生化专题脂代谢.pptx

第六章 脂类代谢第一节、脂肪酸的氧化生化分流课一、饱和脂肪酸的氧化1、脂肪酸转运进入线粒体膜间隙膜间隙(外外)肉肉 毒毒 碱碱肉肉 毒毒 碱碱肉肉 毒毒 碱碱肉肉 毒毒 碱碱基质基质(内内)肉肉 碱碱 脂脂 酰酰转转 移移 酶酶肉肉 碱碱 脂脂 酰酰转转 移移 酶酶 线线 粒粒 体体肉毒碱肉毒碱2、脂肪酸-氧化过程二、奇数碳脂肪酸氧化三、不饱和脂肪酸的氧化1、油酸的氧化2、多不饱和脂肪酸的氧化第二节、脂肪酸从头合成与调节一、从头合成乙酰乙酰CoA羧化酶羧化酶是是FAFA合成的限速酶合成的限速酶 该酶由该酶由3 3亚基组成，其单体形式无活性，亚基组成，其单体形式无活性，多聚体多聚体形式形式有活性有活性，辅辅因子因子:生物素生物素,Mn2+别别构激活剂柠檬酸构激活剂柠檬酸 抑制抑制抑制剂抑制剂长链脂酰长链脂酰CoA线粒体线粒体细胞溶胶细胞溶胶三羧酸转运体系三羧酸转运体系乙酰乙酰-CoA乙酰乙酰-CoA脂肪酸脂肪酸合成合成柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸柠檬酸列解酶苹果酸酶苹果酸脱氢酶CO2丙酮酸羧化酶辅酶AATPADP+PiADP+PiATP+CO2NADH，H+NADNADP+NADPH，H+NADH，H+NAD 在动物中，在动物中，FA合成酶含有合成酶含有 1 个个ACP 和和 7 个个酶，所有这些酶均定位于一条多功能多肽链上，酶，所有这些酶均定位于一条多功能多肽链上，形成不同的酶活性和形成不同的酶活性和ACP功能区。该酶是二聚体，功能区。该酶是二聚体，结构见下图。结构见下图。二、脂肪酸氧化与合成的比较1、地点不同：氧化在线粒体内，合成在细胞溶胶。2、载体不同：前者为CoA，后者为ACP。3、过程不同：前者为脱氢、加水、再脱氢、硫解，后者为缩合、还原、脱水、还原。4、转运机制不同：前者为肉碱载体系统，后者为柠檬酸-丙酮酸循环。5、方向不同：前者为从羧基端到甲基端，后者为从甲基端到羧基端。6、中间体构型不同：前者为L-羟脂酰CoA，后者为D-羟脂酰ACP。7、氢的载体不同：前者为FAD、NAD，后者为NADPH。8、分解与合成都要经过七个轮回反应。软脂酸 C16棕榈油酸 16,9硬脂酸 C18油酸 C18,9亚油酸-亚麻酸 C18,9,12,15-亚麻酸 C18,6,9,12其它不饱和酸高饱和脂肪酸二十碳三稀酸 C20,8,11,14花生四稀酸 C20,5,8,11,14前列腺素G1前列腺素E2 F2d前列腺素G2脂脂脂脂肪肪肪肪酸酸酸酸碳碳碳碳链链链链的的的的延延延延长长长长去饱和去饱和去饱和去饱和延长延长延长脊椎动物中不发生；植物中发生植物柠檬酸乙酰-CoA丙二酸单酰-CoA软脂酰-CoA丙酮酸脂肪酸合成的调节脂肪酸合成的调节脂肪酸合成的调节脂肪酸合成的调节胰高血糖素，肾上腺素（引发磷酸化/抑制）+-胰岛素（引发去磷酸化/活化）柠檬酸裂解酶乙酰-CoA羧化酶第三节、磷脂与胆固醇代谢一、磷脂代谢二羟丙酮磷酸甘油-3-磷酸磷脂酸CDP-二脂酰甘油磷脂酰Ser磷脂酰乙醇胺磷脂酰胆碱（从头合成）（从头合成）二脂酰甘油磷脂酰胆碱三酰甘油磷酸胆碱胆碱（补救合成）（补救合成）晡乳动物体内磷脂酰胆碱合成的两条途径晡乳动物体内磷脂酰胆碱合成的两条途径晡乳动物体内磷脂酰胆碱合成的两条途径晡乳动物体内磷脂酰胆碱合成的两条途径PPiCTPSerCMP3 SAMMet3-S-腺苷同型MetCO2CDP-胆碱CMPPPiCTP脂酰CoACoAH2OPi二、胆固醇代谢胆固醇的合成调节胆固醇的合成调节胆固醇的合成调节胆固醇的合成调节HMGCoA还原酶是胆固醇合成的限速酶，各种因素对胆固醇合成的调节主要通过对该酶活性的影响来实现的。HMGCoA还原酶受三个方面的调节其一属于基因表达的范畴。mRNA的生成量受食物胆固醇供给情况的调节。当胆固醇过量时，HMGCoA还原酶的mRNA量降低，反之胆固醇的缺乏将增强该酶的mRNA的合成。其二，HMGCoA还原酶降解速度的调节。HMGCoA还原酶在肝中的半寿期约4hr，禁食或饥饿时，该酶降解速度加快，活性降低，另外乙酰CoA、ATP、NADPH的不足也是胆固醇合成减少的重要原因。相反，摄取高糖、高饱和脂肪膳食后，肝中HMGCoA还原酶活性增加，胆固醇合成增加。其三，激素调节。胰岛素、甲状腺素能诱导HMGCoA还原酶的合成，从而增加胆固醇的合成。胰高血糖素及皮质醇则能抑制并降低HMGCoA还原酶的活性，因而减少胆固醇合成。甲状腺素除能促进HMGCoA还原酶的合成外，同时又促进胆固醇在肝中转变为胆汁酸，且后一作用较强，甲状腺功能亢进患者血清胆固醇含量反而下降。第四节、血浆脂蛋白代谢VLDLLDLHDLHDL自由脂肪酸、甘油、甘油一酯APoC胆固醇胆固醇酯与细胞膜LDL结合自由胆固醇酯化后贮存于细胞内构成细胞膜等细胞溶酶体系统血血浆浆脂脂蛋蛋白白间间的的相相互互关关系系血浆脂蛋白代谢血浆脂蛋白代谢1、乳糜微粒、乳糜微粒CM是运输外源性甘油三酯及胆固醇的主要形式。脂肪消化吸收时，小肠粘膜细胞再合成的甘油三酯，连同合成及吸收的磷脂及胆固醇，加上载脂蛋白B48、A I、A IV、A II等形成新生的CM。新生的CM经淋巴管进入血液，从HDL获得apo C及E，并将部分 apo A I、A IV、A II转移给HDL，形成成熟的CM。新生CM获得apo C后，其中的apo C II激活肌、心及脂肪等组织毛细血管内皮细胞表面的脂蛋白脂肪酶（LPL），LPL使CM中的甘油三酯及磷脂逐步水解，产生甘油、脂酸及溶血磷脂等。apo C II是LPL不可缺少的激活剂。无apo C II时，LPL活性甚低，加入apo C II后，其活性可增加1050倍。在LPL反复作用下，CM内核的甘油三酯90%以上被水解，释出脂酸为心、肌、脂肪组织及肝组织所摄取利用，同时其表面的apo A I、A IV、A II、C等连同表面的磷脂及胆固醇离开CM颗粒，形成新生的HDL；CM颗粒逐渐变小，最后转变成富含胆固醇脂、apoB48及apoE的CM残粒，后者为肝细胞膜LDL受体相关蛋白结合并被肝细胞摄取代谢。LRP的组成和结构与LDL受体很相似，故名，LRP由4256个氨基酸构成。正常人CM在血浆中代谢迅速，半寿期为515分钟，因此空腹1214小时后血浆中不含CM。2、极低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白VLDL是运输内源性甘油三酯的主要形式。肝细胞可以葡萄糖为原料合成甘油三酯，也可利用食物及脂肪组织动员的脂酸合成脂肪，然后加上apoB100、E以及磷脂、胆固醇等即形成VLDL。此外，小肠粘摸细胞亦可合成少量VLDL。VLDL分泌入血后，从HDL获得apoC，其中apoC II激活肝外组织毛细血管内皮细胞表面的LPL。和CM一样，VLDL的甘油三酯在LPL的作用下，逐步水解，同时其表面的apoC、磷脂及胆固醇向HDL转移，而HDL的胆固醇酯又转移到VLDL。VLDL本身颗粒逐渐变小，其密度逐渐增加，apoB100及E含量相对增加，转变为中间密度脂蛋白（IDL）。IDL中胆固醇及甘油三酯含量大致相等，载脂蛋白则主要是apoB100及E。肝细胞膜LRP与IDL结合，因此部分IDL为肝细胞摄取代谢。未被肝细胞摄取的IDL、甘油三酯被LPL及肝脂肪酶进一步水解，最后只剩下胆固醇酯，同时其表面的apoE转移至HDL，仅剩下apoB100，IDL即转变为LDL。VLDL在血中的半寿期为612小时。3、低密度脂蛋白（、低密度脂蛋白（LDL）如上述，人血浆中的LDL由VLDL转变而来的。它是转运肝合成的内源性胆固醇的主要形式，利用14C-蔗糖-LDL证明，肝是降解LDL的主要器官，约50%的LDL在肝降解。肾上腺皮质、卵巢、睾丸等组织及降解LDL的能力亦强。1974年Brown和Goldstein发现人成纤维细胞膜表面有特异性LDL的LDL受体。它们已将LDL受体纯化，证明是由839个氨基构成的糖蛋白，分子量160 000。LDL受体广泛分布于肝、动脉壁细胞等全身个各组织的细胞膜表面，能特异识别与结合含apoE或apo B100的脂蛋白，故又称apo B，E受体。当血浆中的LDL与LDL受体结合后，则受体集合成蔟，内吞入细胞与溶酶体结合。在溶酶体中蛋白水解酶作用下，LDL中的apo B100水解为氨基酸，其中胆固醇酯被胆固醇酯酶水解为游离胆固醇及脂酸。游离胆固醇为细胞膜摄取，可用以构成细胞膜的重要成分；在肾上腺、卵巢及睾丸等细胞中则用以合成类固醇激素。上述血浆中LDL与细胞LDL受体结合后一系列过程称为LDL受体代谢途径。LDL被细胞摄取量的多少，取决于细胞膜上受体的多少。肝、肾上腺皮质、性腺等组织LDL受体数目较多，故摄取的LDL亦较多。4、高密度脂蛋白、高密度脂蛋白HDL主要由肝合成，小肠亦可合成部分。此外，当CM及VLDL中的甘油三酯水解时，其表面的apoA I、A IV、A II、C以及磷脂，胆固醇等脱离CM及VLDL亦可形成新生HDL。HDL按密度大小又可分为HDL1、HDL2及HDL3。HDL1又称HDLC，仅在摄取高胆固醇膳食才在血中出现，正常人血浆中主要含HDL2及HDL3。HDL的主要功能是参与胆固醇的逆向转运，即将肝外组织细胞内的胆固醇，通过血循环转运到肝，在肝中转化为胆汁酸后排出体外。RCT的第一步是胆固醇自肝外细胞包括动脉平滑肌细胞及巨噬细胞等移出。大量研究证明，HDL是胆固醇从细胞内移出不可缺少的接受体。胆固醇逆向转运的第二步是HDL载运胆固醇的酯化及胆固醇酯（CE）的转运。刚从肝与小肠分泌出来的HDL呈盘状，为新生HDL。新生HDL进入血液后，在血浆卵磷脂胆固醇脂酰转移酶（LCAT）的催化下，HDL表面卵磷脂的2位脂酰基转移至胆固醇3位羟基生成溶血卵磷脂及胆固醇酯此过程消耗的卵磷脂及游离胆固醇不断从肝外细胞得到补充。LCAT由肝实质细胞合成，分泌入血，在血浆中发挥作用。HDL表面的apoA I是LCAT的激活剂，它可能是游离胆固醇的接受体，能增加LCAT的催化活性。在LCAT的作用下，生成的胆固醇酯转运入HDL核心。新生HDL的FC在LCAT的反复作用下，生成的CE增多，因此进入HDL内核的CE逐渐增多，使双脂层盘状HDL被逐步膨胀为单脂层球状HDL，同时表面的apoC及apoE又转移到CM及VLDL上，最后新生HDL转变为成熟HDL。胆固醇逆向转运的最终步骤在肝脏进行。肝脏是机体清除胆固醇的主要器官。肝细胞膜存在HDL受体。LDL受体及特异apoE受体。最近研究表明，血浆中的CE 90%以上来自HDL，其中约70%的CE在CETP作用下由HDL转移至VLDL及LDL后由肝LDL受体结合清除。20%则通过肝脏的HDL受体清除，10%由特异的apoE受体清除。被肝摄取的胆固醇可用以合成胆汁或直接通过胆汁排出体外。HDL在血浆中的半寿期为35天。由此可见，HDL在LCAT、apoA I及CETP等的作用下，可将胆固醇从肝外组织转运到肝进行代谢。这种将胆固醇从肝外组织向肝转运的过程称为胆固醇的逆向转运。机体可通过这种机制，将外周组织中衰老细胞膜中的胆固醇转运至肝代谢并排出体外。HDL也是apoC II的贮存库。CM及VLDL形成进入血液后，需从HDL获得apoCII激活LPL，CM及VLDL中的甘油三酯才能水解。一旦其甘油三酯完全水解后，apoC II又回到HDL。生化习题生化习题1、试比较硬脂酸、油酸、亚油酸以及亚麻酸完全氧化产生的ATP数。解答：硬脂酸为18碳饱和脂肪酸，经8次-氧化产生8分子NADH、8分子FADH2和9分子的乙酰CoA，故硬脂酸完全氧化产生的ATP数为；（2.5ATP/NADH）8 NADH+（1.5ATP/FADH2）8FADH2+（10ATP/乙酰CoA）9乙酰CoA=20ATP+12ATP+90ATP=122ATP。但是含有一个或多个不饱和双键的脂肪酸完全氧化需要-氧化的酶以外，还需要3-顺 2-反烯脂酰CoA异构酶、2,4-二烯脂酰CoA还原酶和3,2-烯脂酰CoA异构酶参与。这样就可以保证这类脂肪酸能进行氧化，因为一般认为天然不饱和脂肪酸的双键几何构型是顺式的。例如亚油酸的氧化。从亚油酸的氧化反应还可以看出，亚油酸含有两个不饱和双键，相应地减少了两分子FADH2的产生。因此，亚油酸完全氧化产生的ATP数应是122-3=119，同理油酸应产生122-1.5=120.5ATP，亚麻酸应产生122-4.5=117.5ATP。（产生的ATP数按习惯方式计算）2、把甲基碳标记的丙酸加入到肝脏匀浆中，很快产生14C标记的草酰乙酸，请叙述丙酸转变成14C标记的草酸乙酰的过程，并指出14C在草酰乙酸中的位置。解答：甲基碳标记的丙酸加入到肝脏匀浆中经三种酶（丙酰CoA羧化酶，甲基丙二酸单酰CoA消旋酶和甲基丙二酸单酰CoA变位酶）催化下转变成琥珀酰CoA。此时琥珀酰CoA 的靠近羧基端的亚甲基含有14C标记。亚甲基含有 14C标记的琥珀酰CoA 进入柠檬酸循环，产生的草酰乙酸的中间两个碳含有14C标记，但这两个碳分别只占原初标记的50%。3、柠檬酸转运系统为胞液软脂酸合成提供乙酰CoA，这一转运系统能为软脂酸合成提供多少百分比的NADPH？解答：软脂酸的合成需要14分子的NADPH。经柠檬酸转运系统从线粒体转运8分子乙酰CoA到胞液中，可提供8分子的NADPH，它占所需的NADPH的57%。4、CO2在脂肪酸的生物合成中是一种必不可少的参加者。CO2的特殊作用是什么？如果把可溶性的肝细胞提取液与14CO2以及脂肪酸合成中所需要的其他组分一起保温，所合成的软脂酸含有14C标记吗？为什么？解答：CO2作为乙酰CoA羧化酶的底物参与乙酰CoA的羧化反应。乙酰CoA羧化生成的丙二酸单酰CoA作为二碳单位的供体参与脂肪酸的合成反应。然而合成的软脂酸却不含14C标记。其原因是当丙二酸单酰CoA与乙酰CoA结合到脂肪酸合酶的酰基载体蛋白上时，便发生缩合反应，在缩合反应中，来自14CO2的游离羧基就从丙二酸单酰基上释放出来。因此，把CO2加到乙酰CoA上起到在缩合之前激活乙酰CoA的作用。这可以从激活作用只在以ATP水解为代价的前提下才发生来证实。由于CO2在缩合反应中释放出来，所以在所合成的软脂酸分子中不含14C标记。5、由8分子乙酰COA合成一分子软脂酸需要消耗几分子ATP？解答：软脂酸合成的总反应是：8乙酰CoA+7ATP+14NADPH+14H+软脂酸+7ADP+7Pi+14NADP+8CoASH在每分子乙酰CoA由线粒体转移到胞液中需要消耗2分子ATP。将8分子的乙酰CoA从线粒体转移到胞液中需要消耗16分子ATP。这就是说，由8分子的乙酰CoA合成1分子的软脂酸总共需要23分子的ATP。6、脂肪酸可由乙酰CoA和丙二酸单酰CoA装配成。在纯化的脂肪酸合成酶催化的反应中，如果用14C标记乙酰CoA的两个碳原子，并加入过量的丙二酸单酰CoA。结果所合成的软脂酸只有两个碳原子被标记。这两个碳原子是C-1和C-2还是C-15和C-16？为什么？解答：在软脂酸生物合成中，只需要1分子的乙酰CoA作为“引物”，软脂酸碳链的延长是以每两个碳原子为单位连续加到羧基末端，每个二碳单位都是来自丙二酸单酰CoA。因此，软脂酸甲基端的两个碳即C-15和C-16都含有14C标记。7、脂肪酸生物合成的限速步骤是由乙酰CoA羧化酶催化乙酰CoA的羧化反应。只有当乙酰CoA的供应很充足时，该酶的活性才会很高。乙酰CoA的充足供应怎样激活这个酶呢？解答：当乙酰CoA的供应量很高时，丙酮酸羧化酶被激活，从而可使线粒体内的草酸乙酸的水平升高。于是就增高了柠檬酸循环的活性，随之亦增高线粒体内的柠檬酸水平。线粒体内的柠檬酸经特殊的载体转运而进入到胞液中，于是胞液柠檬酸水平亦随之升高。由于柠檬酸是乙酰CoA羧化酶的正调节效应物，因此柠檬酸水平的升高必然会导致脂酸合成速度升高。8、幼年大鼠饲养在缺乏甲硫氨酸的食物中不能健康成长，除非在食物中增加胆碱。为什么？解答：大鼠有两条合成磷脂酰胆碱的途径，从头合成和补救途径。从头合成途径需要从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移甲基到磷脂酰乙醇胺上。当食物缺乏甲硫氨酸（一种必需氨基酸）时，SAM和磷脂酰胆碱的生物合成严重受到损害。另一种途径即补救途径不需要SAM，但需要胆碱。因此，当食物缺乏可利用的甲硫氨酸但有胆碱时，磷脂酰胆碱仍然能合成。9、由3分子软脂酸和1分子甘油合成三软脂酰甘油需要输入几分子的ATP？解答：3软脂酸+3ATP+3CoASH3软脂酰CoA+3AMP+3PPi 3PPi+3H2O6Pi 甘油+ATP -磷酸甘油+ADP -磷酸甘油+2软脂酰CoA 二软脂酰甘油-3-磷酸+2CoASH 二软脂酰甘油-3-磷酸+H2O二软脂酰甘油+Pi 二软脂酰甘油+软脂酰CoA 三软脂酰甘油+CoASH汇总：3软脂酸+甘油+7ATP+4H2O三软脂酰甘油+3AMP+ADP+7Pi又：3AMP+3ATP 6ADP总反应：3软脂酸+甘油+7ATP+4H2O三软脂酰甘油+ADP+7Pi10、为什么人及实验动物缺乏胆碱会诱发脂肪肝？解答：因为磷脂酰胆碱的合成补救途径需要胆碱。磷脂酰胆碱是在肝脏中合成，而磷脂酰胆碱是膜和脂蛋白的重要组分。补救途径需要1,2-二酰基甘油。如果没有足够的胆碱可利用，那么磷脂酰胆碱的合成受到极大的限制，1,2-二酰基甘油被用来合成三酰基甘油，后者不被分泌进入脂蛋白而在肝脏中积累。因此肝细胞被三酰甘油充塞而成脂肪肝。11、动物的许多细胞并不合成脂肪酸，但却有一种特异性的乙酰CoA羧化酶（ACC2）。与正常的小鼠相比，缺乏ACC2的小鼠能忍受高脂肪食物而不变胖。这些细胞内的乙酰CoA羧化酶可能的功能是什么？此外，这些细胞有很多同时具有丙二酸单酰CoA脱羧酶，其水平受到多种激素的控制。此酶的功能是什么？哪些激素可能以什么方式控制它的表达？解答：这是一道非常好的题目，但同样可以使用反推法从问题中获得答案。题目中提到的ACC2是催化形成丙二酸单酰CoA却不是用来合成脂肪酸的。那么它的功能会是什么呢？现在解题的关键就在于能否想起丙二酸单酰CoA合成脂肪酸还有什么功能？如果这时候想起脂肪酸-氧化的调控机制就好了！丙二酸单酰CoA除了参与合成脂肪酸以外，还是控制脂肪酸-氧化的关键调节物。它通过抑制肉碱软脂酰转移酶I的活性控制脂肪酸进入线粒体。显然，那些不制造脂肪酸的细胞保留合成丙二酸单酰CoA的能力目的就是维持这种调倥。既然丙二酸单酰CoA抑制脂肪酸的氧化，因而缺乏ACC2最有可能提高脂肪酸氧化的水平，这与ACC2被敲除的小鼠表型一致，脂肪酸氧化的提高使它们能忍受摄入过量的脂肪。由于在不能合成脂肪酸的细胞，无法去除丙二酸单酰CoA，除非有丙二酸单酰CoA脱羧酶催化。所以，丙二酸单酰CoA脱羧酶提供了一种快速控制其水平的手段。不难想象，促进脂肪合成和贮存的激素（如胰岛素）应该阻遏或者抑制它的表达，相反促进脂肪动员的激素（如肾上腺素或胰高血糖素）应该激活它的表达。12、将脂肪酸合酶能被纯化到均一状态后，先与乙酰CoA和14C标记的丙二酸单酰CoA保温，但无NADPH，然后将过量的14C标记的丙二酸单酰CoA透析除去，再填加没有同位素标记的丙二酸单酰CoA和无NADPH。（1）为什么第一步不能添加NADPH？（2）软脂酸上哪些C被同位素标记？13、丙酰CoA是糖异生前体，它对牛特别重要。在羧化酶催化下，它将被转变成D-甲基丙二酸单酰CoA，反应式为：丙酰CoA+HCO3+ATP D-甲基丙二酸单酰CoA+ADP+Pi。然后一种差向异构酶和变位酶将D-甲基丙二酸单酰CoA 转变为TCA循环的中间物琥珀酰CoA，反应式为：D-甲基丙二酸单酰CoA L-甲基丙二酸单酰CoA 琥珀酰CoA。（1）写出其他两种与丙酰CoA 羧化酶最为相似的羧化酶的名称。（2）有人认为，动物不能固定CO2，因为早期引入生物分子的C一般在后期反应中又以CO2的形式去掉，为什么羧化酶催化的反应动物的生物合成途径十分有用？（3）CO2引入到丙酰CoA 则不一样，因为引入的C保留在琥珀酰CoA分子之中，这难道意味着牛能通过糖异生从到丙酰CoA 净固定CO2到糖类吗？为什么？