脂肪酸是主要的能量来源和细胞膜的关键成分。它们的新陈代谢涉及两条相反的途径：β-氧化，将它们分解以获取能量；以及脂肪生成，将它们构建起来以供储存。

脂肪酸氧化（β-氧化）

激活

脂肪酸通过附着在辅酶 A 上而在细胞质中被激活，形成脂肪酰辅酶 A。该反应消耗 ATP。然后脂肪酰辅酶A通过肉碱穿梭机转运到线粒体中。

β-氧化循环

在线粒体基质内，脂肪酰辅酶A经历四个反应的重复循环：酰辅酶A脱氢酶氧化（产生FADH2）、烯酰辅酶A水合酶水合、β-羟酰辅酶A脱氢酶氧化（产生NADH）和硫解酶硫解（产生乙酰辅酶A和缩短的脂肪酰辅酶A）。

能量产量

每个循环去除两个碳原子作为乙酰辅酶A。 16 碳棕榈酸酯分子经历七个循环，产生 8 个乙酰辅酶 A、7 个 FADH2 和 7 个 NADH。然后乙酰辅酶A进入柠檬酸循环以进一步产生能量。

脂肪酸合成（脂肪生成）

柠檬酸梭

当能量充足时，线粒体中过量的乙酰辅酶A通过柠檬酸穿梭机输出到细胞质。柠檬酸被 ATP-柠檬酸裂解酶裂解，产生乙酰辅酶 A 和草酰乙酸。

丙二酰辅酶A形成

乙酰辅酶A羧化酶将乙酰辅酶A转化为丙二酰辅酶A，这是脂肪酸合成的关键步骤。该酶被胰岛素和柠檬酸盐激活，并被棕榈酰辅酶A抑制。

伸长周期

脂肪酸合酶是一种大型多功能酶，进行缩合、还原、脱水、还原的重复循环。每个循环增加两个碳原子。该工艺需要 NADPH 并生产棕榈酸酯 (16:0) 作为主要产品。

法规

脂肪酸的氧化和合成是相互调节的。当能量较低时，AMPK 会激活氧化并抑制合成。当能量充足时，胰岛素会激活合成并抑制氧化。

实用脂肪酸氧化测定

通过差速离心从新鲜肝脏或心脏组织中分离线粒体 — 将 200 mg 组织在冰冷的分离缓冲液（250 mM 蔗糖、10 mM Tris-HCl pH 7.4、1 mM EGTA）中均质化，在 600 × g 下离心 10 分钟以去除细胞核和碎片，然后在 10,000 × g 下将上清液离心 10 分钟以沉淀线粒体。将线粒体颗粒重新悬浮在测定缓冲液（100 mM KCl、10 mM Tris-HCl pH 7.4、5 mM MgCl2、1 mM ATP、0.1% BSA）中。通过使用 Clark 型氧电极或 Seahorse XF 分析仪监测耗氧量来测量脂肪酸氧化。将 0.5–1 mg 线粒体蛋白添加到 0.5 mL 含有 50 µM 棕榈酰辅酶A、2 mM L-肉碱和 1 mM 苹果酸盐的测定缓冲液中。记录 10 分钟的耗氧率 (OCR)。基础 OCR 反映内源性底物氧化。通过添加 50 µM 依托莫克西（一种肉毒碱棕榈酰转移酶 I (CPT1) 的不可逆抑制剂）来证实特定脂肪酸氧化 — OCR 显着下降 (>50%) 证实测量的呼吸是由脂肪酸氧化驱动的。对于细胞脂肪酸氧化，将完整细胞与 [9,10-3H] 棕榈酸 (0.5 µCi/mL) 一起孵育 2 小时，然后通过离子交换柱测量释放到培养基中的 3H2O（3H2O 流过，而棕榈酸盐被保留）。通过液体闪烁计算流量。

实际应用

在非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD) 小鼠模型中，使用棕榈酰辅酶 A 作为底物在分离的线粒体中测量肝脂肪酸氧化。与对照小鼠相比，OCR 降低了 30%，表明 β-氧化受损。使用 PPARα 激动剂（非诺贝特，100 毫克/公斤/天，持续 4 周）治疗可将氧化率恢复至控制水平，从而减少肝脏脂肪变性。这些测量结果将线粒体功能障碍与肝脏中的脂肪积累直接联系起来。