脂肪酸的β-氧化;—氧化过程及其概念
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（一）脂肪酸的β-氧化过程
肝和肌肉是进行脂肪酸氧化最活跃的组织,其最主要的氧化形式是β-氧化.此过程可分为活化,转移,β-氧化共三个阶段.
1. 脂肪酸的活化
和葡萄糖一样,脂肪酸参加代谢前也先要活化.其活化形式是硫酯——脂肪酰CoA,催化脂肪酸活化的酶是脂酰CoA合成酶(acyl CoA synthetase).
活化后生成的脂酰CoA极性增强,易溶于水；分子中有高能键、性质活泼；是酶的特异底物,与酶的亲和力大,因此更容易参加反应.
脂酰CoA合成酶又称硫激酶,分布在胞浆中、线粒体膜和内质网膜上.胞浆中的硫激酶催化中短链脂肪酸活化；内质网膜上的酶活化长链脂肪酸,生成脂酰CoA,然后进入内质网用于甘油三酯合成；而线粒体膜上的酶活化的长链脂酰CoA,进入线粒体进入β-氧化.
2. 脂酰CoA进入线粒体
催化脂肪酸β-氧化的酶系在线粒体基质中,但长链脂酰CoA不能自由通过线粒体内膜,要进入线粒体基质就需要载体转运,这一载体就是肉毒碱(carnitine),即3-羟-4-三甲氨基丁酸.
长链脂肪酰CoA和肉毒碱反应,生成辅酶A和脂酰肉毒碱,脂肪酰基与肉毒碱的3-羟基通过酯键相连接.催化此反应的酶为肉毒碱脂酰转移酶(carnitine acyl transferase).线粒体内膜的内外两侧均有此酶,系同工酶,分别称为肉毒碱脂酰转移酶I和肉毒碱脂酰转移酶Ⅱ.酶Ⅰ使胞浆的脂酰CoA转化为辅酶A和脂肪酰肉毒碱,后者进入线粒体内膜.位于线粒体内膜内侧的酶Ⅱ又使脂肪酰肉毒碱转化成肉毒碱和脂酰CoA,肉毒碱重新发挥其载体功能,脂酰CoA则进入线粒体基质,成为脂肪酸β-氧化酶系的底物.
长链脂酰CoA进入线粒体的速度受到肉毒碱脂酰转移酶Ⅰ和酶Ⅱ的调节,酶Ⅰ受丙二酰CoA抑制,酶Ⅱ受胰岛素抑制.丙二酰CoA是合成脂肪酸的原料,胰岛素通过诱导乙酰CoA羧化酶的合成使丙二酰CoA浓度增加,进而抑制酶Ⅰ.可以看出胰岛素对肉毒碱脂酰转移酶Ⅰ和酶Ⅱ有间接或直接抑制作用.饥饿或禁食时胰岛素分泌减少,肉毒碱脂酰转移酶Ⅰ和酶Ⅱ活性增高,转移的长链脂肪酸进入线粒体氧化供能.
3. β-氧化的反应过程
脂酰CoA在线粒体基质中进入β氧化要经过四步反应,即脱氢、加水、再脱氢和硫解,生成一分子乙酰CoA和一个少两个碳的新的脂酰CoA.
第一步脱氢(dehydrogenation)反应由脂酰CoA脱氢酶活化,辅基为FAD,脂酰CoA在α和β碳原子上各脱去一个氢原子生成具有反式双键的α,β-烯脂肪酰辅酶A.
第二步加水（hydration)反应由烯酰CoA水合酶催化,生成具有L-构型的β-羟脂酰CoA.
第三步脱氢反应是在β－羟脂肪酰CoA脱饴酶（辅酶为NAD+）催化下,β-羟脂肪酰CoA脱氢生成β酮脂酰CoA.
第四步硫解（thiolysis)反应由β－酮硫解酶催化,β-酮酯酰CoA在α和β碳原子之间断链,加上一分子辅酶A生成乙酰CoA和一个少两个碳原子的脂酰CoA.
上述四步反应与TCA循环中由琥珀酸经延胡索酸、苹果酸生成草酰乙酸的过程相似,只是β-氧化的第四步反应是硫解,而草酰乙酸的下一步反应是与乙酰CoA缩合生成柠檬酸.
长链脂酰CoA经上面一次循环,碳链减少两个碳原子,生成一分子乙酰CoA,多次重复上面的循环,就会逐步生成乙酰CoA.
从上述可以看出脂肪酸的β-氧化过程具有以下特点.首先要将脂肪酸活化生成脂酰CoA,这是一个耗能过程.中、短链脂肪酸不需载体可直拉进入线粒体,而长链脂酰CoA需要肉毒碱转运.β-氧化反应在线粒体内进行,因此没有线粒体的红细胞不能氧化脂肪酸供能.β-氧化过程中有FADH2和NADH+H+生成,这些氢要经呼吸链传递给氧生成水,需要氧参加,乙酰CoA的氧化也需要氧.因此,β-氧化是绝对需氧的过程.
[编辑本段]（二）脂肪酸β-氧化的生理意义
脂肪酸β-氧化是体内脂肪酸分解的主要途径,脂肪酸氧化可以供应机体所需要的大量能量,以十六个碳原子的饱和脂肪酸硬脂酸为例,其β-氧化的总反应为：
CH3(CH2)14COSCoA+7NAD++7FAD+HSCoA+7H2O——→8CH3COSCoA+7FADH2+7NADH+7H+
7分子FADH2提供7×2=14分子ATP,7分子NADH+H+提供7×3=21分子ATP,8分子乙酰CoA完全氧化提供8×12=96个分子ATP,因此一克分子软脂酸完全氧化生成CO2和H2O,共提供131克分子ATP.软脂酸的活化过程消耗2克分子ATP,所以一克分子软脂酸完全氧化可净生成129克分子ATP.脂肪酸氧化时释放出来的能量约有40%为机体利用合成高能化合物,其余60%以热的形式释出,热效率为40%,说明机体能很有效地利用脂肪酸氧化所提供的能量.
脂肪酸β-氧化也是脂肪酸的改造过程,机体所需要的脂肪酸链的长短不同,通过β-氧化可将长链脂肪酸改造成长度适宜的脂肪酸,供机体代谢所需.脂肪酸β-氧化过程中生成的乙酰CoA是一种十分重要的中间化合物,乙酰CoA除能进入三羧酸循环氧化供能外,还是许多重要化合物合成的原料,如酮体、胆固醇和类固醇化合物.
肝和肌肉是进行脂肪酸氧化最活跃的组织,其最主要的氧化形式是β-氧化.此过程可分为活化,转移,β-氧化共三个阶段.
1. 脂肪酸的活化
和葡萄糖一样,脂肪酸参加代谢前也先要活化.其活化形式是硫酯——脂肪酰CoA,催化脂肪酸活化的酶是脂酰CoA合成酶(acyl CoA synthetase).
活化后生成的脂酰CoA极性增强,易溶于水；分子中有高能键、性质活泼；是酶的特异底物,与酶的亲和力大,因此更容易参加反应.
脂酰CoA合成酶又称硫激酶,分布在胞浆中、线粒体膜和内质网膜上.胞浆中的硫激酶催化中短链脂肪酸活化；内质网膜上的酶活化长链脂肪酸,生成脂酰CoA,然后进入内质网用于甘油三酯合成；而线粒体膜上的酶活化的长链脂酰CoA,进入线粒体进入β-氧化.
2. 脂酰CoA进入线粒体
催化脂肪酸β-氧化的酶系在线粒体基质中,但长链脂酰CoA不能自由通过线粒体内膜,要进入线粒体基质就需要载体转运,这一载体就是肉毒碱(carnitine),即3-羟-4-三甲氨基丁酸.
长链脂肪酰CoA和肉毒碱反应,生成辅酶A和脂酰肉毒碱,脂肪酰基与肉毒碱的3-羟基通过酯键相连接.催化此反应的酶为肉毒碱脂酰转移酶(carnitine acyl transferase).线粒体内膜的内外两侧均有此酶,系同工酶,分别称为肉毒碱脂酰转移酶I和肉毒碱脂酰转移酶Ⅱ.酶Ⅰ使胞浆的脂酰CoA转化为辅酶A和脂肪酰肉毒碱,后者进入线粒体内膜.位于线粒体内膜内侧的酶Ⅱ又使脂肪酰肉毒碱转化成肉毒碱和脂酰CoA,肉毒碱重新发挥其载体功能,脂酰CoA则进入线粒体基质,成为脂肪酸β-氧化酶系的底物.
长链脂酰CoA进入线粒体的速度受到肉毒碱脂酰转移酶Ⅰ和酶Ⅱ的调节,酶Ⅰ受丙二酰CoA抑制,酶Ⅱ受胰岛素抑制.丙二酰CoA是合成脂肪酸的原料,胰岛素通过诱导乙酰CoA羧化酶的合成使丙二酰CoA浓度增加,进而抑制酶Ⅰ.可以看出胰岛素对肉毒碱脂酰转移酶Ⅰ和酶Ⅱ有间接或直接抑制作用.饥饿或禁食时胰岛素分泌减少,肉毒碱脂酰转移酶Ⅰ和酶Ⅱ活性增高,转移的长链脂肪酸进入线粒体氧化供能.
3. β-氧化的反应过程
脂酰CoA在线粒体基质中进入β氧化要经过四步反应,即脱氢、加水、再脱氢和硫解,生成一分子乙酰CoA和一个少两个碳的新的脂酰CoA.
第一步脱氢(dehydrogenation)反应由脂酰CoA脱氢酶活化,辅基为FAD,脂酰CoA在α和β碳原子上各脱去一个氢原子生成具有反式双键的α,β-烯脂肪酰辅酶A.
第二步加水（hydration)反应由烯酰CoA水合酶催化,生成具有L-构型的β-羟脂酰CoA.
第三步脱氢反应是在β－羟脂肪酰CoA脱饴酶（辅酶为NAD+）催化下,β-羟脂肪酰CoA脱氢生成β酮脂酰CoA.
第四步硫解（thiolysis)反应由β－酮硫解酶催化,β-酮酯酰CoA在α和β碳原子之间断链,加上一分子辅酶A生成乙酰CoA和一个少两个碳原子的脂酰CoA.
上述四步反应与TCA循环中由琥珀酸经延胡索酸、苹果酸生成草酰乙酸的过程相似,只是β-氧化的第四步反应是硫解,而草酰乙酸的下一步反应是与乙酰CoA缩合生成柠檬酸.
长链脂酰CoA经上面一次循环,碳链减少两个碳原子,生成一分子乙酰CoA,多次重复上面的循环,就会逐步生成乙酰CoA.
从上述可以看出脂肪酸的β-氧化过程具有以下特点.首先要将脂肪酸活化生成脂酰CoA,这是一个耗能过程.中、短链脂肪酸不需载体可直拉进入线粒体,而长链脂酰CoA需要肉毒碱转运.β-氧化反应在线粒体内进行,因此没有线粒体的红细胞不能氧化脂肪酸供能.β-氧化过程中有FADH2和NADH+H+生成,这些氢要经呼吸链传递给氧生成水,需要氧参加,乙酰CoA的氧化也需要氧.因此,β-氧化是绝对需氧的过程.
[编辑本段]（二）脂肪酸β-氧化的生理意义
脂肪酸β-氧化是体内脂肪酸分解的主要途径,脂肪酸氧化可以供应机体所需要的大量能量,以十六个碳原子的饱和脂肪酸硬脂酸为例,其β-氧化的总反应为：
CH3(CH2)14COSCoA+7NAD++7FAD+HSCoA+7H2O——→8CH3COSCoA+7FADH2+7NADH+7H+
7分子FADH2提供7×2=14分子ATP,7分子NADH+H+提供7×3=21分子ATP,8分子乙酰CoA完全氧化提供8×12=96个分子ATP,因此一克分子软脂酸完全氧化生成CO2和H2O,共提供131克分子ATP.软脂酸的活化过程消耗2克分子ATP,所以一克分子软脂酸完全氧化可净生成129克分子ATP.脂肪酸氧化时释放出来的能量约有40%为机体利用合成高能化合物,其余60%以热的形式释出,热效率为40%,说明机体能很有效地利用脂肪酸氧化所提供的能量.
脂肪酸β-氧化也是脂肪酸的改造过程,机体所需要的脂肪酸链的长短不同,通过β-氧化可将长链脂肪酸改造成长度适宜的脂肪酸,供机体代谢所需.脂肪酸β-氧化过程中生成的乙酰CoA是一种十分重要的中间化合物,乙酰CoA除能进入三羧酸循环氧化供能外,还是许多重要化合物合成的原料,如酮体、胆固醇和类固醇化合物.
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