生物化学脂类与脂代谢 ppt课件

第七章 脂类与脂类代谢 本章内容 n 脂类 n 甘油三酯的分解代 谢 n 脂肪的生物合成 n 磷脂的代谢 n 胆固醇的代谢 脂类（ lipid） 亦译为脂质或类脂，是一 类低溶于水而高溶于非极性溶剂的生物有机分子。 其 化学本质 是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物 。 脂肪酸多为 4碳以上的长链一元羧酸 醇成分包括甘油、鞘氨醇、高级一元醇和 固醇。 脂类的元素组成主要是 C、 H 、 O,有些尚 含 N 、 S、 P。 一、定义 : 第一节 脂类 参见 P124 构成脂类的脂肪酸： 参见表 5-1 硬脂酸 180 （脂） 油酸 181（油 ） I 按化学组成 分类 n 单纯脂类 n 复合脂类 n 衍生脂类 二、脂类的分类 单纯脂 类 由脂肪酸和醇类所形成的酯 v 脂酰甘油酯 （ 最丰富的为 甘油三酯 ) v 蜡 （含 14-36个碳原子的饱和或不饱和 脂肪酸与含 16-30个碳原子的一元醇所形 成的酯） 参见 P124 单纯脂类的衍生物 ：除了含有脂肪酸和 醇外，还含有非脂分子的成分，包括： 复合脂类复合脂类 v 磷脂 （磷酸和含氮碱） v 糖脂 （糖） v 硫脂 （硫酸） 参见 P124 由单纯脂类或复合脂类衍生而来或与 它们关系密切。 v萜类： 天然色素、香精油、天然橡胶 v固醇类： 固醇（甾醇、性激素、肾上腺 皮质激素） v其他脂类： 维生素 A、 D、 E、 K等 。 衍生脂类衍生脂类 可皂化 脂类： 一类能被碱水解而产生皂（ 脂肪酸盐）的脂类。 不可皂化脂类： 不能被碱水解而产生皂（ 脂肪酸盐）的脂类。 主要有不含脂肪酸的萜类和固醇类。 II 按能否被碱水解分类 甘油三酯的分子结构 三、重要脂类的结构 1.甘油三酯甘油三酯 n、 m、 k可以相同，也可以不全相同 甚至完全不同， 其中 n多是不饱和的。 X = 胆碱、乙醇胺、 丝氨酸、甘油 2.甘油磷脂甘油磷脂 X= H 磷脂酸 （ PA） 参见表 5-2 分类 含量 分布 生理功能 脂肪 甘油三酯 （贮脂） 95 ，（随 机体营 养状况 而变动 ） 脂肪组织、 皮 下结缔组织、 大网膜、肠系 膜、肾脏周围 （脂库）、 血 浆 1. 储脂供能 2. 提供必需脂 肪 酸 3. 促 进 脂溶性维生素吸收 4. 热垫作用 5. 保护垫作用 6. 构成血浆脂蛋白 类脂 糖酯、胆 固醇及其 酯、磷脂 (组织脂） 5 （ 含量相 当稳定 ） 动物所有细胞 的 生物膜、神 经、血浆 1. 维持生物膜的结构和功能 2. 胆固醇可转变成类固醇激 素、维生素、胆汁酸等 3. 构成血浆脂蛋白 四、脂类的分布与生理功能 脂肪（甘油三酯， TG） 脂类 类脂 磷酸甘油酯（ PL） 鞘磷脂 脑苷脂 神经节苷脂 磷脂 糖脂 胆固醇（ Ch）及其酯（ ChE） 第二节 甘油三酯的分解代谢 参见 P263 一、脂肪的酶促水解 脂肪 脂肪酶 甘油 +脂肪酸 CH2OH HCOH CH2OH CH2OH R2-C-O-CH CH2OH O= - - H2O R1COOH 二酰甘油脂肪酶 H2O R2COOH 单酰甘油脂肪酶 - - - - CH2-O -C-R1 R2-C-O-CH CH2-O -C-R3 O= O= O= H2O R3COOH 三酰甘油脂肪酶 O= O= - - CH2-O -C-R1 R2-C-O-CH CH2OH 限速酶 二、甘油的氧化分解与转化 思考： 1分子的甘油彻底氧化 分解放出多少能量（ 形成 ATP?) 22 动物的脂肪细胞中 无甘油激酶，则甘油 需要经血液运到肝细 胞中进行氧化分解 . v-氧化作用 v-氧化作用 饱和脂肪酸的氧化分解饱和脂肪酸的氧化分解 三 脂肪酸的氧化分解 不饱和脂肪酸的氧化分解不饱和脂肪酸的氧化分解 奇数奇数 C原子脂肪酸的氧化分解原子脂肪酸的氧化分解 n 概念 n 脂肪酸的 -氧化作用 n 能量计算 (一 ) 饱和脂肪酸的 -氧化作用 饱和脂肪酸在一系列酶的作用下，羧基 端的 位 C原子发生氧化 ，碳链在 位 C原子与 位 C原子间 发生断裂，每次生成一个乙酰 COA 和较原来少二个碳单位的脂肪酸，这个不断重 复进行的脂肪酸氧化过程称为 - 氧化 . R1CH2CH2CH2CH2 CH2COOH 1. 概念 2. 脂肪酸的 -氧化作用 （ 1） 脂肪酸的活化脂肪酸的活化 脂肪酸首先在线粒体外或胞浆中被活化形 成 脂酰 CoA， 然后进入线粒体或在其它细胞 器中进行氧化。 在 脂酰 CoA合成酶 (硫激酶 ) 催化下，由 ATP提供能量，将脂肪酸转变成脂酰 CoA： 脂酰 CoA合成酶 R-COOH AMP + PPiHSCoA+ ATP R-CO SCoA n 在线粒体外生成的脂酰 CoA需进入线 粒体基质才能被氧化分解，此过程必须要 由 肉碱（肉毒碱 , carnitine） 来携带脂酰基 。 （ 2）脂酰）脂酰 CoA转运入线粒体转运入线粒体 HOOC-CH2-CH-CH2-N+-CH3 OH CH3 CH3 -羟基 -三甲基铵基丁酸 参见 P267 n 借助于两种 肉碱脂酰转移酶 同工酶（ 酶 和酶 ）催化的移换反应以及 肉碱 -脂 酰肉碱转位酶 催化的转运反应才能将胞液 中产生的脂酰 CoA转运进入线粒体。 n 其中， 肉碱脂酰转移酶 (carnitine acyl transferase )是脂肪酸 -氧化的关键 酶。 脂酰 CoA进入线粒体的过程 胞液胞液 外膜外膜 内膜内膜 基质基质 *脂酰转脂酰转 移酶移酶 RCOSCoA HSCoA 肉碱 RCO-肉碱 转位酶转位酶 RCO-肉碱 脂酰转脂酰转 移酶移酶 RCOSCoA 肉碱 HSCoA 参见 P267 关键酶 n -氧化过程由四个连续的酶促反应 组成： 脱氢 水化 再脱氢 硫解 (3) -氧化循环氧化循环 脱氢 脂 酰 CoA脱氢酶 R-CH2-CH2-CH2-COSCoA FAD FADH2 R-CH2-CH=CH-COSCoA 硫解 硫解酶 -2C CH3-COSCoA HSCoA 水化 水化酶 H2O R-CH2-CH(OH)-CH2-COSCoA -氧化循环的反应过程 （ 2反式烯脂酰 COA） L- 羟脂酰 COA 再脱氢 L-羟脂酰 CoA脱氢酶 R-CH2-CO-CH2-COSCoA NADH + H+ NAD+- 酮脂酰 COA -氧化循环过程在 线粒体基质 内进 行； -氧化循环由脂肪酸氧化酶系催化 ，反应 不可逆 ； 需要 FAD， NAD+， CoA为辅助因子 ； 每循环一次，生成 一分子 FADH2， 一分子 NADH， 一分子乙酰 CoA和一分子减 少两个碳原子的脂酰 CoA。 脂肪酸 -氧化循环的特点 n 生成的乙酰 CoA进入 三羧酸循环 彻底氧 化分解并释放出大量能量，并生成 ATP。 (4) 彻底氧化：彻底氧化： 肉碱转运载体 线 粒 体 膜 脂酰 CoA 脱氢酶 L(+)-羟脂酰 CoA脱氢酶 NAD+ NADH+H+ 反 2-烯酰 CoA 水化酶 H2O FAD FADH2 酮脂酰 CoA 硫解酶 CoA-SH 脂酰 CoA 合成酶 ATP CoASH AMP PPi H2O 呼吸链 1.5ATP H2O 呼吸链 2.5ATP TCA n 1分子 FADH2可生成 1.5分子 ATP， 1分子 NADH可生成 2.5分子 ATP，故一次 -氧化 循环可 生成 4分子 ATP。 n 1分子乙酰 CoA经彻底氧化分解可生成 10分 子 ATP。 3、脂肪酸氧化分解时的能量释放、脂肪酸氧化分解时的能量释放 n 以 16C的 软脂酸 为例来计算，则生成 ATP 的数目为： 7次 -氧化分解产生 47=28分子 ATP； 8分子乙酰 CoA可得 108=80分子 ATP； 共可得 108分子 ATP，减去活化时消耗的两分子 ATP，故软脂酸彻底氧化分解可 净生成 106分子 ATP。 n 对于任一 偶数碳原子 的长链脂肪酸，其净 生成的 ATP数目可按下式计算： 4 10 3. 饱和脂肪酸的饱和脂肪酸的 -氧化作用氧化作用 (自学自学 ) 1.概念 脂肪酸 在一些酶的催化下，其 -C原子发 生氧化，结果生成一分子 CO2和较原来少一个碳 原子的脂肪酸，这种氧化作用称为 -氧化 。 RCH2CH2 COOH RCH2COOH+CO2 参见 P270 v RCH2COOH O2， NADPH+H + 单加氧酶 Fe2+， 抗坏血酸 R-CH-COOH OH - （ L-羟脂肪酸） NAD+ NADH+H+ 脱氢酶 R-C-COOH O = （ -酮脂酸） ATP， NAD+， 抗坏血酸 脱羧酶 RCOOH+CO2 （少一个 C原子） 2. -氧化的可能反应历程 不饱和脂酸 3次 氧化 顺 3-烯酰 CoA 顺 2-烯酰 CoA 反 2-烯酰 CoA 3顺 - 2反烯酰 CoA 异构酶 氧化 L(+)-羟脂酰 CoA D(-)-羟脂酰 CoA D(-)-羟脂酰 CoA 表构酶 H2O (二二 ) 不饱和脂肪酸的氧化不饱和脂肪酸的氧化 单不饱和脂肪酸的氧化单不饱和脂肪酸的氧化 如油酸如油酸 (18C:1) 参见 P268 多不饱和脂肪酸的氧化多不饱和脂肪酸的氧化 如亚油酸如亚油酸 (18C:2) 3 D(-) L(+ ) L-甲基丙二酸单酰 CoA 消旋酶 变位酶 5 -脱氧腺苷钴胺素 琥珀酰 CoA 奇数碳脂肪酸 CH3CH2COCoA -氧 化 丙酰 CoA羧化酶 （生物素） ADP+Pi D-甲基丙二酸单酰 CoA ATP+CO2 经三羧酸循环途径 丙酮酸羧化支路 糖有氧氧化途径彻底氧化分解 (三三 ) 奇数碳脂肪酸的氧化奇数碳脂肪酸的氧化 参见 P269 n 脂肪酸在肝中氧化分解所生成的 乙酰 乙酸 (acetoacetate)、 -羟丁酸 ( - hydroxybutyrate)和 丙酮 (acetone)三种中间代 谢产物，统称为 酮体 (ketone bodies)。 四、酮体的生成及利用四、酮体的生成及利用 (自学自学 ) 参见 P270-272 酮体的分子结构 CHCH3CH COOH OH 2 D(-)-羟丁酸 酮体 n 酮体主要在 肝细胞线粒体 中生成 。 n 酮体生成的原料为 乙酰 CoA。 1酮体的生成 (1) 两分子乙酰 CoA在乙酰乙酰 CoA硫解酶 (thiolase)的催化下，缩合生成一分子 乙酰乙酰 CoA 。 乙酰乙酰 CoA硫解酶 2 (乙酰 CoA) 酮体生成的反应过程 (2) 乙酰乙酰 CoA再与 1分子乙酰 CoA缩合 ，生成 HMG-CoA。 HMG-CoA合酶 是酮体生成的关 键酶。 HMG-CoA合酶 * CoASH 限速酶 (3) HMG-CoA裂解生成 1分子乙酰乙酸 和 1分子乙酰 CoA。 HMG-CoA裂解酶 (4)乙酰乙酸在 -羟丁酸脱氢酶 的催化下， 加氢还原为 -羟丁酸 。 -羟丁酸脱氢酶 NAD+ NADH+H+ (5) 乙酰乙酸自发脱羧或由酶催化脱羧 生成 丙酮 。 CO2 CO2 CoASH CoASH NAD+ NADH+H+ -羟丁酸 脱氢酶 HMGCoA 合成酶 乙酰乙酰 CoA 硫解酶 HMGCoA 裂解酶 酮体的生成 -羟 - -甲基戊二酸单酰 CoA合成酶 n 利用酮体的酶有两种： 1.琥珀酰 CoA转硫酶 （主要存在于 心、肾、脑 和 骨骼肌细胞 的 线粒体中） 2.乙酰乙酸硫激酶 （主要存在于 心、肾、脑细胞 线粒体中） 。 2酮体的利用 (1) -羟丁酸 在 -羟丁酸脱氢酶的催化下脱 氢，生成 乙酰乙酸 。 酮体利用的基本过程 -羟丁酸脱氢酶 NAD+ NADH+H+ (2) 乙酰乙酸在 琥珀酰 CoA转硫酶 或 乙酰 乙酸硫激酶 的催化下转变为乙酰乙酰 CoA。 琥珀酰 CoA转硫酶 琥珀酰 CoA 琥珀酸 乙酰乙酸硫激酶 HSCoA+ATP AMP+PPi (3) 乙酰乙酰 CoA在 乙酰乙酰 CoA硫解酶 的 催化下，裂解为两分子乙酰 CoA。 (4) 生成的乙酰生成的乙酰 CoA进入进入 三羧酸循环三羧酸循环 彻底氧化分解彻底氧化分解 。 乙酰乙酰 CoA硫解酶 HSCoA 心、肾、脑 、骨骼肌细 胞 心、肾、 脑细胞 羟丁酸- NAD+ NADH+H HSCoA + ATP 乙酰乙酸 琥珀酰 CoA 乙酰乙酸硫激酶 琥珀酰 CoA转硫酶 AMP + PPi 乙酰乙酰 CoA 琥珀酸 硫解酶 2 乙酰 CoA 三羧酸 循环 + -羟丁酸脱氢酶 n 当由 琥珀酰 CoA转硫酶 催化进行氧化利用时 ， 乙酰乙酸 可净生成 24分子 ATP， -羟丁酸 可净生 成 27分子 ATP； n 而由 乙酰乙酸硫激酶 催化进行氧化利用时 ， 乙酰乙酸 则可净生成 22分子 ATP， -羟丁酸 可 净生成 25分子 ATP 。 (1) 在正常情况下，酮体是 肝输出能源 的一种重要的形式； (2) 在饥饿或疾病情况下，酮体可为心 、脑等重要器官 提供必要的能源 。 3酮体生成及利用的生理意义 第三节 脂肪的生物合成 n 甘油的合成 n 脂肪酸的合成 n 二者分别转变为 3 磷酸甘油 和脂酰 CoA后的连接 参见 P272 n 合成甘油三酯所需的 3-磷酸甘油主要由下 列两条途径生成： 1由糖代谢生成（脂肪细胞、肝）： 3-磷酸甘油脱氢酶 NADH + H+ 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油 NAD+ 一、 3-磷酸甘油的生成 2由脂肪分解形成的甘油 甘油磷酸激酶 甘油 ATP 3-磷酸甘油 ADP 二、 饱和脂肪酸的从头合成饱和脂肪酸的从头合成 （在细胞质中） 参见 P272 n 来源 v 线粒体内的丙酮酸氧化脱羧 （糖 ） v 脂肪酸的 -氧化 v 氨基酸的氧化 n 转运 v 柠檬酸穿梭 （三羧酸转运体系） 1. 乙酰 CoA（ 碳源） 的来源及转运 线粒体基质线粒体基质 内膜内膜 胞液胞液 HSCoA 柠檬酸柠檬酸 草酰乙酸草酰乙酸 柠檬酸合酶柠檬酸合酶 H2O + 乙酰乙酰 CoA HSCoA + ATP 柠檬酸裂解酶柠檬酸裂解酶 草酰乙酸草酰乙酸 乙酰乙酰 CoA+ADP+Pi 丙酮酸丙酮酸 NADH + H+ 苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 苹果酸苹果酸 NAD+ ADP + Pi 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 ATP + CO2 柠檬酸柠檬酸 苹果酸酶苹果酸酶 NADP+ NADPH+H+CO2 丙酮酸丙酮酸 苹果酸NAD+ NADH + H+ 苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 乙酰乙酰 CoA转运出线粒体转运出线粒体 参见 P273 n 在关键酶 乙酰 CoA羧化酶 的催化下，将乙酰 CoA羧化为丙二酸单酰 CoA。 乙酰 CoA羧化酶 （生物素） * CH3COSCoA ADP + PiHCO3- + H+ + ATP HOOC-CH2-COSCoA 长链脂酰 CoA - 柠檬酸 异柠檬酸 + 2丙二酸单酰 CoA的合成 参见 P273 n 脂肪酸合成时碳链的缩合延长过程是一循环 反应过程。每经过一次循环反应，延长两个碳原子 。合成反应由 脂肪酸合成酶系 催化。 n 在低等生物中，脂肪酸合成酶系是一种由 1 分子 脂酰基载体蛋白（ acyl carrier protein, ACP） 和 7种酶单体所构成的 多酶复合体 。 3脂肪酸合成循环 v 脂酰基载体蛋白 （ ACP-SH） n ACP-脂酰基转移酶 n 丙二酸单酰 CoA- ACP转移酶 n -酮脂酰 - ACP合酶 n -酮脂酰 - ACP还原酶 n -羟脂酰 - ACP脱水酶 n 烯脂酰 -ACP还原酶 n 硫酯酶 ACP SH 原核生物的脂肪酸合成酶系原核生物的脂肪酸合成酶系 v 乙酰基转移反应 CH3-C SCOA =O CH3-C SACP =O ACP-SH 酮脂酰 -ACP 合酶 CH3-C S-合酶 =O v 丙二酸单酰基转移反应 COA-SHACP-SH ACP脂酰基转移酶 HOOC-CH2-C SCOA +ACP-SH HOOC-CH2-C SACP O= 丙二酸单酰转移酶 HOOC-CH O= +COA-SH 4.反应历程 v缩合反应 CH3-C S-合酶 + =O HOOC-CH2-C SACP O= -酮脂酰 -ACP合酶 CH3-C-CH2-C SACP O=O = +合酶 -SH+CO2v还原反应 CH3-C-CH2-C SACP O=O = +NADPH+ + H + -酮脂酰 -ACP还原酶 CH3-CH-CH2-C SACP O-OH = +NADP+ D-羟丁酰 -ACP v脱水反应 CH3-CH-CH2-C SACP O-OH = = - C - C=C O -CH3 - H H SACP -羟脂酰 -ACP脱水酶 +H2O （ 2反式丁烯酰 -ACP,巴豆酰 -ACP） v再还原反应 - C=C O -CH3 H H SACPC - = - 3 2 +NADPH+H+-烯脂酰 -ACP还原酶 CH3-CH2-CH-C SACP O= +NADP+ （ 丁酰 -ACP） 丁酰 -ACP与丙二酸单酰 -ACP重复缩合、还原、脱 水、再还原的过程，直至生成软脂酰 -ACP。 v缩合反应 CH3-C S-合酶 + =O HOOC-CH2-C SACP O= -酮脂酰 -ACP合酶 CH3-C-CH2-C SACP O=O = +合酶 -SH+CO2 由于缩合反应中， -酮脂酰 -ACP合酶 是对链长有专一 性的酶，仅对 14C及以下脂酰 -ACP有催化活性 ，故从 头合成只能合成 16C及以下饱和脂酰 -ACP。 软脂酰 -ACP 硫酯酶 水解 ACP+软脂酸（棕榈酸） 释放 H2O 8CH3-C SCOA =O +7ATP+14NADPH+14H + CH3 ( CH2)14COOH +14NADP+ +8CoASH + 7ADP +7Pi+ 6H2O v 那么 这 个 过 程与糖代 谢 有一定关系： 原料（ 乙酰辅酶 A ） 来源 羧化反应中消耗的 ATP可由 EMP途径提供 还原力 NADPH从哪来？ 总反应式 合成所需 原料为乙酰 CoA， 直接生成的 产物是软脂酸 ，合成一分子软脂酸，需七分子丙 二酸单酰 CoA和一分子乙酰 CoA； 在 胞液 中进行，关键酶是 乙酰 CoA羧化 酶 ； 合成为一耗能过程，每合成一分子软脂 酸，需消耗 15分子 ATP（ 8分子用于转运， 7分子用 于活化）； 需 NADPH作为供氢体，对糖的磷酸戊糖 旁路有依赖性。 脂肪酸合成的特点： 5. 饱和脂肪酸的从头合成与 -氧化的比较 区别要点 从头合成 -氧化氧化 细胞内进行部位 胞液 线粒 体 酰基载体 ACP-SH COA-SH 二碳单位参与或断裂形式 丙二酸单酰 ACP 乙酰 COA 电子供体或受体 NADPH+H+ FAD,NAD -羟酰基中间物的立体构型不同 D型 L型 对 HCO3-和柠檬酸的需求 需要 不需要 所需酶 7种 4种 能量需求或放出 消耗 7ATP及 14NADPH+H+ 产生 106ATP(软脂酸 ) 脂酰 CoA 转移酶 CoA R1COCoA 脂酰 CoA 转移酶 CoA R2COCoA 磷脂酸 磷酸酶 Pi 脂酰 CoA 转移酶 CoA R3COCoA 三、 甘油三酯的合成 参见 P277-278 Section 4 Metabolism of Phospholipids 第四 节 磷脂的代 谢 参见 P279 自学 ! （一）甘油磷脂的基本结构： CH2-O-CO-R R“-CO-O-CH CH2-O-PO3H-X | | 一、甘油磷脂的代谢 体内几种重要的甘油磷脂 1甘油二酯合成途径： n 磷脂酰胆碱 和 磷脂酰乙醇胺 通过此代谢途 径合成。 n 合成过程中所需胆碱及乙醇胺以 CDP-胆碱 和 CDP-乙醇胺 的形式提供。 （二）甘油磷脂的合成代谢 甘油二 酯 合成途径 3S-腺苷同 型半胱氨酸 3S-腺苷 蛋氨酸 胆碱 乙醇胺 ATP ADP 磷酸胆碱 胆碱激酶 磷酸乙醇胺 乙醇胺激酶 CDP-乙醇胺 转胞苷酸酶 CDP-胆碱 CTP PPi 转胞苷酸酶 甘油二酯 CMP 磷酸胆碱甘油 二酯转移酶 磷脂酰胆碱 磷酸乙醇胺甘 油二酯转移酶 磷脂酰乙醇胺 n 磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸 和 心磷脂 通过此途径合成。 n 合成过程所需甘油二酯以 CDP-甘油 二酯 的活性形式提供。 2 CDP-甘油二酯合成途径：甘油二酯合成途径： 磷脂酸磷脂酸 转胞苷酸酶 CTP PPi CDP-甘油二酯甘油二酯 肌醇肌醇 磷脂酰肌 醇合成酶 CMP 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇 磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸 CMP 丝氨酸丝氨酸 磷脂酰丝氨 酸合成酶 心磷脂心磷脂 CMP 心磷脂 合成酶 磷脂酰甘油磷脂酰甘油 CDP-甘油二酯合成途径 A2 A1 CH2 O P O X CH2 O CO R R” CO O CH OH O n 甘油磷脂的分解靠存在于体内的各种磷脂酶 将其分解为脂肪酸、甘油、磷酸等，然后再进一步 降解。 D C H H B1 B2 （三）甘油磷脂的分解代谢 第五节 胆固醇的代谢 Section 5 Metabolism of Cholesterol 参见 P280 自学 !