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脂类代谢
第七章脂类代谢
脂类化合物包括甘油三酯和类脂质。
甘油三酯是生物体的主要储能物质,类脂质大都是细胞的重要结构物质和生理活性物质。
本章主要介绍脂类化合物的概念、类别、分布和生理功能,并重点讨论中性脂肪——三酰甘油在有机体内的合成和降解代谢。
脂类(lipids)是指一类在化学组成和结构上有很大差异,但都有一个共同特性,即不溶于水而易溶于乙醚、氯仿等非极性溶剂的物质。
通常脂类可按不同组成分为五类,即单纯脂、复合脂、萜类和类固醇及其衍生物、衍生脂类及结合脂类。
脂类物质具有重要的生物功能。
脂肪是生物体的能量提供者。
1g脂肪彻底氧化可放出46.5kJ/mol能量,比1g糖或蛋白质放出的能量大一倍以上,因此脂肪是生物体内贮藏能量最多的物质。
每1g蛋白质、糖和脂肪所产生的代谢能量比较为:
1g蛋白质20.5kJ/mol
1g糖20.5kJ/mol
1g脂肪46.5kJ/mol
这样大的能量差异是因为脂肪是非极性的,它以近于无水的形式储藏着,而糖类和蛋白质均具有极性,它们以高度水合形式储藏着。
1g干燥的糖元约结合2g水,所以实际上1g脂肪所贮存的能量为1g水合糖元贮存的六倍多。
这就说明了为什么在进化过程中选择脂肪作为能量的储备形式。
脂肪也是组成生物体的重要成分,如磷脂是构成生物膜的重要组分,油脂是机体代谢所需燃料的贮存和运输形式。
脂类物质也可为动物机体提供溶解于其中的必需脂肪酸和脂溶性维生素。
某些萜类及类固醇类物质如维生素A、D、E、K、胆酸及固醇类激素具有营养、代谢及调节功能。
有机体表面的脂类物质有防止机械损伤与防止热量散发等保护作用。
脂类作为细胞的表面物质,与细胞识别和种特异性以及组织免疫等有密切关系。
脂类代谢主要讨论脂类在有机体内的降解和合成过程。
了解脂类代谢对农业、工业、医学等方面都有重要的意义。
例如种子的发芽率直接和种子的脂类代谢有关;又如利用微生物氧化石油中脂肪烃、工业生产低凝点油及其他化工产品;脂蛋白异常和威胁人类健康的冠心病等都与脂肪代谢关系密切。
第一节脂肪的降解
一、脂肪的酶促降解
脂肪即脂肪酸的甘油三酯(triacylglycerol)是脂类中含量最丰富的一大类,它是甘油的三个羟基和三个脂肪酸分子缩合、失水后形成的酯,是植物和动物细胞贮脂的主要组分。
脂肪降解的第一步是水解成甘油和脂肪酸,此反应由脂肪酶(简称脂酶,lipase)催化。
组织中有三种脂肪酶:
即脂肪酶、甘油二酯脂肪酶和甘油单酯脂肪酶,逐步把甘油三酯水解成甘油和脂肪酸。
这三种酶水解步骤为:
在人和动物消化道内有脂肪酶,分解食物中的脂肪;以后甘油和脂肪酸在组织内再进一步氧化分解。
植物也有类似的脂肪消化作用。
如油料作物的种子萌发时,种子内脂肪酶活力增加,促使脂肪发生分解。
凡能利用脂肪的微生物也都有脂肪酶,生产春雷霉素的培养基中需含有一定配比的植物油,说明春雷霉菌能够产生脂肪酶,所以能利用植物油,假丝酵母、圆酵母等都能产生较多的脂肪酶,工业上已经利用它们作为制造脂肪酶制剂的原料。
二、甘油的降解与转化
甘油先与ATP作用,在甘油激酶(glycerolkinase)催化下生成α-磷酸甘油。
然后再被氧化生成磷酸二羟丙酮,再经异构化,生成3-磷酸甘油醛,然后可经糖酵解途径转化成丙酮酸,进入三羧酸循环而彻底氧化,或经过糖异生途径合成糖元。
因此甘油代谢和糖代谢的关系极为密切。
甘油转化成磷酸二羟丙酮以及与糖的相互转变关系如下:
三、脂肪酸的氧化分解
(一)饱和脂肪酸的β-氧化作用
1.β-氧化作用的概念
脂肪酸的β-氧化作用是指脂肪酸在一系列酶的作用下,在α,β-碳原子之间断裂,β-碳原子氧化成羧基,生成含2个碳原子的乙酰-CoA和较原来少2个碳原子的脂肪酸。
脂肪酸的β-氧化过程是在线粒体中进行的。
β-氧化作用最初是根据动物实验提出来的一个学说。
通过制备一系列的ω-苯(基)脂(肪)酸,即脂肪酸的甲基(-CH3)上的一个氢原子被苯基取代而成的苯脂酸,再将它们饲喂动物。
在动物体内,苯基不被破坏,而是通过解毒机制,形成无毒性的衍生物,从尿中排出。
鉴定尿中含苯基的化合物,可以推测脂肪酸在体内的分解途径。
将带有苯基的双数和单数碳的脂肪酸喂给狗吃,从尿中分离到两种含苯基的化合物。
一种是由苯甲酸和甘氨酸缩合而成的马尿酸,另一种是由苯乙酸和甘氨酸缩合而成的苯乙尿酸。
凡是吃了双数碳苯脂酸的狗,尿中的苯基化合物为苯乙尿酸,凡是吃了单数碳苯脂酸的狗,尿中的苯基化合物为马尿酸。
由于每次断下1个碳或断下3个碳都不符合实验结果,Knoop认为脂肪酸在体内氧化时每次都断下1个二碳物(见图7-1)。
他在1904年提出的β-氧化学说,至今仍旧是正确的。
β-氧化作用并不是一步完成的,而是要经过活化、转运,然后再进入氧化过程。
2.脂肪酸的活化
脂肪酸在进行β-氧化降解前,在细胞质内必须先被激活成脂酰-CoA,该反应由脂酰-CoA合成酶(acyl-CoAsynthetase)催化,需要ATP和CoA参与,总反应为:
图7-1苯基脂肪酸氧化实验
由于体内焦磷酸酶可迅速将产物焦磷酸水解为无机磷,从而使活化反应自左向右几乎不可逆,形成一个活化的脂酰-CoA需消耗2个高能磷酸键的能量。
3.脂肪酸经线粒体膜外至膜内的转运
由于脂肪酸活化是在内质网或线粒体膜外,反应产物必须被转运至发生β-氧化作用的线粒体基质中,而脂酰-CoA不能直接穿过线粒体内膜,因此需要一个转运系统。
转运脂酰-CoA的载体是肉毒碱(carnitine),即L-β羟基-γ-三甲基铵基丁酸,是一个由赖氨酸衍生而成的兼性化合物。
它可将脂肪酸以酰基形式从线粒体膜外转运至膜内。
其转运机制如下:
肉毒碱与脂酰-CoA结合生成脂酰肉毒碱,该反应由肉毒碱脂酰转移酶(acyl-CoAtransferase)催化,并在线粒体膜外侧进行,脂酰肉毒碱通过线粒体内膜的移位酶(translocase)穿过内膜,脂酰基与线粒体基质中的辅酶A结合,重新产生脂酰-CoA,释放肉毒碱。
线粒体内膜内侧的肉毒碱转移酶(acyl-CoAtransferase)催化此反应。
最后经肉毒碱移位酶协助,又回到线粒体外细胞质中(见图7-2)。
图7-2肉毒碱转运系统
4.脂肪酸β-氧化作用的步骤
脂酰-CoA进入线粒体后,在基质中进行β-氧化作用,包括4个循环步骤:
(1)脂酰-CoA的α、β-脱氢作用:
脂酰-CoA在脂酰-CoA脱氢酶(acyl-CoAdehydrogenase)的催化下,在C2和C3(即α、β位)之间脱氢,形成的产物是Δ2反烯脂酰-CoA。
在线粒体基质中发现有三种脂酰-CoA脱氢酶,分别对短、中、长链的脂肪酸起专一反应。
这3种酶均为黄素蛋白,可与FAD紧密结合,但只催化反式异构体的生成。
脂酰-CoAΔ2反烯脂酰-CoA
(2)Δ2-反烯脂酰-CoA的水化:
Δ2-反烯脂酰-CoA在烯脂酰-CoA水合酶(enoylCoAhydratase)催化下,在双键上加水生成L(+)-β-羟脂酰-CoA,此酶具立体化学专一性,只催化L-异构体的生成。
Δ2反式烯脂酰-CoAL(+)-β-羟脂酰-CoA
(3)L-β-羟脂酰-CoA的脱氢作用:
在β-羟脂酰-CoA脱氢酶(L-3-hydroxyacylCoAdehydrogenase)催化下,在L-β-羟脂酰-CoA的C3羟基上脱氢氧化成β-酮脂酰辅酶A,反应以NAD+为辅酶。
L(+)-β-羟脂酰-CoAβ-酮脂酰-CoA
(4)β-酮脂酰-CoA的硫解:
在硫解酶(thiolase)即酮脂酰硫解酶催化下β-酮脂酰-CoA被第二个CoA-SH分子硫解,产生乙酰-CoA和比原来脂酰-CoA少2个碳原子的脂酰-CoA。
β-酮脂酰辅酶A脂酰辅酶A
尽管β-氧化作用中4个反应步骤都是可逆的,但是由于β-酮脂酰-CoA硫解酶催化的硫解作用是高度的放能反应(ΔG0′=-28.03kJ/mol),整个反应平衡点趋于裂解方向,难以进行逆向反应,所以使脂肪酸氧化得以继续进行。
经上述5步反应,原脂肪酸脱掉2个碳单位,新形成的脂酰辅酶A又可经脱氢、加水、再脱氢和硫解四步反应进行再一次的β-氧化作用。
如此重复多次,1分子长链脂肪酸即可分解成许多分子的乙酰-CoA。
β-氧化的整个过程见图7-3。
图7-3脂肪酸的β-氧化作用
5.脂肪酸β-氧化作用的要点总结
(1)脂肪酸仅需一次活化,其代价是消耗1个ATP分子的2个高能键,其活化所需脂酰-CoA合成酶在线粒体外。
(2)脂酰-CoA合成酶在线粒体外活化的长链脂酰-CoA需经肉毒碱携带,在肉毒碱脂酰转移酶催化下进入线粒体氧化。
(3)脂肪酸β-氧化的酶都在线粒体内。
(4)β-氧化包括脱氢、水化、脱氢、硫解4个重复步骤。
6.脂肪酸β-氧化过程中的能量贮存
脂肪酸β-氧化后形成的乙酰-CoA进入三羧酸循环,最后形成CO2和H2O。
脂肪酸在β-氧化中,每形成1分子乙酰-CoA,就使1分子FAD还原为FADH2,并使1分子NAD+还原为NADH+H+。
FADH2进入呼吸链,生成2分子ATP;NADH+H+进入呼吸链,生成3分子ATP。
因此,每生成1分子乙酰-CoA,就生成5分子ATP。
现以软脂酰-CoA为例,说明其产生ATP分子的过程如下:
软脂酰-CoA+HS-CoA+FAD+NAD++H2O
豆蔻脂酰-CoA+乙酰-CoA+FADH2+NADH+H+
经过7次上述的β-氧化循环,即可将软脂酰-CoA转变为8分子的乙酰-CoA。
软脂酰-CoA+7HS-CoA+7FAD+7NAD++7H2O
8乙酰-CoA+7FADH2+7NADH+7H+
每分子乙酰-CoA进入三羧酸循环彻底氧化共生成12分子ATP。
因此由8个分子乙酰-CoA氧化为H2O和CO2,共形成8×12=96分子ATP。
由于软脂酸转化为软脂酰-CoA消耗1分子ATP中的两个高能磷酸键的能量,因此净生成131-2=129个ATP。
当软脂酸氧化时,自由能的变化是-9790.56kJ/mol。
ATP水解为ADP和Pi时,自由能的变化为-30.54kJ/mol。
软脂酸生物氧化净产生129个ATP,可形成3962.3kJ/mol能量。
因此在软脂酸氧化时约有40%的能量转换成磷酸键能。
(二)脂肪酸的α-氧化
Stumpf.P.K.(1956)发现植物线粒体中除有β-氧化作用外,还有1种特殊的氧化途径,称为α-氧化作用。
这种特殊类型的氧化系统,首先发现于植物种子和植物叶子组织中,但后来也在脑和肝细胞中发现。
在这个系统中,仅游离脂肪酸能作为底物,而且直接涉及到分子氧,每1次氧化经脂肪酸羧基端只失去1个碳原子,产物既可以是D-α-羟基脂肪酸,也可以是少1个碳原子的脂肪酸。
脂肪酸α-氧化概念是脂肪酸在一些酶的催化下,其α碳原子发生氧化,结果生成1分子CO2和比原来少1个碳原子的脂肪酸。
α-氧化的机制尚不十分清楚,其可能的途径是:
1.长链脂肪酸在一定条件下,可直接羟化,产生α-羟脂肪酸,再经氧化脱羧作用,形成以CO2形式去掉一个碳原子的脂肪酸。
D-α-羟基脂肪酸不能被脱氢酶催化,但可经脱羧和脱氢协同作用最后产生脂肪醛。
2.在过氧化氢存在下,脂肪酸经过氧化物酶催化下,形成D-α-氢过氧脂肪酸,再脱羧成为脂肪醛,然后被以NAD+为辅酶的专一性的醛脱氢酶氧化成脂肪酸,也可以被还原成脂肪醇。
α-氧化对降解支链脂肪酸,奇数碳脂肪酸或过分长链脂肪酸有重要作用。
(三)脂肪酸的ω-氧化途径
动物体内贮存的多是碳原子数在12个以上的脂肪酸,这些脂肪酸可进行β-氧化,不产生二羧酸。
但机体内也存在有少量的十二碳以下的脂肪酸,如十碳的癸酸和十一碳酸,这些脂肪酸通过ω-氧化途径进行氧化降解。
脂肪酸的ω-氧化作用是指脂肪酸在混合功能氧化酶等酶的催化下,其ω碳(末端甲基碳)原子发生氧化,先生成ω-羟脂酸,继而氧化成α,ω-二羧酸的反应过程。
脂肪酸ω-氧化过程可简示如下:
最后生成的α,ω-二羧酸可以从两端进行β-氧化降解。
早在1932年Verkade等人就用动物实验证明了脂肪酸的ω-氧化降解作用途径。
因其在脂肪酸分解代谢中不占重要地位,所以未受到重视。
新近从土壤中分离出许多细菌及某些海面浮游生物具有ω-氧化途径,能将烃类和脂肪酸迅速降解成水溶性产物,有的海面浮游细菌对脂肪酸分解速率达0.5g/(d·m2)。
这些微生物对清除海洋中的石油污染具有重大意义,因此ω-氧化作用的研究日益受到重视.
(四)不饱和脂肪酸的氧化
不饱和脂肪酸的氧化途径和上述饱和脂肪酸基本一样,但需有其他的酶存在。
以油酸、亚油酸为例进行说明。
1.1.单不饱和脂肪酸的氧化
例如油酸是18个碳的一烯酸,在C9和C10之间有一个不饱和键。
它按着饱和脂肪酸同样的方式活化和转入线粒体内,并且进行三次β-氧化循环,在第三轮中形成Δ3顺式烯脂酰-CoA。
Δ3顺式烯脂酰辅酶A不能被烯脂酰-CoA水化酶作用,因此需要烯脂酰-CoA异构酶催化其形成Δ2反式烯脂酰-CoA,后者可被烯脂酰-CoA水化酶作用。
因此油酸完全氧化生成9个乙酰-CoA,油酸的氧化过程见图7-4。
图7-4油酰-CoA的氧化作用
2.多不饱和脂肪酸的氧化
多不饱和脂肪酸氧化需要差向酶的参与。
以亚油酸为例,亚油酸是18碳二烯酸,在C9和C10及C12和C13之间有顺式双键。
亚油酸经三次β-氧化产生3分子乙酰-CoA和一个在C9和C10之间及C12和C13之间有顺式双键的脂肪酸。
Δ3双键经过异构酶催化成反式Δ2烯脂酰-CoA,继续β-氧化断裂2分子乙酰-CoA后,产生的Δ2顺式8碳烯脂酰-CoA,在经过烯脂酰-CoA水化酶水化后,生成D(-)β-羟脂酰-CoA。
这一产物不能被β-羟脂酰-CoA脱氢酶所催化,因为它要求具有L型异构体的底物。
线粒体中有β-羟脂酰-CoA差向酶可催化羟脂酰-CoA,由D型转变成L型,因而成为β-氧化的正常底物,使之继续按β-氧化途径进行氧化(见图7-5)。
图7-5亚油酰-CoA的氧化作用
四、乙醛酸循环
许多植物、微生物能够以乙酸为碳源合成其生长所需的其它含碳化合物,同时种子发芽时可以将脂肪转化成糖,这都是因为存在着一个类似于三羧酸循环的乙醛酸循环的缘故,该循环不存在于动物中。
乙醛酸循环从草酰乙酸和乙酰-CoA开始,形成柠檬酸后,异构化成异柠檬酸。
与三羧酸循环不同的是异柠檬酸不经脱羧,而是被异柠檬酸裂解酶(isocitratelyase)裂解成琥珀酸及乙醛酸。
乙醛酸与另一个乙酰-CoA缩合形成苹果酸,此反应由苹果酸合酶(malatesynthetase)催化,最后同三羧酸循环一样,苹果酸氧化成草酰乙酸,进入下一次循环。
其反应途径见图7-6。
图7-6乙醛酸循环途径
①柠檬酸合酶②顺乌头酸酶③异柠檬酸裂解酶④苹果酸合酶⑤酸脱氢
乙醛酸循环的主要生理意义在于它对三羧酸循环起着协助作用,因为乙醛酸循环所产生的四碳化合物可以弥补三羧酸循环中四碳化合物的不足,即当四碳化合物缺乏时,二碳化合物就不能充分氧化。
第二节脂肪的生物合成
脂肪的生物合成可以分为三个阶段:
甘油的生成;脂肪酸的合成;甘油和脂肪酸分别转变为3-磷酸甘油和脂酰-CoA后的缩合。
一、甘油的生物合成
生物体内,糖酵解的中间产物磷酸二羟丙酮,在胞质内的3-磷酸甘油脱氢酶催化下还原为3-磷酸甘油,后者在磷酸酶作用下生成甘油。
磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油甘油
二、饱和脂肪酸的从头合成
脂肪酸合成过程比较复杂,与氧化降解步骤完全不同。
它可分为饱和脂肪酸的从头合成、脂肪酸碳链的延长和不饱和脂肪酸的生成几部分。
脂肪酸合成的碳源主要来自糖酵解产生的乙酰-CoA,合成场所是在胞液中进行。
(一)饱和脂肪酸的从头合成
1.乙酰-CoA的转运
大部分脂肪酸合成定位于细胞质中,而脂肪酸β-氧化作用仅在线粒体中发生。
脂肪酸合成所需碳源来自乙酰-CoA,但代谢产生的乙酰-CoA不能穿过线粒体的内膜到胞液中去,所以要借助“柠檬酸穿梭”来达到进入胞液的目的。
柠檬酸穿梭途径是指乙酰-CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸,然后通过三羧酸载体透过膜,再由膜外柠檬酸裂解酶裂解成草酰乙酸和乙酰-CoA。
草酰乙酸又被NADH还原成苹果酸再经氧化脱羧产生CO2、NADPH和丙酮酸。
丙酮酸进入线粒体后,在羧化酶催化下形成草酰乙酸,又可参加乙酰-CoA转运循环。
其过程见图7-7。
2.丙二酸单酰-CoA(malonyCoA)的形成
人们在用细胞提取液进行脂肪酸从头合成的研究时发现,脂肪酸的从头合成需要HCO3-。
研究发现,在合成过程中,乙酰-CoA是引物,加合物则是丙二酸单酰-CoA。
以合成1分子软脂酸为例,合成中所需的8个二碳单位中,只有1个是以乙酰-CoA形式,而其它7个均以丙二酸单酰-CoA形式参与合成反应。
丙二酸单酰-CoA是由乙酰-CoA和在乙酰-CoA羧化酶(acetyl-CoACarboxylase)的催化下形成的,该酶的辅基为生物素,反应中消耗ATP,其反应为:
乙酰-CoA+ATP+HCO3-
丙二酸单酰-CoA+ADP+Pi+H+
图7-7柠檬酸穿梭系统
乙酰-CoA羧化酶为别构酶,大肠杆菌中的乙酰-CoA羧化酶是三个酶或蛋白的复合体。
其中的蛋白质叫生物素羧基载体蛋白(biotincarboxyl-carrierprotein,BCCP),作为生物素的载体,生物素共价连接到蛋白的一个赖氨酸的ε-氨基上,组成了生物胞素。
乙酰-CoA羧化酶的另外2个蛋白都是酶,即生物素羧化酶(biotincarboxylase)和羧基转移酶(transcarboxylase),在大肠杆菌中,载体蛋白和两个酶的分子量分别为23000,98000和130000。
真核生物的乙酰-CoA羧化酶是含有两个相同亚基的二聚体(每个亚基的分子量为260000),每个亚基包含1分子生物素,两种酶活性(生物素羧化酶和羧基转移酶),该酶催化下面的反应:
BCCP-生物素+ATP4-+CO2+H2O
BCCP-羧化生物素+ADP3-+Pi2-+2H+
羧基转移酶催化BCCP-羧化生物素上有活性的羧基转移到乙酰-CoA上,(见图7-8),产生丙二酸单酰-CoA和BCCP-生物素。
3.脂肪酸合成酶系
从乙酰-CoA和丙二酸单酰辅酶A开始的脂肪酸合成反应由脂肪酸合成酶系催化。
脂肪酸合成酶系包括六种酶和一个酰基载体蛋白,即ACP-酰基转移酶(ACP-acyltransferase)、ACP-丙二酸单酰转移酶(ACP-malonyltransferase)、β-酮脂酰-ACP合酶(β-ketoacyl-synthase)、β-酮脂酰-ACP还原酶(β-ketoacylreductase)、β-羟脂酰-ACP脱水酶(β-hydroxyacyl-ACPdehydrase)、烯脂酰-ACP还原酶(enoyl-ACPreductase)。
图7-8乙酰辅酶A羧化酶催化丙二酸单酰辅酶A的生成
酰基载体蛋白(acylcarrierprotein,ACP)是一个小分子蛋白,其在脂肪酸合成中的作用如同CoA在脂肪酸降解中的作用一样重要。
在β-氧化中,脂肪酸衍生物连接到磷酸泛酰巯基乙胺基团的-SH上,组成了CoA-SH的部分结构。
在脂肪酸合成中,脂肪酸衍生物连接到磷酸泛酰巯基乙胺基团的-SH上,是共价连接到一个脂酰基载体蛋白上。
ACP和与之连接的磷酸泛酰巯基乙胺在脂肪酸合成中运载脂酰基,如同辅酶A在脂肪酸降解中的作用一样。
这个长的磷酸泛酰巯基乙胺基团起到一个“摆臂”的作用,它能将底物在酶复合物上从一个催化中心转移到另一个催化中心。
酰基载体蛋白是从大肠杆菌中首次分离得到的。
4′-磷酸泛酰巯基乙胺基团与此蛋白的Ser36羟基酯化,此蛋白本身包含77个氨基酸残基(MW=10000)。
ACP和脂肪酸合成酶的组装取决于各自不同的有机体。
在动物中,脂肪酸合成酶系含ACP和七种酶,它们均位于一种多功能肽链上(图7-9),多肽链上相邻区域以唯一的方式折叠,从而产生了不同酶活性。
此酶是一个二聚体,包含两个相同的亚基,每个亚基的分子量为260000,两亚基头尾相接反平行组装在一起。
动物脂肪酸合成所需的一个酶为软脂酰-ACP硫解酶,它催化最后的软脂酰-ACP水解生成软脂酰和ACP;它只在C16的脂肪酸的合成后才有活性,其它生物缺少软脂酰-ACP硫解酶,但它们能直接利用软脂酰-ACP。
图7-9原核生物脂肪酸合成酶的二聚体结构
1.1.酰转酰酶;2.丙二酸单酰转酰酶;3.β-酮脂酰ACP合酶;4.β-酮脂酰ACP还原酶;
5.β-羟脂酰ACP脱水酶;6.烯脂酰-ACP还原酶;7.软脂酰-ACP硫酯酶。
4.反应历程:
(1)转酰基反应:
乙酰-CoA与ACP作用,生成乙酰ACP:
该反应是一个起始反应,由乙酰转酰酶催化,将乙酰-CoA先转运至ACP,再转运至β-酮脂酰-ACP合成酶的巯基上。
(2)转酰基反应:
丙二酸单酰-CoA与ACP作用,生成丙二酸单酰ACP:
丙二酸单酰转酰酶催化丙二酸加载到ACP上,为β-酮脂酰-ACP合成酶提供第二底物。
在此反应中,ACP的自由巯基攻击丙二酸单酰-CoA的羰基,形成丙二酸单酰ACP。
这样的起始反应与负载反应,为下一步缩合反应分别生成了所需的两种底物。
(3)缩合反应:
此步反应为乙酰基和丙二酸单酰基的缩合反应。
脱羧反应激活了丙二酸单酰-CoA的甲烯基碳,使之成为一个好的亲核基团,可攻击乙酰基团的羰基碳原子,形成的产物含有连在ACP上的乙酰乙酰基团。
(4)还原反应:
由β-酮脂酰-ACP还原酶催化的反应是脂肪酸合成中的第一个还原反应。
此还原反应类似于β-氧化中发生在β-碳原子上的氧化反应,NADPH作为还原剂,产物为D-构型的β-羟丁酰ACP。
(5)脱水反应β-羟丁酰ACP脱水生成相应的α,β-烯丁酰ACP(巴豆酰ACP):
(6)再还原反应:
α,β-烯丁酰ACP再由NADPH还原为丁酰ACP。
这步还原反应由NADPH作为电子供体,在β-碳原子上发生反应,由烯脂酰ACP还原酶催化,产生一个连接ACP的四碳脂肪酸,这是一个完整的脂肪酸合成的最后一步。
这样由乙酰ACP作为二碳受体.丙二酸单酰ACP作为二碳供体,经过缩合、还原、脱水、再还原几个反应步骤,即生成含4个碳原子的丁酰ACP。
如果丁酰ACP再与丙二酸单酰ACP反应,经过上述重复的反应步骤,即可得到己酰ACP。
如此不断地进行循环,最终得到软脂酰ACP。
整个脂肪酸从头合成过程可简示如图7-10。
图7-10脂肪酸的从头合成
综上所述,脂肪酸合成每循环一次,碳链延长2个碳原子;CO2虽然在脂肪酸合成中参与起初的羧化反应,但在缩合反应中又重新释放出来,并没有消耗,它似乎仅仅起催化剂作用;在羧化反应中消耗ATP,此ATP由糖酵解提供;每次循环,经两次还原,消耗2NADPH+2H+,试验表明,脂肪酸合成需要的NADPH有60%是由磷酸戊糖途径提供的,其余部分可由糖酵解间接生成。
(二)脂肪酸碳链的延长
脂肪酸的从头合成是在细胞质的可溶性部分进行的,又称非线粒体系统合成途径,也称I型系统。
因为β-酮脂酰ACP合成酶对软脂酰ACP无活性,所以由I型系统合成脂肪酸时,碳链的延长只能到生成16个碳的软脂酸为止。
若要继续延长碳链,则需另外的延长系统途径,即线粒体(或微粒体)系统合成途径,延长系统也称为Ⅱ型系统和Ⅲ型系统。
在植物中,软脂酸的碳链延长在细胞质中进行,由延长酶系统Ⅱ和Ⅲ催化,形成18碳、20碳的脂肪酸。
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