脂肪酸氧化

中文名稱：脂肪酸氧化

脂肪酸氧化的方式有β-氧化和特殊氧化方式。特殊氧化方式有：丙酸氧化、α-氧化、ω-氧化、不飽和脂肪酸氧化。

過程可概括為活化、轉移、β氧化及最後經三羧酸循環被徹底氧化生成CO₂和H₂O並釋放能量幾階段。

（1）脂肪酸的活化：脂肪酸的氧化首先須被活化，在ATP、CoA-SH、Mg²⁺存在下，脂肪酸由位於內質網及線粒體外膜的脂酰CoA合成酶催化生成脂酰CoA。活化的脂肪酸不僅為一高能化合物，而且水溶性增強，因此提高了代謝活性。

（2）脂酰CoA的轉移：脂肪酸活化是在胞液中進行的，而催化脂肪酸氧化的酶系又存在於線粒體基質內，故活化的脂酰CoA必須先進入線粒體才能氧化，但已知長鏈脂酰輔酶A是不能直接透過線粒體內膜的，因此活化的脂酰CoA要藉助L-肉鹼（L-carnitine），即L-3-羥基-4-三甲基銨丁酸，而被轉運入線粒體內，在線粒體內膜的外側及內側分別有肉鹼脂酰轉移酶I和酶Ⅱ，兩者為同工酶。位於內膜外側的酶Ⅰ，促進脂酰CoA轉化為脂酰肉鹼，後者可藉助線粒體內膜上的轉位酶（或載體），轉運到內膜內側，然後，在酶Ⅱ催化下脂酰肉鹼釋放肉鹼，後又轉變為脂酰CoA.這樣原本位於胞液的脂酰CoA穿過線粒體內膜進入基質而被氧化分解。一般10個碳原子以下的活化脂肪酸不需經此途徑轉運，而直接通過線粒體內膜進行氧化。

（3）脂酰CoA的β氧化：脂酰CoA進入線粒體基質後，在脂肪酸β氧化酶系催化下，進行脱氫、加水，再脱氫及硫解4步連續反應，最後使脂酰基斷裂生成一分子乙酰CoA和一分子比原來少了兩個碳原子的脂酰CoA.因反應均在脂酰CoA烴鏈的α，β碳原子間進行，最後β碳被氧化成酰基，故稱為β氧化。

（4）硫解：在β-酮脂酰CoA硫解酶（β-ketoacyl-CoA thiolase）作用下，β-酮脂酰CoA被一分子CoA所分解，生成一分子乙酰CoA和一分子比原來少兩個碳原子的脂酰CoA。少了兩個碳原子的脂酰CoA，可再次進行脱氫、水化、再脱氫和硫解反應，每經歷上述幾步後即脱下一個二碳單位（乙酰CoA）。 ^[1] 

脂肪酸的β-氧化　肝和肌肉是進行脂肪酸氧化最活躍的組織，其最主要的氧化形式是β-氧化。此過程可分為活化，轉移，β-氧化共三個階段。

在肝臟中，脂肪酸經β-氧化作用生成乙酰輔酶A。2分子乙酰輔酶A可縮合生成乙酰乙酸。乙酰乙酸可脱羧生成丙酮，也可還原生成β-羥丁酸。乙酰乙酸、β-羥丁酸和丙酮總稱為酮體。

1、脂肪酸的活化

和葡萄糖一樣，脂肪酸參加代謝前也先要活化。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)。

活化後生成的脂酰CoA極性增強，易溶於水；分子中有高能鍵、性質活潑；是酶的特異底物，與酶的親和力大，因此更容易參加反應。

脂酰CoA合成酶又稱硫激酶，分佈在胞漿中、線粒體膜和內質網膜上。胞漿中的硫激酶催化中短鏈脂肪酸活化；內質網膜上的酶活化長鏈脂肪酸，生成脂酰CoA，然後進入內質網用於甘油三酯合成；而線粒體膜上的酶活化的長鏈脂酰CoA，進入線粒體進入β-氧化。

2、脂酰CoA進入線粒體

催化脂肪酸β-氧化的酶系在線粒體基質中，但長鏈脂酰CoA不能自由通過線粒體內膜，要進入線粒體基質就需要載體轉運，這一載體就是肉毒鹼(carnitine)，即3-羥-4-三甲氨基丁酸。

長鏈脂肪酰CoA和肉毒鹼反應，生成輔酶A和脂酰肉毒鹼，脂肪酰基與肉毒鹼的3-羥基通過酯鍵相連接。催化此反應的酶為肉毒鹼脂酰轉移酶(carnitine acyl transferase)。線粒體內膜的內外兩側均有此酶，系同工酶，分別稱為肉毒鹼脂酰轉移酶I和肉毒鹼脂酰轉移酶Ⅱ。酶Ⅰ使胞漿的脂酰CoA轉化為輔酶A和脂肪酰肉毒鹼，後者進入線粒體內膜，同時酶Ⅰ將一分子基質中的肉鹼轉運至線粒體內膜外。位於線粒體內膜內側的酶Ⅱ又使脂肪酰肉毒鹼轉化成肉毒鹼和脂酰CoA，肉毒鹼重新發揮其載體功能，脂酰CoA則進入線粒體基質，成為脂肪酸β-氧化酶系的底物。

長鏈脂酰CoA進入線粒體的速度受到肉毒鹼脂酰轉移酶Ⅰ和酶Ⅱ的調節，酶Ⅰ受丙二酰CoA抑制，酶Ⅱ受胰島素抑制。丙二酰CoA是合成脂肪酸的原料，胰島素通過誘導乙酰CoA羧化酶的合成使丙二酰CoA濃度增加，進而抑制酶Ⅰ。可以看出胰島素對肉毒鹼脂酰轉移酶Ⅰ和酶Ⅱ有間接或直接抑制作用。飢餓或禁食時胰島素分泌減少，肉毒鹼脂酰轉移酶Ⅰ和酶Ⅱ活性增高，轉移的長鏈脂肪酸進入線粒體氧化供能。

脂酰CoA在線粒體基質中進入β氧化要經過四步反應，即脱氫、加水、再脱氫和硫解，生成一分子乙酰CoA和一個少兩個碳的新的脂酰CoA。

第一步脱氫(dehydrogenation)反應由脂酰CoA脱氫酶活化，輔基為FAD，脂酰CoA在α和β碳原子上各脱去一個氫原子生成具有反式雙鍵的α,β-烯脂肪酰輔酶A。

第二步加水（hydration）反應由烯酰CoA水合酶催化，生成具有L-構型的β-羥脂酰CoA。

第三步脱氫反應是在β－羥脂肪酰CoA脱飴酶（輔酶為NAD+）催化下，β-羥脂肪酰CoA脱氫生成β酮脂酰CoA。

第四步硫解（thiolysis）反應由β－酮硫解酶催化，β-酮酯酰CoA在α和β碳原子之間斷鏈，加上一分子輔酶A生成乙酰CoA和一個少兩個碳原子的脂酰CoA。

上述四步反應與TCA循環中由琥珀酸經延胡索酸、蘋果酸生成草酰乙酸的過程相似，只是β-氧化的第四步反應是硫解，而草酰乙酸的下一步反應是與乙酰CoA縮合生成檸檬酸。

長鏈脂酰CoA經上面一次循環，碳鏈減少兩個碳原子，生成一分子乙酰CoA，多次重複上面的循環，就會逐步生成乙酰CoA。

從上述可以看出脂肪酸的β-氧化過程具有以下特點。首先要將脂肪酸活化生成脂酰CoA，這是一個耗能過程。中、短鏈脂肪酸不需載體可直拉進入線粒體，而長鏈脂酰CoA需要肉毒鹼轉運。β-氧化反應在線粒體內進行，因此沒有線粒體的紅細胞不能氧化脂肪酸供能。β-氧化過程中有FADH2和NADH+H+生成，這些氫要經呼吸鏈傳遞給氧生成水，需要氧參加，乙酰CoA的氧化也需要氧。因此，β-氧化是絕對需氧的過程。

脂肪酸β-氧化的生理意義　脂肪酸β-氧化是體內脂肪酸分解的主要途徑，脂肪酸氧化可以供應機體所需要的大量能量，以十六個碳原子的飽和脂肪酸硬脂酸為例，其β-氧化的總反應為：

CH3(CH2)14COSCoA+7NAD++7FAD+HSCoA+7H2O——→8CH3COSCoA+7FADH2+7NADH+7H+??

7分子FADH2提供7×1.5=10.5分子ATP，7分子NADH+H+提供7×2.5=17.5分子ATP，8分子乙酰CoA完全氧化提供8×10=80個分子ATP，因此一分子軟脂酸完全氧化生成CO2和H2O，共提供108分子ATP。軟脂酸的活化過程消耗2分子ATP，所以一分子軟脂酸完全氧化可淨生成106分子ATP。脂肪酸氧化時釋放出來的能量約有40%為機體利用合成高能化合物，其餘60%以熱的形式釋出，熱效率為40%，説明機體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過程，機體所需要的脂肪酸鏈的長短不同，通過β-氧化可將長鏈脂肪酸改造成長度適宜的脂肪酸，供機體代謝所需。脂肪酸β-氧化過程中生成的乙酰CoA是一種十分重要的中間化合物，乙酰CoA除能進入三羧酸循環氧化供能外，還是許多重要化合物合成的原料，如酮體、膽固醇和類固醇化合物。

奇數碳原子脂肪酸，經過β-氧化除生成乙酰CoA外還生成一分子丙酰CoA，某些氨基酸如異亮氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的分解代謝過程中有丙酰CoA生成，膽汁酸生成過程中亦產生丙酰CoA。丙酰CoA經過羧化反應和分子內重排，可轉變生成琥珀酰CoA，可進一步氧化分解，也可經草酰乙酸異生成糖的反應過程。

脂肪酸在微粒體中由加單氧酶和脱羧酶催化生成α-羥脂肪酸或少一個碳原子的脂肪酸的過程稱為脂肪酸的α-氧化。長鏈脂肪酸由加單氧酶催化、由抗壞血酸或四氫葉酸作供氫體在O₂和Fe²⁺參與下生成α-羥脂肪酸，這是腦苷脂和硫脂的重要成分，α-羥脂肪酸繼續氧化脱羧就生成奇數碳原子脂肪酸。α-氧化障礙者不能氧化植烷酸(phytanic acid,3,7,11,15-四甲基十六烷酸)。

脂肪酸的ω-氧化是在肝微粒體中進行，由加單氧酶催化的。首先是脂肪酸的ω碳原子羥化生成ω-羧脂肪酸，再經ω醛脂肪酸生成α,ω-二羧酸，然後在α-端或ω-端活化，進入線粒體進入β-氧化，最後生成琥珀酰CoA。

體內約有1/2以上的脂肪酸是不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acid)，食物中也含有不飽和脂肪酸。這些不飽和脂肪酸的雙鍵都是順式的，它們活化後進入β-氧化時，生成3-順烯脂酰CoA，此時需要順-3反-2異構酶催化使其生成2-反烯脂酰CoA以便進一步反應。2-反烯脂酰CoA加水後生成D-β-羥脂酰CoA，需要β-羥脂酰CoA差向異構酶催化，使其由D-構型轉變成L-構型，以便再進行脱氧反應（只有L-β-羥脂酰CoA才能作為β-羥脂酰CoA脱氫酶的底物）。

不飽和脂肪酸完全氧化生成CO₂和H₂O時提供的ATP少於相同碳原子數的飽和脂肪酸。

生成的α,ω-二羧酸可從兩端進行β-氧化作用而降解。動物體內的十二碳以下的脂肪酸常常通過ω-氧化途徑進行降解；植物體內的在ω-端具有含氧基團（羥基、醛基或羧基）的脂肪酸大多也是通過ω-氧化作用生成的，這些脂肪酸常常是角質層或細胞壁的組成成分；一些需氧微生物能將烴或脂肪酸迅速降解成水溶性產物，這種降解過程首先要進行ω-氧化作用，生成二羧基脂肪酸後再通過b-氧化作用降解，如海洋中的某些浮游細菌可降解海面上的浮油，其氧化速率可高達0.5克/天/平方米。