生物化学——脂肪和脂质

学术   2024-10-17 07:02   上海  
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脂肪是健康饮食中不可或缺的一部分。它们能为食物增添口感,比如鳄梨的顺滑和羊角面包的酥脆。

脂肪也是能量的主要来源,是细胞和组织的重要组成部分,还能帮助吸收重要的维生素,并能转化为其他分子,如前列腺素,有助于细胞相互交流。

脂肪具有一个由三个碳原子组成的骨架,称为甘油,同时还有脂肪酸链。脂肪酸链基本上是一串碳原子和氢原子。当甘油分子中的“OH”基团与脂肪酸中的氢原子结合时,会释放出一个“H₂O”即水分子,并且这两个分子连接在一起。

如果这种结合发生一次,结果就是甘油单酯,如果发生两次,就是甘油二酯,发生三次则形成甘油三酯

脂肪酸链有不同类型,一种分类方式是按其长度,即它们有多少个碳原子。短链脂肪酸有2到5个碳原子,中链脂肪酸有6到12个碳原子,而长链脂肪酸则有13个或更多的碳原子。

脂肪酸链也可以根据连接链中碳原子的化学键进行分类。单键是指碳原子之间的单一键,当脂肪酸链只有单键时,它就被称为饱和脂肪酸——因为其氢原子的数量很多或者已经饱和了

含有饱和脂肪酸的甘油三酯是直直的,所以它们可以很好地相互堆叠在一起,因此通常在室温下是固体状态。饱和脂肪酸链越长,在室温下越有可能是固体状态。

碳原子之间也可以形成双键,当脂肪酸含有一个或多个双键时,它就被称为不饱和脂肪酸,因为其氢原子的饱和度不够——每个双键都会导致氢原子减少两个。此外,双键还会使分子发生弯曲,因此不饱和脂肪不会像饱和脂肪那样紧密地堆积在一起。因此,不饱和脂肪通常在室温下是液态的。

不饱和脂肪酸可以进一步分类,按双键的数量划分。单不饱和脂肪酸是只含一个双键的不饱和脂肪酸,多不饱和脂肪酸则含有两个或更多双键。

另外,它们也可以根据双键的位置分类。由于所有的氢原子可能让分子看起来很复杂,我们暂时忽略它们。

脂肪酸链的甲基末端也称为“ω端”(欧米伽端),我们可以从这个末端开始数,直到第一个双键的位置。例如,如果第一个双键位于第三个碳原子,它就是ω-3脂肪酸,如果位于第六个碳原子,则是ω-6脂肪酸,位于第九个碳原子,则称为ω-9脂肪酸。

为了简化分子结构的理解,我们通常只看它们的键。

ω-3脂肪酸通常是多不饱和脂肪酸,包括α-亚麻酸(ALA)、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)。

EPA和DHA主要来自海洋,它们由微藻产生,最终存在于鱼类的组织中,比如凤尾鱼、鲭鱼、鲑鱼和沙丁鱼。ALA则存在于植物中,如亚麻籽、核桃以及菜籽油和大豆油。人体可以将ALA转化为EPA和DHA,但这种过程效率较低,转化量有限,因此膳食建议中通常包括富含EPA和DHA的食物。

Omega-6脂肪酸通常也是多不饱和的,主要包括亚油酸和花生四烯酸。亚油酸存在于像红花油、玉米油和大豆油这样的植物油中,而花生四烯酸则存在于鱼类、肉类和鸡蛋等动物性食物中。我们的身体可以将亚油酸转化为花生四烯酸,但这种转化过程效率较低。由于ALA(α-亚麻酸)和亚油酸只能通过饮食获得,它们被称为必需脂肪酸。

Omega-9脂肪酸通常是单不饱和脂肪酸,例如油酸(Oleic acid),而人体可以自行合成这类脂肪酸。菜籽油、橄榄油以及杏仁等食物中都含有omega-9脂肪酸。

现在,来看一下不饱和脂肪酸中的双键配置。像大多数不饱和脂肪一样,双键通常呈顺式(CIS)结构。在顺式结构中,双键两侧的功能基团位于同一侧,这会导致脂肪酸链自然弯曲。分子弯曲后,无法紧密堆叠在一起,因此它们更具流动性——例如我们常见的食用油,在室温下是液态的。

然而,也有一些脂肪呈反式(Trans)结构。在反式结构中,双键两侧的功能基团位于相对的两侧,这使得脂肪酸链保持更直,从而更容易堆叠。

反式脂肪是通过一种叫做部分氢化的过程产生的。在普通的氢化过程中,会向顺式脂肪中添加氢原子,去除所有的双键。例如,如果你有一个含有两个双键的甘油三酯,则需要添加4个氢原子,每个双键2个。这样就把含有顺式双键的不饱和脂肪酸转化为饱和脂肪酸。

部分氢化则是指向大部分双键中添加氢原子,但不是全部。例如,我们只向双键中添加2个氢原子。这时,一些双键可以被氢原子转化为单键,但随后它们可能会重新形成双键,而重新形成的双键时,有些会成为反式双键,最终得到的是一种不饱和脂肪酸,但其中一些脂肪酸具有反式双键。

部分氢化的过程自然发生在某些动物(如牛和猪)的消化道中,因此肉类和乳制品中可以自然地存在反式脂肪。此外,食品工业有时在加工液态油使其更固态时也会使用部分氢化,这可能会导致反式脂肪的产生。反式脂肪与冠心病的发生有关,因此摄入需要适量。

虽然有些食物中的某种脂肪含量可能比其他食物高,但事实是所有食物都由各种脂肪酸混合而成。当你食用像花生酱这样的食物时,其中约75%的热量来自脂肪,身体会经历一系列步骤来消化和吸收脂肪酸。首先,甘油三酯是疏水性的,因此它们会形成大的脂肪球——就像当你把油倒入水中时看到的那样。唾液、胃液和胰腺分泌的酶类(称为脂酶)可以将甘油三酯分解成游离脂肪酸和单酰甘油(甘油单酯)

然而,作用于脂肪球表面的效率较低,因此为了加快这一过程,肝脏产生的胆盐会将大脂肪滴分解为较小的脂肪滴,从而增加脂肪酶的作用表面积。一旦甘油三酯被分解为甘油单酯和游离脂肪酸,这些物质会自发形成混合微胶束,其内部为疏水性结构,外部为亲水性结构。

微胶粒在肠道腔内的水性环境中滑行,到达肠道壁的上皮细胞。当它们到达上皮细胞时,微胶粒会释放出脂肪酸和甘油单酯,这些物质会扩散进入上皮细胞。在上皮细胞内,脂肪酸和甘油单酯重新组合成甘油三酯,然后被包装进一个更大的结构,叫做“乳糜微粒”。乳糜微粒含有脂质和蛋白质,因此它是一种脂蛋白。它有一个外膜,由磷脂和蛋白质组成,还有一个疏水性核心,其中含有甘油三酯、胆固醇和脂溶性维生素A、D、E和K。

乳糜微粒(Chylomicron)在离开肠细胞(enterocyte)后,由于其体积太大,无法进入毛细血管的内皮细胞末端,所以它进入附近的一个称为乳糜管(lacteal)的淋巴毛细管。接着,乳糜微粒漂浮在淋巴中,通过淋巴系统进入胸导管(thoracic duct),最终被输送到血液中,这一过程实际上绕过了门静脉系统。

进入血液后,乳糜微粒会向周围组织(如肌肉组织和脂肪组织)释放脂肪酸和单酰甘油。肌肉组织会利用这些脂质作为能量,而脂肪组织则储存这些脂质。随着甘油三酯的递送,乳糜微粒逐渐缩小,最后被肝脏吞噬并分解处理。

这一过程使得膳食中的脂质能够有效地被运送到身体各个部位进行能量利用或储存。

现在,脂肪在人体中扮演着至关重要的角色。它们具有许多健康益处,而这些益处会因我们食用的脂肪类型而有所不同。例如,多不饱和脂肪是前体物质,可以转化为被称为前列腺素的激素样分子,刺激血管内壁的内皮细胞释放一氧化氮。一氧化氮是一种血管扩张剂,可以降低血液流动的阻力,进而降低血压。

多不饱和脂肪酸还可以帮助降低总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的水平,这与降低心脏病发作和中风等心血管疾病的风险有关。
长链ω-3脂肪酸,如DHA和EPA,都有助于降低血浆甘油三酯水平,从而保护心血管健康。同时,DHA对婴儿眼睛和大脑的发育非常重要。
饱和脂肪对心血管健康的影响要复杂一些。一般来说,建议保持饱和脂肪的摄入量较低,但与不饱和脂肪一样,饱和脂肪也有不同的类型。有证据表明,不同类型的饱和脂肪酸对我们的心血管健康可能有不同的影响。证据还表明,减少或替代饮食中饱和脂肪的健康影响取决于所替代的营养素。例如,用多不饱和脂肪代替饱和脂肪已被证明有益于心血管健康,而用精制碳水化合物代替饱和脂肪则没有这种效果。
根据这一研究,美国国家医学院建议将每日卡路里的20%至35%用于摄入脂肪——对于每日摄入2000卡路里的人来说,这意味着摄入400至700卡路里的脂肪,即大约44至78克。
同时我们摄入的脂肪量,脂肪的类型也很重要。世界卫生组织和美国膳食指南建议每日卡路里的10%以下应来自饱和脂肪,并且应尽可能减少摄入反式脂肪。

以上图片内容来源:Osmosis.org

原文链接🔗:

https://www.osmosis.org/learn/Fats_and_lipids

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