脂肪酸的分解代谢PPT.ppt

第一节脂肪酸的分解代谢 第11章脂肪及其代谢 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 脂类的生物学功能主要包括 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30 50 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 一 脂肪的概念 一 脂肪的概念 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 plasmamembrane 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活动具有特别重要的作用 一 脂肪的概念 AtopologicalmodeloftheA thalianamonosaccharidetransporter 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 一 脂肪的概念 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 前列腺素类和甾类化合物等 一 脂肪的概念 脂的分类 一 脂肪的概念 单纯脂 一 脂肪的概念 复合脂 磷酸甘油脂 又称甘油磷脂 是最具有代表性的复合脂 广泛存在于动物 植物和微生物 磷脂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 二 脂肪的水解 二 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 三 甘油的代谢 其中第一步反应需要消耗ATP 而第二步反应可生成还原辅酶 磷酸二羟丙酮为磷酸丙糖 是糖酵解途径的中间产物 因此既可以继续氧化 经丙酮酸进入三羧酸循环彻底氧化成CO2和水 又可经糖异生作用合成葡萄糖 乃至合成多糖 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 氧化作用的提出是在十九世纪初 FranzKnoop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 结果发现 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 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 据此 Knoop提出脂肪酸的氧化发生在 碳原子上 而后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 Localizationof oxidationoccursinmitochondria 油料作物种子萌发时 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 1 脂肪酸 氧化的过程 1 脂肪酸的活化 2 脂肪酸的转运 3 b 氧化 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 1 脂肪酸的活化 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 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 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 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 2 Transportintomitochondria 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 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 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 2 Transportintomitochondria 肉碱 也叫肉毒碱 Carnitine 的结构如下 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 2 Transportintomitochondria 肉毒碱是季胺类化合物 是一种人体必需的营养素 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 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 其中的肉碱脂酰转移酶 和 是一组同工酶 前者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 后者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 2 Transportintomitochondria 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 3 氧化的历程 脂酰CoA进入线粒体后 经历多次b 氧化作用而逐步降解成多个二碳单位 乙酰CoA 每次b 氧化作用包括四个步骤 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway a OxidationofthefattyacylCoAtoenoylCoAformingatrans 2 doublebondonthefattyacylchainandproducingFADH2 catalyzedbyacylCoAdehydrogenase脂酰辅酶A脱氢酶 1 脂肪酸 氧化的过程 四 oxidationpathway b Hydrationofthetrans 2 enoylCoAtoform3 hydroxyacylCoA catalyzedbyenoylCoAhydratase烯脂酰CoA水合酶 1 脂肪酸 氧化的过程 四 oxidationpathway c Oxidationof3 hydroxyacylCoAto3 ketoacylCoAproducingNADH catalyzedbyhydroxyacylCoAdehydrognease羟脂酰CoA脱氢酶 1 脂肪酸 氧化的过程 四 oxidationpathway d Cleavage ofthiolysis of3 ketoacylCoAbyasecondCoAmolecule givingacetylCoAandanacylCoAshortenedbytwocarbonatoms catalyzedby ketothiolase 酮脂酰CoA硫解酶 1 脂肪酸 氧化的过程 四 oxidationpathway 乙酰CoA 乙酰CoA 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 3 氧化的历程 1 脂肪酸 氧化的过程 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 下图是软脂酸 棕榈酸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 2 偶数碳饱和脂肪酸的氧化 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 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2分子和3分子ATP 因此每轮b 氧化作用可生成5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12分子ATP 2 偶数碳饱和脂肪酸的氧化 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 在油料种子萌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 2 偶数碳饱和脂肪酸的氧化 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 生物体中的不饱和脂肪酸的双键都是顺式构型 而且位置也相当有规律 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 12 15 3 不饱和脂肪酸的氧化 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 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 它经历了三轮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 因此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 3 不饱和脂肪酸的氧化 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 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 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 但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 4 奇数碳链脂肪酸的氧化 丙酰CoA的代谢在动物体内依照如下图所示的途径进行 先进行羧化 然后经过两次异构化 形成琥珀酰CoA 四 Fattyacidbreakdown oxidationpathway 4 奇数碳链脂肪酸的氧化 油酰CoA的 氧化 四 oxidationpathway 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 该途径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 其可能的机理下图所示 a 氧化作用对于生物体内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 的降解起着重要的作用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 五 脂肪酸的a 氧化途径 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 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 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 这种降解过程首先要进行w 氧化作用 生成二羧基脂肪酸后再通过b 氧化作用降解 如海洋中的某些浮游细菌可降解海面上的浮油 其氧化速率可高达0 5克 天 平方米 六 脂肪酸的 氧化途径 Glyoxylatecycleoccursintheglyoxysome 乙醛酸循环体 wheretherearemostofintermediatessimilartothoseinTCAcycle Inthiscase GlyoxylatecycleisassociatedwiththatofTCAcycle Inhigherplants Glyoxylatecycleisdetectedinthegerminatedseeds especiallyintheoil richseeds Italsooccursinmanymicrobialsystemswhereonlytwoatomcarbonsubstances e g aceticacid areavailable 七 Glyoxylatecycle乙醛酸循环 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 glyoxylatecycle 将2分子乙酰CoA合成1分子四碳化合物琥珀酸 七 Glyoxylatecycle乙醛酸循环 1 乙醛酸循环的过程 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 Therearetwoadditionalenzymes isocitrataseorisocitratelyase 异柠檬酸裂解酶 andmalatesynthase 苹果酸合酶 existinginglyoxysome Isocitratelyaseconvertsisocitratetosuccinateandglyoxylate malatesynthasecatalyzesareactionsimilartothecitratesynthaseinthatitcondensesacetylCoAandglyoxylatetoformmalate 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 Thepresenceoftheseenzymes plustheenzymesofthecitricacidcycle TCA meansthatacyclecanbestartedwithoxaloacetate atotaloffourcarbonscanbeadded astwoacetylCoAmolecules succinatecanbeconvertedtooxaloacetateandshuntedofftowardglucoseformation andoxaloacetatecanberegeneratedfromglyoxylatetorenewthecycle 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 Reaction 5stepsand5enzymesa CitrateisformedfromtheirreversiblecondensationofacetylCoAandoxaloacetate catalyzedbycitratesynthase b Citrateisconvertedtoisocitratebyanisomerizationcatalyzedbyaconitase c Isocitrateisconvertedtosuccinateandglyoxylate catalyzedbyisocitratelyase 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 d GlyoxylateandacetylCoAarecondensedbymalatesynthase e Malateisoxidizedtooxaloacetatebymalatedehydrogenase Keyenzymes isocitratelyaseandmalatesynthase 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 乙醛酸循环的净结果是把两分子乙酰CoA转变成一分子琥珀酸 其总反应为 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 Bythismechanism acellisabletocarryoutanetconversionoffattyacidcarbontoglucose Thisreactionisofparticularimportanceinseedsofhigherplants whichduringthegerminationprocesscanconvertthefattyacidsliberatedfromtriglycerideintoglucose 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 a Akeypathwayofconversionoffattyacidsintoglucose b Succinatecanserveasaprecursorforcarbohydratesynthesis Functions 七 Glyoxylatecycle 1 乙醛酸循环的过程 乙醛酸循环与三羧酸循环相比 可以看成是三羧酸循环的一个支路 它在异柠檬酸处分支 绕过了三羧酸循环的两步脱羧反应 因而不发生氧化降解 参与乙醛酸循环的酶除了异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶外 其余的酶都与三羧酸循环的酶相同 异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶是乙醛酸循环的关键酶 七 Glyoxylatecycle 2 乙醛酸循环的生物学意义 乙醛酸循环不存在于动物及高等植物的营养器官内 它存在于一些细菌 藻类和油料植物的种子的乙醛酸体中 油料植物的种子中主要的贮藏物质是脂肪 在种子萌发时乙醛酸体大量出现 由于它含有脂肪分解和乙醛酸循环的整套酶系 因此可以将脂肪分解 并将分解产物