脂肪酸被分类为脂质营养素家族的一员，其在生物代谢中为ATP的合成提供能量。与其他营养素成员(蛋白质、糖类)比较的话，会发现借由β-氧化[1]分解同样质量的脂肪酸能提供最多能量，合成最多ATP。脂肪酸代谢包含了将脂质转化为能量并提供初级代谢产物的异化作用以及将脂肪酸合成生物体中重要分子的同化作用。此外，脂肪酸代谢对于细胞膜的形成、生物体内能量的储存以及讯息的传递有不可或缺的重要性。
概说
- β-氧化的步骤可以简化如下：
- 脂肪酸借由acyl-CoA dehydrogenase(脱氢酶)的催化脱氢，形成一分子FADH2
- 再通过enoyl-CoA hydratase(水合酶)的催化水合
- 接着受到3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase催化，形成一分子NADH
- 最后被thiolase分解，形成一分子的乙酰辅酶A以及缩短为两碳短链的酰基辅酶A(Acyl-CoA)
上述四个步骤将会不断循环直到所有脂肪酸都被分解为乙酰辅酶A为止(若脂肪酸的碳数是奇数，则额外生成一分子丙酰辅酶A)。
能量与储存
脂肪酸在生物体内以三酸甘油酯的形式保存，是一种去水、还原的保存型态。当一克的脂肪酸完全氧化可以产生大约9仟卡(37仟焦耳)的能量(9kcal/1g)。相较于此，每克碳水化合物完全氧化大约可以产生4仟卡(17仟焦耳)的能量(4kcal/1g)。因为脂肪酸为一种疏水性化合物，所以可以储存在无水的环境中，而碳水化合物只能够存在于有水的环境中。而碳水化合物必须在水中，也就是说碳水化合物必定与水分子同时存在于生物体内，计算热量时也必须将水的影响一并计入考量：一克的葡萄糖会与大约两克的水结合，葡萄糖储存的热量公式变成4kcal/3g，远比脂肪酸的9kcal/1g来得不划算。同样的质量下，脂肪酸储存的能量是葡萄糖的六倍以上，这也是为什么生物体选择以脂肪酸作为储存能量的形式。试想人体若是利用葡萄糖来储存能量，体重会变成原本的六倍以上(而且其中的大部分是水的重量)。
消化与运输
脂质通常是以三酸甘油酯的方式被人体所摄取，但是人类的消化系统没办法直接吸收三酸甘油酯，所以必须经过一些处理。[2]三酸甘油酯会被胰脂肪酶(pancreatic lipase)分解为脂肪酸以及甘油酯并且与蛋白质以1:1(一分子脂肪酸+一分子蛋白质)的比例合成辅脂酶(colipase)。辅脂酶只在水和油的交界面有活性，它可以协助胆汁乳化所要消化的脂肪。
当三酸甘油酯被分解为脂肪酸和2-单酸甘油酯(2-monoglycerides)后即可被人体吸收，但一些分解的碎屑如甘油以及双甘油酯(diglycerides)也会一并被吸收。当进入人体后，它们会以乳糜微粒或是脂蛋白的形式透过淋巴以及血液运输，最后被送往肝细胞(hepatocyte)、脂肪细胞(adipocytes)以及肌肉组织(muscle fibers)储存或是作为能量氧化消耗掉。
肝脏是处理脂质最主要的器官，可以将乳糜微粒与脂质体(liposomes)转化为各种形式的脂蛋白(lipoprotein)，其中最主要的是极低密度脂蛋白(VLDL)以及低密度脂蛋白(LDL)两种。肝脏制造出极低密度脂蛋白并释放到血液中运输，周遭组织会将极低密度脂蛋白分解为代谢所需要的脂肪酸和低密度脂蛋白。低密度脂蛋白被释回血液中继续循环直到被低密度脂蛋白受体(LDL receptor)吸收，这让低密度脂蛋白可以被细胞吸收并转化为胆固醇(cholesterol)以及组成低密度脂蛋白的其他部件。肝脏可以借由分解血液中的低密度脂蛋白，调控血液中的胆固醇浓度。另外，还有一种高密度脂蛋白(HDL)可以将胆固醇、甘油以及脂肪酸收集起来并运回肝脏处理。
当体内血糖过低时，人体内胰岛素浓度的降低会刺激脂肪细胞内Hormone-sensitive lipase(能受激素刺激产生活性的脂肪酶)将储存的三酸甘油酯分解出可供利用的脂肪酸。但是脂肪酸在血液中的溶解度非常低，必须仰赖一种在血液中相当丰富的蛋白质-血清白蛋白(serum albumin)来运送。[3]
输送与氧化
可以作为营养素的脂肪酸以脂肪体(lipid droplets)的形式储存于脂肪细胞内。当肾上腺素的浓度提高或是胰岛素浓度下降时，脂肪体内的脂质酶(hormone-sensitive lipase)[4][5]就被活化，把储存的三酸甘油酯分解为脂肪酸和甘油，此过程称为脂裂解(lipolysis)。[4]
脂肪酸被分解出来后会与血清白蛋白结合成可以溶于水的复合物，借此可以通过血液运送到任何需要脂肪酸的组织中。[4]当血清白蛋白抵达目标组织后会释放出脂肪酸，接着脂肪酸直接穿越脂溶性的细胞膜进入细胞。利用脂肪酸氧化产生能量的酵素位于粒线体的基质内。含碳数超过12的脂肪酸会需要辅助穿越细胞膜并进入粒线体。
- 分解脂肪酸产生能量的三大步骤:
脂肪酸借由carnitine acyl transferases(如carnitine-palmitoyl transferase I，CPT-I)的协助穿越粒线体外膜，接着由carnitine协助穿越粒线体内膜。进入粒线体基质的fatty acyl-carnitine(由原本的脂肪酸与carnitine结合而来)[6][7]，会与CoA反应得到乙酰辅酶A，最后乙酰辅酶A进入柠檬酸循环产生FADH2以及NADH。其中，CPT-I的反应是脂肪酸氧化反应的速率决定步骤。
在粒线体中借由β-氧化将脂肪酸反应物分解为乙酰辅酶A这种具有两个碳的分子。但是，反应物若是来自奇数碳或是不饱和的脂肪酸，则必须要经过一个些微不同的反应。[8][9]
α-氧化是将无法进行β-氧化的分子氧化的反应方式，而肝细胞的平滑内质网则可以用ω-氧化进行排毒作用：将碳数大于20的大型碳链在仍可控制的情况下进行分解。
控制与调节
血液中的血糖浓度会影响胰岛素的分泌。而肾上腺素则会依身体的代谢需求分泌。当血糖过低时，身体需要更多脂肪酸进行氧化时，升糖素、正肾上腺素与细胞膜上的G蛋白偶合受体结合，生成cAMP，cAMP再活化蛋白激酶A，最后蛋白激酶A磷酸化并活化hormone-sensitive lipase(HSL)[10]分解三酸甘油酯。
而当血糖过高时，胰岛素活化 protein phosphatase 2A，将HSL去磷酸化使其失去活性。同时胰岛素也会活化phosphodiesterase，将cAMP分解并停止活化蛋白激酶A以及HSL。
脂肪酸的合成
参考文献
- ↑ 1.0 1.1 Oxidation of fatty acids. [2015-01-18].
- ↑ Digestion of fats (triacylglycerols). [2015-01-18].
- ↑ STRÅLFORS, Peter; HONNOR, Rupert C. Insulin-induced dephosphorylation of hormone-sensitive lipase. European Journal of Biochemistry. 1989, 182 (2): 379. doi:10.1111/j.1432-1033.1989.tb14842.x.
- ↑ 4.0 4.1 4.2 Mobilization and cellular uptake of stored fats (triacylglycerols) (with animation). [2015-01-18].
- ↑ Wong K. Making Fat-proof Mice. Scientific American. 2000-11-29 [2009-05-22].
- ↑ Activation and transportation of fatty acids to the mitochondria via the carnitine shuttle (with animation). [2015-01-18].
- ↑ De Vivo, D. C. et al. (1998) L-Carnitine Supplementation in Childhood Epilepsy: Current Perspectives. Epilepsia. Vol. 39(11), p.1216-1225. [1][永久失效链接]
- ↑ Oxidation of odd carbon chain length fatty acids. [2015-01-18].
- ↑ Oxidation of unsaturated fatty acids. [2015-01-18].
- ↑ Zechner R., Strauss J.G., Haemmerle G., Lass A., Zimmermann R. (2005) Lipolysis: pathway under construction. Curr. Opin. Lipidol. 16, 333-340.