结构生物化学/脂类/脂肪酸

一般信息

脂肪酸是脂类的关键组成部分。由于脂类所含的疏水特性，它们能够在生物体内部形成膜。这些脂类之所以具有疏水性，是因为它们含有脂肪酸。脂肪酸的总体结构是各种长度和不饱和度不同的长烃链，以羧酸基团终止。一些脂肪酸具有双键，这会改变结构。据说脂肪酸通常会有偶数个碳原子。

命名法

脂肪酸的命名法源于其母体烃的名称，通过将最后的e替换为oic（例如，C₁₈饱和脂肪酸称为十八烷酸，因为其母体烃称为十八烷）。要对脂肪酸内的碳原子进行编号，从羧基端开始。C₂和C₃碳原子通常分别称为α和β碳原子。在链的远端，甲基碳原子通常称为ω-碳原子。为了表示结构中双键的位置，用Δ表示，后跟一个上标数字。或者，双键也可以用从链的远端开始计数的方式来表示，其中ω-碳原子是链中的数字1。脂肪酸被称为它们的羧酸盐形式，因为它们在生理 pH 值下是电离的。

饱和脂肪酸

饱和脂肪酸的例子，棕榈酸

在自然界中，大多数脂肪酸以直链烃的形式存在，这些直链烃连接到羧酸上，其中最常见且碳原子数偶数。链长范围从 2 到 80，但通常从 12 到 24。链长从 2 到 6，它们被称为短链，从 8 到 10 它们被称为中链，从 12 到 24 称为长链脂肪酸。脂肪酸结构简单，即使它们与衍生物一起也可以细分为明确定义的家族。在直链脂肪酸中，最简单的被称为饱和脂肪酸。它们在碳骨架中没有不饱和键，在氢化或卤化过程中不会发生改变。饱和脂肪酸在室温下往往是固体，其熔点随着链长的增加而增加。

饱和脂肪酸最常见于动物体内。最常见的饱和脂肪酸是月桂酸，化学组成是CH₃(CH₂)₁₀COOH，棕榈酸，化学组成是CH₃(CH₂)₁₄COOH，以及硬脂酸，化学组成是CH₃(CH₂)₁₆COOH。

不饱和脂肪酸

当存在双键时，脂肪酸被称为不饱和，如果只有一个双键则称为单不饱和，如果它们有两个或多个双键，通常在碳骨架中由一个亚甲基隔开，则称为多烯酸。双键的构型几乎总是顺式。因此，弯曲结构是典型的不饱和脂肪酸。不饱和脂肪酸在室温下往往是液体；它们的熔点随着链长的增加而增加，但随着不饱和度的增加而降低。当脂肪酸不饱和且具有较短的链长时，它会增加流动性。最常见的是，不饱和脂肪酸来自植物来源。

最常见的非饱和脂肪酸有油酸，化学组成是CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH，亚油酸，化学组成是CH₃(CH₂)₄(CH=CHCH₂)₂(CH₂)₆COOH，α-亚麻酸，化学组成是CH₃CH₂(CH=CHCH₂)₃(CH₂)₆COOH，以及花生四烯酸，化学组成是CH₃(CH₂)₄(CH=CHCH₂)₄(CH₂)₂COOH。

油酸

脂肪酸类型

单烯酸是含有单个双键的脂肪酸。最常见的是C-16、C18和C-22。它们通常也具有顺式双键，并且对于最重要的和最丰富的脂肪酸，双键通常位于C-9。油酸是最常见的单烯酸之一，因为它被广泛分布和生产。油酸被用作所有单烯酸以及n-9系列多烯酸的原型。油酸可以在橄榄油和几种坚果油中找到，例如杏仁、榛子、腰果、开心果、山核桃和澳洲坚果。

多烯酸是具有多个双键的脂肪酸。具有亚甲基间断的不饱和模式，具有 2-6 个双键和顺式构型的多烯酸是最重要的。这些亚甲基间断多烯酸的两个主要组是基于亚油酸的 n-6 酸和基于 α-亚麻酸的 n-3 酸。亚油酸是最常见的多烯酸，因为它被用作其他多烯酸的原型，并且存在于大多数植物脂肪中。α-亚麻酸是叶、茎和根中的必需脂类。

另一种类型的脂肪酸是含氧脂肪酸。最常见的含氧酸具有羟基、环氧基或呋喃类单元。最重要的羟基单元是蓖麻油酸，因为它是在蓖麻油中的主要酸，蓖麻油用于化妆品、润滑剂（水化前和水化后）以及干燥油（脱水后）。维诺酸是最著名的环氧酸。它存在于种子油中。呋喃类酸在鱼油中的浓度很低。

反式脂肪

从商店中购买的几乎所有糖果，如果我们愿意阅读其成分，都会写着部分氢化油。它们中使用的油是脂肪酸。从化学角度来说，任何带有羧基的长碳链都是脂肪酸。根据这个定义，醋酸是最小的脂肪酸，而天然存在的脂肪酸可以长达 20 个碳原子。

饱和脂肪酸是指除了羧基的酮碳以外，所有碳原子之间都以单键连接的脂肪酸。不饱和脂肪酸是指碳原子之间至少有一个双键的脂肪酸。如果脂肪酸只有一个双键，则称为单不饱和脂肪酸。如果有多个双键，则称为多不饱和脂肪酸。

顺式和反式脂肪酸

人体中发现的所有脂肪酸都是顺式脂肪酸，除了视黄酸（存在于眼睛中）。如果肉类或鱼类在暴露在空气中放置一段时间，它们最终会开始发出恶臭。这部分是由于脂肪酸中单键的氧化，使其变得酸败并产生难闻的气味。但是，如果它们是沒有单键的饱和脂肪，它们不会有气味。

含有顺式双键的脂肪酸是液体，尽管氢化可以将其转化为饱和脂肪酸，从而使其变成固体。顺式脂肪酸在其结构中存在“扭结”，因此无法紧密堆积，因此在较低温度下仍保持液态。然而，饱和脂肪酸具有笔直的碳链，可以紧密堆积，使其能够在较高温度下固化。

脂肪氢化的工艺是在 1900 年代初期开发的，目的是制造用于制造肥皂的固体脂肪。后来，它们被用于氢化大豆油等膳食脂肪酸，因为氢化油不会变质或产生异味。逐渐地，它们进入了烘焙食品和糖果。如今，很难找到不含反式脂肪的任何包装食品或零食。

氢化去除双键，而不是将顺式脂肪酸转化为也含有双键的反式脂肪酸。

这导致了氢化过程。

虽然有很多改进，但主要过程是将不饱和油加热到 200 摄氏度以上，添加镍粉（作为催化剂），并通入氢气。双键被饱和。但是，并非所有的双键都被饱和。在如此高的温度下，一些双键似乎迁移到链中的其他碳原子。反式构型的形成比顺式构型更稳定。在该过程中，它们在新位置变成反式双键。顺式构型比反式构型具有更大的应变。正如在包装成分表中所看到的，它们被写为“部分氢化”。

为什么部分氢化或反式脂肪对健康有害？

如上所述，我们身体主要包含顺式脂肪酸。无论我们的细胞是制造它们还是来自天然食物来源，它们都是顺式构型。由于所有天然脂肪都是顺式脂肪，因此细胞酶具有优先代谢顺式脂肪酸的活性位点。因此，多年来，反式脂肪在体内积累超过顺式脂肪。由于所有天然脂肪酸都是顺式脂肪，因此合成甘油三酯的酶和分解脂肪以获取能量的酶可能无法有效地发挥作用。如果它们不是天然分子，则细胞的酶无法分解它们或分解效率低下。此外，随着反式脂肪在体内积累，由于它们在结构上与顺式脂肪相似（在一定程度上），它们可能作为脂肪酸代谢酶的竞争性抑制剂。

此外，当天然顺式脂肪酸被纳入细胞膜时，由于它们具有顺式构型，它们不会紧密堆积，从而赋予细胞膜流动性。如果膜中含有反式脂肪，膜的流动性将会受到影响。膜受体的功能也可能受到影响。

如果反式脂肪酸被纳入红细胞膜，则膜会变得更加坚硬，红细胞在通过微血管时会破裂。

基于临床研究的结论

血液中反式脂肪含量高的女性患心脏病的风险是反式脂肪含量最低的女性的三倍。C 反应蛋白 (CRP) 由肝脏产生。血液中的 CRP 水平是炎症的指标。一项对 700 名护士的调查显示，反式脂肪摄入量最高的四分位数人群的血液 CRP 水平比最低四分位数人群高 73%。一项为期 6 年的猴子研究表明，喂食反式脂肪的猴子体重增加了 7.2%，而喂食单不饱和脂肪的猴子体重增加了 1.8%。

生物学存在

生物系统中的脂肪酸通常含有偶数个碳原子，通常在 14 到 24 之间，尽管 16 个碳和 18 个碳的脂肪酸最丰富。脂肪酸通常含有偶数个碳原子，这是因为脂肪酸的生物合成方式。动物脂肪酸的烃链几乎总是无分支的。烷基链可以是饱和的，也可以包含一个或多个双键。在大多数不饱和脂肪酸中，双键处于*顺式*构型。然而，多不饱和脂肪酸中的双键通常至少被一个亚甲基隔开。链长和饱和度决定了脂肪酸和脂类中发现的性质。不饱和脂肪酸的熔点低于相同长度的饱和脂肪酸。这是因为双键导致烃链弯曲。因此，脂肪酸不能紧密地堆积在一起，从而降低了脂肪酸之间的范德华相互作用。脂肪酸的熔点也受链长影响。烃链越长，熔点越高。短链长和不饱和度增强了脂肪酸及其衍生物的流动性。动物利用这种脂肪酸特性来维持其细胞膜的流动性。当天气变冷时，动物体内有一种酶可以将饱和脂肪酸转化为具有一个或多个不饱和键的不饱和脂肪酸。这通过降低膜中脂肪酸的熔点来防止膜冻结。脂肪酸还可以形成称为胶束的结构，这些结构存在于水溶液中。当烃尾部形成疏水中心，而极性头部在内部外面形成亲水外壳时，就会形成这种结构。胶束的意义在于它们充当乳化剂，从而溶解需要被吸收的脂溶性维生素或其他脂类。

必需脂肪酸

人体无法产生两种脂肪酸；所有其他脂肪酸都可以从其他分子中衍生出来。这两种必需脂肪酸是亚油酸和α-亚麻酸。幸运的是，这两种脂肪酸在大多数植物油和动物油中很容易找到。其他脂肪酸，例如 omega-3 脂肪酸，可以由人体产生，但从饮食中获取更容易。一些来源是鱼油。

这些脂肪酸有助于血液凝固、免疫反应或血压等重要的身体功能。它们有助于制造重要的脂肪酸，例如二十碳烷类。二十碳烷类是体内重要的信号分子。它们衍生自 20-C 链，这些链衍生自上述 omega-3 脂肪酸等分子。二十碳烷类参与中枢神经系统传递信息或帮助炎症反应等活动。

其他重要的脂肪酸

营养意义

脂肪酸对生物体的营养具有重要意义，因为细胞膜的完整结构是由脂肪酸构成的。脂肪可以在各种食物中以不同的数量存在。虽然肥胖正在成为当今社会的一个重大问题，但对脂肪类型及其对我们身体的影响进行审查是一个越来越令人担忧的问题。反式脂肪酸是这种担忧的重要部分。反式脂肪酸是存在于某些饼干、加工食品、饼干、糖果、烘焙食品、油炸食品和其他类似食品中的脂肪。它们对我们的健康构成威胁，因为研究表明，富含反式脂肪的饮食会增加患各种疾病的风险，包括心脏病。反式脂肪可能与 LDL 胆固醇的水平有关。反式脂肪存在于标有起酥油和氢化油的成分中。

脂肪酸是生命的重要组成部分，但可以分为“好”脂肪和“坏”脂肪。坏脂肪是指对胆固醇水平有负面影响的脂肪，包括反式脂肪和饱和脂肪酸。好脂肪是指对胆固醇水平有正面影响的脂肪，包括多不饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸。通常包括橄榄油、大豆油和其他植物来源的油。例如，黄油包含 29% 的棕榈酸、9% 的硬脂酸、27% 的油酸、4% 的亚油酸和 31% 的其他脂肪酸。而橄榄油包含 6% 的棕榈酸、4% 的硬脂酸、83% 的油酸和 7% 的亚油酸。黄油和橄榄油中饱和脂肪酸的百分比差异很大；黄油中饱和脂肪酸含量远远高于橄榄油，橄榄油中 90% 是不饱和脂肪酸。牛肉也主要由饱和脂肪酸组成，其中棕榈酸占 32%、硬脂酸占 25%、油酸占 38%、亚油酸占 3%、其他占 2%。

分离和鉴定

已知酸的结构可以通过气相色谱法确定，将酸与标准样品或相关结构的化合物进行比较。然而，如果脂肪酸完全未知，则需要光谱方法提供更多证据。为了确定脂肪酸的结构，必须知道链长以及结构的组成部分，例如支链或环状或其他官能团。还必须知道不饱和中心的构型、位置、数量和性质，以及官能团的性质和位置。

薄层色谱法 (TLC)

TLC 更常用于定性比较，它根据化合物对溶剂（流动相）的吸引力（流动相）来分离具有不同极性的化合物，溶剂沿 TLC 板（固定相）向上移动。化合物可以选择与任一相发生反应，这些相通常具有不同的极性性质。固定相通常是极性硅胶，它会与任何更极性的分子结合，从而有效地减缓其在板上的移动速度，而流动相通常极性较低，以便将极性较低的化合物移动到板上的较远位置。虽然薄层色谱法不能分离仅在链长或不饱和程度方面不同的酸，但它在分离具有额外极性基团的酸或酯方面仍然有用。如果改变硅胶层，则可以实现其他分离。这方面的一个例子是银离子色谱法，即将 5-20% 的硝酸银插入硅胶中。这根据酸中双键的数量来分离酸。

高效液相色谱法 (HPLC)

HPLC 系统本质上基于薄层色谱法的相同原理，但分离过程更有效。通过使用内径较薄的色谱柱，并结合高压洗脱液将样品强制通过色谱柱，HPLC 获得的的分离程度高于重力驱动色谱法。通常有三种主要类型的分离色谱柱，分别是凝胶过滤（尺寸排阻）、离子交换和亲和色谱。

气相色谱法

使用毛细管柱的气相色谱法现在是分离甲酯最常用的方法之一。通过研究从毛细管柱中洗脱出的物质，可以确定链长、不饱和程度以及不饱和中心的位点。

脂肪酸的生物合成

了解脂肪酸的生物合成将为您提供有关脂肪酸的化学途径、参与生物合成每个步骤的酶、调节过程以及这些反应在植物、动物或微生物中发生位置的信息。五个主要的生物合成途径是：从乙酸盐从头合成饱和酸、链延长、9-去饱和以产生单烯烃、植物系统中的去饱和以及动物系统中的去饱和。

从乙酰基和丙二酰基结构单元生物合成丁酰基

步骤 1：将一个乙酰基转移到丙二酰基的 �-碳原子上，同时释放二氧化碳。据推测，脱羧作用会生成烯醇，然后攻击乙酰基。

步骤 2：乙酰乙酰基的酮羰基还原为醇官能团。这种还原需要 NADPH 作为辅酶。（NADPH 是 NADH 的磷酸酯，与之反应相似。）

步骤 3：�-羟基酰基的脱水。

步骤 4：�,�-不饱和酰基双键的还原。此步骤需要 NADPH 作为辅酶。

饱和酸的从头合成

脂肪酸中所有的碳原子都来自乙酸盐中的两个碳原子。其中一半来自原始甲基碳，另一半来自羧基碳原子。由于脂肪酸往往源自 C2 原子，因此解释了为什么脂肪酸几乎总是含有偶数个碳原子。丙二酸盐比乙酸盐更具反应性，它是由乙酸盐和二氧化碳生成的。尽管丙二酸盐参与了反应，但它不会出现在最终产物中，脂肪酸中所有的碳原子都来自乙酸盐。这条乙酸盐-丙二酸盐途径会生成三种天然产物，这取决于采用哪种合成途径。乙酸盐和丙二酸盐通过还原途径生成脂肪酸，通过多乙酸盐的环化生成酚类化合物，通过甲戊酸生成异戊二烯类化合物。在从头合成途径中，乙酸盐和丙二酸盐在缩合和还原循环中反应，生成第一个 C4 酸。该循环重复进行，每次增加两个碳原子，直到脂肪酸使用水解酶从酶系统中分离出来。

链延长

链延长与从头合成途径非常相似。链延长不同之处在于底物是预先形成的饱和或不饱和脂肪酸。底物与乙酰基反应，缩合、还原、脱水，然后再次还原。这会生成另一个具有另外两个碳原子的酸，这些碳原子被添加到分子的羧基端。这是许多脂肪酸被转化为长链酸（例如棕榈酸转化为硬脂酸）的方法。

去饱和生成单烯酸

通常，不饱和酸是由需氧途径生成的。这是通过在饱和酰基链的9 位置插入一个双键来实现的。为此，您需要从 C9 和 C10 碳原子上立体选择性和区域选择性地去除 pro-R 氢原子，以生成顺式烯烃。

去饱和生成多烯酸

要进一步去饱和，您必须插入更多双键。在植物中，会在现有双键和甲基之间引入额外的双键，形成顺式构型。植物也可以在现有双键和羧基之间引入双键，但这种情况很少见。动物无法在 n-9 双键的甲基侧引入双键。因此，动物必须从植物性食物来源中获取必需的亚油酸和α-亚麻酸。一旦获得这些脂肪酸，动物体内的脂肪酸就可以去饱和和链延长。

脂肪酸的化学合成

许多常见的脂肪酸可以从天然来源收集，也可以从化学供应商处购买。但是，如果酸不易从天然来源收集（因为没有容易获得的来源，酸在自然界中不存在，或者需要同位素形式的酸），则可能需要脂肪酸的化学合成。饱和酸可以通过对已有的起始酸进行链延长轻松生成。这也可以应用于单烯烃和其他一些不饱和酸。

通过炔烃中间体合成

通常，不饱和酸的化学合成涉及使用炔烃中间体，也称为维蒂希反应。乙炔可以被烷基化一次或两次。同样，乙炔中的三键可以被部分还原以得到顺式或反式烯烃化合物。炔烃的反应活性可以扩展以得到多烯。

维蒂希反应合成

在维蒂希反应中，烷基卤化物与碱反应。这会生成叶立德，然后用醛缩合。结果可以是顺式或反式异构体。可以通过选择特定的反应条件来区分它们。在低温、高稀释度且没有锂离子存在的情况下，维蒂希反应的结果是顺式异构体。最终产物也可以通过使用纯化过程（例如银离子色谱法）进行纯化。

同位素标记酸

为了生产酸的同位素，你必须修改上述过程，或者将同位素掺入到小分子中，然后合成这些小分子。同位素标记酸对于研究反应机理和脂类生物合成和代谢至关重要。可以分析来自同位素标记酸的产物的放射性。这是使用质谱法或核磁共振谱法完成的。

脂肪酸作为燃料的利用

周围组织通过三个处理阶段获取储存在脂肪组织中的脂类能量储备。首先，脂类必须被动员。在这个过程中，三酰甘油被降解为脂肪酸和甘油，它们从脂肪组织中释放出来，并被运输到需要能量的组织。其次，在这些组织中，脂肪酸必须被激活并被运输到线粒体中进行降解。第三，脂肪酸被逐步分解成乙酰辅酶A，然后在柠檬酸循环中被处理。