本碳骨架是否成环的特征，分为非环状单萜和单环、双环、三环的环状单萜， 其中含单环和双环的化合物较多，构成的碳环多数为六元环。
1. 非环状单萜
非环状单萜又称为开链单萜，它是由两个异戊二烯单元结合而成的非环状化合物。 非环状单萜中有许多是珍贵的香料。例如，月桂烯最早是从月桂油中分离出来的， 后来在啤酒花、松节油等多种精油中均有发现。
2. 单环单萜
单环单萜类化合物都含有一个六元碳环，它们都以稳定的椅式构象存在。例如，薄荷醇(menthol)又称为薄荷脑， 分子中有3个手性碳，应有8个旋光异构体，可形成四对外消旋体。
3. 双环单萜
双环单萜的骨架是由一个六元环分别与三元环、或四元环、或五元环共用若干个原子构成的。 根据碳的骨架不同，可分为侧柏烷系、薄烷系、蒎烷系和莰烷系。
含有三个异戊二烯单元的萜类化合物称为倍半萜，其代表性化合物为金合欢醇(farnesol)，又称为法呢醇。 商品金合欢醇必须含金合欢醇（异构体总量）96%以上，才可作为日用香料使用，因为含杂质过多的金合欢醇有致敏作用。
营养上必需的维生素(vitamin)A₁，也称为视黄醇(retinol)，是一个二萜醇。它只存在于动物体内， 但是植物中的β-胡萝卜素(β-carotene)，在人体肝脏中也可以转换成维生素A₁。 β-胡萝卜素分子正中间的双键被氧化，生成视黄醛(retinal, retinaldehyde)，再经还原酶还原后，就转化为维生素A₁。
胡萝卜素类化合物
胡萝卜素类化合物(carotenes)广泛地存在于植物和动物的脂肪内，但是动物自身不能合成胡萝卜素。 最早获得的胡萝卜素是一个红色的结晶，当时认为是一个纯的物质。很多年以后，R. Kuhn将柱色谱法广泛地应用于有机化学的研究中， 能够被分离为纯的单体，这对有机天然产物的研究起了很大的推动作用。利用这个方法，胡萝卜素被分离成为四个组分， 分别称为α-、β-、γ-、δ-胡萝卜素，它们的结构颇为近似，都是由8个异戊二烯单元组成的，属于四萜类化合物。
β-胡萝卜素分子正中间的双键被氧化后可以生成维生素A。它们的分子中都含有11～12个双键，因此这类色素又称为多烯色素。
甾族化合物的基本骨架和构象式
甾族化合物的定义
甾族化合物(steroids)是指环状骨架具有特殊排布的四环类化合物，其核心的四环稠合骨架含有17个碳原子， 其中三个为六元环，另一个为五元环。从左到右，这些环分别为A、B、C以及D环，这个稠环体系就是全氢化菲并环戊烷的基本骨架。
甾族化合物的构象
这类化合物通常都含有两个角甲基和一个烃基。碳原子按固定的顺序编号，编号的次序如上图所示。 从理论上讲，甾族化合物的A、B环之间，B、C环之间，C、D环之间应该既能顺式相连，又能反式相连； 实际上，天然甾族化合物的B、C环和C、D环都是反式相连的，只有A环和B环有顺式相连，也有反式相连的。 所以甾族化合物的环架只有两种构象式：
在甾族化合物的结构式中，用实楔形键和环系连接的原子或基团是伸在前面的，用虚楔形键和环系连接的原子或基团是伸在后面的。 前者称为β-取向，后者称为α-取向。按此规则，此式中羟基、两个角甲基及烃基都是β-取向的。
各种甾族化合物
胆固醇
胆固醇(cholesterol)是最早发现的一个甾族化合物，因此也称为胆甾醇。1758年，法国医生和化学家F. P. de la Salle 首次从胆结石中分离得到了胆固醇。1816年，法国化学家M. E. Chevreul将这种具有脂类性质的物质命名为胆固醇。
胆固醇是动物组织细胞所不可缺少的重要物质，广泛存在于动物体内，尤以脑及神经组织中最为丰富， 在肾、脾、皮肤、肝和胆汁中含量也高。其溶解性与脂肪类似，不溶于水，易溶于乙醚、氯仿等溶剂。 胆固醇不仅参与形成细胞膜，而且还是合成胆汁酸、维生素D以及甾族类激素的基本原料。
胆固醇在体内有着广泛的生理作用，但当其过量时便会导致高胆固醇血症，对机体产生不利的影响。 研究发现，动脉粥样硬化、静脉血栓形成和胆石症与高胆固醇血症有着密切的相关性。
麦角固醇及维生素D
麦角固醇(ergosterol)和7-脱氢胆固醇(7-dehydrocholesterol)是与胆固醇结构非常类似的两个化合物。 麦角固醇的分子中含有三个双键，在B环有一个共轭双键，侧链上碳C22～C23处有一个双键； 而7-脱氢胆固醇的B环有一个共轭双键，这是胆固醇在酶的氧化下形成了共轭体系。
这是两个非常有意思的分子，在紫外线的照射下，可产生一系列物质，产物非常复杂。 其中一个重要的变化，就是C9～C10之间的键发生断裂，即环己二烯开环变为己三烯衍生物。 两者的产物分别为维生素D₂和D₃。
维生素D₃是人体吸收Ca²⁺的关键化合物。如果人体内维生素D₃的水平低下，将会使骨骼生长缓慢，导致软骨病。 维生素D₂和D₃的差别主要在侧链的C22～C23处，前者是碳碳双键，后者是饱和的。这二者都具有防止软骨病的效能。 最后应当提到的一点是，维生素D实际上是D₂和D₃的统称，并没有所谓的维生素D₁。
胆酸和糖皮质激素
胆酸也是一种甾醇，是人类四种主要胆汁酸(bile acids)中含量最丰富的一种。 在肝脏中，胆固醇的侧链被氧化后形成胆酸。1912年，德国化学家H. O. Wieland开始研究胆汁酸， 他证明了胆酸、胆汁酸与胆固醇的关系。他和合作者多年探索着胆固醇分子中某个特定部位的氧化作用， 终于得出胆酸和其他胆汁酸的部分正确结构。他因研究胆汁酸及其类似物质而获得1927年诺贝尔化学奖。
糖皮质激素(glucocorticoids)，又名"肾上腺皮质激素"，是由肾上腺皮质分泌的一类甾体激素，也可由化学方法人工合成。 糖皮质激素的基本结构特征包括肾上腺皮质激素所具有的C3的羰基、Δ⁴和17β酮醇侧链以及糖皮质激素独有的17α-OH和11β-OH。
甾族性激素
性激素主要有雌性激素(estrogenic hormone)、雄性激素(androgenic hormone)与妊娠激素(pregnancy hormone)三种。 雄性激素及雌性激素是决定性征的物质。在植物体内，也发现少量的雌酮激素。在猪卵巢内发现了一个比雌酮激素强九倍的 雌二醇(estradiol)激素，大约由一吨半的猪卵巢可以得到12 mg的产物！
从结构上讲，这些都是甾族化合物。特别有意思的是，雌性激素A环是芳环，是一个酚； 而雄酮激素A环是饱和的，是一个二级醇，除此之外，它还比雌性激素多一个角甲基。 一个苯环和一个环己烷之差，决定了两性的第二性征的区别！
其他具有生理作用的甾族化合物
下面介绍几个代表性的有生理作用的甾族化合物：
炔诺酮
norethisterone
一种最流行的避孕药剂
蟾蜍他灵
bufotaline
从蟾蜍分泌物中取得，具有强心的作用
毛地黄毒苷配基
digitoxogenin
由毛地黄植物内分离出来的毒素，具有调节心脏的功能
蜕皮激素
ecdysone
一种昆虫激素，是由蚕蛹内首次分离出来的
脂类、萜类以及甾族化合物的生物合成
乙酰辅酶A的关键作用
乙酰基在天然化合物的生物合成中起着非常重要的作用。乙酰辅酶A(acetyl-CoA)是辅酶A的乙酰化形式， 可以看做是活化了的乙酸。乙酰基与辅酶A的半胱氨酸残基的—SH基团相连，这其实是高能的硫酯键。 乙酰辅酶A是脂肪酸的β-氧化及糖酵解后产生的丙酮酸(pyruvic acid)氧化脱羧的产物，在许多代谢过程中起着关键的作用。
萜类和甾族化合物的生物合成途径
天然橡胶的生物合成
应当注意到，上面的两个五碳单位彼此结合是采取了头尾相接的方式。不难看出，假若用这种方式继续结合下去， 就能得到异戊二烯的多聚体。橡胶就是属于这一类型的多异戊二烯聚合体。
从上述反应可以看到，醋酸在体内经过酶的作用，变为活化的醋酸，再经过聚合，可以变为高分子化合物， 但也可以聚合到一定程度后，以头头相接的方式转变为另一类型的分子。有机体内的化合物，虽然种类繁多， 但经过仔细研究后可以看出，自然界在长期的进化发展中，已探索出一些基本的合成途径并可以将它们归纳成为若干类型。
复习本章的指导提纲
基本概念和基本知识点
- 脂类化合物的定义；脂类化合物的分类；脂类化合物的实例
- 萜类化合物的定义；萜类化合物的结构、组成和分类
- 异戊二烯规则；非环状单萜、单环单萜、双环单萜
- 倍半萜、二萜、三萜和四萜；萜类化合物的实例
- 甾族化合物的定义；甾族化合物的基本骨架和构象式
- α-取向和β-取向；甾族化合物的实例
- 脂类、萜类以及甾族化合物的生物合成
重要化合物
- 脂类：甘油三酯、磷脂、蜂蜡、前列腺素
- 萜类：月桂烯、薄荷醇、柠檬烯、樟脑、冰片、金合欢醇、维生素A
- 甾族：胆固醇、麦角固醇、维生素D、胆酸、皮质甾醇、雌酮、睾丸酮
- 生物合成中间体：乙酰辅酶A、异戊烯焦磷酸、角鲨烯、羊毛甾醇
英汉对照词汇
acetoacetyl-CoA 乙酰乙酰辅酶A
arachidonic acid 花生四烯酸
bee waxes 蜂蜡
bile acids 胆酸
borneol 冰片
camphor 樟脑
carotene 胡萝卜素
cholesterol 胆固醇
cortisol 皮质甾醇
cortisone 可的松
diterpenes 二萜
ecdysone 蜕皮激素
ergosterol 麦角固醇
essential fatty acids 必需脂肪酸
estrogenic hormone 雌酮激素
farnesol 金合欢醇
fatty acids 脂肪酸
geraniol 香叶醇
glucocorticoid 糖皮质激素
glycerolipids 甘油酯类
glycerophospholipids 甘油磷酸酯类
hemiterpenes 半萜
isoprene rule 异戊二烯规则
lanosterol 羊毛甾醇
leukotrienes 白三烯
limonene 柠檬烯
linalol 芳樟醇
linoleic acid 亚油酸
lipids 脂类化合物
menthol 薄荷醇
monoterpenes 单萜
myrcene 月桂烯
oleic acid 油酸
palmitic acid 棕榈酸
phospholipids 磷脂
pinene 蒎烯
prostaglandin 前列腺素
retinol 视黄醇
sesquiterpenes 倍半萜
sphingolipids 鞘脂类
squalene 角鲨烯
stearic acid 硬脂酸
steroids 甾族化合物
terpenes 萜类化合物
testosterone 睾丸酮
thromboxanes 血栓素
triglycerides 甘油三酯
triterpenes 三萜
vitamin 维生素