第十章 脂类与脂类代谢 第一节 脂类的概述
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第十章 脂类与脂类代谢 第一节 脂类的概述
脂类( lipids )泛指不溶于水,易溶于有机溶剂的各类生物分子。脂类都含有碳、氢、氧元素,有的还含有氮和磷。脂类所包括的物质范围很广,结构差异也大。 他们的共同特征是以长链或稠环脂肪烃分子为母体。脂类分子中没有极性基团的称为非极性脂;有极性基团的称为极性脂。极性脂的主体是脂溶性的,其中的部分结构是水溶性的。
单纯脂是由一分子甘油与一至三分子脂肪酸所形成的脂。
根据脂肪酸数量,可分为单酰甘油、二酰甘油和三酰甘油(过去称为甘油三脂)。
前两者在自然界中存在极少,而三酰甘油是脂类中含量最丰富的一类。通常所说的油脂就是指三酰甘油
是由偶数碳原子构成的一元酸,最多见的是 C16 、 C18 、 C22 等长链脂肪酸。
碳链无分支。 分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。 大部分的不饱和脂肪酸在体内可以合成,
亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸不能合成,必需从食物中获取,称为必需脂肪酸。
人体及高等动物体内的脂肪酸有以下特点:
1.2 复合脂 复合脂又称类脂,是含有磷酸等非脂成
分的脂类。复合脂含有极性基团,是极性脂。磷脂是主要的复合脂,分为甘油磷脂类和鞘氨醇磷脂。
甘油磷脂又称磷酸甘油酯,是磷脂酸的衍生物。甘油磷脂中的取代基最常见的是胆碱、乙醇胺和丝氨酸,称为卵磷脂、脑磷脂和丝氨酰磷脂,都不溶于水而溶于有机溶剂。
1.3 非皂化脂 包括类固醇、萜类和前列腺素类。不含
脂肪酸,不能被碱水解,称为非皂化脂。类固醇又称甾醇,是以环戊烷多氢菲为母核的一种脂类。
胆固醇是人体内最重要的类固醇,它因有羟基而属于极性脂。
萜类是异戊二烯聚合物,前列腺素是二十碳酸衍生物。
第二节 甘油三脂的分解代谢
一、 甘油三脂的水解 组织脂肪酶有三种,脂肪酶、甘油二脂脂肪酶
和甘油单脂脂肪酶,逐步水解 R3 、 R1 、 R2 ,生成甘油和游离脂肪酸。第一步是限速步骤,肾上腺素、肾上腺皮质激素、高血糖素通过 cAMP 和蛋蛋白激酶激活,胰岛素和前列腺素 E1相反,有抗脂解作用。
三、 脂肪酸的氧化 3.1 饱和偶数碳脂肪酸的氧化 1. 脂肪酸的活化:脂肪酸先生成脂酰辅
酶 A才能进行氧化,称为活化。由脂酰辅酶 A 合成酶(硫激酶)催化,线粒体中的酶作用于 4~ 10 个碳的脂肪酸,内质网中的酶作用于 12个碳以上的长链脂肪酸。
4 、脂肪酸 β- 氧化作用小结( 1 )脂肪酸 β- 氧化时仅需活化一次,消耗 1个 ATP 的两个高能键
( 2 ) β- 氧化包括脱氢、水化、脱氢、硫解 4个重复步骤( 3 )每循环一次产生 1个FADH2 、 1个NADH、 1 个
乙酰 -CoA ,共计 1.5+2.5+10=14ATP以软脂酸为例: 7次循环: 7 X( 1.5+2.5+10) +10 = 108 ATP 活化消耗: -2个高能磷酸键 净生成: 108 - 2 = 106 ATP
5 、 β- 氧化的调节⑴脂酰基进入线粒体的速度是限速步骤, 长链脂酸生物合成的第一个前体丙二酸
单酰 CoA 的浓度增加,可抑制肉碱脂酰转移酶Ⅰ,限制脂肪酸氧化。⑵[NADH]/[NAD+] 比率高时, β—羟脂酰 CoA 脱氢酶便受抑制。⑶乙酰 CoA浓度高时,可抑制硫解酶,抑制
氧化
3.2 不饱和脂肪酸的氧化
1. 单不饱和脂肪酸的氧化: 油酸在 9位有顺式双键,三个循环后形
成 Δ3顺烯脂酰辅酶 A 。在 Δ3顺Δ2 反烯脂酰辅酶 A 异构酶催化下继续氧化。这样一个双键少 2个 ATP 。
3.3 奇数碳脂肪酸的氧化 奇数碳脂肪酸经 β氧化可产生丙酰辅酶 A,某些支链氨基酸也生成丙酸。丙酸有下列两条代谢途径:
1.丙酰辅酶 A在丙酰辅酶 A羧化酶催化下生成 D-甲基丙二酸单酰辅酶 A,并消耗一个 ATP。在差向酶作用下生成 L-产物,再由变位酶催化生成琥珀酰辅酶 A,进入三羧酸循环。需腺苷钴胺素作辅酶。
2. 丙酰辅酶 A经脱氢、水化生成 β- 羟基丙酰辅酶 A ,水解后在 β- 羟基丙酸脱氢酶催化下生成丙二酸半醛,产生一个 NADH 。丙二酸半醛脱氢酶催化脱羧,生成乙酰辅酶 A ,产生一个 NADPH 。
3.4 脂肪酸的 α-氧化
存在于植物种子、叶子,动物脑和肝脏。以游离脂肪酸为底物,涉及分子氧或过氧化氢,对支链、奇数和过长链( 22)脂肪酸的降解有重要作用。哺乳动物叶绿素代谢时,经过水解、氧化,生成植烷酸,其 β位有甲基,需通过 α氧化脱羧才能继续 β氧化。
α氧化有以下途径:
1.脂肪酸在单加氧酶作用下 α羟化,需 Fe2+
和抗坏血酸,消耗一个 NADPH 。经脱氢生成 α-酮脂肪酸,脱羧生成少一个碳的脂肪酸。
2. 在过氧化氢存在下,经脂肪酸过氧化物酶催化生成 D-α- 氢过氧脂肪酸,脱羧生成脂肪醛,再脱氢产生脂肪酸或还原。
四、 酮体代谢 乙酰辅酶 A 在肝和肾可生成乙酰乙酸、 β- 羟基
丁酸和丙酮,称为酮体。 肝通过酮体将乙酰辅酶 A转运到外周组织中作燃料。心和肾上腺皮质主要以酮体作燃料,脑在饥饿时也主要利用酮体。
平时血液中酮体较少,有大量乙酰辅酶 A 必需代谢时酮体增多,可引起代谢性酸中毒,如糖尿病。
4.1 酮体的合成
4.2 酮体分解
羟丁酸可由羟丁酸脱氢酶氧化生成乙酰乙酸,在肌肉线粒体中被 3-酮脂酰辅酶A转移酶催化生成乙酰乙酰辅酶 A 和琥珀酸。也可由乙酰乙酰辅酶 A 合成酶激活,但前者活力高且分布广泛,起主要作用。乙酰乙酰辅酶 A 可加入β- 氧化。
4.4 酮体生成的调节
1 )饱食:胰岛素增加,脂解作用抑制,脂肪动员减 少,进入肝中脂酸减少,酮体生成减少。
饥饿:胰高血糖素增加,脂肪动员量加强,血中游离脂酸浓度升高,利于 β氧化及酮体的生成。
2 )肝细胞糖原含量及其代谢的影响:肝细胞糖原含量丰富时,脂酸合成甘油三酯及磷脂。肝细胞糖原供给不足时,脂酸主要进入线粒体,进入β—氧化,酮体生成增多。
3 )丙二酸单酰 CoA抑制脂酰 CoA进入线粒体
2 丙二酸单酰辅酶 A的生成 乙酰辅酶 A 以丙二酸单酰辅酶 A 的形式参加
合成。由乙酰辅酶 A羧化酶催化。此反应是脂肪酸合成的限速步骤,被柠檬酸别构激活,受软脂酰辅酶 A抑制。此酶有三个亚基:生物素羧化酶( BC )、生物素羧基载体蛋白( BCCP )和羧基转移酶( CT )
5 软脂酸的合成与氧化的区别 合成 氧化细胞中部位 细胞质 线粒体酶 系 7种酶,多酶复合体 4 种酶分散存在酰基载体 ACP CoA二碳片段 丙二酸单酰 CoA 乙酰 CoA 电子供体(受体) NADPH FAD 、 NAD
循环 缩合、还原、脱水、还原 氧化、水合、氧化、裂解β- 羟脂酰基构型 D型 L型底物穿梭机制 柠檬酸穿梭 脂酰肉碱穿梭对 HCO3 及柠檬酸的要求
要求 不要求
方向 甲基到羧基 羧基到甲基能量变化 消耗 7 个 ATP 及 14 个 NA
DPH,7FADH2+7NADH-2ATP )
产物 16 碳酸以内的脂酸。 18 碳酸可彻底降解
二、其他脂肪酸的合成
(一)、 脂肪酸的延长 1.线粒体酶系:在基质中,可催化短链延长。基本是 β-氧化的逆转,但第四个酶是烯脂酰辅酶 A还原酶,氢供体都是NADPH。
2. 内质网酶系:粗糙内质网可延长饱和及不饱和脂肪酸,与脂肪酸合成相似,但以辅酶 A 代替 ACP 。可形成 C24
(二)、不饱和脂肪酸的形成 1.单烯脂酸的合成:需氧生物可通过单加氧酶在软脂酸和硬脂酸的 9位引入双键,生成棕榈油酸和油酸。消耗 NADPH。厌氧生物可通过 β-羟脂酰 ACP脱水形成双键。
2. 多烯脂酸的合成:由软脂酸通过延长和去饱和作用形成多不饱和脂肪酸。哺乳动物由四种前体转化:棕榈油酸( n7 )、油酸( n9 )、亚油酸( n6 )和亚麻酸( n3 ),其中亚油酸和亚麻酸不能自己合成,必需从食物摄取,称为必需脂肪酸。其他脂肪酸可由这四种前体通过延长和去饱和作用形成。
三、甘油三酯的合成
主要在肝脏和脂肪组织1 、前体合成 包括 L-α- 磷酸甘油和脂酰辅酶 A 。细胞
质中的磷酸二羟丙酮经α- 磷酸甘油脱氢酶催化,以 NADH还原生成磷酸甘油。也可由甘油经甘油激酶磷酸化生成,但脂肪组织缺乏有活性的甘油激酶。
2 、生成磷脂酸 磷酸甘油与脂酰辅酶 A生成单脂酰甘油磷酸,即溶血磷脂酸,再与脂酰辅酶 A生成磷脂酸。都由甘油磷酸脂酰转移酶催化。磷酸二羟丙酮也可先酯化,再还原生成溶血磷脂酸。
3 、合成过程 先被磷脂酸磷酸酶水解,生成甘油二酯,再由甘油二酯转酰基酶合成甘油三酯。
一、甘油磷脂的代谢(一) 甘油磷脂的合成代谢 甘油磷脂的生物合成是甘油- 3-磷酸或磷酸二羟丙酮经酰基化转化为磷脂酸,可进一步经两种途径转换为磷脂。
磷脂酸与 CTP 作用,生成 CDP- 二酰甘油,它在细菌中转换为磷脂酰丝氨酸,在动物、大肠杆菌中,磷脂酰丝氨酸可脱羧生成磷脂酰乙醇胺。 CDP- 二脂酰甘油是磷脂合成中的关键中间体。
从头合成途径,在真核生物中,磷脂酸水解为甘油二酯,与 CDP- 胆碱或 CDP- 乙醇氨生成磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇胺。
1.1.脑磷脂的合成: ①乙醇胺的磷酸化,乙醇胺激酶催化羟基磷酸化,生成磷酸乙醇胺。②与 CTP生成CDP-乙醇胺,由磷酸乙醇胺胞苷转移酶催化,放出焦磷酸。③与甘油二酯生成脑磷脂,放出 CMP。由磷酸乙醇胺转移酶催化。该酶位于内质网上,内质网上还有磷脂酸磷酸酶,水解分散在水中的磷脂酸,用于磷脂合成。肝脏和肠粘膜细胞的可溶性磷脂酸磷酸酶只能水解膜上的磷脂酸,合成甘油三酯。
2. 卵磷脂合成:
①与脑磷脂类似,利用已有的胆碱,先磷酸化,再连接 CDP 作载体,与甘油二酯生成卵磷脂。②从头合成途径:将脑磷脂的乙醇胺甲基化,生成卵磷脂。供体是 S- 腺苷甲硫氨酸,由磷脂酰乙醇胺甲基转移酶催化,生成 S- 腺苷高半胱氨酸。共消耗 3个供体。
3. 磷脂酰肌醇的合成:
①磷脂酸与 CTP 生成 CDP- 二脂酰甘油,放出焦磷酸。由磷脂酰胞苷酸转移酶催化。② CDP- 二脂酰甘油:肌醇磷脂酰转移酶催化生成磷脂酰肌醇。磷脂酰肌醇激酶催化生成 PIP , PIP 激酶催化生成 PIP2 。磷脂酶C 催化 PIP2 水解生成 IP3 和 DG , IP3使内质网释放钙, DG增加蛋白激酶 C对钙的敏感性,通过磷酸化起第二信使作用。
(二)甘油磷脂的分解代谢
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。
磷脂酶有以下 4 类: 磷脂酶 A1- 水解 C1 ;磷脂酶 A2- 水解 C2 ;磷脂酶 C- 水解 C3 ,生成1 , 2- 甘油二酯,与第二信使有关;磷脂酶 D-生成磷脂酸和碱基;磷脂酶 B- 同时水解 C1 和C2 。
1.鞘磷脂的合成
①合成鞘氨醇:软脂酰辅酶 A与丝氨酸经缩合、还原、氧化等一系列酶促反应形成。
②氨基被脂酰辅酶 A酰化,生成神经酰胺。由鞘氨醇酰基转移酶。
③神经酰胺与 CDP- 胆碱生成鞘磷脂,由神经酰胺胆碱磷酸转移酶催化。
2.鞘糖脂的合成 ①脑苷脂:神经酰胺与 UDP-葡萄糖生成葡萄糖脑苷脂,由葡萄糖基转移酶催化,是 α-糖苷键。也可先由糖基与鞘氨醇反应,再酯化。
②脑硫脂:硫酸先与 2分子 ATP生成 PAPS,再转移到半乳糖脑苷脂的 3位。由微粒体的半乳糖脑苷脂硫酸基转移酶催化。
③神经节苷脂:以神经酰胺为基础合成, UDP 为糖载体, CMP 为唾液酸载体,转移酶催化。其分解在溶酶体进行,需要糖苷酶等。酶缺乏可导致脂类沉积症,神经发育迟缓,存活期短。
第五节 胆固醇代谢
胆固醇是类固醇家族中的重要成员,生物膜的主要组成成分。合成在肝脏和小肠的胞液和微粒体中进行,所需原料为乙酰 CoA ,乙酰 CoA经柠檬酸 - 丙酮酸穿梭转运出线粒体而进入胞液,此过程为耗能过程。每合成一分子的胆固醇需 18 分子乙酰 CoA , 54 分子 ATP 和 16 分子 NADPH
一、胆固醇的生物合成
胆固醇的所有碳原子都是来自乙酰辅酶A ,它的甲基和羧基碳全部进入类固醇的核中。胆固醇的生物合成可分为 5个阶段:
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
乙酸→二羟甲基戊酸→异戊烯醇焦磷酸酯→鲨烯→羊毛固醇→胆固醇
C2 C6 C5 C30 C30 C27
1.二羟甲基戊酸 (MVA)的合成
3 分子乙酰辅酶 A 在羟甲基戊二酰辅酶 A(HMGCoA) 还原酶催化下,消耗 2 分子 NADPH ,生成甲羟戊酸。反应不可逆,是酮体和胆固醇合成的分支点。此反应是胆固醇合成的限速步骤,酶有立体专一性,受胆固醇抑制。酶的合成和活性都受激素控制 ,cAMP 可促进其磷酸化,降低活性。
2.异戊烯醇焦磷酸酯 (IPP)的合成 二羟甲基戊酸经 2分子 ATP活化,再脱羧 ,生成异戊烯醇焦磷酸酯 (IPP)。 IPP是活泼前体,可缩合形成胆固醇、脂溶性维生素、萜类等许多物质。
3.生成鲨烯 6个 IPP缩合生成鲨烯,由二甲基丙烯基转移
酶催化。鲨烯是合成胆固醇的直接前体,水不溶。
4.生成羊毛固醇 固醇载体蛋白将鲨烯运到微粒体,环化成羊毛固醇,需分子氧和 NADPH参加。
5.生成胆固醇 羊毛固醇经切除甲基、双键移位、还原
等步骤生成胆固醇。需固醇载体蛋白, 7-脱氢胆固醇是中间物之一。
三、胆固醇合成的调节
1.膳食因素:饥饿或禁食可抑制HMG-CoA 还原酶的活性,使胆固醇的合成减少;摄取高糖、高饱和脂肪膳食后, HMG-CoA 活性增加而导致胆固醇合成增多。
2. 胆固醇及其衍生物:胆固醇及其氧化产物,如 7-β-羟胆固醇, 25- 羟胆固醇等可反馈抑制HMG-CoA 还原酶的活性。
3. 激素:胰岛素和甲状腺激素可通过诱导HMG-CoA 还原酶的合成而使酶活性增加;胰高血糖素和糖皮质激素则可抑制HMG-CoA 还原酶的活性。
第六节 血浆脂蛋白代谢
血浆中所含脂类物质统称为血脂。 血浆中的脂类物质主要有:①甘油三酯( TG)及少
量甘油二酯和甘油一酯;②磷脂( PL)主要是卵磷脂,少量溶血磷脂酰胆碱,磷脂酰乙醇胺及神经磷脂等;③胆固醇( Ch)及胆固醇酯( ChE );④自由脂肪酸( FFA )。
正常血脂有以下特点:①血脂水平波动较大,受膳食因素影响大;②血脂成分复杂;③通常以脂蛋白的形式存在,但自由脂肪酸是与清蛋白构成复合体而存在。
1 、 血浆脂蛋白分类:
根据电泳迁移率的不同进行分类,可分为四类:乳糜微粒→ β- 脂蛋白→前 β- 脂蛋白→α- 脂蛋白。
按脂蛋白密度高低进行分类,也分为四类:乳糜微粒 CM 、极低密度脂蛋白 VLDL、低密度脂蛋白 LDL、高密度脂蛋白 HDL
2 、血浆脂蛋白组成:
血浆脂蛋白均由蛋白质(载脂蛋白, Apo)、甘油三酯 (TG)、磷脂 (PL)、胆固醇 (Ch)及其酯 (ChE)所组成。
不同的脂蛋白仅有含量上的差异而无本质上的不同。
乳糜微粒中,含 TG90%以上; VLDL中的 TG也达 50%以上; LDL主要含 Ch及 ChE ,约占40%~ 50%;而 HDL中载脂蛋白的含量则占 50%,此外, Ch、 ChE 及 PL的含量也较高。
第七节 脂类代谢的调控 1 、脂解的调控 脂解是脂类分解代谢的第一步,受许多激素调控,脂肪酶是限速酶。肾上腺素、去甲肾上腺素和胰高血糖素通过 cAMP 激活,作用快。生长激素和糖皮质激素通过蛋白合成加速反应,作用慢。甲状腺素促进脂解的原因一方面是促进肾上腺素等的分泌,另一方面可抑制 cAMP磷酸二酯酶,延长其作用时间。甲基黄嘌呤(茶碱、咖啡碱)有类似作用,所以使人兴奋 . 。
胰岛素、烟酸和腺苷可抑制腺苷酸环化酶,起抑制脂解作用。
胰岛素还可活化磷酸二酯酶,并促进脂类合成,具体是提供原料和活化有关的酶,如促进脂肪酸和葡萄糖过膜,加速酵解和戊糖支路,激活乙酰辅酶 A羧化酶等。
2 、脂肪酸代谢调控
长链脂肪酸的跨膜转运决定脂肪酸的合成与氧化。
肉碱脂酰转移酶是氧化的限速酶,受丙二酸单酰辅酶 A抑制,饥饿时胰高血糖素使其浓度下降,肉碱浓度升高,加速氧化。能荷高时还有 NADH抑制 3- 羟脂酰辅酶 A 脱氢酶,乙酰辅酶 A抑制硫解酶。
通过小分子效应物调节酶活性 最重要的是柠檬酸,可激活乙酰辅酶 A羧化酶,加快限速步骤。乙酰辅酶 A 和 ATP抑制异柠檬酸脱氢酶,使柠檬酸增多,加速合成。软脂酰辅酶 A拮抗柠檬酸的激活作用,抑制其转运,还抑制 6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生 NADPH及柠檬酸合成酶产生柠檬酸的过程。乙酰辅酶 A羧化酶还受可逆磷酸化调节,磷酸化则失去活性,所以胰高血糖素抑制合成,而胰岛素有去磷酸化作用,促进合成。
食物可改变有关酶的含量,称为适应性调控。
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