萄糖→丙酮酸→乳酸);柠檬酸循环(丙酮酸 →乙酰辅酶A→CO2+H2O);戊糖磷酸途径(葡萄糖→核糖-5-磷酸→CO2+H2O)。植物体中乙醛酸循环是柠檬酸循环的支路。
二、糖酵解 (一)概念和部位
糖酵解(glycolysis)是无氧条件下,葡萄糖降解成丙酮酸并有ATP生成的过程。它是生物细胞普遍存在的代谢途径,涉及十个酶催化反应,均在胞液。
(二)反应过程和关键酶
1.己糖激酶(hexokinase)催化葡萄糖生成G-6-P,消耗一分子ATP。
己糖激酶(HK)分布较广,而葡萄糖激酶(GK)只存在于肝脏,这是第一个关键酶催化的耗能的限速反应。若从糖原开始,由磷酸化酶和脱支酶催化生成G-1-P,再经变位酶转成G-6-P。
2.G-6-P异构酶催化G-6-P转化为F-6-P。
3.磷酸果糖激酶(PFK-Ⅰ)催化F-6-P磷酸化生成F-1,6-DP,消耗一分子ATP。这是第二个关键酶催化的最主要的耗能的限速反应。
4.醛缩酶裂解F-1,6-DP为磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸。平衡有利于逆反应方向,但在生理条件下甘油醛-3-磷酸不断转化成丙酮酸,驱动反应向裂解方向进行。
5.丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮的相互转换。
6.甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1,3 -二磷酸甘油酸。这是酵解中唯一的一步氧化反应,是由一个酶催化的脱氢和磷酸化两个相关反应。反应中一分子NAD+被还原成NADH,同时在 1,3-二磷酸甘油酸中形成一个高能酸酐键,为在下一步酵解反应中使ADP变成ATP。
7.磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸。反应(6)和反应(7)联合作用,将一个醛氧化为一个羧酸的反应与ADP磷酸化生成ATP偶联。这种通过一高能化合物将磷酰基转移ADP形成ATP的过程称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化不需氧,是酵解中形成ATP的机制。
8.磷酸甘油酸变位酶催化 3-磷酸甘油酸转化为2-磷酸甘油酸
9.烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸生成磷酸烯醇式丙酮酸(PFP)。PFP具有很高的磷酰基转移潜能,其磷酰基是以一种不稳定的烯醇式互变异构形式存在的。
10.丙酮酸激酶催化PFP生成丙酮酸和ATP。这是第三个关键酶催化的限速反应。也是第二次底物水平磷酸化反应。
丙酮酸是酵解中第一个不再被磷酸化的化合物。其去路:在大多数情况下,可通过氧化脱羧形成乙酰辅酶A进入柠檬酸循环;在某些环境条件(如肌肉剧烈收缩),乳酸脱氢酶可逆地将丙酮酸还原为乳酸;在酵母,厌氧条件下经丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶催化,丙酮酸转化成乙醇(酒精发酵)。
葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ →
2
丙酮酸
+2ATP+2NADH+2H++2H2O
葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ → 2乳酸+2ATP+2H2O 葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ → 2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O (三)糖酵解能量的估算和生理意义
在体外,1mol葡萄糖→2mol乳酸,ΔGO'= -196kJ/mol 1mol糖原→2mol乳酸, ΔGO'= -183kJ/mol 在机体内,生成 2molATP相当捕获2×30.514=61.028 kJ/mol 葡萄糖酵解获能效率=2×30.514/196×100% = 31% 糖原酵解获能效率=3×30.514/196×100% = 49.7%
糖酵解是生物界普遍存在的供能途径,其生理意义是为机体在无氧或缺氧条件下(应激状态)提供能量满足生理需要。例如,剧烈运动时,肌肉内ATP大量消耗,糖酵解加速可迅速得到ATP;成熟的红细胞没有线粒体,完全靠糖酵解供能;神经细胞、白细胞、骨髓、视网膜细胞代谢极为活跃,不缺氧时亦由糖酵解提供部分能量。
(四)糖酵解的调控
糖酵解三个主要调控部位,分别是己糖激酶、果糖磷酸激酶(PFK)和丙酮酸激酶催化的反应。
HK被G-6-P变构抑制,这种抑制导致G-6-P的积累,酵解作用减弱。但G-6-P可转化为糖原及戊糖磷酸,因此HK不是最关键的限速酶。
PFK被ATP变构抑制,但这种抑制作用被AMP逆转,这使糖酵解对细胞能量需要得以应答。当ATP供应短缺(和AMP充足)时,加快速度,生成更多的ATP, ATP足够时就减慢速度。柠檬酸可增加ATP对酶的抑制作用;F-2,6-DP可消除ATP对酶的抑制效应,使酶活化。PFK被H+抑制,可防止肌乳酸过量导致的血液酸中毒。
丙酮酸激酶被F-1,6-DP活化,加速酵解。ATP、丙氨酸变构抑制此酶。
三、糖的有氧分解 (一)概念和部位
葡萄糖的有氧分解是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环(TCA),彻底氧化生成CO2、H2O和释放大量能量的过程。是在细胞的胞液和线粒体两个部位进行的。
(二)反应过程和关键酶 整个过程可分为三个阶段:
第一阶段是葡萄糖分解为丙酮酸,在胞液进行。与酵解反应过程所不同的是3- 磷酸甘油醛脱氢生成的NADH进入线粒体氧化。
第二阶段是丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA。 丙酮酸脱氢酶系是由3种酶和5种辅助因子组成的多酶复合体,是关键酶。整个过程中无游离的中间产物,是个不可逆的连续过程。
第三阶段是柠檬酸循环(又称三羧酸循环或 Krebs循环,1937年提出,1953年获诺贝尔奖)。此循环有8步酶促反应:
1.柠檬酸合成酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸和CoASH。是第一个关键酶催化的限速反应。
2.顺乌头酸酶催化柠檬酸异构成异柠檬酸。
3.异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下生成草酰琥珀酸,再脱羧生成α-酮戊二酸。此步是第一次氧化脱羧,异柠檬酸脱氢酶是第二个关键酶。
4.α- 酮戊二酸由α- 酮戊二酸脱氢酶系催化氧化脱羧生成琥珀酰CoA。此酶系由3种酶和5种辅助因子组成,是第三个关键酶催化的第二次氧化脱羧。
5.琥珀酰CoA在琥珀酰硫激酶催化下生成琥珀酸。这是循环中惟一的一次底物水平磷酸化,GDP磷酸化形成GTP。
6.琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下氧化为延胡索酸。这是第三步脱氢,生成FADH2。
7.延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化形成苹果酸。 8.苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下氧化为草酰乙酸。这是第四步脱氢,生成NADH+H+
一次三羧酸循环过程,可归结为一次底物水平磷酸化,二次脱羧,三个关键酶促反应,四步脱氢氧化反应。每循环一次产生12分子ATP,总反应:
乙
酰
CoA+2H2O+3NAD+
+FAD+ADP+Pi
→
2CO2+3NADH+3H++FADH2+CoASH+ATP
(三)能量的估算和生理意义
在体外,1mol 葡萄糖→CO2+H2O,ΔGO'= -2840kJ/mol。 体内总反应:葡萄糖+6O2+36/38ADP+36/38Pi→6 CO2+42/44H2O+36/38ATP
第一阶段生成6或8分子ATP,即 1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸、2分子ATP、2分子NADH+H+(1分子NADH+H+在胞液转运到线粒体氧化,经不同的转运方式,可生成2或3分子ATP)。
第二阶段是6ATP,即 2分子丙酮酸氧化脱羧生成2分子乙酰CoA与2分子NADH+H+ ,后者经电子传递链生成6ATP。
第三阶段是24ATP,即 2分子乙酰CoA经三羧酸循环生成2×12 = 24ATP。
葡萄糖有氧氧化的获能效率 = 38×30.5/2840×100% = 40% 糖的有氧氧化生理意义:①为机体提供更多的能量,是机体利用糖和其他物质氧化而获得能量的最有效方式。②三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大营养物质最终代谢通路和转化的枢纽。糖转变成脂是最重要的例子。③三羧酸循环在提供某些物质生物合成的前体中起重要作用。
(四)三羧酸循环的调控
三羧酸循环在细胞代谢中占据中心位置,受到严密的调控。丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应是进入三羧酸循环的必经之路,可通过变构效应和共价修饰两种方式进行快速调节,乙酰CoA及 NADH+H+ 对酶有反馈抑制作用。
三羧酸循环中3个不可逆反应是调节部位。关键酶的活性受ATP、柠檬酸、NADH的反馈抑制;异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是主要的调节点,ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂。
四、乙醛酸循环
在植物和某些微生物存在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶,勾通了三羧酸循环支路。该途径可以利用乙酰CoA生成用于糖异生和其它生物合成途径中的四碳中间产物。有些微生物具有乙酰CoA合成酶,能利用乙酸作为惟一碳源建造自己的机体。乙酸在辅酶A、ATP及该酶的参与下活化成乙酰CoA,而进入乙醛酸循环。油料种子萌发时脂转化为糖就是通过该途径进行的。
五、戊糖磷酸途径 (一)概念和部位
葡萄糖经G-6-P生成磷酸戊糖、NADPH及CO2的过程。因从G-6-P开始,又称己糖磷酸支路(HMS)。在胞液中进行。
实验证明碘乙酸能抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶,使酵解和有氧氧化途径均停止,但糖的分解仍可进行,在肝脏、脂肪、乳腺、肾上腺皮质和骨髓等组织,该途径是活跃的。
(二)反应过程 1.氧化阶段
从G-6-P开始,经过脱氢、脱羧反应生成5-磷酸核酮糖、2分子NADPH+H+及1分子CO2。
G-6-P脱氢酶的活性决定G-6-P进入代谢途径的流量,为限速酶。NADPH/NADP+比例升高。反应受抑制;反之,被激活。
2.非氧化阶段
磷酸戊糖分子经过异构化互变,3种戊糖(5-磷酸核酮糖、5-磷酸核糖、5-磷酸木酮糖)由转酮酶和转醛酶催化,产生3C、4C、5C、6C、7C糖的中间产物,最终生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛,与糖酵解相连接。
总
反
应
式
:
6G-6-P+12NADP++7H2O
→
5G-6-P+12NADPH+12H++6CO2+Pi
(三)生理意义
虽非生物体氧化供能的主要方式,确有两个重要的功能。一是提供NADPH用于需要还原力的生物合成反应。二是提供5-磷酸核糖,用于核苷酸和核酸的生物合成。
第三节 糖的合成代谢
一、蔗糖和淀粉的合成
自然界的糖类起源光合作用,绿色植物的叶绿素、藻类和光合细菌能捕获太阳能用于驱动二氧化碳和水合成糖类。植物的光合作用包括光反应和暗反应。光反应产生ATP和NADPH;暗反应亦称固碳反应,通过卡尔文循环将CO2、NADPH、ATP合成甘油醛-3-磷酸,最终产物是蔗糖和淀粉。
(一)蔗糖的合成
蔗糖在植物界分布最广,不仅是重要的光合作用产物和高等植物的主要成份,又是糖在植物体中运输的主要形式。
在叶绿体中由卡尔文循环产生的甘油醛-3-磷酸被运送到胞质溶胶用于合成蔗糖。甘油醛-3-磷酸转化为F-6-P和G-1-P(基本是糖酵解的逆反应);随后,G-1-P转变为UDP-G,它与F-6-P经磷酸蔗糖合成酶催化生成蔗糖-6-磷酸,再由专一的磷酸酯酶脱磷酸形成蔗糖。
(二)淀粉的合成
淀粉在叶绿体子座中产生并在子座中以淀粉颗粒储存。合成途径包括由卡尔文循环产生的甘油醛-3-磷酸转变为G-1-P,再合成核苷酸的糖衍生物ADP-G、CDP-G、GDP-G;随后,在引物分子上经转葡糖苷酶催化进行合成直链淀粉,再在Q酶作用下生成α-1,6-糖苷键,形成支链。
二、糖原的合成
葡萄糖等单糖合成糖原的过程称为糖原的合成。糖原合成是在糖原分子(引物约4-6个葡萄糖残基)基础上经酶系作用逐个加上葡萄糖,并形成分支。UDPG是葡萄糖的活性形式,是参与合成反应的葡萄糖的活性供体。
1.UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化UTP和G-1-P合成UDP-G和焦磷酸,焦磷酸立即被焦磷酸酶水解,释放能量。反应基本上不可逆。
2.糖原合成酶催化形成α-1,4-糖苷键,即把UDP-G的糖残基转移到糖原分子非还原端的C4-OH基上。此酶是关键酶。
3.分支酶催化α-1,6-糖苷键连接,形成分支。通常分支酶断裂含7个葡萄糖残基的一段糖链,将其转移到糖原分子更内部的位点。
总反应式: Gn+G+2ATP → Gn+1+2ADP+2Pi
糖原合成与分解是由不同酶催化的逆向反应,属于不同的途径,有利于调节。糖原合成酶和糖原磷酸化酶是两个过程的关键酶。其活性均受磷酸化和去磷酸化的共价修饰调节,磷酸化的方式相似,但效果不同,糖原合成酶磷酸化后失活,去磷酸化后有活性,而糖原磷酸化酶磷酸化后活性变强。两种酶的磷酸化受相应的激酶催化,并通过上一级酶的调节及激素调控使整个调节过程精细化。
二、糖异生作用 (一)概念和部位
非糖物质(如甘油、丙酮酸、乳酸和生糖氨基酸等)转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生作用。这是体内单糖生物合成的惟一途径。
肝脏是糖异生的主要器官,长期饥饿时,肾脏的糖异生作用增强。糖异生中许多反应是糖酵解的逆向过程,在胞液和线粒体内发生。
(二)反应过程
糖异生并非是糖酵解的逆转,己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化的三个高放能反应不可逆,构成“能障”,需要消耗能量走另外途径,或由其它的酶催化来克服不可逆反应带来的“能障”。
1.丙酮酸羧化支路:丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧基化生成草酰乙酸,再经磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化脱羧基和磷酸化形成磷酸烯醇式丙酮酸。
丙酮酸羧化酶仅存在线粒体中,胞液中的丙酮酸必须进入线粒体,才能羧化为草酰乙酸,此步消耗1分子ATP,草酰乙酸不能直接透过线粒体膜,转化成苹果酸或天冬氨酸才转运回胞液。PEP羧激酶在线粒体和胞液都有,此步消耗1分子GTP。PEP经一系列酶催化生成F-1,6-BP,其反应需用1分子ATP和1分子NADH。
2.果糖二磷酸酶催化F-1,6-BP水解为F-6-P。 3.G-6-P酶催化G-6-P水解为葡萄糖。
总反应式:2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++6H2O → 葡萄糖+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+
糖异生等于用了4分子ATP克服由2分子丙酮酸形成2分子高能磷酸烯醇式丙酮酸的能障,用了2分子ATP进行磷酸甘油激酶催化反应的可逆反应。这比酵解净生成的ATP多用了4分子ATP。
(三)糖异生的调控和生理意义
糖异生的前体,例如乳酸是由乳酸脱氢酶催化转化为丙酮酸进入糖异生途径的,甘油先转变成α-磷酸甘油再转化成磷酸二羟丙酮进入。
ATP/AMP的变化是影响糖异生关键酶活性的重要因素。当AMP的水平高时,表明要合成更多的ATP,AMP激发PFK,增加糖酵解的速率和抑制果糖1,6-二磷酸酶,关闭糖异生作用;
反之,当ATP和柠檬酸水平高时,PFK受抑制,降低酵解的速率,以及柠檬酸激发果糖1,6-二磷酸酶,增加糖异生的速率。
糖异生的意义:
1.补充血糖,可保持其浓度的相对恒定。在饥饿或剧烈运动时对保持血糖水平是重要的,在脑和红细胞,几乎完全依靠血糖作为能量的来源。
2.回收乳酸能量,防止乳酸中毒。剧烈运动时,肌糖原酵解产生大量乳酸,部分由尿排出,但大部分经血液运到肝脏,通过糖异生作用合成肝糖原和葡萄糖,以补充血糖,再被肌肉利用,形成乳酸循环。所以糖异生途径对乳酸的再利用、肝糖原的更新、补充肌肉消耗的糖及防止乳酸中毒都有一定的意义。
第六章 脂类代谢
教学目标:
1.掌握脂类的结构、生理功能及酶促水解。
2.掌握甘油的氧化、脂肪酸的β-氧化途径;酮体的生成和利用;了解脂肪酸氧化的其他途径。
3.掌握软脂酸合成的部位、原料、途径及关键酶;熟悉脂肪酸链的加长和去饱和;了解脂肪酸代谢的调节。
4.熟悉卵磷脂和脑磷脂的生物合成。
5.熟悉胆固醇合成的部位、原料、过程及其转化。
导入:脂类是人体的重要营养素,分为脂肪和类脂两大类。脂肪的主要功能是储能和供能。类脂包括磷脂、糖脂、胆固醇及其酯,是生物膜的重要组分,参与细胞识别及信息传递,并是多种生理活性物质的前体。体内脂肪酸的来源有二:一是机体自身合成,以脂肪形式储存在脂肪组织中,需要时从脂肪动员。饱和脂酸及单不饱和脂酸主要靠机体自身合成。另一来源系膳食的脂肪供给,特别是某些多不饱和脂酸,动物机体自身不能合成,需从植物油摄取,称为必需脂酸。本章重点讨论脂肪的分解和合成代谢。
第一节 概论
一、脂类
脂肪(fat)又称甘油三酯(triglyceride ,TG)。脂肪细胞是哺乳动物脂肪主要储存处。糖原可在短时间(1h左右)提供用于肌肉收缩的能量,但持续、剧烈地工作,如马拉松选手竞赛、侯鸟持久的飞行和蝗虫迁移,其能量来源依赖TG的代谢。1g脂肪氧化释能37.6 kJ,比等量的糖或蛋白质高出2倍以上。
天然脂肪酸多为偶数C,16C或18C多见;不饱和脂肪酸中的亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸是必需脂肪酸。
磷脂按其化学结构分为甘油磷脂和鞘磷脂。
甘油磷脂是生物膜中含量最多的脂类物质,核心结构是甘油-3-磷酸,C1和C2位的羟基被2条脂酰基长链取代(形成疏水尾),C3的磷酸羟基结合各种取代基形成极性头。包括磷脂酰胆碱(卵磷脂,PC)、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂,PE)、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酰甘油、二磷脂酰甘油(心磷脂)及磷脂酰肌醇(PI)六类,每一类又因组成的脂酸不同而有若干种,红细胞就有100种以上
的不同的磷脂。鞘磷脂、脑苷脂和神经节苷脂属鞘脂类,在神经组织和脑内含量较高。不含甘油,由一分子脂肪酸,一分子鞘氨醇或其衍生物,一分子极性头基团组成。
固醇是环戊烷多氢菲的衍生物。胆固醇(cholesterol ,Ch)及胆固醇酯是血浆蛋白和细胞外膜的重要组分。胆固醇可调节生物膜的流动性,同时也是合成胆汁酸、类固醇激素和维生素D等生理活性物质的前体。
二、生物膜
细胞的外周膜和细胞器的内膜系统统称为生物膜。其功能是维持细胞内环境相对稳定的屏障,又是进行物质交换、细胞识别、信息传递的场所,内膜系统使酶区域化分布保证各种生化反应有序进行。膜的基本结构是脂质双分子层,用“流体镶嵌模型”解说。
三、脂类的酶促水解
1.脂肪酶广泛存在于动物、植物和微生物中。在人体内,脂肪的消化主要在小肠,由胰脂肪酶催化,胆汁酸盐和辅脂肪酶的协助使脂肪逐步水解生成脂肪酸和甘油。
2.磷脂酶有多种,作用于磷脂分子不同部位的酯键。作用于1位、2位酯键的分别称为磷脂酶A1及 A2,生成溶血磷脂和游离脂肪酸。作用于3位的称为磷脂酶C,作用磷酸取代基间酯键的酶称磷脂酶D。作用溶血磷脂1位酯键的酶称磷脂酶B1。
3.胆固醇酯酶水解胆固醇酯生成胆固醇和脂肪酸。 4.小肠可吸收脂类的水解产物。胆汁酸盐帮助乳化,结合载脂蛋白(apoprotein,apo)形成乳糜微粒经肠粘膜细胞吸收进入血循环。所以乳糜微粒(chylomicron,CM)是转运外源性脂类(主要是TG)的脂蛋白。
第二节 脂肪的分解代谢
食物中的脂肪通过消化被脂肪酶逐步降解为甘油和游离脂肪酸(FFA),而储存于脂肪细胞中的脂肪通过脂肪动员降解,在脂肪动员中,三酰甘油脂肪酶的活性低,是脂肪动员的限速酶。脂肪分解是生物体利用脂肪作为供能原料的第一个步骤。
一、甘油的氧化
脂肪动员产生的甘油主要在肝细胞经甘油激酶作用生成3-磷酸甘油,再脱氢生成磷酸二羟丙酮后循糖代谢途径分解或经糖异生途径转化成葡萄糖。脂肪细胞及骨骼肌等组织因甘油激酶活性很低,不能很好利用甘油。
二、脂肪酸的氧化分解
脂肪酸不溶于水,在血液中与清蛋白结合后(10:1),运送全身各组织,在组织的线粒体内氧化分解,释放大量的能量,以肝脏和肌肉最为活跃。1904年,Knoop用苯环作标记,追踪脂肪酸在动物体内的转变过程,发现当奇数碳脂肪酸衍生物被降解时,尿中检测出的是马尿酸,如果是偶数碳,尿中排出的是苯乙尿酸。显然脂肪酸酰基链的降解发生在β-碳原子上,即每次从脂酸链上切下一个二碳单位。以后的科学实验证明β-氧化学说是正确的,切下的二碳单位是乙酰CoA,脂肪酸进入线粒体前先被活化。
(一)脂肪酸的活化
在胞液中FFA通过与CoA酯化被激活,催化该反应的酶是脂酰CoA合成酶,需ATP、Mg2+参与。反应产生的PPi立即被焦磷酸酶水解,阻止了逆反应,所以1分子FFA的活化实际上消耗
2个高能磷酸键。
RCOOH+ATP+CoASH—→RCO~SCoA+AMP+PPi (二)脂酰CoA进入线粒体
脂肪酸的氧化是在线粒体内进行的, 而脂酰CoA不能自由通过线粒体内膜进入基质, 需耍通过线粒体内膜上肉毒碱转运才能将脂酰基带入线粒体。内膜两侧的脂酰CoA肉毒碱酰基转移酶Ⅰ、Ⅱ(同工酶)催化完成脂酰基的转运和肉毒碱的释放。酶Ⅰ是FFA氧化分解的主要限速酶。
(三)脂酰CoA的β-氧化
脂酰CoA氧化生成乙酰CoA涉及四个基本反应:第一次氧化反应、水化反应、第二次氧化反应和硫解反应。
第一步由脂酰CoA脱氢酶催化脱氢生成反-⊿2-烯脂酰CoA和 FADH2。
第二步由反-⊿2-烯脂酰CoA水化酶催化加水生成L-(+)-β-羟脂酰CoA。
第三步由L-(+)-β-羟脂酰CoA脱氢酶催化生成β-酮脂酰CoA和NADH+H+。
第四步由硫解酶作用底物的α-与β-C间断裂,CoASH参与,生成1分子乙酰CoA和比原来少2个C的脂酰CoA。然后再一轮β-氧化,如此循环反应。
(四)脂肪酸氧化的能量计算
1分子软脂酸(16C)经7次β-氧化可生成8个乙酰CoA、7个NADH+H+、7个FADH2。每个乙酰CoA进入TCA循环生成3个NADH+H+、1个FADH2、1个GTP,并释放2分子CO2。
总反应方程式是:软脂酰CoA+23 O2+131Pi+131ADP→CoASH+16 CO2+123H2O+131ATP
净生成的ATP数:12×8+3×7+2×7-2 =129。 (脂肪酸活化消耗2个高能磷酸键,相当消耗2个ATP)
当以脂肪为能源时,生物体还获得大量的水。骆驼的驼峰是储存脂的“仓库”,既提供能量,又提供所需的水。
(五)脂肪酸氧化的其他途径 1. 奇数碳原子脂酸的氧化
人体含极少量奇数碳脂肪酸,而许多植物、海洋生物、石油酵母等含一定量的奇数碳脂肪酸。其β-氧化除生成乙酰CoA外,还生成1分子丙酰CoA,后者可通过β-羧化酶及异构酶的作用生成琥珀酰CoA,经TCA途径彻底氧化。
2. 不饱和脂肪酸的氧化
机体中脂酸约一半以上是不饱和脂肪酸,其中的双键均为顺式(cis)构型,不能被烯脂酰CoA水化酶作用(该酶催化的是反式构型双键的加水),所以需要异构酶和还原酶才能使一般不饱和脂肪酸的氧化进行下去。如油酸是十八碳一烯酸(cis-⊿9),细胞质中的油酸同样先活化生成油酰CoA,经转运系统换成线粒体基质中的油酰CoA,经三轮β-氧化生成3分子乙酰CoA和cis-⊿3-十二碳烯脂酰CoA,后者经异构酶催化为trans-⊿2-十二碳烯脂酰CoA,就可由烯脂酰CoA水化酶作用生成L-β-羟脂酰CoA,再经五轮β-氧化生成6分子乙酰CoA,总计9分子乙酰CoA。
多不饱和脂肪酸的氧化还需一个特殊的还原酶。 三、酮体的生成和利用
脂肪酸经β-氧化生成的大多数乙酰CoA进入TCA循环,当乙酰CoA的量超过TCA循环氧化能力时,多余的生成酮体
(ketone bodies),包括β-羟丁酸(占70%)、乙酰乙酸(占30%)和丙酮(微量)。酮体是燃料分子,作为“水溶性的脂”,在心脏和肾脏中比脂肪酸氧化得更快。
(一)酮体是在肝脏中合成的
2分子乙酰CoA经肝细胞线粒体乙酰乙酰CoA硫解酶催化缩合成乙酰乙酰CoA,再在羟甲基戊二酸单酰CoA合成酶(HMG- CoA合成酶)的催化下,结合第三个乙酰CoA生成β-羟基-β-甲基戊二酸单酰CoA。然后HMG- CoA裂解酶催化生成乙酰乙酸和乙酰CoA。(乙酰乙酰CoA也可在硫酯酶催化下水解为乙酰乙酸和CoA)
乙酰乙酸在β-羟丁酸脱氢酶的催化下,由NADH供氢,被还原为β-羟丁酸或脱羧生成丙酮。
(二)酮体的利用
酮体是正常的、有用的代谢物,是很多组织的重要能源。但肝细胞氧化酮体的酶活性很低,因此酮体经血液运输到肝外组织进一步氧化分解。心、肾、脑和骨胳肌线粒体有活性很高的氧化酮体的酶。β-羟丁酸在β-羟丁酸脱氢酶催化下重新脱氢生成乙酰乙酸,在不同肝外组织中乙酰乙酸可在琥珀酰CoA转硫酶或乙酰乙酸硫激酶作用下转变为乙酰乙酰CoA,再由乙酰乙酰CoA硫解酶裂解为2分子乙酰CoA,进入TCA途径彻底氧化。
脑在正常代谢时主要以葡萄糖为能源,但在饥饿和患糖尿病时,也不得不利用乙酰乙酸,长期饥饿时,脑需要的燃料有75%是乙酰乙酸。长期饥饿和糖尿病患者的呼吸中会拌有丙酮的气味(乙酰乙酸脱羧形成)。
正常情况下,血中酮体含量很低,为0.05~0.5mmol/L。在饥饿、高脂低糖膳食和糖尿病时,脂肪动员加强,酮体生成增加,超出肝外组织利用酮体的能力,血中酮体含量升高,造成酮症酸
中毒,称为酮血症,若尿中酮体增多则称为酮尿症。
第三节 脂肪的合成代谢
人体内的脂肪来源于食物和体内合成,原料涉及3-磷酸甘油的生成和脂肪酸的生物合成。肝脏、脂肪组织和小肠均可合成脂肪,以肝脏合成能力最强。
一、3-磷酸甘油的生成
糖分解代谢产生的磷酸二羟丙酮经脱氢酶催化还原生成3-磷酸甘油是最主要的来源;脂肪分解产生的甘油主要用于糖异生,很少一部分经脂肪组织外的甘油激酶催化与ATP作用生成3-磷酸甘油。
二、脂肪酸的生物合成
合成脂肪酸的酶系主要在胞浆,而糖代谢提供的乙酰CoA原料又在线粒体生成,所以乙酰CoA需通过转运。合成脂肪酸的过程不同于β-氧化的逆过程,是由7种酶蛋白和酰基载体蛋白(ACP)组成的多酶复合体完成,合成的产物是软脂酸。碳链延长是在线粒体和内质网中的2个不同的酶系催化下进行的。
(一)软脂酸的生物合成
1. 乙酰CoA转运至胞浆(柠檬酸-丙酮酸循环)。 乙酰CoA与草酰乙酸在线粒体先缩合生成柠檬酸,经内膜上的载体转运入胞浆,在ATP-柠檬酸裂解酶作用下生成乙酰CoA与草酰乙酸,前者参与脂肪酸的合成,后者可经苹果酸脱氢酶和苹果酸酶催化转变为丙酮酸再进入线粒体,也可在载体作用下,
经苹果酸直接进入线粒体,继而转变为草酰乙酸。
2. 乙酰CoA羧化生成丙二酸单酰CoA
乙酰CoA羧化酶催化,ATP、生物素、Mg2+参与,总反应: 乙酰CoA+ATP+HCO3-——→ 丙二酸单酰CoA+ADP+Pi ATP提供能量,生物素起转移羧基的作用,乙酰CoA羧化酶是FA合成的限速酶(变构酶),变构剂柠檬酸与其变构部位结合可激活此酶的活性。
3. 乙酰基和丙二酸单酰基的转移(负载)
脂肪酸合成的酰基载体不是CoA,而是酰基载体蛋白。在乙酰CoA-ACP转酰基酶和丙二酸单酰CoA-ACP转酰基酶的催化下,乙酰基和丙二酸单酰基被转移至ACP上,生成乙酰-ACP和丙二酸单酰-ACP。
4. 脂肪酸合成酶系催化进行缩合、还原、脱水、还原反应。 (1)酮酰基-ACP合成酶接受乙酰-ACP的乙酰基,释放HS-ACP,并催化乙酰基转移到丙二酸单酰-ACP上生成乙酰乙酰-ACP。
(2)乙酰乙酰-ACP中的β-酮基转换为醇,生成β-羟丁酰-ACP。反应由酮酰基-ACP还原酶催化,NADPH为酶的辅酶。
(3)β-羟丁酰-ACP经脱水酶催化生成带双键的反式丁烯酰-ACP。
(4)反式丁烯酰-ACP还原为四碳的丁酰-ACP。反应是由烯脂酰-ACP还原酶催化, NADPH为酶的辅酶。
如此每循环一次,有一个新的丙二酸单酰CoA参与合成(贡献二碳单位),7次循环,生成16C的软脂酰-ACP,经硫解酶水解生成软脂酸和HS-ACP。
哺乳动物脂肪酸氧化和合成的主要区别? (二)脂肪酸碳链的延长
植物和动物中脂肪酸合成酶的最常见的产物是软脂酸。其它
各种FA的合成需要肝细胞的线粒体或内质网中的一些酶。
在线粒体,乙酰CoA提供碳源,NADPH提供还原当量,循β-氧化逆过程,前3步反应相同,第4步反应由烯脂酰CoA还原酶催化,辅酶是NADPH而不是FAD,通过这种方式,每一轮可延长2个C,一般可延长碳链至24或26C,以18C的硬脂酸为主。
在内质网,丙二酸单酰CoA提供碳源,NADPH供氢,反应过程与软脂酸合成相似,不同的是CoASH代替ACP作为酰基载体,一般可延长碳链至22或24C,也以18C的硬脂酸为主。
(三)不饱和脂肪酸的合成
动物细胞含有催化不饱和FA双键形成的去饱和酶,可催化远离FA羧基端的第九个碳的去饱和。但九碳以上的去饱和则只有植物中的去饱和酶能催化。如亚油酸(18:2 ⊿9,12)、亚麻酸(18:3⊿9 ,12 ,15)、花生四烯酸(20:4⊿5 ,8 ,11,14)是动物所需的,但动物不能合成,是必须由食物供给的必需脂肪酸。当人体缺乏必需脂肪酸时,会出现生长缓慢、抵抗力下降、皮肤炎和毛发稀疏等症状。亚麻酸和花生四烯酸只能从亚油酸转化生成,花生四烯酸又是合成前列腺素(PG)及血栓素等重要生理活性物质的前体。
(四)脂肪酸代谢的调控
动物的FA代谢受激素的调控,主要调节物是胰岛素,肾上腺素和胰高血糖素的作用与胰岛素相反。