生物化學與分子生物學/甘油三酯代謝

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脂質代謝 - 脂質的構成、功能及分析 - 脂質的消化與吸收 - 甘油三酯代謝 - 磷脂代謝 - 膽固醇代謝 - 血漿脂蛋白及其代謝

甘油三酯氧化分解產生大量ATP[編輯]

甘油三酯分解代謝從脂肪動員開始[編輯]

脂肪動員(fat mob山zation) 指儲存在白色脂肪細胞內的脂肪在脂肪酶作用下,逐步水解,釋放游離脂肪酸和甘油供其他組織細胞氧化利用的過程。
曾經認為,脂肪動員由激素敏感性甘油三酯脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase, HSL)、也稱激素敏感性脂肪酶(hormone sensitive lipase, HSL)調控。HSL催化甘油三酯水解的第一步,是脂肪動員的關鍵酶。隨後發現催化甘油三酯水解第一步並不是HSL的主要作用,而是下面所描述的第二步反應。脂肪動員也還需多種酶和蛋白質參與,如脂肪組織甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase, ATGL)和Perilipin-1。
脂肪動員由多種內外刺激通過激素觸發。當禁食、飢餓或交感神經興奮時,腎上腺素、去甲腎上腺素、胰高血糖素等分泌增加,作用於白色脂肪細胞膜受體,激活腺苷酸環化酶,使腺苷酸環化成cAMP, 激活cAMP依賴蛋白激酶,使細胞質內脂滴包被蛋白-1(Perilipin-1)和HSL磷酸化。磷酸化的Perilipin-1一方面激活ATGL,另一方面使因磷酸化而激活的HSL從細胞質轉移至脂滴表面。脂肪在脂肪細胞內分解的第一步主要由ATGL催化,生成甘油二酯和脂肪酸。第二步主要由HSL催化,主要水解甘油二酯sn-3位酯鍵,生成甘油一酯和脂肪酸。最後,在甘油一酯脂肪酶(monoacylglycerol lipase, MGL) 的催化下,生成甘油和脂肪酸。所以,上述激素能夠啟動脂肪動員、促進脂肪水解為游離脂肪酸和甘油,稱為脂解激素。而胰島素、前列腺素E2等能對抗脂解激素的作用,抑制脂肪動員,稱為抗脂解激素。
游離脂肪酸不溶於水,不能直接在血漿中運輸。血漿清蛋白具有結合游離脂肪酸的能力(每分子清蛋白可結合10分子游離脂肪酸),能將脂肪酸運送至全身,主要由心、肝、骨骼肌等攝取利用。

甘油轉變為3-磷酸甘油後被利用[編輯]

甘油可直接經血液運輸至肝、腎、腸等組織利用。 在甘油激酶(glycerokinase)作用下,甘油轉變為3-磷酸甘油;然後脫氫生成磷酸二羥丙酮,循糖代謝途徑分解,或轉變為葡萄糖。肝的甘油激酶活性最高,脂肪動員產生的甘油主要被肝攝取利用,而脂肪及骨骼肌因甘油激酶活性很低,對甘油的攝取利用很有限。

β-氧化是脂肪酸分解的核心過程[編輯]

除腦外,機體大多數組織均能氧化脂肪酸,以肝、心肌、骨骼肌能力最強。在O2供充足時,脂肪酸可經脂肪酸活化、轉移至線粒體、β-氧化(β-oxidation) 生成乙醯 CoA 及乙醯 CoA 進入三羧酸循環徹底氧化4個階段,釋放大量ATP。

脂肪酸活化為脂醯CoA[編輯]

脂肪酸被氧化前必須先活化,由內質網、線粒體外膜上的脂醯 CoA合成酶(acyl-CoA synthetase) 催化生成脂醯 CoA,需 ATP、CoA-SH 及 Mg2+參與。
脂醯 CoA 含高能硫酯鍵,不僅可提高反應活性,還可增加脂肪酸的水溶性,因而提高脂肪酸代謝活性。活化反應生成的焦磷酸(PPi) 立即被細胞內焦磷酸酶水解,可阻止逆向反應進行,故 l 分子脂肪酸活化實際上消耗2個高能磷酸鍵。

脂醯CoA進入線粒體[編輯]

催化脂肪酸氧化的酶系存在於線粒體基質,活化的脂醯 CoA 必須進入線粒體才能被氧化。長鏈脂醯 CoA 不能直接透過線粒體內膜,需要肉鹼 (carnitine, 或稱 L-β 羥-γ-三甲氨基丁酸)協助轉運。存在於線粒體外膜的肉鹼脂醯轉移酶Ⅰ(carnitine acyl transferase Ⅰ) 催化長鏈脂醯 CoA 與肉鹼合成脂醯肉鹼 (acyl carnitine), 後者在線粒體內膜肉鹼-脂醯肉鹼轉位酶(carnitine-acylcarnitine translocase) 作用下,通過內膜進入線粒體基質,同時將等分子肉鹼轉運出線粒體。進入線粒體的脂醯肉鹼,在線粒體內膜內側肉鹼脂醯轉移酶Ⅱ作用下,轉變為脂醯 CoA 並釋出肉鹼。
脂醯 CoA 進入線粒體是脂肪酸β-氧化的限速步驟,肉鹼脂醯轉移酶Ⅰ是脂肪酸β-氧化的關鍵酶。當飢餓、高脂低糖膳食或糖尿病時,機體沒有充足的糖供應,或不能有效利用糖,需脂肪酸供能,肉鹼脂醯轉移酶Ⅰ活性增加,脂肪酸氧化增強。相反,飽食後脂肪酸合成加強,丙二酸單醯CoA含量增加,抑制肉鹼脂醯轉移酶Ⅰ活性,使脂肪酸的氧化被抑制。

脂醯CoA分解產生乙醯CoA、FADH2和NADH[編輯]

線粒體基質中存在由多個酶結合在一起形成的脂肪酸β-氧化酶系,在該酶系多個酶順序催化下,從脂醯基β-碳原子開始,進行脫氫、加水、再脫氫及硫解四步反應,完成一次β-氧化。

  • 脫氫生成烯脂醯CoA:脂醯CoA在脂醯CoA脫氫酶(acyl CoA dehydrogenase)催化下,從α、β碳原子各脫下一個氫原子,由FAD接受生成FADH2,同時生成反Δ2烯脂醯CoA。
  • 加水生成羥脂醯CoA: 反Δ2烯脂醯CoA在烯醯 CoA 水化酶(enoyl CoA hydratase)催化下,加水生成L(+)-β- 羥脂醯CoA。
  • 再脫氫生成β-酮脂醯CoA:L(+)-β-羥脂醯CoA在L-β-羥脂醯CoA脫氫酶(L-3-hydroxyacyl CoA dehydrogenase)催化下,脫下2H, 由NAD+接受生成NADH, 同時生成β-酮脂醯CoA。
  • 硫解產生乙醯CoA:β-酮脂醯CoA在β-酮硫解酶(β-ketothiolase)催化下,加 CoASH 使碳鏈在β位斷裂,生成1分子乙醯CoA和少2個碳原子的 脂醯CoA。

經過上述四步反應,脂醯CoA 的碳鏈被縮短2個碳原子。脫氫、加水、再脫氫及硫解反覆進行,最終完成脂肪酸β-氧化。生成的 FADH2、NADH經呼吸鏈氧化,與ADP磷酸化偶聯,產生ATP。生成的乙醯CoA主要在線粒體通過三羧酸循環徹底氧化;在肝,部分乙醯CoA 轉變成酮體,通過血液運送至肝外組織氧化利用。

脂肪酸氧化是機體ATP的重要來源[編輯]

脂肪酸徹底氧化生成大量 ATP。以軟脂肪酸為例,1分子軟脂酸徹底氧化需進行7次β-氧化,生成7分子FADH2、7分子NADH及8分子乙醯CoA。在pH7.0,25℃的標準條件下氧化磷酸化,每分子FADH2產生1.5分子ATP, 每分子NADH產生2.5分子ATP; 每分子乙醯CoA經三羧酸循環徹底氧化產生10分子ATP。因此1分子軟脂酸徹底氧化共生成(7×1.5)+(7×2.5)+(8×10)=108分子ATP。因為脂肪酸活化消耗2個高能磷酸鍵,相當於2分子ATP, 所以1分子軟脂肪酸徹底氧化淨生成106分子ATP。

不同的脂肪酸還有不同的氧化方式[編輯]

  • 不飽和脂肪酸β-氧化需轉變構型 不飽和脂肪酸也在線粒體進行β-氧化。不同的是,飽和脂肪酸β-氧化產生的烯脂醯CoA 是反式Δ2烯脂醯CoA, 而天然不飽和脂肪酸中的雙鍵為順式。因雙鍵位置不同,不飽和脂肪酸β-氧化產生的順式Δ3烯脂醯CoA 或順式Δ2烯脂醯CoA不能繼續β-氧化。順式Δ3烯脂醯CoA在線粒體特異Δ3順→Δ2反烯脂醯CoA異構酶Δ3-cis→Δ2-trans enoyl-CoA isomerase)催化下轉變為β-氧化酶系能識別的Δ2反式構型,繼續β-氧化。順式Δ2烯脂醯CoA雖然也能水化,但形成的 D(-)-β羥脂醯CoA不能被線粒體β-氧化酶系識別。 在D(-)-β-羥脂醯CoA表異構酶(epimerase, 又稱差向異構酶)催化下,右旋異構體[D(-)型]轉變為β氧化酶系能識別的左旋異構體[L(+)型],繼續β氧化。
  • 超長碳鏈脂肪酸需先在過氧化酶體氧化成較短碳鏈脂肪酸 過氧化酶體(peroxisomes)存在脂肪酸β-氧化的同工酶系,能將超長碳鏈脂肪酸(如C20、C22)氧化成較短碳鏈脂肪酸。氧化第一步反應在以FAD為輔基的脂肪酸氧化酶作用下脫氫,脫下的氫與O2結合成H2O2,而不是進行氧化磷酸化;進一步反應釋出較短鏈脂肪酸,在線粒體內β-氧化。
  • 丙醯CoA轉變為琥珀醯CoA進行氧化 人體含有極少量奇數碳原子脂肪酸,經β-氧化生成丙醯CoA;支鏈胺基酸氧化分解亦可產生丙醯CoA。丙醯CoA徹底氧化需經β-羧化酶及異構酶作用,轉變為琥珀醯CoA(succinyl CoA), 進入三羧酸循環徹底氧化。
  • 脂肪酸氧化還可從遠側甲基端進行 即ω-氧化(ω-oxidation)。與內質網緊密結合的脂肪酸ω-氧化酶系由羧化酶、脫氫酶、NADP+,NAD+及細胞色素P450(cytochrome P450, cyt P450)等組成。脂肪酸ω-甲基碳原子在脂肪酸ω-氧化酶系作用下,經ω-羥基脂肪酸、ω-醛基脂肪酸等中間產物,形成α,ω-二羧酸。這樣,脂肪酸就能從任一端活化並進行β-氧化。

脂肪酸在肝分解可產生酮體[編輯]

脂肪酸在肝內β-氧化產生的大量乙醯CoA,部分被轉變成酮體(ketone bodies),向肝外輸出。酮體包括乙醯乙酸(acetoacetate)(30%)、β-羥丁酸(β-hydroxy-butyrate)(70%)和丙酮(acetone)(微量)。

酮體在肝生成[編輯]

酮體生成以脂肪酸β-氧化生成的乙醯CoA為原料,在肝線粒體由酮體合成酶系催化完成。

  • 2分子乙醯CoA縮合成乙醯乙醯CoA:由乙醯乙醯CoA硫解酶(thiolase)催化,釋放1分子CoASH。
  • 乙醯乙醯CoA與乙醯CoA縮合成羥基甲基戊二酸單醯CoA(3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA, HMG-CoA):由HMG-CoA合酶(HMG-CoA synthase)催化,生成HMG-CoA,釋放出1分子CoASH。
  • HMG-CoA裂解產生乙醯乙酸:在HMG-CoA裂解酶(HMG-CoA lyase)作用下完成,生成乙醯乙酸和乙醯CoA。
  • 乙醯乙酸還原成β-羥丁酸:由NADH供氫,在β-羥丁酸脫氫酶(β-hydroxybutyrate dehydrogenase)催化下完成。少量乙醯乙酸轉變成丙酮。

酮體在肝外組織氧化利用[編輯]

肝組織有活性較強的酮體合成酶系,但缺乏利用酮體的酶系。肝外許多組織具有活性很強的酮體利用酶,能將酮體重新裂解成乙醯CoA, 通過三羧酸循環徹底氧化。所以肝內生成的酮體需經血液運輸至肝外組織氧化利用。

  • 乙醯乙酸的利用需先活化:有兩條途徑。
    • 在心、腎、腦及骨骼肌線粒體,由琥珀醯CoA轉硫酶(succinyl CoA thiophorase)催化生成乙醯乙醯CoA。
    • 在腎、心和腦線粒體,由乙醯乙酸硫激酶(acetoacetate thiokinase)催化,直接活化生成乙醯乙醯CoA。
  • 乙醯乙醯CoA硫解生成乙醯CoA:由乙醯乙醯CoA硫解酶(acetoacetylCoA thiolase)催化。

β-羥基丁酸的利用是先在β-羥丁酸脫氫酶催化下,脫氫生成乙醯乙酸,再轉變成乙醯CoA被氧化。正常情況下,丙酮生成量很少,可經肺呼出。

酮體是肝向肝外組織輸出能量的重要形式[編輯]

酮體分子小,溶於水,能在血液中運輸,還能通過血腦屏障、肌組織的毛細血管壁,很容易被運輸到肝外組織利用。心肌和腎皮質利用酮體能力大於利用葡萄糖能力。腦組織雖然不能氧化分解脂肪酸,卻能有效利用酮體。當葡萄糖供應充足時,腦組織優先利用葡萄糖氧化供能;但在葡萄糖供應不足或利用障礙時,酮體是腦組織的主要能源物質。
正常情況下,血中僅含少量酮體,為0.03~0.5mmol/L(O.3~5mg/dl)。在飢餓或糖尿病時,由於脂肪動員加強,酮體生成增加。嚴重糖尿病病人血中酮體含量可高出正常人數十倍,導致酮症酸中毒(ketoacidosis )。血酮體超過腎閾值,便可隨尿排出,引起酮尿(ketonuria)。此時,血丙酮含量也大大增加,通過呼吸道排出,產生特殊的「爛蘋果氣味」。

酮體生成受多種因素調節[編輯]

  • 餐食狀態影響酮體生成:飽食後胰島素分泌增加,脂解作用受抑制、脂肪動員減少,酮體生成減少。飢餓時,胰高血糖素等脂解激素分泌增多,脂肪動員加強,脂肪酸β-氧化及酮體生成增多。
  • 糖代謝影響酮體生成:餐後或糖供給充分時,糖分解代謝旺盛、供能充分,肝內脂肪酸氧化分解減少,酮體生成被抑制。相反,飢餓或糖利用障礙時,脂肪酸氧化分解增強,生成乙醯CoA增加;同時因糖來源不足或糖代謝障礙,草醯乙酸減少,乙醯CoA進入三羧酸循環受阻,導致乙醯CoA大量堆積,酮體生成增多。
  • 丙二酸單醯CoA抑制酮體生成:糖代謝旺盛時,乙醯CoA及檸檬酸增多,別構激活乙醯CoA羧化酶,促進丙二酸單醯CoA合成,後者競爭性抑制肉鹼脂醯轉移酶Ⅰ, 阻止脂醯CoA進入線粒體進行β-氧化,從而抑制酮體生成。

不同來源脂肪酸在不同器官以不同的途徑合成甘油三酯[編輯]

肝、脂肪組織及小腸是甘油三酯合成的主要場所[編輯]

甘油三酯(triglyceride, TG)合成在細胞質中完成,以肝合成能力最強。但肝細胞不能儲存甘油三酯,需與載脂蛋白B100、C 等載脂蛋白及磷脂、膽固醇組裝成極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein, VLDL), 分泌入血運輸至肝外組織。營養不良、中毒,以及必需脂肪酸(essential fatty acid)、膽鹼或蛋白質缺乏等可引起肝細胞VLDL生成障礙,導致甘油三酯在肝細胞蓄積,發生脂肪肝。脂肪細胞可大最儲存甘油三酯,是機體儲存甘油三酯的「脂庫」。

甘油和脂肪酸是合成甘油三酯的基本原料[編輯]

機體能分解葡萄糖產生3-磷酸甘油,也能利用葡萄糖分解代謝中間產物乙醯CoA(acetyl CoA)合成脂肪酸,人和動物即使完全不攝取,亦可由糖轉化合成大量甘油三酯。小腸黏膜細胞主要利用攝取的甘油三酯消化產物重新合成甘油三酯,當其以乳糜微粒形式運送至脂肪組織、肝等組織/器官後,脂肪酸亦可作為這些組織細胞合成甘油三酯的原料。脂肪組織還可水解極低密度脂蛋白甘油三酯,釋放脂肪酸用於合成甘油三酯。

甘油三酯合成有甘油—酯和甘油二酯兩條途徑[編輯]

  • 脂肪酸活化成脂醯CoA 脂肪酸作為甘油三酯合成的基本原料,必須活化成脂醯CoA(acyl CoA)才能參與甘油三酯合成。
  • 小腸黏膜細胞以甘油一酯途徑合成甘油三酯 由脂醯CoA轉移酶催化、ATP供能,將脂醯CoA的脂醯基轉移至2-甘油一酯羥基上合成甘油三酯。
  • 肝和脂肪組織細胞以甘油二酯途徑合成甘油三酯 以葡萄糖酵解途徑生成的3-磷酸甘油為起始物,先合成1,2-甘油二酯,最後通過酯化甘油二酯羥基生成甘油三酣。

合成甘油三酯的三分子脂肪酸可為同一種脂肪酸,也可是3種不同脂肪酸。肝、腎等組織含有甘油激酶,可催化游離甘油磷酸化生成3-磷酸甘油,供甘油三酯合成。脂肪細胞缺乏甘油激酶因而不能直接利用甘油合成甘油三酯。

內源性脂肪酸的合成需先合成軟脂酸[編輯]

軟脂酸由乙醯CoA 在脂肪酸合酶複合體催化下合成[編輯]

軟脂酸在細胞質中合成
脂肪酸合成由多個酶催化完成,這些酶組成了脂肪酸合成的酶體系,即脂肪酸合酶複合體(fatty acid synthase complex), 存在於肝、腎、腦、肺、乳腺及脂肪等多種組織的細胞質,肝的脂肪酸合酶複合體活性最高(合成能力較脂肪組織大8~9倍),是人體合成脂肪酸的主要場所。雖然脂肪組織能以葡萄糖代謝的中間產物為原料合成脂肪酸,但脂肪組織的脂肪酸來源主要是小腸消化吸收的外源性脂肪酸和肝合成的內源性脂肪酸。
乙醯CoA是軟脂酸合成的基本原料
用於軟脂酸(palmitic acid)合成的乙醯CoA(acetyl CoA) 主要由葡萄糖分解供給,在線粒體內產生,不能自由透過線粒體內膜,需通過檸檬酸-丙酮酸循環(citrate pyruvate cycle)進入細胞質。在此循環中,乙醯CoA首先在線粒體內檸檬酸合酶催化下,與草醯乙酸縮合生成檸檬酸;後者通過線粒體內膜載體轉運進入細胞質,被ATP-檸檬酸裂解酶裂解,重新生成乙醯 CoA 及草醯乙酸。進入細胞質的草醯乙酸在蘋果酸脫氫酶作用下,由 NADH 供氫,還原成蘋果酸,再經線粒體內膜載體轉運至線粒體內。蘋果酸也可在蘋果酸酶作用下氧化脫羧、產生CO2和丙酮酸,脫下的氫將 NADP 還原成 NADPH;丙酮酸可通過線粒體內膜上載體轉運至線粒體內,重新生成線粒體內草醯乙酸,可繼續與乙醯 CoA 縮合,將乙醯 CoA 運轉至細胞質,用於軟脂酸合成。
軟脂酸合成還需ATP、NADPH、HCO3-(CO2)及Mn2+等原料。NADPH主要來自磷酸戊糖途徑 (pentose phosphate pathway) , 在上述乙醯CoA轉運過程中,細胞質蘋果酸酶催化蘋果酸氧化脫羧也可提供少量NADPH。
一分子軟脂酸由1分子乙醯CoA與7分子丙二酸單醯CoA縮合而成

  • 乙醯CoA轉化成丙二酸單醯CoA:這是軟脂酸合成的第一步反應,催化此反應的乙醯CoA羧化酶(acelyl CoA carboxylase)是脂肪酸合成的關鍵酶,以Mn2+為激活劑,含生物素輔基,起轉移羧基作用。該狻化反應為不可逆反應,過程如下:

酶-生物素+HCO3-+ATP→酶-生物素-CO2+ADP+Pi
酶-生物素-CO2+乙醯CoA→酶-生物素+丙二酸單醯CoA
總反應: ATP+HCO3-+乙醯CoA→丙二酸單醯CoA+ADP+Pi
乙醯CoA羧化酶活性受別構調節及化學修飾調節。該酶有兩種存在形式,即無活性原聚體和有活性多聚體。檸檬酸、異檸檬酸可使此酶發生別構激活——由原聚體聚合成多聚體;軟脂醯CoA及其他長鏈脂醯CoA可使多聚體解聚成原聚體,別構抑制該酶活性。乙醯CoA羧化酶還可在一種AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)催化下發生酶蛋白(79、1200及1215位絲氨酸殘基)磷酸化而失活。胰高血糖素能激活該蛋白激酶,抑制乙醯CoA羧化酶活性;胰島素能通過蛋白磷酸酶的去磷酸化作用,使磷酸化的乙醯CoA羧化酶脫磷酸恢復活性。高糖膳食可促進乙醯CoA羧化酶蛋白合成,增加酶活性。

  • 軟脂酸經7次縮合-還原-脫水-再還原基本反應循環合成:各種脂肪酸生物合成過程基本相似,均以丙二酸單醯CoA 為基本原料,從乙醯CoA開始,經反覆加成反應完成,每次(縮合-還原-脫水-再還原)循環延長2個碳原子。16碳軟脂酸合成需經7次循環反應。

大腸桿菌脂肪酸合酶複合體的核心由7種獨立的酶/多肽組成;這7種多肽包括醯基載體蛋白 (acyl carrier protein, ACP)、乙醯CoA-ACP轉醯基酶(acetyl-CoA-ACP transacylase, AT; 以下簡稱乙醯基轉移酶)、β-酮脂醯-ACP合酶(β-ketoacyl-ACP synthase, KS; β-酮脂醯合酶)、丙二酸單醯CoA-ACP轉醯基酶(malonyl-CoA-ACP transacylase, MT; 丙二酸單醯轉移酶)、β-酮脂醯-ACP 還原酶(β-ketoacyl-ACP reductase, KR; β-酮脂醯還原酶)、β-羥脂醯-ACP 脫水酶(β-hydroxyacyl-ACP dehydratase, HD; 脫水酶)及烯脂醯-ACP 還原酶(enoyl-ACP reductase, ER; 烯脂醯還原酶)。細菌醯基載體蛋白是一種小分 子蛋白質,以4'-磷酸泛醯巰基乙胺(4'-phosphopantotheine)為輔基,是脂醯基載體。此外,細菌脂肪酸合酶體系還有至少另外3種成分。
哺乳動物脂肪酸合酶是由兩個相同亞基(Mr,240kD)首尾相連形成的二聚體。每個個亞基含有3個結構域(domain)。結構域1含有乙醯基轉移酶(AT)、丙二酸單醯轉移酶(MT)及β-酮脂醯合酶(KS),與底物的「進入」、縮合反應相關。結構域2含有β-酮脂醯還原酶(KR)、β-羥脂醯脫水酶(HD)及烯脂醯還原酶 (ER), 催化還原反應;該結構域還含有個肽段——醯基載體蛋白(ACP)。結構域3含有硫酯酶(thioeslerase, TE),與脂肪酸的釋放有關。3個結構域之間由柔性的區域連接,使結構域可以移動,利於幾個酶之間的協調、連續作用。
細菌、動物脂肪酸合成過程類似。細菌軟脂酸合成步驟包括:

  • 乙醯 CoA在乙醯轉移酶作用下被轉移至 ACP 的巰基(—SH), 再從 ACP 轉移至β-酮脂醯合酶的半胱氨酸巰基上。
  • 丙二酸單醯 CoA 在丙二酸單醯轉移酶作用下,先脫去 HSCoA, 再與 ACP 的—SH縮合、連接。
  • 縮合:β-酮脂醯合酶上連接的乙醯基與 ACP上的丙二酸單醯基縮合、生成β-酮丁醯ACP, 釋放CO2
  • 加氫:由NADPH供氫,β-酮丁醯ACP在β-酮脂醯還原酶作用下加氫、還原成D-(-)-β-羥丁醯ACP。
  • 脫水:D-(-)-β輕丁醯ACP在脫水酶作用下,脫水生成反式Δ2烯丁醯ACP。
  • 再加氫:NADPH供氫,反式Δ2烯丁醯ACP在烯醯還原酶作用下,再加氫生成丁醯ACP。

丁醯-ACP是脂肪酸合酶複合體催化合成的第一輪產物。通過這一輪反應,即醯基轉移、縮合、還原、脫水、再還原等步驟,產物碳原子由2個增加至4個。然後,丁醯由E1-泛-SH(即ACP的-SH)轉移至E2-半胱-SH,El-泛-SH又可與另一丙二酸單醯基結合,進行縮合、還原、脫水、再還原等步驟的第二輪循環。經7次循環後,生成16碳軟脂醯-E2;由硫酯酶水解,軟脂酸從脂肪酸合酶複合體釋放。軟脂酸合成的總反應式為:
CH3COSCoA+7HOOCCH2COSCoA+14NADPH+14H+→CH3(CH2)14COOH+7CO2+6H2O+8HSCoA+14NADP+

軟脂酸延長在內質網和線粒體內進行[編輯]

脂肪酸合酶複合體催化合成軟脂酸,更長碳鏈脂肪酸的合成通過對軟脂酸加工、延長完成。

  • 內質網脂肪酸延長途徑以丙二酸單醯CoA為二碳單位供體 該途徑由脂肪酸延長酶體系催化,NADPH供氫,每通過縮合、加氫、脫水及再加氫等反應延長2個碳原子。過程與軟脂酸合成相似,但脂醯基不是以 ACP 為載體,而是連接在CoASH上進行。該酶體系可將脂肪酸延長至24碳,但以18碳硬脂酸為主。
  • 線粒體脂肪酸延長途徑以乙醯CoA為二碳單位供體 該途徑在脂肪酸延長酶體系作用下,軟脂醯CoA與乙醯CoA 縮合,生成β-酮硬脂醯CoA;再由NADPH供氫,還原為β-羥硬脂醯CoA; 接着脫水生成α,β-烯硬脂醯CoA。最後,烯硬脂醯CoA 由NADPH供氫,還原為硬脂醯CoA。通過縮合、加氫、脫水和再加氫等反應,每輪循環延長2個碳原子;一般可延長至24或26個碳原子,但仍以18碳硬脂酸為最多。

不飽和脂肪酸的合成需多種去飽和酶催化[編輯]

上述脂肪酸合成途徑合成的均為飽和脂肪酸(saturated fatty acid), 人體含不飽和脂肪酸( unsaturated fatty acid),主要有軟油酸(16:1,Δ9)、油酸(18:1,Δ9)、亞油酸(18:2,Δ9,12) ,α-亞麻酸(18:3,Δ9,12,15)及花生四烯酸(20:4,Δ5,8,11,14)等。由於只含Δ458及Δ9去飽和酶(desaturase), 缺乏Δ9以上去飽和酶,人體只能合成軟油酸和油酸等單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acids),不能合成亞油酸、α-亞麻酸及花生四烯酸等多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid)。植物因含有Δ912及Δ15去飽和酶,能合成Δ9以上多不飽和脂肪酸。人體所需多不飽和脂肪酸必須從食物(主要是植物油脂)中攝取。

脂肪酸合成受代謝物和激素調節[編輯]

  • 代謝物通過改變原料供應量和乙醯CoA羧化酶活性調節脂肪酸合成

ATP、NADPH 及乙醯CoA是脂肪酸合成原料,可促進脂肪酸合成;脂醯CoA是乙醯CoA羧化酶的別構抑制劑,抑制脂肪酸合成。凡能引起這些代謝物水平有效改變的因素均可調節脂肪酸合成。例如,高脂膳食和脂肪動員可使細胞內脂醯CoA 增多,別構抑制乙醯CoA羧化酶活性,抑制脂肪酸合成。進食糖類食物後,糖代謝加強,NADPH、乙醯CoA供應增多,有利於脂肪酸合成;糖代謝加強 還使細胞內 ATP 增多,抑制異檸檬酸脫氫酶,導致檸檬酸和異檸檬酸蓄積並從線粒體滲至細胞質,別構激活乙醯CoA羧化酶,促進脂肪酸合成。

  • 胰島素是調節脂肪酸合成的主要激素

胰島素( insulin)可通過刺激一種蛋白磷酸酶活性,使乙醯CoA羧化酶脫磷酸而激活,促進脂肪酸合成。此外,胰島素可促進脂肪酸合成磷脂酸,增加脂肪合成。胰島素還能增加脂肪組織脂蛋白脂肪酶活性,增加脂肪組織對血液甘油三酯脂肪酸攝取,促使脂肪組織合成脂肪貯存。該過程長期持續,與脂肪動員之間失去平衡,會導致肥胖。
胰高血糖素(glucagon)能增加蛋白激酶活性,使乙醯CoA羧化酶磷酸化而降低活性,抑制脂肪酸合成。胰高血糖素也能抑制甘油三酯合成,甚至減少肝細胞向血液釋放脂肪。腎上腺素、生長素能抑制乙醯CoA羧化酶,調節脂肪酸合成。

  • 脂肪酸合酶可作為藥物治療的靶點

脂肪酸合酶(複合體組分)在很多腫瘤高表達 (overexpression) 。動物研究證明,脂肪酸合酶抑制劑可明顯減緩腫瘤生長,減輕體重,是極有潛力的抗腫瘤和抗肥胖的候選藥物。