复旦大学生化课件-脂肪代谢.ppt

1、脂类代谢(Lipid Metabolism),脂类代谢Lipid Metabolism,五、脂肪酸合成 六、脂肪的合成 七、磷脂的代谢 八、鞘脂的代谢 九、胆固醇代谢 十、脂蛋白,一、脂肪的消化与吸收 二、脂肪的分解 三、脂肪酸的氧化(分解代谢) 四、酮体的合成与分解,脂肪代谢Fat Metabolism,1 g 脂肪在体内彻底氧化可释放9.3 Kcal的能量，而1 g糖和蛋白质在体内彻底氧化只释放4.1 Kcal的能量。脂肪是储存能量很高的物质。,血脂 500 mg/dl,食物中脂类 体内合成脂类 脂库动员释放,氧化供能 进入脂库储存 构成生物膜 转变成其他物质,波动范围较大,血脂的来源与去

2、路,脂肪的消化和吸收,食物中的脂肪在口腔和胃中都不发生化学作用，消化发生在小肠： 1.胆汁酸盐乳化脂肪形成混合微团(mixed micelles); 2.肠lipases分解fat为glycerol和fatty acids; 3.肠粘膜吸收分解产物甘油和脂肪酸，在肠粘膜中再转化为fat。,胆汁盐、甘油三酯和胰脂肪酶形成的乳糜微滴,胆汁酸盐,脂肪酶,甘油三酯,脂肪的消化和吸收(续）,4.Fat与cholesterol、apoproteins结合形成乳糜微粒（chylomicrons）； 5.乳糜微粒通过淋巴系统和血液进入组织； 6.ApoC-II激活lipoprotein lipase重新水解f

3、at为FA和glycerol； 7.FA进入细胞； 8.FA被氧化释放能量，或在肌细胞及脂肪组织中酯化储存。,脊椎动物食物脂类的消化与吸收过程,脂肪的分解代谢,脂肪的动员 (Adipokinetic Action） 脂肪组织中的脂肪在激素敏感的脂酶的作用下水解为脂肪酸和甘油并释放入血液供其他组织利用的过程。激素敏感的脂酶受多种激素调控，胰岛素下调，肾上腺素与胰高血糖素上调激素敏感脂酶的活性。,脂肪的酶解,脂肪组织中的脂肪酶,激素激发贮存脂肪的动员,激素接受“能量需要的”信号，脂肪被动员，被运输到可以氧化脂肪酸产能的组织（骨骼肌、心脏和肾上腺皮质）。 低血糖引发分泌的肾上腺素和胰高血糖素与脂肪细

4、胞表面的受体结合活化产生cAMP，蛋白激酶磷酸化并活化激素敏感的甘油三酯酯酶，水解甘油三酯。产生的脂肪酸由脂肪细胞释放进入血液，血清白蛋白serum albuminMr 62,000非共价结合脂肪酸（1：10），运输至骨骼肌、心脏和肾上腺皮质。 运输的脂肪酸解离进入细胞氧化供能。,脂肪组织贮存的甘油三酯的动员,脂肪细胞中激素诱导脂肪动员的信号传导,肾上腺素,脂肪动用的激素调节,胰高血糖素，甲状腺素，肾上腺皮质激素,（+）,甘油代谢(Glycerol Metabolism),脂肪细胞缺乏甘油激酶，不能利用甘油，随血液回到肝脏，可以发生： 1.变为-p-glycerol，与活化的FA合成FAT；

5、2. 变为-p-glycerol，生成DHAP，参与酵解，氧化供能； 3. 变为-p-glycerol，生成DHAP，参与糖元异生 。,甘油进入酵解途径,糖异生,甘油代谢,脂肪酸的氧化,Franz Knoop(1904) 通过苯基标记喂养试验，发现脂肪酸的氧化是从羧基端的位碳原子开始，每次分解出一个二碳片段（乙酰CoA） ，提出了FA的 -oxidation假说 。 氧化主要发生在肝脏内。,苯基标记,脂肪酸的活化,FA进入肝脏细胞，首先被活化成acyl CoA。细胞内有两类活化FA的酶： 内质网acyl CoA synthetase，也称硫激酶（thiokinase），活化12个碳原子以上的F

6、A；线粒体acyl CoA synthetase，活化4-10碳原子的FA。 反应需ATP。 R-COO- + ATP + HS-CoA R-CO-SCoA + AMP + PPi(2Pi) 活化为脂酰CoA，水溶性增加，有利于反应进行；-氧化的酶对脂酰CoA有专一性。,Mg2+,脂肪酸转变为脂酰-CoA,脂肪酸跨线粒体膜的运输,FA的-oxidation发生在肝脏及其他组织的线粒体内，中、短链FA可直接穿过线粒体内膜，长链FA须经特殊的转运机制才可进入线粒体内被氧化，即肉碱 (L-carnitine)转运。,History of L-Canitine,1905年俄国科学家（Culewitsc

7、h and Kimberg)从肉浸汁中发现肉碱。 1927年确定左旋肉碱的化学结构。 1952年美国伊利诺斯州大学的研究人员Carter等人才确证了维生素BT即肉碱。 1953年开始，肉碱列在美国化学文摘中Vitamin BT索引栏目下。 1959年Fritz发现肉碱能促进脂肪代谢速率（促进氧化） 1973年Engle报道首例肉碱缺乏症，并开始用肉碱进行治疗。,History of L-Canitine cont.,1985年芝加哥召开国际营养学术会议，将左旋肉碱列为特定条件下的必需营养物质。 1990年收入美国药典22版。 1993年获得FDA和WHO认可，美国专家委员会确认左旋肉碱为公认安

8、全、无毒物质。 1996年我国第16次全国食品、添加剂标准化技术员会上通过允许在饮料、乳制品、饼干、固体饮料、乳粉中使用左旋肉碱。 1999年，中华人民共和国农业部公告105号，肉碱盐酸盐列入“允许使用的饲料添加剂品种目录”。,肉碱与脂酰肉碱,肉碱 -羟基-三甲基氨基丁酸,脂酰肉碱,脂肪酸通过脂酰肉碱/肉碱运输体进入线粒体,脂肪酸的-oxidation,包括四个反复的氧化过程： 1. Acyl CoA的、脱氢，生成反式烯脂酰CoA（enoyl CoA），线粒体基质中发现有3种acyl CoA dHE，都以FAD为辅基; 2. 2-enoyl CoA的水化，形成L(+)-羟脂酰CoA，由水化酶催

9、化，底物只能为2-不饱和脂酰CoA； 3. L(+)-羟脂酰CoA脱氢，生成-酮脂酰CoA，由脱氢酶催化，酶以NAD+为辅酶，只对L型底物有作用； 4.硫解（断链），硫解酶（thiolase）催化。,-氧化的反应,脂肪酸-氧化的三个阶段,脂肪酸的反复-氧化,脂肪酸氧化的主要反应,Summarization of FA -oxidation,1FA仅需活化一次，消耗1ATP的两个高能磷酸键，活化的酶在线粒体膜外； 2Acryl CoA（长链）需经肉碱运输才能进入线粒体内，有肉碱转移酶I和II； 3所有FA -oxidation的酶都是线粒体酶；,Summarization of FA -oxid

10、ationcont.,4. -oxidation的能量代谢，氧化产生的acetyl CoA进入TCA，最终生成H2O和CO2，每一次循环产生1 acetyl CoA、1 FADH2和1 (NADH+H+)。 以软脂酸为例，7次循环产生8 acetyl CoA、7FADH2和7（NADH+H+) 总计：812+7(2+3)-2=129 (ATP)。 或83 2.5+1.5+1+71.5+2.5-2=106 ATP,软脂酰-CoA彻底氧化产生ATP量的表,C2物的去路-酮体代谢,人类及大多数哺乳动物，FA -氧化产生大量的乙酰CoA，在肌细胞中进入TCA，在肝组织中，特别是在饥饿、禁食、糖尿病等情

11、形下，acetyl CoA可进一步缩合并生成乙酰乙酸、-羟丁酸和丙酮这三种物质，统称为酮体（ketone bodies）。 酮体可以运输到肝外组织为脑和肌肉骨骼、心、肾皮质组织氧化功能。,酮体Ketone Bodies,酮体合成,硫解酶,HMG-CoA合成酶,HMG-CoA裂解酶,胆固醇,分枝氨基酸,酮体分解,肌肉中： -羟丁酸乙酰乙酸 ATP +HS-CoA 硫激酶 AMP+PPi 乙酰乙酰CoA HS-CoA 硫解酶 2乙酰CoATCA,dHE,肌肉、脑及肾上腺中乙酰乙酸分解,-ketoacyl-,-羟丁酸作为燃料,酮体形成和运往肝外组织,?,未治疗糖尿病人、严重节食和禁食的人，由于少量草

12、酰乙酸被用于生糖，乙酰CoA不能进入TCA，只能生成酮体。,酮体代谢,HMG-CoA还原酶,酮体生成与分解的生物学意义,肝脏产生的酮体在肝外组织中被氧化供能，心肌、肾上腺皮质和脑组织等在糖供应不足时，都可以酮体提供能量。 在长期饥饿和患糖尿病时，脑中75%的能量供应来自于酮体。 酮体在血液内积累会造成血液pH的下降，引起酮血症和酸中毒。,不饱和脂肪酸的氧化,不饱和脂肪酸进入线粒体氧化供能，同样需要活化和转运才能进入线粒体。由于天然不饱和脂肪酸都是顺式构型，氧化过程中，在遇到不饱和双键前进行常规的-氧化。在遇到不饱和双键时，或因顺式双键，需经顺反异构为反式异构物；或因生成的D(-)-构型需经差向

13、异构生成L-型异构，才能继续-氧化。,单不饱和脂肪酸的氧化顺反异构,3-顺-2-反异构化,遇到3-顺时,不饱和脂肪酸的氧化还原+顺反异构,遇到4-顺时,多不饱和脂肪酸的氧化,亚油酸,Complete Oxidation of Odd-Number Fatty Acids,天然脂中的脂肪酸多为偶数碳脂肪酸，奇数碳脂肪酸在植物和海洋生物中常见。少量的三碳丙酸被添加到面包和谷类食品中作为霉菌抑制剂，因此丙酸也随食物进入人体。 牛及其他反刍动物的瘤胃中的碳水化合物发酵时产生大量丙酸，丙酸被吸收进入血液回到肝脏或其他组织被氧化。 一些枝链氨基酸(Val、Ile)降解也产生丙酸，因此丙酸代谢也十分重要。,

14、奇数碳脂肪酸的氧化,少量奇数碳脂肪酸与偶数碳脂肪酸一样，经多次-氧化最终产生丙酰CoA，剩下的问题就是丙酸代谢。丙酸代谢可有两条途径，一是生成琥珀酰CoA进入TCA（动物）；另一是通过-羟丙酸支路，最终生成乙酰CoA进入TCA（植物、微生物中普遍）。,丙酸代谢-生成琥珀酰辅酶A,丙酸经琥珀酰CoA分解的能量代谢,丙酸（-2 ATP，脂酰CoA合成酶或硫激酶）丙酰CoA（-1 ATP，羧化酶）D-甲基-丙二酸单酰CoA琥珀酰CoATCA 琥珀酸（+1 GTP）延胡索酸（+1 FADH2）苹果酸。 苹果酸（苹果酸酶）丙酮酸（+1NADPH） 丙酮酸乙酰CoA（+1NADH）TCA（+12ATP）

15、算至彻底氧化：总21-3=18 ATP。,过氧化物酶体也氧化脂肪酸,线粒体是脂肪酸氧化的主要场所，但一定细胞的特定膜结构也会氧化脂肪酸，过氧化物酶体Peroxisomes植物中常见可以以与线粒体相似但不完全相同的方式氧化脂肪酸。 过氧化物酶体氧化脂肪酸四步反应的第一步黄素蛋白脱氢酶催化脱氢生成FADH2，电子直接传递给O2生成H2O2，后者被过氧化氢酶分解解毒。,线粒体、过氧化物酶体及乙醛酸体中-氧化的比较,植物乙醛酸循环体和过氧化物酶体利用-氧化提供合成前体,植物体脂肪酸氧化不在线粒体，在叶组织的过氧化物酶体和萌发种子的乙醛酸循环体中，乙醛酸循环体和过氧化物酶体的结构和功能相似，乙醛酸循环体

16、仅发生于萌发的种子，可看成特化的过氧化物酶体。 植物乙醛酸循环体和过氧化物酶体脂肪酸-氧化的生物学作用是由贮存脂提供生物合成的前体物质，而不是重要的供能代谢途径。植物线粒体中并不含-氧化的酶。,萌发种子中的-氧化把甘油酯转变为葡萄糖及其他合成物质,FA的-氧化,Stumpf P K(1956)首先在植物线粒体中发现，后来在动物的脑、肝等组织中也有发现，仅游离FA可作底物，直接涉及到分子氧，产物既可是D-羟基FA，也可以是少一个碳的FA或脂肪醇。,FA的-氧化,-氧化,脂肪过氧化物酶,FA的-氧化,Verkade(1932)发现，喂养一元羧酸后出现了二元羧酸，十一碳羧酸变成了十一碳、九碳、七碳的

17、二元羧酸，即除-氧化外，还在远离羰基碳的碳上发生了氧化反应。多发生于无脊椎动物肝脏和肾脏的内质网中，底物多为12或10碳的脂肪酸。第一步反应在碳上引入羟基，氧来自分子氧，由混合功能加氧酶系统催化完成，涉及细胞色素P450和电子供体NADPH，还需要醇脱氢酶和醛脱氢酶的参与。,FA的-氧化,脂肪酸的生物合成,FA的合成与分解是两种不同的代谢途径、由不同的酶系统催化反应、发生于细胞内的不同部位、合成过程存在一种三碳中间物丙二酸单酰CoA (malonyl CoA) 参与FA的生物合成。 FA的全程合成(De novo synthesis)发生在细胞质中。 延伸合成发生在内质网或线粒体中。 双键引入

18、发生在微粒体中。,脂肪酸生物合成的原料,一般生物都能利用糖类或更简单的含碳物作为碳源合成FA，油料作物以CO2为碳源、微生物以糖或乙酸为碳源、动物合成FA有两种方式：从无到有全程合成de novo synthesis及延伸长合成elongation synthesis，前者的酶系统存在于胞质中非线粒体系统，后者酶系统存在于线粒体和微粒体中线粒体系统和微粒体系统，合成原料是乙酰CoA。,非线粒体系统全程合成,FA合成的主要途径，胞质中进行，原料为乙酰CoA，产物是长链FA（多为软脂酸），反应需要：脂酰基载体蛋白ACP acyl carrier proteins、ATP、CO2、NADPH和Mn2

19、+等。合成中只有一个C2物以乙酰CoA参与合成过程（“引物”），其余延伸的“C2”物均以丙二酸单酰CoA 三碳形式参与反应。,乙酰-CoA以柠檬酸的形式运出线粒体,非光合作用真核生物中，几乎所有用于脂肪酸生物合成的乙酰-CoA都通过线粒体中丙酮酸的氧化及氨基酸碳架的分解，而脂肪酸氧化产生的乙酰-CoA不作为动物细胞脂肪酸生物合成的原料，两种代谢途径的调节是相反的。 线粒体内膜对乙酰-CoA不透过，需通过柠檬酸合成酶生成柠檬酸被运送到胞质。,乙酰CoA由线粒体转运向胞质,乙酰CoA的转运,丙二酸单酰CoA,ACC,ACC：Acetyl-CoA Carboxylase,Acetyl-CoA Car

20、boxylase,催化乙酰CoA和CO2形成丙二酸单酰CoA，反应不可逆，需biotin，是别构酶，是FA合成的限速（酶）步骤，无活性的酶有三个结合位点：HCO3-结合位点、乙酰CoA结合位点及柠檬酸结合位点，柠檬酸及异柠檬酸是酶的正激活剂，无柠檬酸时酶无活力。,乙酰-CoA羧化酶的反应,FA Synthase (FAS) Complex,催化脂肪酸生物合成的酶复合物，大肠杆菌脂肪酸合成酶的酶复合物有七个独立的多肽紧密协同为一个整体，共同作用完成乙酰脂酰CoA和丙二酸单酰CoA合成FA的催化过程，七条多肽链包括一个ACP蛋白和六个酶，ACP的作用是以硫酯键的形式把脂酰基团连接在复合物上以代替脂

21、酰CoA形式。,FA Synthase Complex的组成,六个酶是： 1、Acetyl CoA-ACP transacetylase (AT) 催化脂酰基转移 2、Malonyl CoA-ACP transferase (MT) 催化丙二酰基转移 3、-Ketoacyl-ACP synthetase (KS) 催化脂酰基与丙二酰基缩合,FA Synthase Complex的组成cont.,4、-Keto-ACP reductase (KR) 催化酮基还原为羟基 5、-Hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD) 催化脱水 6、Enoyl-ACP reductase (

22、ER) 催化双键还原,大肠杆菌脂肪酸合成酶复合物的蛋白质及其作用,在动物体中脂肪酸合酶催化形成脂肪酸的反应共有7步，分别为： 1、启动：乙酰-CoA：ACP转酰酶 2、装载：丙二酸单酰CoA:ACP转酰酶 3、缩合：-酮酰-ACP合酶 4、还原：-酮酰-ACP还原酶 5、脱水：-羟酰-ACP脱水酶 6、还原：烯酰-ACP还原酶 7、释放：软脂酰-ACP硫酯酶,脂肪酸的生物合成,乙酰-CoA和丙二酸单酰-CoA分别占据不同的位点,脂肪酸合成开始前两种脂酰基基团必须占据合适的位点，乙酰-CoA的乙酰基团转移到KS-Cys残基的-SH上，由AT催化；丙二酸单酰-CoA的丙二酸单酰基团转移到ACP的巯

23、基上，由MT催化完成。两种基团空间位置靠得非常近，可以延伸脂肪酸链的合成。,四步反应延伸脂肪链的两个碳反应1、2,缩合,还原,KS或CE,KR,四步反应延伸脂肪链的两个碳反应3、4,脱水,还原,HD,ER,脂肪酸合成过程（二碳和三碳酰基占据不同位点（1）,脂肪酸合成过程缩合和还原2,脂肪酸合成过程脱水和还原3,脂肪酸合成过程合成基团的转移4,细菌脂肪酸合成的主要反应,脂肪酸合成的四步反应过程,软脂酸合成总反应,1 7分子丙二酸单酰CoA形成 7 Acetyl CoA + 7 CO2+ 7ATP 7 malonyl CoA + 7ADP + 7 Pi 27次循环的缩合、还原、脱水和还原 Acet

24、yl CoA + 7 malonyl CoA + 14 NADPH+14 H+ palmitate + 8 HS-CoA + 6 H2O + 7 CO2 + 14 NADP+ 总反应： 8 Acetyl CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+ palmitate + 8 HSCoA + 6 H2O + 7 ADP + 7 Pi + 14 NADP+,软脂酸合成与分解代谢的区别,脂肪酸合成发生胞质,高等真核生物中脂肪酸合成酶复合物被普遍发现于胞质中，这种分布把合成与分解途径隔离开来，同样电子载体也被分开，通常合成代谢电子载体是NADPH，而NADH多发生于分解代谢。肝脏细胞

25、胞质中HADPH/NADP+高达75，提供脂肪酸及其他生物分子合成的还原环境，而胞质NADH/NAD+极低810-4，保证NAD+依赖的葡萄糖的氧化代谢可以发生在同样的环境。植物的发生于叶绿体中。,脂类代谢的亚细胞分布,NADPH的产生,脂肪酸合成的调节,Fatty acid synthase complex,软脂酸合成其他脂肪酸,由亚油酸合成 花生四烯酸,NADPH+H+,NADP+,NADPH+H+,NADP+,线粒体系统,线粒体的基质中进行，只能在C12、C14、C16的基础上逐步添加C2物，生成长链FA。 需acetyl CoA、NADH、 NADPH。 反应基本上是-氧化的逆过程，只有个别反应不同，即脂酰CoA dHE不参与逆反应，合成时由烯脂酰CoA还原酶催化，需NADPH而不是FADH2。,线粒体中脂肪酸