脂肪酸氧化β-oxidation (重點整理)

脂肪酸氧化可以產生大量的能量，是飢餓、禁食或低碳水飲食(如升酮飲食)時的重要能量來源。脂肪酸在進入β-oxidation前需在細胞質先活化為acyl-CoA，才能進到粒線體matrix進行氧化。本篇文章說明各個階段的重點，包括脂肪酸活化、肉鹼系統（Carnitine Shuttle）、Fatty acid β-oxidation脂肪酸氧化，以及舉例說明透過氧化產生多少能量的算法。另外，若想了解關於脂肪酸氧化過程產生的酮體(ketone bodies)，請參考文章連結酮體(Ketone bodies, KBs)的合成與分解(重點+反應途徑)。

Fatty acid activation脂肪酸活化

脂肪酸活化指的是fatty Acid與輔酶A (CoA)結合，形成脂酰輔酶A（acyl-CoA）的過程。這是脂肪酸進入β-氧化途徑(β-oxidation)之前的第一步。而acyl-CoA是高能中間產物，可以進入線粒體進行β-氧化。此活化的方向不可逆。

地點

細胞質。

酶

Acyl-CoA synthetase（又稱Fatty Acid Thiokinase）。

脂肪酸活化後，依照脂肪酸的碳數，分為以下兩種情況：

• 短鏈與中鏈脂肪酸（<12 C）活化後，直接進入粒線體。
• 長鏈脂肪酸（>14 C）活化後，需藉由肉鹼系統（Carnitine Shuttle）的協助來進入粒線體基質。

肉鹼系統（Carnitine Shuttle）

步驟

Step 1

• acyl-CoA經由carnitine acyltransferase I的協助，將脂酰基從CoA轉移到Carnitine上，形成脂酰肉鹼（Acyl-carnitine）。
• Carnitine acyltransferase I位於粒線體外膜。

Step 2

• acyl-carnitine進入intermembrane space，經由antiporter協助，進入粒線體基質 (matrix) 中。
• antiporter位於粒線體內膜，可進行雙向運輸。

Step 3

• 此反應發生在matrix，重新產生Acyl-CoA。Acyl-CoA可以進入β-氧化途徑；而carnitine經由antiporter協助回到粒線體外膜，再循環利用。
• Carnitine acyltransferase II位於粒線體內膜的內側(靠近matrix側)。

Fatty acid β-oxidation脂肪酸氧化

• 脂肪酸氧化指的是β碳發生氧化，形成乙醯輔酶A（acetyl-CoA）的代謝途徑。
• β-氧化會根據脂肪酸的長度重複進行。
• 每一輪β-氧化有4個步驟，每一輪會去掉2個碳。
• 每一輪β-氧化會產生1個 Acetyl-CoA、1個 NADH、1個 FADH₂。

地點

粒線體matrix。

步驟

Step 1：Dehydrogenation

• 酶：Acyl-CoA dehydrogenase。

Acyl-CoA經由Acyl-CoA dehydrogenase協助，在α、β 位碳之間形成雙鍵（trans-Δ²），產生trans-Δ²-Enoyl-CoA及FADH₂，FADH₂送入電子傳遞鏈。

Step 2：Hydration

• 酶：Enoyl-CoA hydratase。

trans-Δ²-Enoyl-CoA經由Enoyl-CoA hydratase協助，在雙鍵位置加入水，產生β-Hydroxyacyl-CoA。

Step 3：Oxidation

• 酶：β-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase。

β-Hydroxyacyl-CoA經由β-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase協助，將β-羥基氧化為β-酮基，產生β-Ketoacyl-CoA及NADH。

Step 4：Thiolysis

• 酶：thiolase。

β-Ketoacyl-CoA經由β-Ketothiolase協助，被CoA攻擊，切斷α-β鍵。產生1個Acetyl-CoA，及1個Shortened Acyl-CoA。Acetyl-CoA可以進入TCA cycle產生ATP來提供能量，而Shortened Acyl-CoA再進入下一輪的β-氧化。

想了解TCA cycle，請參考檸檬酸循環Citric Acid Cycle (步驟圖片+重點列項說明)。

產生了多少能量？

以棕櫚酸(palmitic acid)為例，palmitic acid有16個碳，會經過7輪的β-氧化。總共產生8個 Acetyl-CoA、7個 NADH、7個 FADH₂。
1個Acetyl-CoA進入TCA cycle會產生10個ATP，所以8個 Acetyl-CoA會產生80個ATP。
1個NADH可以換算為約2.5 ATP；1個FADH₂可以換算為約1.5 ATP。
所以，80+2.5*7+1.5*7=108。
但是，在脂肪酸活化時，消耗了2個ATP，所以108-2=106。
答案：棕櫚酸經過β-氧化後可產生106 ATP。

常見問題