生物化學(xué)教案-第七章 脂類物質(zhì)的代謝

PAGEPAGE1第七章脂類物質(zhì)的代謝脂類：生物體內(nèi)不溶于水而易溶于有機(jī)溶劑的一類有機(jī)化合物。脂類包括：1、單純脂（酰基甘油酯，蠟）；2、復(fù)合脂（磷脂，糖脂，硫脂）；3、非皂化脂（萜類，甾醇類）。脂類的生理功能：a.生物膜的骨架成分磷脂、糖脂b.能量貯存形式甘油三酯c.參與信號識別、免疫糖脂d.激素、維生素的前體固醇類激素，維生素D、A、K、Ee.生物體表保溫防護(hù)脂肪貯存量大，熱值高，脂肪的熱值：1g脂肪產(chǎn)生的熱量，是等量蛋白質(zhì)或糖的2－3倍。一、脂肪的分解代謝1、甘油三酯的水解甘油三酯的水解由脂肪酶催化。組織中有三種脂肪酶，逐步將甘油三酯水解成甘油二酯、甘油單酯、甘油和脂肪酸。這三種酶是：脂肪酶（激素敏感性甘油三酯脂肪酶，是限速酶）甘油二酯脂肪酶，甘油單酯脂肪酶。腎上腺素、胰高血糖素、腎上腺皮質(zhì)激素都可以激活腺苷酸環(huán)化酶，使cAMP濃度升高，促使依賴cAMP的蛋白激酶活化，后者使無活性的脂肪酶磷酸化，轉(zhuǎn)變成有活性的脂肪酶，加速脂解作用。胰島素、前列腺素E1作用相反，可抗脂解。油料種子萌發(fā)早期，脂肪酶活性急劇增高，脂肪迅速水解。2、甘油的代謝在脂肪細(xì)胞中，沒有甘油激酶，無法利用脂解產(chǎn)生的甘油。甘油進(jìn)入血液，轉(zhuǎn)運至肝臟后才能被甘油激酶磷酸化為3-磷酸甘油，再經(jīng)磷酸甘油脫氫酶氧化成磷酸二羥丙酮，進(jìn)入糖酵解途徑或糖異生途徑。3、脂肪酸的氧化1）飽和偶數(shù)碳脂肪酸的β氧化（1）β氧化學(xué)說：早在1904年，F(xiàn)ranz和Knoop就提出了脂肪酸β氧化學(xué)說。用苯基標(biāo)記含奇數(shù)碳原子的脂肪酸，飼喂動物，尿中是苯甲酸衍生物馬尿酸。用苯基標(biāo)記含隅數(shù)碳原子的脂肪酸，飼喂動物，尿中是苯乙酸衍生物苯乙尿酸。結(jié)論：脂肪酸的氧化是從羧基端β-碳原子開始，每次分解出一個二碳片斷。產(chǎn)生的終產(chǎn)物苯甲酸、苯乙酸對動物有毒害，在肝臟中分別與Gly反應(yīng)，生成馬尿酸和苯乙尿酸，排出體外。β－氧化發(fā)生在肝及其它細(xì)胞的線粒體內(nèi)。2）脂肪酸的β氧化過程脂肪酸進(jìn)入細(xì)胞后，首先被活化成酯酰CoA，然后再入線粒體內(nèi)氧化。（1）、脂肪酸的活化（細(xì)胞質(zhì)）RCOO-+ATP+CoA-SH→RCO-S-CoA+AMP+Ppi生成一個高能硫脂鍵，需消耗兩個高能磷酸鍵，反應(yīng)平衡常數(shù)為1，由于PPi水解，反應(yīng)不可逆。細(xì)胞中有兩種活化脂肪酸的酶：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脂酰CoA合成酶，活化12C以上的長鏈脂肪酸線粒體脂酰CoA合成酶，活化4~10C的中、短鏈脂肪酸（2）、脂肪酸向線粒體的轉(zhuǎn)運中、短鏈脂肪酸（4-10C）可直接進(jìn)入線粒體，并在線粒體內(nèi)活化生成脂酰CoA。長鏈脂肪酸先在胞質(zhì)中生成脂酰CoA，經(jīng)肉堿轉(zhuǎn)運至線粒體內(nèi)。肉(毒)堿：L-β羥基-r-三甲基銨基丁酸。脂酰CoA以脂酰肉堿形式轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)。線粒體內(nèi)膜外側(cè)（胞質(zhì)側(cè)）：肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶Ⅰ催化，脂酰CoA將脂?；D(zhuǎn)移給肉堿的β羥基，生成脂酰肉堿。線粒體內(nèi)膜：線粒體內(nèi)膜的移位酶將脂酰肉堿移入線粒體內(nèi)，并將肉堿移出線粒體。線粒體內(nèi)（膜內(nèi)側(cè)）：肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶Ⅱ催化，使脂?；洲D(zhuǎn)移給CoA，生成脂酰CoA和游離的肉堿。（3）、脂酰CoA進(jìn)入線粒體后，在基質(zhì)中進(jìn)行β氧化作用，包括4個循環(huán)的步驟。a.脂酰CoA脫氫生成β-反式烯脂酰CoA。線粒體基質(zhì)中，已發(fā)現(xiàn)三種脂酰CoA脫氫酶，均以FAD為輔基，分別催化鏈長為C4-C6，C6-C14，C6-C18的脂酰CoA脫氫。b.(△2反式)烯脂酰CoA水化生成L-β-羥脂酰CoA，β-烯脂酰CoA水化酶催化。c.L-β-羥脂酰CoA脫氫生成β-酮脂酰CoA，L-β羥脂酸CoA脫氫酶催化。d.β-酮脂酰CoA硫解生成乙酰CoA和（n-2）脂酰CoA，酮脂酰硫解酶催化。脂肪酸β-氧化作用小結(jié)：（1）脂肪酸β-氧化時僅需活化一次，其代價是消耗1個ATP的兩個高能鍵（2）長鏈脂肪酸由線粒體外的脂酰CoA合成酶活化，經(jīng)肉堿運到線粒體內(nèi)；中、短鏈脂肪酸直接進(jìn)入線粒體，由線粒體內(nèi)的脂酰CoA合成酶活化。（3）β-氧化包括脫氫、水化、脫氫、硫解4個重復(fù)步驟（4）β-氧化的產(chǎn)物是乙酰CoA，可以進(jìn)入TCA脂肪酸β-氧化產(chǎn)生的能量以硬脂酸為例，18碳飽和脂肪酸胞質(zhì)中：a.活化：消耗2ATP，生成硬脂酰CoA線粒體內(nèi)：b.脂酰CoA脫氫：FADH2，產(chǎn)生2ATPc.β-羥脂酰CoA脫氫：NADH，產(chǎn)生3ATPd.β-酮脂酰CoA硫解：乙酰CoA→TCA，12ATP(n-2)脂酰CoA→第二輪β氧化活化消耗：-2ATPβ氧化產(chǎn)生：8×（2+3）ATP=409個乙酰CoA：9×12ATP=108凈生成：146ATP飽和脂酸完全氧化凈生成ATP的數(shù)量：(8.5n-7)ATP(n為偶數(shù))硬脂酸燃燒熱值：–2651kcal;β-氧化釋放：146ATP×(-7.3Kcal)=-1065.8Kcal轉(zhuǎn)換熱效率=40.2%β-氧化的調(diào)節(jié)a.脂?；M(jìn)入線粒體的速度是限速步驟，長鏈脂酸生物合成的第一個前體丙二酸單酰CoA的濃度增加，可抑制肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶Ⅰ，限制脂肪氧化。b.[NADH]/[NAD+]比率高時，β—羥脂酰CoA脫氫酶便受抑制。c.乙酰CoA濃度高時；可抑制硫解酶，抑制氧化（脂酰CoA有兩條去路：①氧化。②合成甘油三酯）(4)不飽和脂酸的β氧化1)單不飽和脂肪酸的氧化：油酸的β氧化，△3順—△2反烯脂酰CoA異構(gòu)酶（改變雙鍵位置和順反構(gòu)型），生成（146-2）ATP，少一次脫氫。2）多不飽和脂酸的氧化：亞油酸的β氧化，△3順—△2反烯脂酰CoA異構(gòu)酶（改變雙鍵位置和順反構(gòu)型），β-羥脂酰CoA差向酶（改變β-羥基構(gòu)型：D→L型），生成（146—2—2）ATP（5）奇數(shù)碳脂肪酸的β氧化奇數(shù)碳脂肪酸經(jīng)反復(fù)的β氧化，最后可得到丙酰CoA，丙酰CoA有兩條代謝途徑：1）丙酰CoA轉(zhuǎn)化成琥珀酰CoA，進(jìn)入TCA。動物體內(nèi)存在這條途徑，因此，在動物肝臟中奇數(shù)碳脂肪酸最終能夠異生為糖。反芻動物瘤胃中，糖異生作用十分旺盛，碳水化合物經(jīng)細(xì)菌發(fā)酵可產(chǎn)生大量丙酸，進(jìn)入宿主細(xì)胞，在硫激酶作用下產(chǎn)丙酰CoA，轉(zhuǎn)化成琥珀酰CoA，參加糖異生作用。2）丙酰CoA轉(zhuǎn)化成乙酰CoA，進(jìn)入TCA。這條途徑在植物、微生物中較普遍。有些植物、酵母和海洋生物，體內(nèi)含有奇數(shù)碳脂肪酸，經(jīng)β氧化后，最后產(chǎn)生丙酰CoA。（6）脂酸的其它氧化途徑1）α—氧化（不需活化，直接氧化游離脂酸），植物種子、葉子、動物的腦、肝細(xì)胞，每次氧化從脂酸羧基端失去一個C原子。RCH2COOH→RCOOH+CO2α—氧化對于降解支鏈脂肪酸、奇數(shù)碳脂肪酸、過分長鏈脂肪酸（如腦中C22、C24）有重要作用2）ω—氧化（ω端的甲基羥基化，氧化成醛，再氧化成酸），動物體內(nèi)多數(shù)是12C以上的羧酸，它們進(jìn)行β氧化，但少數(shù)的12C以下的脂酸可通過ω—氧化途徑，產(chǎn)生二羧酸，如11C脂酸可產(chǎn)生11C、9C、和7C的二羧酸（在生物體內(nèi)并不重要）。ω—氧化涉及末端甲基的羥基化，生成一級醇，并繼而氧化成醛，再轉(zhuǎn)化成羧酸。ω—氧化在脂肪烴的生物降解中有重要作用。泄漏的石油，可被細(xì)菌ω氧化，把烴轉(zhuǎn)變成脂肪酸，然后經(jīng)β氧化降解。4、酮體的代謝脂肪酸β-氧化產(chǎn)生的乙酰CoA，在肌肉和肝外組織中直接進(jìn)入TCA，然而在肝、腎臟細(xì)胞中還有另外一條去路：生成乙酰乙酸、D-β-羥丁酸、丙酮，這三種物質(zhì)統(tǒng)稱酮體。酮體在肝中生成后，再運到肝外組織中利用。1）酮體的生成酮體的合成發(fā)生在肝、腎細(xì)胞的線粒體內(nèi)。形成酮體的目的是將肝中大量的乙酰CoA轉(zhuǎn)移出去，乙酰乙酸占30%，β—羥丁酸70%，少量丙酮。（丙酮主要由肺呼出體外），肝臟線粒體中的乙酰CoA走哪一條途徑，主要取決于草酰乙酸的可利用性。饑餓狀態(tài)下，草酰乙酸離開TCA，用于異生合成Glc。當(dāng)草酰乙酸濃度很低時，只有少量乙酰CoA進(jìn)入TCA，大多數(shù)乙酰CoA用于合成酮體。當(dāng)乙酰CoA不能再進(jìn)入TCA時，肝臟合成酮體送至肝外組織利用，肝臟仍可繼續(xù)氧化脂肪酸。肝中酮體生成的酶類很活潑，但沒有能利用酮體的酶類。因此，肝臟線粒體合成的酮體，迅速透過線粒體并進(jìn)入血液循環(huán)，送至全身。2）酮體的利用肝外許多組織具有活性很強(qiáng)的利用酮體的酶。（1）、乙酰乙酸被琥珀酰CoA轉(zhuǎn)硫酶（β-酮脂酰CoA轉(zhuǎn)移酶）活化成乙酰乙酰CoA心、腎、腦、骨骼肌等的線粒體中有較高的酶活性，可活化乙酰乙酸。乙酰乙酸+琥珀酰CoA→乙酰乙酰CoA+琥珀酸然后，乙酰乙酰CoA被β氧化酶系中的硫解酶硫解，生成2分子乙酰CoA，進(jìn)入TCA。（2）、β—羥基丁酸由β—羥基丁酸脫氫酶催化，生成乙酰乙酸，然后進(jìn)入上述途徑。（3）、丙酮可在一系列酶作用下轉(zhuǎn)變成丙酮酸或乳酸，進(jìn)入TCA或異生成糖。肝臟氧化脂肪時可產(chǎn)生酮體，但不能利用它（缺少β—酮脂酰CoA轉(zhuǎn)移酶），而肝外組織在脂肪氧化時不產(chǎn)生酮體，但能利用肝中輸出的酮體。在正常情況下，腦組織基本上利用Glc供能，而在嚴(yán)重饑餓狀態(tài)，75%的能量由血中酮體供應(yīng)。3）酮體生成的生理意義：酮體是肝內(nèi)正常的中間代謝產(chǎn)物，是肝輸出能量的一種形式。酮體溶于水，分子小，能通過血腦屏障及肌肉毛細(xì)管壁，是心、腦組織的重要能源。腦組織不能氧化脂酸，卻能利用酮體。長期饑餓，糖供應(yīng)不足時，酮體可以代替Glc，成為腦組織及肌肉的主要能源。正常情況下，血中酮體0.03~0.5mmal/2。在饑餓、高脂低糖膳食時，酮體的生成增加，當(dāng)酮體生成超過肝外組織的利用能力時，引起血中酮體升高，導(dǎo)致酮癥酸（乙酰乙酸、β—羥丁酸）中毒，引起酮尿。4）酮體生成的調(diào)節(jié)。（1）飽食：胰島素增加，脂解作用抑制，脂肪動員減少，進(jìn)入肝中脂酸減少，酮體生成減少。饑餓：胰高血糖素增加，脂肪動員量加強(qiáng)，血中游離脂酸濃度升高，利于β氧化及酮體的生成。（2）肝細(xì)胞糖原含量及代謝的影響：進(jìn)入肝細(xì)胞的游離脂酸，有兩條去路：一條是在胞液中酯化，合成甘油三酯及磷脂；一是條進(jìn)入線粒體進(jìn)行β氧化，生成乙酰CoA及酮體。肝細(xì)胞糖原含量豐富時，脂酸合成甘油三酯及磷脂。肝細(xì)胞糖供給不足時，脂酸主要進(jìn)入線粒體，進(jìn)入β—氧化，酮體生成增多。（3）丙二酸單酰CoA抑制脂酰CoA進(jìn)入線粒體乙酰CoA及檸檬酸能激活乙酰CoA羧化酶，促進(jìn)丙二酰CoA的合成，后者能競爭性抑制肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶Ⅰ，從而阻止脂酰CoA進(jìn)入線粒體內(nèi)進(jìn)行β氧化。二、脂肪酸及甘油三脂的合成代謝所有的生物都可用糖合成脂肪酸，有兩種合成方式。A.從頭合成（乙酰CoA）——在胞液中（16碳以下）B.延長途徑——在線粒體或微粒體中高等動物的脂類合成在肝臟、脂肪細(xì)胞、乳腺中占優(yōu)勢。（一）飽和脂肪酸的從頭合成合成部位：細(xì)胞質(zhì)中；合成的原料：乙酰CoA（主要來自Glc酵解）、NADPH（磷酸戊糖途徑）、ATP、HCO3—1、乙酰CoA的轉(zhuǎn)運細(xì)胞內(nèi)的乙酰CoA幾乎全部在線粒體中產(chǎn)生，而合成脂肪酸的酶系在胞質(zhì)中，乙酰CoA必須轉(zhuǎn)運出來。轉(zhuǎn)運方式：檸檬酸-丙酮酸循環(huán)2、丙二酸單酰CoA的生成（限速步驟）脂肪合成時，乙酰CoA是脂肪酸的起始物質(zhì)（引物），其余鏈的延長都以丙二酸單酰CoA的形式參與合成。所用的碳來自HCO3—（比CO2活潑），形成的羧基是丙二酸單酰CoA的遠(yuǎn)端羧基乙酰CoA羧化酶：（輔酶是生物素）為別構(gòu)酶，是脂肪酸合成的限速酶，檸檬酸可激活此酶，脂肪酸可抑制此酶。3、脂?；d體蛋白（ACP）脂肪酸合成酶系有7種蛋白質(zhì)，其中6種是酶，1種是脂?；d體蛋白（ACP），它們組成了脂肪酸合成酶復(fù)合體。ACP上的Ser羥基與4-磷酸泛酰巰基乙胺上的磷酸基團(tuán)相連，4-磷酸泛酰巰基乙胺是ACP和CoA的共同活性基團(tuán)。磷酸泛酰巰基乙胺是CoA和ACP的活性基團(tuán)。脂肪酸合成過程中的中間產(chǎn)物，以共價鍵與ACP輔基上的-SH基相連，ACP輔基就象一個搖臂，攜帶脂肪酸合成的中間物由一個酶轉(zhuǎn)到另一個酶的活性位置上。4、脂肪酸的生物合成步驟脂肪酸生物合成的程序第一階段：縮合第二階段：還原第三階段：釋放（1）、原初反應(yīng)：乙?；B到β-酮脂酰ACP合成酶上（2）、丙二酸?；D(zhuǎn)移反應(yīng)：生成丙二酸單酰-S-ACP此時一個丙二酸單?；cACP相連,另一個脂?；?乙酰基)與β-酮脂酰-ACP合成酶相連。（3）、縮合反應(yīng)：生成β-酮脂酰-S-ACP同位素實驗證明，釋放的CO2來自形成丙二酸單酰CoA時所羧化的HCO3—，羧化上的C原子并未摻入脂肪酸，HCO3—在脂酸合成中只起催化作用。（4）、第一次還原反應(yīng)：生成β-羥脂酰-S-ACP注意：形成的是D型β羥丁酰-S-ACP，而脂肪分解氧化時形成的是L型。（5）、脫水反應(yīng)：形成β-烯脂酰-S-ACP（6）、第二次還原反應(yīng)：形成（n+2）脂酰-S-ACP第一次循環(huán)，產(chǎn)生丁酰-S-ACP。第二次循環(huán)，丁酰-S-ACP的丁?；葾CP轉(zhuǎn)移至β-酮脂酰-ACP合成酶上，再接受第二個丙二酸單?；?，進(jìn)行第二次縮合。奇數(shù)碳原子的飽和脂肪酸也由相此途徑合成，只是起始物為丙二酸單酰-S-ACP，而不是乙酰-S-ACP，逐加的二碳單位也來自丙二酸單酰-S-ACP。多數(shù)生物的脂肪酸合成步驟僅限于形成軟脂酸（16C）。經(jīng)過7次循環(huán)后，合成的軟脂酰-S-ACP經(jīng)硫脂酶催化生成游離的軟脂酸，或由ACP轉(zhuǎn)到CoA上生成軟脂酰CoA，或直接形成磷脂酸。對鏈長有專一性的酶是β-酮脂酰ACP合成酶，它不能接受16C?；?。由乙酰-S-CoA合成軟脂酸的總反應(yīng)：8乙酰CoA+14NADPH+14H++7ATP+H2O→軟脂酸+8CoASH+14NADP++7ADP+7Pi5、各類細(xì)胞中脂肪酸合成酶系（1）、細(xì)菌、植物(多酶復(fù)合體)：6種酶+ACP（2）、酵母(α6β6)：電鏡下直徑為25nm，α：β-酮脂酰合成酶、β-酮脂酰還原酶β：脂酰轉(zhuǎn)移酶、丙二酸單酰轉(zhuǎn)移酶、β-羥脂酰脫水酶、β-烯脂酰還原酶（3）、哺乳動物(α2，多酶融合體)結(jié)構(gòu)域I：底物進(jìn)入酶系進(jìn)行縮合的單元，乙酰轉(zhuǎn)移酶活性、丙二酸單酰轉(zhuǎn)移酶、縮合酶結(jié)構(gòu)域II：還原反應(yīng)物的單元，ACP、β-酮脂酰還原酶、β-羥脂酰脫水酶、β-烯脂酰還原酶結(jié)構(gòu)域III：釋放軟脂酸的單元，硫脂酶。多酶融合體：許多真核生物的多酶體系是多功能蛋白，不同的酶以共價鍵連在一起，稱為單一的肽連，稱為多酶融合體。生物進(jìn)化中，外顯子跳動產(chǎn)生的結(jié)果。有利于酶的協(xié)同作用，提高催化效率。多酶融合體對酶工程的啟示：E1~~~~~E2~~~~~~E36、脂肪酸合成的化學(xué)計量（從乙酰CoA開始）以合成軟脂酸為例：（8個乙酰CoA）14NADPH，7ATP14*3+7=49ATP7、乙酰CoA和NADPH的來源⑴乙酰CoAA.肉堿乙?；D(zhuǎn)移酶P154B.檸檬酸-丙酮酸、穿梭⑵NADPH60%來自磷酸戊糖支路40%來自檸檬酸