第六章 脂类代谢

第六章 脂类代谢
教学目标：
1.掌握脂类的结构、生理功能及酶促水解。
2.掌握甘油的氧化、脂肪酸的β-氧化途径；酮体的生成和利用；了解脂肪酸氧化的其他途径。
3.掌握软脂酸合成的部位、原料、途径及关键酶；熟悉脂肪酸链的加长和去饱和；了解脂肪酸代谢的调节。
第三节 脂肪的合成代谢
人体内的脂肪来源于食物和体内合成，原料涉及3-磷酸甘油的生成和脂肪酸的生物合成。肝脏、脂肪组织和小肠均可合成脂肪，以肝脏合成能力最强。
一、3-磷酸甘油的生成
糖分解代谢产生的磷酸二羟丙酮经脱氢酶催化还原生成3-磷酸甘油是最主要的来源；脂肪分解产生的甘油主要用于糖异生，很少一部分经脂肪组织外的甘油激酶催化与ATP作用生成3-磷酸甘油。
（一）软脂酸的生物合成
1. 乙酰CoA转运至胞浆（柠檬酸-丙酮酸循环）。
乙酰CoA与草酰乙酸在线粒体先缩合生成柠檬酸，经内膜上的载体转运入胞浆，在ATP-柠檬酸裂解酶作用下生成乙酰CoA与草酰乙酸，前者参与脂肪酸的合成，后者可经苹果酸脱氢酶和苹果酸酶催化转变为丙酮酸再进入线粒体，也可在载体作用下，经苹果酸直接进入线粒体，继而转变为草酰乙酸。
乙酰乙酸在β-羟丁酸脱氢酶的催化下，由NADH供氢，被还原为β-羟丁酸或脱羧生成丙酮。
（二）酮体的利用
酮体是正常的、有用的代谢物，是很多组织的重要能源。但肝细胞氧化酮体的酶活性很低，因此酮体经血液运输到肝外组织进一步氧化分解。心、肾、脑和骨胳肌线粒体有活性很高的氧化酮体的酶。β-羟丁酸在β-羟丁酸脱氢酶催化下重新脱氢生成乙酰乙酸，在不同肝外组织中乙酰乙酸可在琥珀酰CoA转硫酶或乙酰乙酸硫激酶作用下转变为乙酰乙酰CoA，再由乙酰乙酰CoA硫解酶裂解为2分子乙酰CoA，进入TCA途径彻底氧化。
第一节 概论
一、脂类
脂肪(fat)又称甘油三酯（triglyceride ,TG）。脂肪细胞是哺乳动物脂肪主要储存处。糖原可在短时间（1h左右）提供用于肌肉收缩的能量，但持续、剧烈地工作，如马拉松选手竞赛、侯鸟持久的飞行和蝗虫迁移，其能量来源依赖TG的代谢。1g脂肪氧化释能37.6 kJ，比等量的糖或蛋白质高出2倍以上。
3. 乙酰基和丙二酸单酰基的转移（负载）
脂肪酸合成的酰基载体不是CoA，而是酰基载体蛋白。在乙酰CoA-ACP转酰基酶和丙二酸单酰CoA-ACP转酰基酶的催化下，乙酰基和丙二酸单酰基被转移至ACP上，生成乙酰-ACP和丙二酸单酰-ACP。
多不饱和脂肪酸的氧化还需一个特殊的还原酶。
三、酮体的生成和利用
脂肪酸经β-氧化生成的大多数乙酰CoA进入TCA循环，当乙酰CoA的量超过TCA循环氧化能力时，多余的生成酮体（ketone bodies）,包括β-羟丁酸（占70%）、乙酰乙酸（占30%）和丙酮（微量）。酮体是燃料分子，作为“水溶性的脂”，在心脏和肾脏中比脂肪酸氧化得更快。
天然脂肪酸多为偶数C，16C或18C多见；不饱和脂肪酸中的亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸是必需脂肪酸。
磷脂按其化学结构分为甘油磷脂和鞘磷脂。
甘油磷脂是生物膜中含量最多的脂类物质，核心结构是甘油-3-磷酸，C1和C2位的羟基被2条脂酰基长链取代（形成疏水尾），C3的磷酸羟基结合各种取代基形成极性头。包括磷脂酰胆碱（卵磷脂，PC）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂，PE）、磷脂酰丝氨酸(PS）、磷脂酰甘油、二磷脂酰甘油（心磷脂）及磷脂酰肌醇（PI）六类，每一类又因组成的脂酸不同而有若干种，红细胞就有100种以上的不同的磷脂。鞘磷脂、脑苷脂和神经节苷脂属鞘脂类，在神经组织和脑内含量较高。不含甘油，由一分子脂肪酸，一分子鞘氨醇或其衍生物，一分子极性头基团组成。
（二）脂酰CoA进入线粒体
脂肪酸的氧化是在线粒体内进行的, 而脂酰CoA不能自由通过线粒体内膜进入基质, 需耍通过线粒体内膜上肉毒碱转运才能将脂酰基带入线粒体。内膜两侧的脂酰CoA肉毒碱酰基转移酶Ⅰ、Ⅱ（同工酶）催化完成脂酰基的转运和肉毒碱的释放。酶Ⅰ是FFA氧化分解的主要限速酶。
（三）脂酰CoA的β-氧化
脂酰CoA氧化生成乙酰CoA涉及四个基本反应：第一次氧化反应、水化反应、第二次氧化反应和硫解反应。
第一步由脂酰CoA脱氢酶催化脱氢生成反-⊿2-烯脂酰CoA和 FADH2。
第二步由反-⊿2-烯脂酰CoA水化酶催化加水生成L-（+）-β-羟脂酰CoA。
第三步由L-（+）-β-羟脂酰CoA脱氢酶催化生成β-酮脂酰CoA和NADH+H+。
3.胆固醇酯酶水解胆固醇酯生成胆固醇和脂肪酸。
4.小肠可吸收脂类的水解产物。胆汁酸盐帮助乳化，结合载脂蛋白（apoprotein,apo）形成乳糜微粒经肠粘膜细胞吸收进入血循环。所以乳糜微粒(chylomicron,CM)是转运外源性脂类（主要是TG）的脂蛋白。
第二节 脂肪的分解代谢
总反应方程式是：软脂酰CoA+23 O2+131Pi+131ADP→CoASH+16 CO2+123H2O+131ATP
净生成的ATP数：12×8＋3×7＋2×7－2 =129。 (脂肪酸活化消耗2个高能磷酸键，相当消耗2个ATP)
当以脂肪为能源时，生物体还获得大量的水。骆驼的驼峰是储存脂的“仓库”，既提供能量，又提供所需的水。
（五）脂肪酸氧化的其他途径
1. 奇数碳原子脂酸的氧化
人体含极少量奇数碳脂肪酸，而许多植物、海洋生物、石油酵母等含一定量的奇数碳脂肪酸。其β-氧化除生成乙酰CoA外，还生成1分子丙酰CoA，后者可通过β-羧化酶及异构酶的作用生成琥珀酰CoA，经TCA途径彻底氧化。
2. 不饱和脂肪酸的氧化
固醇是环戊烷多氢菲的衍生物。胆固醇（cholesterol ,Ch）及胆固醇酯是血浆蛋白和细胞外膜的重要组分。胆固醇可调节生物膜的流动性，同时也是合成胆汁酸、类固醇激素和维生素D等生理活性物质的前体。
二、生物膜
细胞的外周膜和细胞器的内膜系统统称为生物膜。其功能是维持细胞内环境相对稳定的屏障，又是进行物质交换、细胞识别、信息传递的场所，内膜系统使酶区域化分布保证各种生化反应有序进行。膜的基本结构是脂质双分子层，用“流体镶嵌模型”解说。
第四步由硫解酶作用底物的α-与β-C间断裂，CoASH参与，生成1分子乙酰CoA和比原来少2个C的脂酰CoA。然后再一轮β-氧化，如此循环反应。
（四）脂肪酸氧化的能量计算
1分子软脂酸（16C）经7次β-氧化可生成8个乙酰CoA、7个NADH+H+、7个FADH2。每个乙酰CoA进入TCA循环生成3个NADH+H+、1个FADH2、1个GTP，并释放2分子CO2。
二、脂肪酸的生物合成
合成脂肪酸的酶系主要在胞浆，而糖代谢提供的乙酰CoA原料又在线粒体生成，所以乙酰CoA需通过转运。合成脂肪酸的过程不同于β-氧化的逆过程，是由7种酶蛋白和酰基载体蛋白（ACP）组成的多酶复合体完成，合成的产物是软脂酸。碳链延长是在线粒体和内质网中的2个不同的酶系催化下进行的。
二、脂肪酸的氧化分解
脂肪酸不溶于水，在血液中与清蛋白结合后（10:1），运送全身各组织，在组织的线粒体内氧化分解，释放大量的能量，以肝脏和肌肉最为活跃。1904年，Knoop用苯环作标记，追踪脂肪酸在动物体内的转变过程，发现当奇数碳脂肪酸衍生物被降解时，尿中检测出的是马尿酸，如果是偶数碳，尿中排出的是苯乙尿酸。显然脂肪酸酰基链的降解发生在β-碳原子上，即每次从脂酸链上切下一个二碳单位。以后的科学实验证明β-氧化学说是正确的，切下的二碳单位是乙酰CoA，脂肪酸进入线粒体前先被活化。
三、脂类的酶促水解
1.脂肪酶广泛存在于动物、植物和微生物中。在人体内，脂肪的消化主要在小肠，由胰脂肪酶催化，胆汁酸盐和辅脂肪酶的协助使脂肪逐步水解生成脂肪酸和甘油。
2.磷脂酶有多种，作用于磷脂分子不同部位的酯键。作用于1位、2位酯键的分别称为磷脂酶A1及 A2，生成溶血磷脂和游离脂肪酸。作用于3位的称为磷脂酶C，作用磷酸取代基间酯键的酶称磷脂酶D。作用溶血磷脂1位酯键的酶称磷脂酶B1。
食物中的脂肪通过消化被脂肪酶逐步降解为甘油和游离脂肪酸（FFA）,而储存于脂肪细胞中的脂肪通过脂肪动员降解，在脂肪动员中，三酰甘油脂肪酶的活性低，是脂肪动员的限速酶。脂肪分解是生物体利用脂肪作为供能原料的第一个步骤。
一、甘油的氧化
脂肪动员产生的甘油主要在肝细胞经甘油激酶作用生成3-磷酸甘油，再脱氢生成磷酸二羟丙酮后循糖代谢途径分解或经糖异生途径转化成葡萄糖。脂肪细胞及骨骼肌等组织因甘油激酶活性很低，不能很好利用甘油。
脑在正常代谢时主要以葡萄糖为能源，但在饥饿和患糖尿病时，也不得不利用乙酰乙酸，长期饥饿时，脑需要的燃料有75%是乙酰乙酸。长期饥饿和糖尿病患者的呼吸中会拌有丙酮的气味（乙酰乙酸脱羧形成）。
正常情况下，血中酮体含量很低，为0.05~0.5mmol/L。在饥饿、高脂低糖膳食和糖尿病时，脂肪动员加强，酮体生成增加，超出肝外组织利用酮体的能力，血中酮体含量升高，造成酮症酸中毒，称为酮血症，若尿中酮体增多则称为酮尿症。
（一）脂肪酸的活化
在胞液中FFA通过与CoA酯化被激活,催化该反应的酶是脂酰CoA合成酶，需ATP、Mg2+参与。反应产生的PPi立即被焦磷酸酶水解，阻止了逆反应，所以1分子FFA的活化实际上消耗2个高能磷酸键。
RCOOH+ATP+CoASH—→RCO~SCoA+AMP+PPi
2. 乙酰CoA羧化生成丙二酸单酰CoA
乙酰CoA羧化酶催化，ATP、生物素、Mg2+参与，总反应：
乙酰CoA+ATP+HCO3－——→ 丙二酸单酰CoA+ADP+Pi
ATP提供能量，生物素起转移羧基的作用，乙酰CoA羧化酶是FA合成的限速酶（变构酶），变构剂柠檬酸与其变构部位结合可激活此酶的活性。