生物化学-第十章-脂类代谢-2

1、第十章 脂类及其代谢,Metabolism of Lipid,脂类：是一类低溶于水而高溶于非极性溶剂的生物有机分子。 一般是由脂肪酸和醇组成、也有不含脂肪酸的如萜类、固醇类及其衍生物。,一、脂类的概念,第一节 概 论,二、脂类的分类,根据脂类的化学组成可以将脂类分为三大类： 简单脂 复合脂 异戊二烯类脂质,1、简单脂：脂肪酸与醇类形成的酯。 主要有： 甘油三酯：三分子脂肪酸和一分子甘油所组成的酯； 蜡：由长链脂肪酸和长链醇或固醇组成，如蜂蜡。,二、脂类的分类,甘油三酯 （三脂酰甘油）,脂肪酸,目前已发现100余种脂肪酸，它们主要在链的长度和饱和度方面有差异。 在自然界中游离的脂肪酸较为少见，绝

2、大部分脂肪酸是以结合形式存在的。 按照其饱和程度分为： 饱和脂肪酸 不饱和脂肪酸,硬脂酸：18：0,油酸：18：19 或 18：1(9),（1）它们之中大部分是不分枝和无环无羟基单羧酸； （2）自然界中分子中的碳原子数目绝大多数是偶数； （3）饱和脂肪酸中最普遍的软脂酸（16酸）和硬脂酸（18酸），不饱和脂肪酸中最普遍的是油酸（18碳1烯酸）； （4）不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸低； （5）一般动物脂肪中含饱和脂肪酸多，细菌的脂肪酸也多为饱和脂肪酸；,天然脂肪酸特点,脂肪酸,（6）高等动、植物的不饱和脂肪酸一般都是顺式结构 ； （7）不饱和脂肪酸双键位置具有规律性，一个双键者在C9

3、和C10位置（9），多个双键者也常有9； （8）必需脂肪酸：维持哺乳动物正常生长所需要，而体内又不能合成的脂肪酸，称为必需脂肪酸，如：亚油酸（18碳2烯酸）、亚麻酸（18碳3烯酸）。植物油中含丰富的必需脂肪酸。,天然脂肪酸特点,2、复合脂：除脂肪酸与醇外，分子内还含有其它成分的脂类。 磷脂：含有磷酸和含氮碱的脂类，分为甘油磷脂、神经醇磷脂。 糖脂：含糖而不含磷酸的脂类。,二、脂类的分类,3、异戊二烯类脂质：由异戊二烯聚合而成的脂。,类胡萝卜素：是异戊二烯聚合的高度共轭的多烯类化合物。 固醇和类固醇：固醇又叫甾醇，环戊烷多氢菲的衍生物，最常见的是胆固醇。,以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂

4、肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子通过磷酸基团连接到脂分子上。,甘油磷脂,X = 胆碱、乙醇胺、 丝氨酸、肌醇、磷脂酰甘油等,磷脂酰肌醇 (phosphatidyl inositol),磷脂酰丝氨酸 (phosphatidyl serine),神经醇磷脂（鞘磷脂）,以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱(或胆胺)与磷酸结合，在脑和神经细胞膜中特别丰富。,异戊二烯,类胡萝卜素,胆固醇,Cholesterol,环戊烷多氢菲,固醇,三、脂类的分布及生理功能,存在一切生物体中，主要贮脂和体脂两种形式存在。 贮脂：含量不稳定； 主要作为营养物质贮存备用，是重要的

5、能源和碳源。1g脂肪产生的热量，是等量蛋白质或糖的2.3倍。 对于人体还有润滑组织，保持体温等功能。,体脂：结构脂，含量稳定； 主要作为生物膜的结构组分(甘油磷脂、鞘磷脂、胆固醇、糖脂)； 有些作为生理活性物质（如萜类、固醇类)； 有些蜡质分布在生物体表面，起保护作用。,脂质按化学组成可分为简单脂类、复合脂类和异戊二烯类脂质； 按生物学功能可分为贮存脂质、体脂（结构脂质和活性脂质）。 单纯脂质由醇和脂肪酸组成，大多为甘油三酯。 天然脂肪酸分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸； 必需脂肪酸。,小结,一、甘油三酯的酶促水解 二、甘油的代谢 三、脂肪酸的分解代谢,第二节 甘油三酯的分解代谢,饱和脂肪酸的-氧

6、化 不饱和脂肪酸的-氧化 奇数碳脂肪酸的-氧化 脂肪酸的其它氧化途径 -氧化作用 -氧化作用,催化脂肪水解的酶称为脂肪酶。 脂肪酶： 三脂酰甘油脂肪酶 二脂酰甘油脂肪酶 单脂酰甘油脂肪酶,一、脂肪酶和甘油三酯的酶促水解,水解过程：,限速酶 脂解激素：肾上腺素、胰高血糖素、肾上腺皮质激素等。 对抗脂解激素因子：胰岛素、前列腺素E1、烟酸等。,限速酶,二、甘油的代谢,（实线为甘油的分解，虚线为甘油的合成),甘油激酶,磷酸甘油脱氢酶,异构酶,糖异生,EMP,饱和脂肪酸的-氧化 不饱和脂肪酸的-氧化 奇数碳脂肪酸的-氧化 脂肪酸的其它氧化途径 -氧化作用 -氧化作用,三、脂肪酸的分解代谢,（一）饱和脂

7、肪酸的-氧化,概念,脂肪酸在体内氧化时在羧基端的-碳原子上进行氧化，碳链逐次断裂，每次断下一个二碳单位(乙酰CoA)，该过程称作-氧化。,试验证据,1904年F.Knoop根据用苯环标记脂肪酸饲喂狗的实验结果，推导出了-氧化学说。,1、脂肪酸的活化和转运,脂肪酸的活化,脂酰CoA的运转 肉毒碱的作用,（胞液）,脂酰CoA合成酶,脂酰CoA,Mg2+,反应不可逆，脂酰COA合成酶存在于内质网和线粒体外膜上。,氧化过程,（一）饱和脂肪酸的-氧化,氧化过程,脂酰CoA进入线粒体基质示意图,线粒体内膜,内侧,外侧,载体,2、脂酰CoA的-氧化,脱氢,加水,再脱氢,硫解,脂酰CoA,L(+)-羟脂酰Co

8、A,-酮脂酰CoA,脂酰CoA+乙酰CoA,(线粒体),氧化过程,CH3COSCoA,2-反式烯脂酰CoA, ,第一步：脂酰CoA脱氢生成2反式烯脂酰CoA,脂酰CoA的-氧化,HOH,L-羟脂酰CoA,第二步：2反式烯脂酰CoA水化生成L-羟脂酰CoA,烯脂酰CoA 水化酶,烯脂酰CoA水化酶，只催化2不饱和脂酰CoA水化，无立体异构专一性。,脂酰CoA的-氧化,羟脂酰CoA脱氢酶,-酮脂酰CoA,NAD+ NADH + H+,第三步：L-羟脂酰CoA脱氢生成-酮脂酰CoA,L-羟脂酰CoA,L-羟脂酸CoA脱氢酶，需要NAD作辅酶，其底物专一性强，不能催化D型底物反应，但可作用于碳链长度不

9、同的L型底物。,脂酰CoA的-氧化,HSCoA,+,乙酰CoA,少二碳原子的脂酰CoA,氧化,第四步：-酮脂酰CoA硫解生成乙酰CoA和（n2）脂酰CoA,脂酰CoA的-氧化,脂肪酸-氧化时仅需活化一次，消耗1个ATP的两个高能键。 长链脂肪酸由线粒体外的脂酰CoA合成酶活化，经肉毒碱运到线粒体内；短或中链脂酰CoA分子（10个C原子以下）可容易地渗透通过线粒体内膜。 -氧化包括脱氢、水化、再脱氢、硫解4个重复步骤。 -氧化的产物是乙酰CoA，可以进入TCA，生成的NADH和FADH2被电子传递链再氧化。,脂肪酸-氧化小结,肉碱转运载体,线粒体膜,CH3COSCoA,外侧,内侧,16碳软脂酸的

10、氧化为例,7 轮循环产物： 8分子乙酰CoA 7分子NADH+H+ 7分子FADH2,脂酸氧化的能量生成,活化：消耗2个高能磷酸键,能量计算： 生成ATP 812 + 73 + 72 = 131 净生成ATP 131 2 = 129,脂肪酸-氧化的功能,产生ATP，其产生ATP的效率要高于葡萄糖。 产生大量的H2O。这对于某些生活在干燥缺水环境的生物十分重要，像骆驼已将-氧化作为获取水的一种特殊手段。,知识窗 在冬眠的动物中，脂肪酸氧化提供代谢所需的能量、热量和水；脂肪降解时所释放的甘油通过糖异生作用转化为血液中的葡萄糖。,一只灰熊正准备它冬眠的居所,骆驼在其驼峰中贮存有大量的脂肪， 在沙漠条

11、件下，通过脂肪的氧化来获得额外的水 分，这是能量和水分的主要代谢来源。,油酰基的氧化作用,油酰基CoA（ 9 18：1）,CH3(CH2)7CH=CH-CH2(CH2)6COCoA,6CH3-COCoA,-氧化,三次循环,3-顺、 2-反烯酯酰CoA异构酶,烯酯酰CoA水化酶,继续-氧化,（二）不饱和脂酸的氧化,L-羟脂酰CoA,奇数碳脂肪酸经氧化途径生成乙酰CoA和丙酰CoA; 丙酰CoA有两条代谢途径: 1、羧化：丙酰CoA转化成琥珀酰CoA，进入TCA。 动物体内存在这条途径，因此，在动物肝脏中奇数碳脂肪酸最终能够异生为糖。 2、脱羧：丙酰CoA转化成乙酰CoA，进入TCA。 植物、微生

12、物中较普遍。,（三）奇数碳脂肪酸的氧化,为什么糖摄入量不足的爱斯基摩人， 从营养学的角度看， 吃含奇数碳原子脂肪酸的脂肪比偶数碳原子脂肪酸的脂肪好？,奇数碳脂酸,CH3CH2COCoA,TCA,丙酰CoA转化成琥珀酰CoA,（四）-氧化和-氧化 脂肪酸除主要进行-氧化作用外，还进行-氧化与-氧化。在-氧化途径中长链脂肪酸的-碳在加单氧酶的催化下生成-羟脂酸。再进一步经过脱氢、脱羧形成脂肪醛，最后加水脱氢氧化成为比原脂肪酸分子少一个碳原子的脂肪酸。,动物组织中的某些脑苷脂和神经节苷脂类中所发现的-羟脂酸是由饱和脂肪酸经过加单氧酶作用羟化而生成的。-羟脂酸在肝、肾等组织中可再进一步脱氢成-酮酸，然

13、后脱羧氧化形成少一个碳原子的脂肪酸。 植物的种子和叶子也进行-氧化作用，但过程与动物体内不同。长链脂肪酸-氧化的中间产物经还原可生成长链脂肪醇，长链脂肪醇在植物蜡中含量很丰富。,叶绿醇在代谢时首先被氧化为植烷酸，植烷酸的-位有甲基，不能进行正常的-氧化，经过一次-氧化生成的降植烷酸可经-氧化生成丙酰辅酶A和乙酰辅酶A。缺少-氧化系统的病人血液和脑中积累植烷酸，出现运动失调等症状，称Refsum氏病。,脂肪酸的末端甲基（-端）可氧化为-羟脂酸，再氧化成，-二羧酸进行-氧化。此途径称为-氧化，在肝脏和植物及细菌中均可进行。某些细菌可以通过-氧化将烃类氧化为脂肪酸，进而氧化分解，这类细菌可用于清除石

14、油污染，或制造单细胞蛋白。,（五） 酮体的生成和利用 乙酰乙酸、-羟丁酸和丙酮，统称为酮体。 酮体在正常血液中少量存在，是人体利用脂肪的一种正常现象。 正常情况下，血液中酮体浓度相对恒定，这是因为肝中产生的酮体可被肝外组织迅速利用，尤其是肾脏和心肌具有较强的使乙酰乙酸氧化的酶系，其次是大脑。肌肉组织也是利用酮体的重要组织。对于不能利用脂肪酸的脑组织来说，利用酮体作为能源具有重要意义。,在某些生理或病理情况下，如因饥饿将糖原耗尽后，膳食中糖供给不足时，或因患糖尿病而缺乏氧化糖的能力时，脂肪动员加速，肝脏中酮体生成增加，超过了肝外组织氧化的能力。 又因糖代谢减少，丙酮酸缺乏，可与乙酰辅酶A缩合成柠

15、檬酸的草酰乙酸减少，更减少酮体的去路，使酮体积聚于血内成为酮血症。血内酮体过多，由尿排出，又形成酮尿。酮体为酸性物质，若超过血液的缓冲能力时，就可引起酸中毒。,（1） 酮体的生成 脂肪酸-氧化所生成的乙酰辅酶A大部分可通过三羧酸循环氧化，或被某些合成反应所利用，但在肝脏中二分子乙酰辅酶A可以缩合成乙酰乙酰辅酶A，再与一分子乙酰辅酶A缩合成-羟-甲基戊二酰辅酶A（HMGCoA），后者裂解成乙酰乙酸，乙酰乙酸在肝脏线粒体中可还原生成-羟丁酸，乙酰乙酸还可以脱羧生成丙酮。,（2）酮体的氧化 乙酰乙酸和-羟丁酸经血液循环送至肝外组织，-羟丁酸首先氧化成乙酰乙酸，然后在琥珀酰辅酶 A转硫酶（心肌、骨骼肌

16、、肾、肾上腺）或乙酰乙酸硫激酶（骨骼肌、心及肾）的作用下，生成乙酰乙酰辅酶A，再与辅酶A作用形成两分子乙酰辅酶A进入三羧酸循环途径氧化。其中的琥珀酰辅酶A可能是-酮戊二酸氧化脱羧作用的中间产物，也可能由琥珀酸、ATP与辅酶A构成。,丙酮主要随尿排出，部分可从肺部呼出。也可转变成丙酮酸或甲酰基及乙酰基，丙酮酸可以氧化，也可以合成糖原。 肝脏缺乏转硫酶和乙酰乙酰硫激酶，故不能利用酮体，而肝外组织则不产生酮体，却能氧化由肝脏生成的酮体。,第三节 脂肪酸和甘油三酯的生物合成,一、饱和脂肪酸的从头合成（软脂酸合成） 乙酰CoA的转运 丙二酸单酰CoA的合成 合成酶系 合成过程 二、线粒体中脂肪酸碳链的延

17、长 三、不饱和脂肪酸的合成 四、甘油三酯的合成 五、酒类中低级脂肪酸酯的形成,脂肪酸的从头合成发生在胞液中，称为非线粒体合成途径，也称为软脂酸的合成途径；,16C以上脂肪酸合成需以软脂酸为前体，在线粒体或光面内质网中进行延长。,从乙酰CoA及丙二酸单酰CoA合成长链饱和脂肪酸（软脂酸），是一个重复加成过程，每次延长2个碳原子。,引物,C2的直接供体,一、饱和脂肪酸的从头合成,乙酰CoA、ATP、HCO3 、NADPH 、Mn2+,（一）合成原料,NADPH的主要来源：主要来自磷酸戊糖途径，其次是柠檬酸穿梭系统。,乙酰CoA的来源：脂肪酸合成的碳源主要来自糖氧化分解、脂肪酸-氧化和氨基酸氧化分解

18、产生乙酰CoA ，它们都存在于线粒体中。线粒体中的乙酰 CoA，需通过柠檬酸-丙酮酸循环（或称柠檬酸穿梭系统）运到胞液中，才能供脂肪酸合成所需。,一、饱和脂肪酸的从头合成,线 粒 体 内 膜,胞液,线粒体基质,柠檬酸,柠檬酸,HSCoA,乙酰CoA,柠檬酸裂解酶,草酰乙酸,苹果酸,苹果酸脱氢酶,丙酮酸,苹果酸酶,丙酮酸,丙酮酸羧化酶,经柠檬酸-丙酮酸穿梭作用将线粒体内生成的乙酰CoA运至胞液。,原料的准备：（1）乙酰CoA转运出线粒体,脂肪合成,苹果酸,苹果酸脱氢酶,在胞液中进行,丙二酰单酰CoA,乙酰CoA,机理：,关键酶,原料的准备：（2）丙二酸单酰CoA的合成,大肠杆菌和植物的软脂酸合成

19、酶系（多酶复合体）：,（二）软脂酸合成酶系,酰基载体蛋白（ACP）：核心 脂酰基转移酶 丙二酸单酰CoA酰基转移酶 -酮脂酰合酶 -酮脂酰还原酶 -羟脂酰基脱水酶 烯脂酰还原酶,酵母：7种蛋白定位在两个多功能的多肽链上（和），由两种亚基组成的66结构。 高等动物：1个ACP和7个酶都在一条多肽链上，两相同亚基（）首尾相连组成的二聚体。,酰基载体蛋白(ACP)，其辅基是4-磷酸泛酰巯基乙胺，是脂酰基载体，末端游离的SH能与脂酰基结合。,CoASH分子中也有4-磷酸泛酰巯基乙胺。,5-腺嘌呤核苷酸-3-磷酸,脂肪酸合成酶系结构模式,乙酰CoA:ACP转移酶 丙二酸单酰CoA:ACP转移酶 -酮脂酰

20、-ACP合酶 -酮脂酰-ACP还原酶 -羟脂酰-ACP脱水酶 烯脂酰-ACP还原酶,软脂酸合成反应流程,启动,链的延伸,水解,软脂酸合成的过程 乙酰CoA在乙酰CoA:ACP转酰基酶的催化下，将乙酰基转移到ACP的-SH基上，然后再转移至-酮脂酰ACP合酶的半胱氨酸的-SH上，形成乙酰-酮脂酰ACP合酶。在哺乳动物体内乙酰基可直接转到-酮脂酰ACP合酶的-SH上。, 在丙二酸单酰CoA:ACP转酰基酶催化下，空载ACP的磷酸泛酰巯基乙胺的-SH与丙二酰-CoA反应，生成丙二酰ACP 。, 丙二酰基通过ACP的磷酸泛酰巯基乙胺的长臂带到-酮脂酰ACP合酶的催化部位，在酶的催化下脱去CO2 ，与-

21、酮脂酰ACP合酶上的乙酰基缩合形成-酮丁酰ACP 。, 在-酮脂酰ACP还原酶的催化下，由NADPH + H+提供氢， -酮丁酰ACP被还原为- D-羟丁酰ACP。, 在-羟脂酰ACP脱水酶的催化下， -羟丁酰ACP脱水生成2-反烯丁酰ACP 。, 在2-反烯丁酰ACP还原酶催化下，由NADPH + H+提供氢， 2-反烯丁酰ACP被还原为丁酰-ACP。, 丁酰基被转酰酶转移至-酮脂酰ACP合酶的-SH上形成丁酰-酮脂酰ACP合酶。,重复-的步骤达16碳原子时，由软脂酰-ACP硫酯酶催化水解释放软脂酸，而多酶体系则可反复地被利用。有些生物无软脂酰硫酯酶，而直接利用软脂酰-ACP。,8CH3CO

22、SCoA14NADPH6H+7ATP,软脂酸8CoASH14NADP+6H2O7ADP7Pi,脂肪酸合成酶系,软脂酸（16C）合成总反应式：,软脂酸合成小结,以乙酰CoA为引物、丙二酸单酰CoA为C2单位供体，乙酰CoA 成为甲基端； 丙二酸单酰CoA形成是限速步骤，乙酰CoA羧化酶是关键酶； 合成需要ATP（形成1分子丙二酸单酰CoA需要1分子ATP，转运一分子乙酰CoA需要消耗1分子ATP）。 NADPH来源于磷酸戊糖途径及柠檬酸穿梭系统。,脂肪酸的从头合成历程,脂肪酸的氧化历程,软脂酸合成与脂肪酸-氧化的区别,二、线粒体中脂肪酸碳链的延长,-酮脂酰-ACP合成酶最多只能接受14碳的酰基，

23、不能接受16碳酰基。因此，从头合成只能合成16C软脂酸。,线粒体脂肪酸碳链延长过程类似-氧化逆过程，以乙酰CoA为C2供体，不需要酰基载体蛋白（ACP），由软脂酰CoA与乙酰CoA直接缩合。,每一轮加2个C原子，一般可延长至2426个C链的饱和脂肪酸。,NADPH+H+,NADP+,线粒体中脂肪酸的延长途径,硫解酶,烯脂酰CoA还原酶,氧化脱氢途径（需要氧） ：去饱和酶,三、不饱和脂肪酸的合成,1、单烯不饱和脂肪酸的生成,厌氧（不需要氧）：脱水酶,1、单烯不饱和脂肪酸的生成,是厌氧生物合成单不饱和脂肪酸的方式，发生在脂肪酸从头合成的过程中，通过一个中等长度的-羟脂酰-ACP的脱水作用，形成双键

24、后，不发生还原反应，在保留双键的基础上继续进行碳链的延长，形成单烯不饱和脂肪酸。 如棕榈油酸的合成（p279)。,C16:0(软脂酸),C18:0(硬脂酸),9-C16:1(棕榈油酸),2多烯不饱和脂肪酸的生成,11-C18:1,（顺-十八碳烯-11-酸）,合成原料：L-磷酸甘油（3-磷酸甘油）、 脂酰CoA L-磷酸甘油的来源 磷酸二羟丙酮（糖酵解产物）经磷酸甘油脱氢酶催化还原生成L-磷酸甘油； 甘油磷酸化，甘油激酶作用生成。 脂酰CoA的来源 多酶复合体合成的脂肪酸以脂酰CoA形式释放到细胞液中，可直接用于脂肪合成（微生物及植物）； 其它来源的脂肪酸需要由脂酰CoA合成酶催化合成脂酰CoA

25、。,四、三酯酰甘油的合成,合成过程,（溶血磷脂酸）,五、酒类中低级脂肪酸酯的形成,低级脂肪酸酯是酒类和各种发酵食品中香气、香味的重要组成成分。如乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯。 酯的化学生成 常温下，有机酸与醇长时期接触，可缓慢地进行酯化反应。如，乙酸与乙醇反应可发生酯化反应生成乙酸乙酯。 酯的生物合成 主要是由酵母细胞中的酯酶催化脂酰CoA与醇生成酯。,细胞中脂酰CoA的来源有： (1)丙酮酸脱羧反应生成乙酰CoA； (2)脂酰CoA合成酶催化脂肪酸与CoASH合成脂酰CoA。 (3)细胞中许多代谢途径都可生成脂酰CoA，如氨基酸碳链的代谢、脂肪酸分解代谢、糖的分解代谢等。 酒类中，乙酸乙酯是相对含量最高的酯，合成所需要的乙酰CoA，主要来自丙酮酸脱羧。 目前，