結構生物化學/脂類/脂肪酸

一般資訊

脂肪酸是脂類的關鍵組成部分。由於脂類所含的疏水特性，它們能夠在生物體內部形成膜。這些脂類之所以具有疏水性，是因為它們含有脂肪酸。脂肪酸的總體結構是各種長度和不飽和度不同的長烴鏈，以羧酸基團終止。一些脂肪酸具有雙鍵，這會改變結構。據說脂肪酸通常會有偶數個碳原子。

命名法

脂肪酸的命名法源於其母體烴的名稱，透過將最後的e替換為oic（例如，C₁₈飽和脂肪酸稱為十八烷酸，因為其母體烴稱為十八烷）。要對脂肪酸內的碳原子進行編號，從羧基端開始。C₂和C₃碳原子通常分別稱為α和β碳原子。在鏈的遠端，甲基碳原子通常稱為ω-碳原子。為了表示結構中雙鍵的位置，用Δ表示，後跟一個上標數字。或者，雙鍵也可以用從鏈的遠端開始計數的方式來表示，其中ω-碳原子是鏈中的數字1。脂肪酸被稱為它們的羧酸鹽形式，因為它們在生理 pH 值下是電離的。

飽和脂肪酸

飽和脂肪酸的例子，棕櫚酸

在自然界中，大多數脂肪酸以直鏈烴的形式存在，這些直鏈烴連線到羧酸上，其中最常見且碳原子數偶數。鏈長範圍從 2 到 80，但通常從 12 到 24。鏈長從 2 到 6，它們被稱為短鏈，從 8 到 10 它們被稱為中鏈，從 12 到 24 稱為長鏈脂肪酸。脂肪酸結構簡單，即使它們與衍生物一起也可以細分為明確定義的家族。在直鏈脂肪酸中，最簡單的被稱為飽和脂肪酸。它們在碳骨架中沒有不飽和鍵，在氫化或鹵化過程中不會發生改變。飽和脂肪酸在室溫下往往是固體，其熔點隨著鏈長的增加而增加。

飽和脂肪酸最常見於動物體內。最常見的飽和脂肪酸是月桂酸，化學組成是CH₃(CH₂)₁₀COOH，棕櫚酸，化學組成是CH₃(CH₂)₁₄COOH，以及硬脂酸，化學組成是CH₃(CH₂)₁₆COOH。

不飽和脂肪酸

當存在雙鍵時，脂肪酸被稱為不飽和，如果只有一個雙鍵則稱為單不飽和，如果它們有兩個或多個雙鍵，通常在碳骨架中由一個亞甲基隔開，則稱為多烯酸。雙鍵的構型幾乎總是順式。因此，彎曲結構是典型的不飽和脂肪酸。不飽和脂肪酸在室溫下往往是液體；它們的熔點隨著鏈長的增加而增加，但隨著不飽和度的增加而降低。當脂肪酸不飽和且具有較短的鏈長時，它會增加流動性。最常見的是，不飽和脂肪酸來自植物來源。

最常見的非飽和脂肪酸有油酸，化學組成是CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH，亞油酸，化學組成是CH₃(CH₂)₄(CH=CHCH₂)₂(CH₂)₆COOH，α-亞麻酸，化學組成是CH₃CH₂(CH=CHCH₂)₃(CH₂)₆COOH，以及花生四烯酸，化學組成是CH₃(CH₂)₄(CH=CHCH₂)₄(CH₂)₂COOH。

油酸

脂肪酸型別

單烯酸是含有單個雙鍵的脂肪酸。最常見的是C-16、C18和C-22。它們通常也具有順式雙鍵，並且對於最重要的和最豐富的脂肪酸，雙鍵通常位於C-9。油酸是最常見的單烯酸之一，因為它被廣泛分佈和生產。油酸被用作所有單烯酸以及n-9系列多烯酸的原型。油酸可以在橄欖油和幾種堅果油中找到，例如杏仁、榛子、腰果、開心果、山核桃和澳洲堅果。

多烯酸是具有多個雙鍵的脂肪酸。具有亞甲基間斷的不飽和模式，具有 2-6 個雙鍵和順式構型的多烯酸是最重要的。這些亞甲基間斷多烯酸的兩個主要組是基於亞油酸的 n-6 酸和基於 α-亞麻酸的 n-3 酸。亞油酸是最常見的多烯酸，因為它被用作其他多烯酸的原型，並且存在於大多數植物脂肪中。α-亞麻酸是葉、莖和根中的必需脂類。

另一種型別的脂肪酸是含氧脂肪酸。最常見的含氧酸具有羥基、環氧基或呋喃類單元。最重要的羥基單元是蓖麻油酸，因為它是在蓖麻油中的主要酸，蓖麻油用於化妝品、潤滑劑（水化前和水化後）以及乾燥油（脫水後）。維諾酸是最著名的環氧酸。它存在於種子油中。呋喃類酸在魚油中的濃度很低。

反式脂肪

從商店中購買的幾乎所有糖果，如果我們願意閱讀其成分，都會寫著部分氫化油。它們中使用的油是脂肪酸。從化學角度來說，任何帶有羧基的長碳鏈都是脂肪酸。根據這個定義，醋酸是最小的脂肪酸，而天然存在的脂肪酸可以長達 20 個碳原子。

飽和脂肪酸是指除了羧基的酮碳以外，所有碳原子之間都以單鍵連線的脂肪酸。不飽和脂肪酸是指碳原子之間至少有一個雙鍵的脂肪酸。如果脂肪酸只有一個雙鍵，則稱為單不飽和脂肪酸。如果有多個雙鍵，則稱為多不飽和脂肪酸。

順式和反式脂肪酸

人體中發現的所有脂肪酸都是順式脂肪酸，除了視黃酸（存在於眼睛中）。如果肉類或魚類在暴露在空氣中放置一段時間，它們最終會開始發出惡臭。這部分是由於脂肪酸中單鍵的氧化，使其變得酸敗併產生難聞的氣味。但是，如果它們是沒有單鍵的飽和脂肪，它們不會有氣味。

含有順式雙鍵的脂肪酸是液體，儘管氫化可以將其轉化為飽和脂肪酸，從而使其變成固體。順式脂肪酸在其結構中存在“扭結”，因此無法緊密堆積，因此在較低溫度下仍保持液態。然而，飽和脂肪酸具有筆直的碳鏈，可以緊密堆積，使其能夠在較高溫度下固化。

脂肪氫化的工藝是在 1900 年代初期開發的，目的是製造用於製造肥皂的固體脂肪。後來，它們被用於氫化大豆油等膳食脂肪酸，因為氫化油不會變質或產生異味。逐漸地，它們進入了烘焙食品和糖果。如今，很難找到不含反式脂肪的任何包裝食品或零食。

氫化去除雙鍵，而不是將順式脂肪酸轉化為也含有雙鍵的反式脂肪酸。

這導致了氫化過程。

雖然有很多改進，但主要過程是將不飽和油加熱到 200 攝氏度以上，新增鎳粉（作為催化劑），並通入氫氣。雙鍵被飽和。但是，並非所有的雙鍵都被飽和。在如此高的溫度下，一些雙鍵似乎遷移到鏈中的其他碳原子。反式構型的形成比順式構型更穩定。在該過程中，它們在新位置變成反式雙鍵。順式構型比反式構型具有更大的應變。正如在包裝成分表中所看到的，它們被寫為“部分氫化”。

為什麼部分氫化或反式脂肪對健康有害？

如上所述，我們身體主要包含順式脂肪酸。無論我們的細胞是製造它們還是來自天然食物來源，它們都是順式構型。由於所有天然脂肪都是順式脂肪，因此細胞酶具有優先代謝順式脂肪酸的活性位點。因此，多年來，反式脂肪在體內積累超過順式脂肪。由於所有天然脂肪酸都是順式脂肪，因此合成甘油三酯的酶和分解脂肪以獲取能量的酶可能無法有效地發揮作用。如果它們不是天然分子，則細胞的酶無法分解它們或分解效率低下。此外，隨著反式脂肪在體內積累，由於它們在結構上與順式脂肪相似（在一定程度上），它們可能作為脂肪酸代謝酶的競爭性抑制劑。

此外，當天然順式脂肪酸被納入細胞膜時，由於它們具有順式構型，它們不會緊密堆積，從而賦予細胞膜流動性。如果膜中含有反式脂肪，膜的流動性將會受到影響。膜受體的功能也可能受到影響。

如果反式脂肪酸被納入紅細胞膜，則膜會變得更加堅硬，紅細胞在透過微血管時會破裂。

基於臨床研究的結論

血液中反式脂肪含量高的女性患心臟病的風險是反式脂肪含量最低的女性的三倍。C 反應蛋白 (CRP) 由肝臟產生。血液中的 CRP 水平是炎症的指標。一項對 700 名護士的調查顯示，反式脂肪攝入量最高的四分位數人群的血液 CRP 水平比最低四分位數人群高 73%。一項為期 6 年的猴子研究表明，餵食反式脂肪的猴子體重增加了 7.2%，而餵食單不飽和脂肪的猴子體重增加了 1.8%。

生物學存在

生物系統中的脂肪酸通常含有偶數個碳原子，通常在 14 到 24 之間，儘管 16 個碳和 18 個碳的脂肪酸最豐富。脂肪酸通常含有偶數個碳原子，這是因為脂肪酸的生物合成方式。動物脂肪酸的烴鏈幾乎總是無分支的。烷基鏈可以是飽和的，也可以包含一個或多個雙鍵。在大多數不飽和脂肪酸中，雙鍵處於*順式*構型。然而，多不飽和脂肪酸中的雙鍵通常至少被一個亞甲基隔開。鏈長和飽和度決定了脂肪酸和脂類中發現的性質。不飽和脂肪酸的熔點低於相同長度的飽和脂肪酸。這是因為雙鍵導致烴鏈彎曲。因此，脂肪酸不能緊密地堆積在一起，從而降低了脂肪酸之間的範德華相互作用。脂肪酸的熔點也受鏈長影響。烴鏈越長，熔點越高。短鏈長和不飽和度增強了脂肪酸及其衍生物的流動性。動物利用這種脂肪酸特性來維持其細胞膜的流動性。當天氣變冷時，動物體內有一種酶可以將飽和脂肪酸轉化為具有一個或多個不飽和鍵的不飽和脂肪酸。這透過降低膜中脂肪酸的熔點來防止膜凍結。脂肪酸還可以形成稱為膠束的結構，這些結構存在於水溶液中。當烴尾部形成疏水中心，而極性頭部在內部外面形成親水外殼時，就會形成這種結構。膠束的意義在於它們充當乳化劑，從而溶解需要被吸收的脂溶性維生素或其他脂類。

必需脂肪酸

人體無法產生兩種脂肪酸；所有其他脂肪酸都可以從其他分子中衍生出來。這兩種必需脂肪酸是亞油酸和α-亞麻酸。幸運的是，這兩種脂肪酸在大多數植物油和動物油中很容易找到。其他脂肪酸，例如 omega-3 脂肪酸，可以由人體產生，但從飲食中獲取更容易。一些來源是魚油。

這些脂肪酸有助於血液凝固、免疫反應或血壓等重要的身體功能。它們有助於製造重要的脂肪酸，例如二十碳烷類。二十碳烷類是體內重要的訊號分子。它們衍生自 20-C 鏈，這些鏈衍生自上述 omega-3 脂肪酸等分子。二十碳烷類參與中樞神經系統傳遞資訊或幫助炎症反應等活動。

其他重要的脂肪酸

營養意義

脂肪酸對生物體的營養具有重要意義，因為細胞膜的完整結構是由脂肪酸構成的。脂肪可以在各種食物中以不同的數量存在。雖然肥胖正在成為當今社會的一個重大問題，但對脂肪型別及其對我們身體的影響進行審查是一個越來越令人擔憂的問題。反式脂肪酸是這種擔憂的重要部分。反式脂肪酸是存在於某些餅乾、加工食品、餅乾、糖果、烘焙食品、油炸食品和其他類似食品中的脂肪。它們對我們的健康構成威脅，因為研究表明，富含反式脂肪的飲食會增加患各種疾病的風險，包括心臟病。反式脂肪可能與 LDL 膽固醇的水平有關。反式脂肪存在於標有起酥油和氫化油的成分中。

脂肪酸是生命的重要組成部分，但可以分為“好”脂肪和“壞”脂肪。壞脂肪是指對膽固醇水平有負面影響的脂肪，包括反式脂肪和飽和脂肪酸。好脂肪是指對膽固醇水平有正面影響的脂肪，包括多不飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸。通常包括橄欖油、大豆油和其他植物來源的油。例如，黃油包含 29% 的棕櫚酸、9% 的硬脂酸、27% 的油酸、4% 的亞油酸和 31% 的其他脂肪酸。而橄欖油包含 6% 的棕櫚酸、4% 的硬脂酸、83% 的油酸和 7% 的亞油酸。黃油和橄欖油中飽和脂肪酸的百分比差異很大；黃油中飽和脂肪酸含量遠遠高於橄欖油，橄欖油中 90% 是不飽和脂肪酸。牛肉也主要由飽和脂肪酸組成，其中棕櫚酸佔 32%、硬脂酸佔 25%、油酸佔 38%、亞油酸佔 3%、其他佔 2%。

分離和鑑定

已知酸的結構可以透過氣相色譜法確定，將酸與標準樣品或相關結構的化合物進行比較。然而，如果脂肪酸完全未知，則需要光譜方法提供更多證據。為了確定脂肪酸的結構，必須知道鏈長以及結構的組成部分，例如支鏈或環狀或其他官能團。還必須知道不飽和中心的構型、位置、數量和性質，以及官能團的性質和位置。

薄層色譜法 (TLC)

TLC 更常用於定性比較，它根據化合物對溶劑（流動相）的吸引力（流動相）來分離具有不同極性的化合物，溶劑沿 TLC 板（固定相）向上移動。化合物可以選擇與任一相發生反應，這些相通常具有不同的極性性質。固定相通常是極性矽膠，它會與任何更極性的分子結合，從而有效地減緩其在板上的移動速度，而流動相通常極性較低，以便將極性較低的化合物移動到板上的較遠位置。雖然薄層色譜法不能分離僅在鏈長或不飽和程度方面不同的酸，但它在分離具有額外極性基團的酸或酯方面仍然有用。如果改變矽膠層，則可以實現其他分離。這方面的一個例子是銀離子色譜法，即將 5-20% 的硝酸銀插入矽膠中。這根據酸中雙鍵的數量來分離酸。

高效液相色譜法 (HPLC)

HPLC 系統本質上基於薄層色譜法的相同原理，但分離過程更有效。透過使用內徑較薄的色譜柱，並結合高壓洗脫液將樣品強制透過色譜柱，HPLC 獲得的的分離程度高於重力驅動色譜法。通常有三種主要型別的分離色譜柱，分別是凝膠過濾（尺寸排阻）、離子交換和親和色譜。

氣相色譜法

使用毛細管柱的氣相色譜法現在是分離甲酯最常用的方法之一。透過研究從毛細管柱中洗脫出的物質，可以確定鏈長、不飽和程度以及不飽和中心的位點。

脂肪酸的生物合成

瞭解脂肪酸的生物合成將為您提供有關脂肪酸的化學途徑、參與生物合成每個步驟的酶、調節過程以及這些反應在植物、動物或微生物中發生位置的資訊。五個主要的生物合成途徑是：從乙酸鹽從頭合成飽和酸、鏈延長、9-去飽和以產生單烯烴、植物系統中的去飽和以及動物系統中的去飽和。

從乙醯基和丙二醯基結構單元生物合成丁醯基

步驟 1：將一個乙醯基轉移到丙二醯基的 �-碳原子上，同時釋放二氧化碳。據推測，脫羧作用會生成烯醇，然後攻擊乙醯基。

步驟 2：乙醯乙醯基的酮羰基還原為醇官能團。這種還原需要 NADPH 作為輔酶。（NADPH 是 NADH 的磷酸酯，與之反應相似。）

步驟 3：�-羥基醯基的脫水。

步驟 4：�,�-不飽和醯基雙鍵的還原。此步驟需要 NADPH 作為輔酶。

飽和酸的從頭合成

脂肪酸中所有的碳原子都來自乙酸鹽中的兩個碳原子。其中一半來自原始甲基碳，另一半來自羧基碳原子。由於脂肪酸往往源自 C2 原子，因此解釋了為什麼脂肪酸幾乎總是含有偶數個碳原子。丙二酸鹽比乙酸鹽更具反應性，它是由乙酸鹽和二氧化碳生成的。儘管丙二酸鹽參與了反應，但它不會出現在最終產物中，脂肪酸中所有的碳原子都來自乙酸鹽。這條乙酸鹽-丙二酸鹽途徑會生成三種天然產物，這取決於採用哪種合成途徑。乙酸鹽和丙二酸鹽透過還原途徑生成脂肪酸，透過多乙酸鹽的環化生成酚類化合物，透過甲戊酸生成異戊二烯類化合物。在從頭合成途徑中，乙酸鹽和丙二酸鹽在縮合和還原迴圈中反應，生成第一個 C4 酸。該迴圈重複進行，每次增加兩個碳原子，直到脂肪酸使用水解酶從酶系統中分離出來。

鏈延長

鏈延長與從頭合成途徑非常相似。鏈延長不同之處在於底物是預先形成的飽和或不飽和脂肪酸。底物與乙醯基反應，縮合、還原、脫水，然後再次還原。這會生成另一個具有另外兩個碳原子的酸，這些碳原子被新增到分子的羧基端。這是許多脂肪酸被轉化為長鏈酸（例如棕櫚酸轉化為硬脂酸）的方法。

去飽和生成單烯酸

通常，不飽和酸是由需氧途徑生成的。這是透過在飽和醯基鏈的9 位置插入一個雙鍵來實現的。為此，您需要從 C9 和 C10 碳原子上立體選擇性和區域選擇性地去除 pro-R 氫原子，以生成順式烯烴。

去飽和生成多烯酸

要進一步去飽和，您必須插入更多雙鍵。在植物中，會在現有雙鍵和甲基之間引入額外的雙鍵，形成順式構型。植物也可以在現有雙鍵和羧基之間引入雙鍵，但這種情況很少見。動物無法在 n-9 雙鍵的甲基側引入雙鍵。因此，動物必須從植物性食物來源中獲取必需的亞油酸和α-亞麻酸。一旦獲得這些脂肪酸，動物體內的脂肪酸就可以去飽和和鏈延長。

脂肪酸的化學合成

許多常見的脂肪酸可以從天然來源收集，也可以從化學供應商處購買。但是，如果酸不易從天然來源收集（因為沒有容易獲得的來源，酸在自然界中不存在，或者需要同位素形式的酸），則可能需要脂肪酸的化學合成。飽和酸可以透過對已有的起始酸進行鏈延長輕鬆生成。這也可以應用於單烯烴和其他一些不飽和酸。

透過炔烴中間體合成

通常，不飽和酸的化學合成涉及使用炔烴中間體，也稱為維蒂希反應。乙炔可以被烷基化一次或兩次。同樣，乙炔中的三鍵可以被部分還原以得到順式或反式烯烴化合物。炔烴的反應活性可以擴充套件以得到多烯。

維蒂希反應合成

在維蒂希反應中，烷基鹵化物與鹼反應。這會生成葉立德，然後用醛縮合。結果可以是順式或反式異構體。可以透過選擇特定的反應條件來區分它們。在低溫、高稀釋度且沒有鋰離子存在的情況下，維蒂希反應的結果是順式異構體。最終產物也可以透過使用純化過程（例如銀離子色譜法）進行純化。

同位素標記酸

為了生產酸的同位素，你必須修改上述過程，或者將同位素摻入到小分子中，然後合成這些小分子。同位素標記酸對於研究反應機理和脂類生物合成和代謝至關重要。可以分析來自同位素標記酸的產物的放射性。這是使用質譜法或核磁共振譜法完成的。

脂肪酸作為燃料的利用

周圍組織透過三個處理階段獲取儲存在脂肪組織中的脂類能量儲備。首先，脂類必須被動員。在這個過程中，三醯甘油被降解為脂肪酸和甘油，它們從脂肪組織中釋放出來，並被運輸到需要能量的組織。其次，在這些組織中，脂肪酸必須被啟用並被運輸到線粒體中進行降解。第三，脂肪酸被逐步分解成乙醯輔酶A，然後在檸檬酸迴圈中被處理。