有關脂肪酸進行氧化作用的敘述，下列何者正確？

本題觀念：

本題主要測驗脂肪酸氧化（Fatty Acid Oxidation / Beta-oxidation）的過程，包括脂肪酸的活化、穿透粒線體膜的機制（Carnitine shuttle）、發生場所及調控機制。

選項分析

• A. 脂肪酸為高活化能分子，需換成較低活化能的fatty acyl-CoA始能進入粒線體

  • 分析：此選項敘述有誤。
  • 理由：游離脂肪酸（Free Fatty Acids）本身化學性質相對穩定（不活潑），屬於惰性分子。為了參與代謝反應，必須先在細胞質中「活化」。活化過程是將脂肪酸與 Coenzyme A (CoA) 結合形成 Fatty acyl-CoA（脂醯輔酶A）。Fatty acyl-CoA 含有高能硫酯鍵（thioester bond），因此它是高能、活化的分子，而非選項所述的「較低活化能」。活化的目的正是為了提升其反應性以便進行後續代謝。

• B. 脂肪酸透過fatty acyl-CoA synthetase可轉換成fatty acyl-CoA，轉換過程需要ATP分子

  • 分析：此選項正確。
  • 理由：脂肪酸進入細胞後，首先在細胞質（或外膜）被 Fatty acyl-CoA synthetase（又稱 Thiokinase）催化。反應式為： $Fatty Acid + CoA + ATP \rightarrow Fatty Acyl-CoA + AMP + PPi$
  • 此過程消耗一個 ATP 分子，但因為產生 AMP 和 Pyrophosphate (PPi)，PPi 隨即被水解，所以在能量計量上相當於消耗 2個高能磷酸鍵（等同 2 ATP）。這是脂肪酸代謝的第一步：活化。

• C. fatty acyl-CoA經由carnitine acyltransferase和肉鹼（carnitine）結合能進入粒線體間膜進行 氧化

  • 分析：此選項敘述有誤。
  • 理由：
    1. 發生場所錯誤：脂肪酸的 β-氧化作用主要發生在粒線體的基質（Matrix），而非間膜（Intermembrane space）。
    2. 運送機制細節：長鏈 Fatty acyl-CoA 無法直接穿過粒線體內膜。它必須在粒線體外膜藉由 CPT-I (Carnitine Palmitoyltransferase I) 轉化為 Fatty acyl-carnitine，進入間膜，再透過轉位酶進入基質，最後由內膜上的 CPT-II 轉回 Fatty acyl-CoA。目的是進入「基質」進行氧化，而非在間膜進行。

• D. carnitine acyltransferase為脂肪酸分解的速率關鍵酵素，會受到acetyl-CoA回饋抑制

  • 分析：此選項敘述有誤。
  • 理由：
    1. 關鍵酵素：Carnitine acyltransferase I (CPT-I) 確實是脂肪酸進入粒線體進行氧化的速率決定步驟（Rate-limiting step）。
    2. 抑制物錯誤：CPT-I 主要受到 Malonyl-CoA（丙二醯輔酶A）的異位抑制（Allosteric inhibition），而非 Acetyl-CoA。
    3. 機制：Malonyl-CoA 是脂肪酸合成的中間產物。當細胞能量充足、進行脂肪酸合成時，Malonyl-CoA 濃度上升，抑制 CPT-I，從而阻止脂肪酸進入粒線體被分解，避免「合成」與「分解」同時發生（無效循環）。

答案解析

正確答案為 B。 脂肪酸氧化的首要步驟是「活化」，此反應由 Fatty acyl-CoA synthetase 催化，消耗 ATP 將脂肪酸轉化為高能的 Fatty acyl-CoA。

核心知識點

考生應掌握以下脂肪酸代謝關鍵：

1. 活化 (Activation)：
   • 位置：細胞質 (Cytosol)。
   • 酵素：Acyl-CoA synthetase (Thiokinase)。
   • 能量：消耗 ATP $\rightarrow$ AMP + PPi (視為消耗 2 ATP)。
2. 運送 (Transport) - 肉鹼穿梭機制 (Carnitine Shuttle)：
   • 目的：將長鏈脂肪酸 (LCFA) 運入粒線體基質。
   • 關鍵酵素：CPT-I (位於外膜，速率決定步驟)。
   • 調控：CPT-I 被 Malonyl-CoA 抑制 (與脂肪合成路徑拮抗)。
   • 酵素 II：CPT-II (位於內膜)，將 Acyl-carnitine 變回 Acyl-CoA。
3. 氧化 (Beta-oxidation)：
   • 位置：粒線體基質 (Matrix)。
   • 步驟：氧化 (Dehydrogenation) $\rightarrow$ 水合 (Hydration) $\rightarrow$ 氧化 (Oxidation) $\rightarrow$ 裂解 (Thiolysis)。
   • 產物：Acetyl-CoA, NADH, FADH2。

參考資料

1. Biochemistry, Fatty Acid Oxidation. StatPearls [Internet]. NCBI Bookshelf.
2. Harper's Illustrated Biochemistry. Chapter: Oxidation of Fatty Acids: Ketogenesis.
3. Lehninger Principles of Biochemistry. Chapter: Fatty Acid Catabolism.