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1、,基 础 生 物 化 学 Biochemistry,,生命科学学院 夏 妍,第十一章 脂类代谢 Lipid Metabolism,11.1 脂类的分解代谢 11.2 脂类的合成 11.3 其他脂类代谢,第一节 脂肪酸的分解代谢,脂类（lipids）是生物体维持正常生命活动不可缺少的一大类有机化合物，是与糖类、蛋白质、核酸并列为四大类重要基本物质之一； 脂类的一个共性就是难溶于水，易溶于有机溶剂的生物有机分子； 其本质是脂肪酸和醇形成的酯类及其衍生物。,一. 脂肪的概念,脂的定义与生物学功能,(1)是生物细胞能量的储存物质 在高等动物体中，甘油三酯主要积累在皮下组织、肠间膜内等，动物的血液、淋巴
2、液、肝脏、骨髓等中也都储藏一定量的脂肪。 植物的甘油三酯多存在于种子和果实中，一些油料作物种子的含油量高达3050%。 甘油脂通过氧化可以供给人类及动植物生命过程所需的热能。1g甘油脂在体内氧化可产生39kJ的热量，比碳水化合物和蛋白质在同样条件下的热量约高一倍。,(2) 是生物细胞的结构物质。其中的磷脂是构成细胞生物膜（Biomembrane）的重要结构物质。现代研究表明，细胞质膜（plasma membrane）是细胞的界膜，控制着细胞内外所有物质的出入。同时，细胞质膜上各种脂、蛋白质、糖等表面复合物质的存在与细胞的识别、信号转导、种质特异性和组织免疫等有密切关系。因此，生物膜对细胞的生命
3、活动具有特别重要的作用；,(3) 许多脂类物质行使着各种重要特殊的生理功能。这些物质包括某些维生素和激素等。例如，萜类化合物中包含着维生素A、维生素D、维生素E和维生素K，它们是调节生理代谢重要的活性物质。还有定位在质膜上磷脂化合物，如磷脂酰肌醇、N-磷脂酰乙醇胺等是调节细胞生长发育、抗逆境反应的脂质信号分子。,(1) 单纯脂是脂肪酸和醇类所形成的酯，其中典型的为甘油三酯。 (2) 复合脂除醇类、脂肪酸外还含有其它物质，如磷酸、含氮化合物、糖基及其衍生物、鞘氨醇及其衍生物等。 (3) 其它脂为一类不含有脂肪酸、非皂化的脂，包括萜类、甾类化合物等。,脂的分类,单纯脂,复合脂,磷酸甘油脂，又称甘油
4、磷脂，是最具有代表性的复合脂，广泛存在于动物、植物和微生物。磷酸甘油脂是细胞膜结构重要的组分之一，在动物的脑、心、肾、肝、骨髓、卵以及植物的种子和果实中含量较为丰富。最简单的磷酸甘油脂结构如图,甘油三酯结构,二. 脂肪的水解,R1、R2、R3可以相同，也可以不全相同甚至完全不同， R2多是不饱和的。,Triglyceride (TG) or triacylglycerol (TAG),Glycerol,二. 脂肪的水解,脂肪,脂肪的水解,脂肪的水解,甘油在甘油激酶的催化下，被磷酸化成3-磷酸甘油，然后氧化脱氢生成磷酸二羟丙酮。,三. 甘油的代谢,其反应如下：,其中第一步反应需要消耗ATP，而第
5、二步反应可生成还原辅酶。,磷酸二羟丙酮为磷酸丙糖，是EMP途径的中间产物，因此既可以继续氧化，经丙酮酸进入TCA循环彻底氧化成CO2和水， 又可经糖异生作用合成葡萄糖，乃至合成多糖。,四. 脂肪酸的分解,-氧化作用的提出是在十九世纪初，Franz Knoop 在此方面作出了关键性的贡献。 他将末端甲基上连有苯环的脂肪酸喂饲狗，然后检测狗尿中的产物。 食用含偶数碳的脂肪酸的狗的尿中有苯乙酸的衍生物苯乙尿酸，而食用含奇数碳的脂肪酸的狗的尿中有苯甲酸的衍生物马尿酸。 Knoop由此推测无论脂肪酸链的长短，脂肪酸的降解总是每次水解下两个碳原子。,a,b,Knoop 提出脂肪酸的氧化发生在-碳原子上，而
6、后Ca与Cb之间的键发生断裂，从而产生二碳单位，此二碳单位Knoop推测是乙酸。 以后的实验证明Knoop推测的准确性，由此提出了脂肪酸的b-氧化作用。 -氧化作用是指脂肪酸在-碳原子上进行氧化，然后a-碳原子和b-碳原子之间键发生断裂。每进行一次-氧化作用，分解出一个二碳片段，生成较原来少两个碳原子的脂肪酸。,b-氧化作用的部位：Localization of -oxidation occurs in mitochondria,油料作物种子萌发时,乙醛酸循环体 (glyoxysome，简称乙醛酸体),Matrix (动物中),1. 脂肪酸-氧化的过程,(1) 脂肪酸的活化,(2) 脂肪酸的转
7、运,(3) b-氧化,(1) 脂肪酸的活化,脂肪酸进入细胞，在胞浆中被活化，形成脂酰CoA 脂肪酸的活化是指脂肪酸的羧基与CoA酯化成脂酰CoA的过程。反应如下：,脂酰CoA,脂肪酸的活化需要ATP的参与。每活化1分子脂肪酸，需要1分子ATP转化为AMP，即要消耗2个高能磷酸键。这可以折算成需要2分子ATP水解成ADP。 在体内，焦磷酸很快被磷酸酶水解，使得反应不可逆。,(2) Transport into mitochondria,脂肪酸的b-氧化作用通常是在线粒体的基质中进行的， 中、短链脂肪酸（10个碳原子以下）可直接穿过线粒体内膜，而长链脂肪酸需依靠肉碱（也叫肉毒碱，Carnitine
8、）携带，以脂酰肉碱的形式跨越内膜而进入基质，故称肉碱转运。,肉碱（也叫肉毒碱，Carnitine）的结构如下：,肉毒碱是季胺类化合物，在植物和动物中均存在；在人体中是一种必需的营养素，有着重要的生物学功能和临床应用价值。近年来肉毒碱在心脑血管疾病、消化疾病、儿童疾病的预防和治疗，以及血液透析病人的营养支持和运动医学等领域已得到广泛的研究和应用。,脂酰肉碱转移酶,脂酰肉碱转移酶,脂酰CoA跨线粒体内膜的机制,2. 脂酰CoA进入线粒体,在肉碱（carnitine）的协助下,其中的肉碱脂酰转移酶和是一组同工酶。 肉碱脂酰转移酶在线粒体外催化脂酰CoA上的脂酰基转移给肉碱，生成脂酰肉碱； 肉碱脂酰转
9、移酶则在线粒体内将运入的脂酰肉碱上的脂酰基重新转移至CoA，游离的肉碱被运回内膜外侧循环使用。,(3) -氧化的历程,反应历程：每次b-氧化作用包括脱氢、水化、再脱氢和硫解四个步骤 反应产物：每经历1次b-氧化作用释放出1分子乙酰CoA，和比原脂酰CoA少2个碳的脂酰CoA, 脂酰CoA脱氢氧化,在脂酰CoA脱氢酶的催化下，在-和-碳原子上各脱去一个氢原子，生成反式,-烯脂酰CoA，氢受体是FAD。, 水化,在烯脂酰CoA水合酶催化下，,-烯脂酰CoA水化，生成L(+)-羟脂酰CoA。, 再脱氢,在-羟脂酰CoA脱氢酶催化下，脱氢生成-酮脂酰CoA。反应的氢受体为NAD+。 此脱氢酶具有立体专
10、一性，只催化L(+)-羟脂酰CoA的脱氢。, 硫解,在-酮脂酰CoA硫解酶催化下，生成乙酰CoA和比原来少两个碳原子的脂酰CoA。,乙酰CoA,乙酰CoA,氧化,柠檬酸循环,对于长链脂肪酸，需要经过多次b-氧化作用，每次降解下一个二碳单位，直至成为二碳（当脂肪酸含偶数碳时）或三碳（当脂肪酸含奇数碳时）的脂酰CoA。,-氧化的历程,4.-氧化的调节,脂酰基进入线粒体的速度是限速步骤， 长链脂酸生物合成的第一个前体丙二酸单酰CoA的浓度增加，可抑制肉碱脂酰转移酶，限制脂肪酸氧化。 NADH/NAD+比率高时，羟脂酰CoA脱氢酶便受抑制。 乙酰CoA浓度高时，可抑制硫解酶，抑制氧化,下图是软脂酸（棕
11、榈酸 C15H31COOH）的b-氧化过程，它需经历七轮b-氧化作用而生成8分子乙酰CoA。,5. 偶数碳饱和脂肪酸的氧化,对于偶数碳饱和脂肪酸，b-氧化过程的化学计量： 脂肪酸在b-氧化作用前的活化作用需消耗能量，即1分子ATP转变成了AMP，消耗了2个高能磷酸键，相当于2分子ATP。 在b-氧化过程中，每进行一轮，使1分子FAD还原成FADH2、1分子NAD+还原成NADH，两者经呼吸链可分别生成1.5分子和2.5分子ATP，因此每轮b-氧化作用可生成4分子ATP。 b-氧化作用的产物乙酰CoA可通过三羧酸循环而彻底氧化成CO2和水，同时每分子乙酰CoA可生成10分子ATP。,在油料种子萌
12、发时乙醛酸体中通过b-氧化产生的乙酰CoA一般不用作产能形成ATP，而是通过乙醛酸循环（见后）转变成琥珀酸，再经糖的异生作用转化成糖。,脂肪酸-氧化的生理意义,为机体提供比糖氧化更多的能量 乙酰CoA还可作为脂肪酸和某些AA的合成原料 产生大量的水可供陆生动物对水的需要,6. 不饱和脂肪酸的氧化,场所：线粒体 脂肪酸活化与转运同饱和脂肪酸 （一）单不饱和脂肪酸：异构酶 （二）多不饱和脂肪酸：异构酶、还原酶,生物体中的不饱和脂肪酸的双键都是顺式构型; 位置相当有规律 第一个双键都是在C9和C10之间（写作D9），以后每隔三个碳原子出现一个。 例如，亚油酸18:2D9，12；-亚油酸18:3D9,
13、12,15。 不饱和脂肪酸的氧化与饱和脂肪酸基本相同，只是某些步骤还需其它酶的参与，现以油酸为例加以说明。,单不饱和脂肪酸的分解（线粒体内）,油酸经历了三轮b-氧化作用后，产物在b,g位有一顺式双键，因此接下来的反应不是脱氢，而是双键的异构化，生成反式的a,b双键，然后b-氧化作用继续正常进行。 油酸的氧化与相同碳的饱和脂肪酸（硬脂酸）相比，只是以一次双键异构化反应取代了一次脱氢反应，所以少产生一分子FADH2。,不仅是单不饱和脂肪酸，所有的多不饱和脂肪酸的前四轮b-氧化作用都与油酸相类同，都在第四轮时需要一种异构酶的参与。,烯脂酰CoA异构酶,烯酰CoA还原酶,多不饱和脂肪酸的分解（线粒体内
14、）,亚油酰CoA,烯脂酰CoA异构酶,大多数脂肪酸含偶数碳原子，它们通过b-氧化可全部转变成乙酰CoA， 一些植物和海洋生物能合成奇数碳脂肪酸，它们在最后一轮b-氧化作用后，产生丙酰CoA。,7. 奇数碳链脂肪酸的氧化,丙酰CoA的代谢在动物体内先进行羧化，然后经过两次异构化，形成琥珀酰CoA。,奇数碳原子脂肪酸氧化,生物素,丙酰CoA转化成乙酰CoA，进入TCA 这条途径在植物、微生物中较普遍。,脂肪酸在一些酶的催化下，在a-碳原子上发生氧化作用，分解出一个一碳单位CO2，生成缩短了一个碳原子的脂肪酸。这种氧化作用称为脂肪酸的a-氧化作用。,五. 脂肪酸的a-氧化途径,a-氧化作用是1956
15、年由P.K.Stumpf首先在植物种子和叶片中发现的，后来在动物脑和肝细胞中也发现了脂肪酸的这种氧化作用。,以游离脂肪酸作为底物，在a-碳原子上发生羟化（-OH）或氢过氧化（-OOH），然后进一步氧化脱羧,生物体内a-氧化的重要意义 奇数碳脂肪酸的形成； 含甲基的支链脂肪酸的降解； 过长的脂肪酸（如C22、C24）的降解 哺乳动物将绿色蔬菜中植醇降解就是通过这种途径而实现的,脂肪酸的-氧化是指脂肪酸的末端（-端）甲基发生氧化，先转变成羟甲基，继而再氧化成羧基，从而形成a, -二羧酸的过程。 形成二羧酸（内质网） 二羧酸进入线粒体 从分子任何一端进行-氧化 最后生成的琥珀酰CoA可直接进入TCA
16、,六.脂肪酸的-氧化途径,生成的,-二羧酸可从两端进行b-氧化作用而降解。,脂肪酸的氧化,中长链脂肪酸,醇酸脱氢酶,醛酸脱氢酶,琥珀酸,动物体内的十二碳以下的脂肪酸常常通过w-氧化途径进行降解。 植物体内的在w-端具有含氧基团（羟基、醛基或羧基）的脂肪酸大多也是通过w-氧化作用生成的，这些脂肪酸常常是角质层或细胞壁的组成成分。 一些需氧微生物能将烃或脂肪酸迅速降解成水溶性产物，其降解过程首先要进行-氧化作用，生成二羧基脂肪酸后再通过b-氧化作用降解,有不少的细菌、藻类或处于一定生长阶段的高等植物（如正在萌发的油料种子），脂肪酸降解的主要产物乙酰CoA还可以通过另外一条途径 乙醛酸循环（glyoxylate cycle），将2分子乙酰CoA合成1分子四碳化合物琥珀酸。,七.乙醛酸循环（Glyoxylate cycle）,乙醛酸循环
