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지질 대사

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1. 개요

지질 대사는 지방의 소화, 흡수, 운반, 저장, 이화 작용, 생합성 등 일련의 과정을 포함하는 생화학적 과정이다. 소화는 리파아제 효소에 의해 중성지방이 모노글리세라이드로 분해되는 과정으로 구강에서 시작되어 소장에서 대부분 이루어진다. 흡수된 지질은 미셀을 형성하여 소장 상피 세포로 이동하며, 세포 내에서 다시 트리글리세라이드로 재결합되어 킬로미크론 형태로 혈류를 통해 운반된다. 지질은 백색 지방 조직에 트리글리세리드 형태로 저장되며, 필요시 지단백 리파아제에 의해 분해되어 에너지원으로 사용된다. 이화 작용 과정인 베타 산화는 미토콘드리아에서 일어나 아세틸-CoA, NADH, FADH2를 생성한다. 생합성 과정은 막 지질(인지질, 스핑고지질 등)과 트리글리세라이드, 지방산, 콜레스테롤 등을 합성하며, 인슐린, 글루카곤, 갑상선 호르몬, 성 호르몬, 아드레날린 등 다양한 호르몬에 의해 조절된다. 지질 대사 이상은 지질의 분해 또는 합성에 문제가 생기는 질병으로, 고셔병, 니만-픽병 등이 있다. 지질 대사에 관여하는 지질에는 막 지질, 콜레스테롤, 스테로이드, 트리아실글리세롤, 지방산, 담즙산, 에이코사노이드, 케톤체 등이 있다.

2. 지질의 소화

소화는 지질 대사의 첫 번째 단계이며, 리파아제 효소의 도움을 받아 중성지방을 더 작은 모노글리세라이드 단위로 분해하는 과정이다. 지방의 소화는 설하 리파아제에 의한 화학적 소화 과정을 통해 구강에서 시작된다. 섭취된 콜레스테롤은 리파아제에 의해 분해되지 않고 소장의 상피 세포에 들어갈 때까지 그대로 유지된다. 지질은 이후 위로 이동하여 위 리파아제에 의한 화학적 소화와 기계적 소화(연동 운동)가 시작된다. 그러나 지질 소화와 흡수의 대부분은 지방이 소장에 도달하면 발생한다. 췌장에서 분비되는 화학 물질(췌장 리파아제 계열 및 담즙염 의존성 리파아제)은 중성지방을 분해하는 데 도움이 되도록 소장으로 분비되며,[10] 추가적인 기계적 소화와 함께 개별 지방산 단위가 소장의 상피 세포에 흡수될 수 있게 된다.[11] 중성지방을 분리된 유리 지방산과 글리세롤 단위로 가수분해하도록 신호를 보내는 것은 췌장 리파아제이다.

3. 지질의 흡수

지질 흡수 과정을 보여주는 순서도


지질 대사의 두 번째 단계는 지방의 흡수이다. 짧은 사슬 지방산은 에서 흡수될 수 있지만, 대부분의 지방 흡수는 소장에서만 일어난다. 트리글리세리드가 개별 지방산과 글리세롤로 분해되면, 콜레스테롤과 함께 미셀이라고 불리는 구조체로 응집된다. 지방산과 모노글리세리드는 미셀에서 분리되어 장 상피 세포로 들어가기 위해 막을 통해 확산된다. 상피 세포의 세포질에서는 지방산과 모노글리세리드가 재결합하여 트리글리세리드로 되돌아가고, 트리글리세리드와 콜레스테롤이 카일로미크론이라고 불리는 더 큰 입자로 포장되어, 소화된 지질을 수송하는 양쪽성 구조체가 된다[9]。카일로미크론은 혈류를 타고 이동하여 체내의 지방 조직이나 기타 조직으로 들어간다[6][2][37][34][30][31]

4. 지질의 운반

막 지질은 소수성 특성을 띄기 때문에, 트리글리세라이드와 콜레스테롤은 지단백질이라는 특별한 수송 단백질이 필요하다.[1] 지단백질의 양쪽성 구조는 트리글리세라이드와 콜레스테롤이 혈액을 통해 수송될 수 있게 한다. 유미입자는 소화된 지질을 소장에서 신체의 나머지 부분으로 운반하는 지단백질의 한 하위 그룹이다. 지단백질 유형 간의 다양한 밀도는 어떤 종류의 지방을 수송하는지에 대한 특징이다.[12] 예를 들어, 초저밀도 지단백질(VLDL)은 우리 몸에서 합성된 트리글리세라이드를 운반하고, 저밀도 지단백질(LDL)은 콜레스테롤을 말초 조직으로 수송한다.[6][1] 이러한 지단백질 중 다수는 간에서 합성되지만, 모두 이 기관에서 생성되는 것은 아니다.[1]

5. 지질의 저장

지질은 백색 지방 조직에 트라이글리세라이드(트리글리세리드) 형태로 저장된다. 건강한 젊은 성인의 경우, 저장된 트라이글리세라이드의 질량은 약 10kg~20kg에 달한다. 트라이글리세라이드는 글리세롤 골격에 세 개의 지방산이 결합하여 형성된다. 유리 지방산은 아실-CoA로 활성화되어 에스테르화 과정을 거쳐 최종적으로 트라이글리세라이드 방울에 도달한다. 지단백질 리파아제는 이 과정에서 중요한 역할을 한다.[13]

음식 지방 외에도 지방 조직에 저장된 저장 지질은 생체의 주요 에너지원 중 하나이다.[44] 트라이아실글리세롤, 지질 막, 콜레스테롤은 각 생물이 다양한 경로를 통해 합성한다.

6. 지질의 이화 작용 (β-산화)

카일로마이크론(또는 다른 지단백질)이 조직을 통과하면, 이 입자들은 지단백 리파아제에 의해 모세혈관내피 세포 표면에서 분해되어 트리글리세리드를 방출한다.[14] 트리글리세리드는 세포에 들어가기 전에 지방산글리세롤로 분해되고 남은 콜레스테롤은 다시 혈액을 통해 으로 이동한다.[15]

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세포 세포질(예: 근육 세포)에서 글리세롤은 글리세알데히드 3-인산으로 전환되는데, 이는 당분해 과정의 중간체로 추가 산화되어 에너지를 생성한다. 지방산의 주요 이화작용 단계는 미토콘드리아에서 발생한다.[16] 장쇄 지방산(탄소 14개 이상)은 미토콘드리아 을 통과하기 위해 지방 아실-CoA로 전환되어야 한다.[6] 지방산 이화작용은 아실-CoA 합성효소가 ATP를 분해하여 얻은 에너지로 조효소 A를 지방산에 붙이는 반응을 상피 세포의 세포질에서 촉매하면서 시작된다.[6] 생성된 아실-CoA는 미토콘드리아 막을 통과하여 베타 산화 과정을 거친다. 베타 산화 경로의 주요 생성물은 아세틸-CoA (구연산 회로에서 에너지 생성에 사용됨), NADH, FADH이다. 베타 산화 과정에는 아실-CoA 탈수소효소, 에노일-CoA 수화효소, 3-하이드록시아실-CoA 탈수소효소, 3-케토아실-CoA 티올라제가 필요하다.[15]

6. 0. 1. β-산화 과정

카이로마이크론(또는 다른 지단백질)이 조직 내를 이동하면, 이러한 입자는 모세혈관의 내피세포 강측(腔側)에서 지단백질 리파아제에 의해 분해되어 트라이글리세라이드를 방출한다.[41] 트라이글리세라이드는 세포에 들어가기 전에 지방산과 글리세롤로 분해되고, 남은 콜레스테롤은 다시 혈액을 통해 간으로 이동한다.[42]

글리세롤은 세포(예: 근육 세포)의 세포질 졸 내에서 해당과정의 중간체인 글리세르알데하이드 3-인산으로 변환되어 추가로 산화되어 에너지를 생성한다. 그러나 지방산의 이화 작용의 주요 단계는 미토콘드리아에서 일어난다.[43] 장쇄 지방산(탄소수 14 이상)이 미토콘드리아 막을 통과하기 위해서는 지방산 아실 CoA 에스터로 변환될 필요가 있다.[34] 지방산 대사는 상피세포의 세포질 내에서 아실 CoA 합성 효소가 ATP의 절단에 의한 에너지를 이용하여 지방산에 조효소 A를 부가하는 것을 촉매하여 시작된다. 얻어진 아실 CoA는 미토콘드리아 막을 통과하여 β 산화의 과정에 들어간다.[34] β 산화 경로의 주요 생성물은 아세틸 CoA(시트르산 회로에서 에너지를 생성하는 데 사용됨), NADH, FADH이다.[43] β 산화 과정에 필요한 효소는 아실 CoA 탈수소효소, 에노일 CoA 수화 효소, 3-하이드록시아실 CoA 탈수소효소, 및 3-케토아실 CoA 싸이올레이스이다.[42] 위의 그림은 지방산이 아세틸 CoA로 변환되는 모습을 나타낸다. 팔미토일 CoA(16:0)를 모델 기질로 했을 경우, 전체적인 순 반응은 다음과 같다.

: 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoASH + 7 H2O + H(CH2CH2)7CH2CO-SCoA → 8 CH3CO-SCoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+

6. 0. 2. β-산화의 결과

카이로마이크론(또는 다른 지단백질)이 조직 내를 이동하면, 이러한 입자는 모세혈관의 내피세포 강측(腔側)에서 지단백질 리파아제에 의해 분해되어 트리글리세리드를 방출한다.[41] 트리글리세리드는 세포에 들어가기 전에 지방산글리세롤로 분해되고, 남은 콜레스테롤은 다시 혈액을 통해 으로 이동한다.[42]

글리세롤은 세포(예: 근육 세포)의 세포질 졸 내에서 해당과정의 중간체인 글리세르알데하이드-3-인산으로 변환되어 추가로 산화되어 에너지를 생성한다. 그러나 지방산의 이화작용의 주요 단계는 미토콘드리아에서 일어난다.[43] 장쇄 지방산(탄소수 14 이상)이 미토콘드리아 막을 통과하기 위해서는 Fatty acyl-CoA esters|지방산 아실 CoA 에스테르영어로 변환될 필요가 있다.[34] Fatty acid metabolism|지방산 대사영어는 상피세포의 세포질 내에서 Acetyl-CoA synthetase|아실 CoA 합성 효소영어ATP의 절단에 의한 에너지를 이용하여 지방산에 조효소 A를 부가하는 것을 촉매하여 시작된다. 얻어진 아실 CoA는 미토콘드리아 막을 통과하여 β 산화의 과정에 들어간다.[34] β 산화 경로의 주요 생성물은 아세틸 CoA(시트르산 회로에서 에너지를 생성하는 데 사용됨), NADH, FADH이다.[43] β 산화의 과정에 필요한 효소는 아실 CoA 탈수소효소, Enoyl-CoA hydratase|에노일 CoA 수화 효소영어, 3-히드록시아실 CoA 탈수소 효소, 및 Thiolase#Isozymes|3-케토아실 CoA 티오라아제영어이다.[42] Palmitoyl-CoA|팔미토일 CoA영어(16:0)를 모델 기질로 했을 경우, 전체적인 순 반응은 다음과 같다.

: 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoASH + 7 H2O + H(CH2CH2)7CH2CO-SCoA → 8 CH3CO-SCoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+

7. 지질의 생합성

생물은 음식으로 섭취하는 지방 외에도 지방 조직에 저장된 지질을 주요 에너지원으로 사용한다.[17] 트리아실글리세롤, 지질 막, 콜레스테롤은 생물에 따라 다양한 경로를 통해 합성될 수 있다.

7. 1. 막 지질 생합성

막 지질은 크게 글리세로린지질과 스핑고지질의 두 가지 주요 클래스로 나눌 수 있다. 사람의 체내에서는 다양한 막 지질이 합성된다.[45]

7. 1. 1. 생합성 과정

막 지질에는 글리세로인산인지질과 스핑고지질이라는 두 가지 주요 유형이 있다. 우리 몸에서 많은 종류의 막 지질이 합성되지만, 경로는 동일한 패턴을 공유한다. 첫 번째 단계는 골격(스핑고신 또는 글리세롤)을 합성하는 것이고, 두 번째 단계는 지방산을 골격에 추가하여 포스파티딘산을 만드는 것이다. 포스파티딘산은 다양한 친수성 머리 그룹을 골격에 부착하여 추가로 변형된다. 막 지질 생합성은 소포체 막에서 발생한다.[18]

글리세로린지질은 모든 진핵생물 및 세균에 분포하고 있는 반면, 스핑고지질 합성은 거의 진핵생물에만 한정되어 있다. 한편, 고세균이소프레노이드를 기반으로 하는 전혀 다른 세포막을 가지고 있기 때문에, 글리세로린지질도 스핑고지질도 가지고 있지 않다.[45]

7. 1. 2. 생합성 장소

막 지질에는 글리세로인산인지질과 스핑고지질이라는 두 가지 주요 유형이 있다. 우리 몸에서 많은 종류의 막 지질이 합성되지만, 경로는 동일한 패턴을 공유한다. 첫 번째 단계는 골격(스핑고신 또는 글리세롤)을 합성하는 것이고, 두 번째 단계는 지방산을 골격에 추가하여 포스파티딘산을 만드는 것이다. 포스파티딘산은 다양한 친수성 머리 그룹을 골격에 부착하여 추가로 변형된다. 막 지질 생합성은 소포체 막에서 발생한다.[18]

7. 2. 트라이글리세라이드 생합성

인지질산은 트리글리세리드 생합성의 전구체이다. 인지질산 포스파테이즈는 인지질산을 다이아실글리세리드로 전환하는 반응을 촉매하며, 다이아실글리세리드는 아실전이효소에 의해 트리글리세리드로 전환된다.[19][46]

7. 2. 1. 생합성 과정

인지질산은 트리글리세리드 생합성의 전구체이기도 하다. 인지질산 포스파테이즈는 인지질산을 다이아실글리세리드로 전환하는 반응을 촉매하며, 다이아실글리세리드는 아실전이효소에 의해 트리글리세리드로 전환된다.[19] 트리글리세리드 생합성은 세포질에서 일어난다.[19][46]

7. 2. 2. 생합성 장소

인지질산은 트리글리세리드 생합성의 전구체이기도 하다. 인지질산 포스파테이즈는 인지질산을 다이아실글리세리드로 전환하는 반응을 촉매하며, 다이아실글리세리드는 아실전이효소에 의해 트리글리세리드로 전환된다. 트리글리세리드 생합성은 세포질에서 일어난다.[19][46]

7. 3. 지방산 생합성

지방산은 아세틸-CoA를 전구체로 하여 세포의 세포질에서 생성된다.[19]

7. 3. 1. 팔미트산(16:0)을 모델로 한 순반응

지방산의 전구체는 아세틸-CoA이며, 세포의 세포질에서 생성된다.[19] 팔미트산(16:0)을 모델 기질로 한 경우의 전체 순반응은 다음과 같다.

: 8 아세틸-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 6H+ → 팔미트산 + 14 NADP+ + 6H2O + 7ADP + 7P¡

7. 4. 콜레스테롤 생합성

콜레스테롤은 모든 동물이 합성하는 스테로이드의 일종이다. 아세틸-CoA로부터 메발론산 경로와 이어진 다단계의 테르페노이드 합성 경로를 거쳐 합성된다. 콜레스테롤은 프로게스테론 등 체내의 다양한 호르몬(스테로이드 호르몬)을 형성하도록 변화하기 때문에 필수적이다[34]。콜레스테롤 생합성의 70%는 간세포의 세포질 졸에서 이루어진다.

동물 이외의 진핵생물에서는 콜레스테롤 이외의 스테롤이 만들어진다. 예를 들어 식물에서는 피토스테롤이라고 불리는 스테롤군이 합성된다. 개별 스테로이드로의 유도 부분을 제외하면 스테로이드의 생합성 경로는 모든 진핵생물에서 잘 보존되어 있다. 스테로이드는 진핵생물 이외에서는 거의 존재하지 않는다.

8. 지질 대사 조절

지질 대사는 에너지 저장과 활용 사이의 균형을 유지하기 위해 여러 호르몬에 의해 엄격하게 조절된다. 주요 조절 호르몬에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참고할 수 있다.

8. 1. 주요 조절 호르몬

인슐린은 지질 합성을 촉진하고 지질 분해를 억제하며, 포도당 수송 및 지방산으로의 전환을 촉진한다.[20] 글루카곤은 지방산 산화를 자극하고, de novo 지방산 합성을 억제하며, VLDL 방출 및 간 지방증을 감소시킨다.[21] 갑상선 호르몬은 간 트리글리세리드 합성을 촉진하고, 지방 분해를 향상시키며, 미토콘드리아 지방산 β-산화를 자극하고, LDL 수용체 발현 및 담즙산 배설을 포함한 다양한 메커니즘을 통해 콜레스테롤 수치를 조절한다.[21] 성 호르몬에스트로겐은 트리글리세리드 합성을 감소시키고, HDL 콜레스테롤 수치를 향상시키며, 지방산 산화를 촉진하고 지방 생성을 억제할 수 있다.[21] 테스토스테론은 de novo 지방 생성 및 지방 축적을 자극하여 에너지 저장을 위해 트리글리세리드에 통합된다.[21] 아드레날린은 AMPK 인산화를 통해 지방 분해를 자극하고, 지방 생성을 억제하여 지방 조직의 지질 회전율 및 축적에 영향을 미친다.[21]

9. 지질 대사 이상

'''지질 대사 이상'''(선천성 지질 대사 이상 포함)은 지방(또는 지방 유사 물질)의 분해 또는 합성에 문제가 발생하는 질병이다.[47] 혈중 LDL 콜레스테롤, VLDL, 트리글리세리드 등 혈장 지질 농도가 상승하여 심혈관 질환의 원인이 되기도 한다.[48] 이러한 질환은 대부분 유전성이며, 부모로부터 자녀에게 유전자를 통해 유전된다.[47] 고셔병, 니만-픽병, 테이-삭스병, 파브리병 등이 지질 대사 이상을 보이는 질병에 해당하며, 시토스테롤혈증, 월만병, 레프섬병, 뇌건황색종증도 드물게 나타난다.[49]

9. 1. 특징

지질 대사 장애(선천성 지질 대사 이상 포함)는 지방(또는 지방 유사 물질)을 분해하거나 합성하는 데 문제가 발생하는 질병이다.[22] 지질 대사 장애는 혈액 내 혈장 지질 농도의 증가와 관련이 있으며, 특히 LDL 콜레스테롤, VLDL, 트리글리세라이드의 증가는 심혈관 질환으로 이어지는 경우가 많다.[23] 이러한 장애는 유전되는 경우가 많으며, 이는 부모로부터 자녀에게 유전자를 통해 전달되는 상태를 의미한다.[22] 고셔병 (1, 2, 3형), 니만-픽병, 테이-삭스병, 파브리병은 모두 지질 대사 장애를 겪을 수 있는 질병이다.[24] 지질 대사 장애와 관련된 드문 질병으로는 시토스테롤혈증, 월만병, 레프섬병, 뇌건황색종증 등이 있다.[24]

9. 2. 원인

지질 대사 장애(선천성 지질 대사 이상 포함)는 지방(또는 지방 유사 물질)을 분해하거나 합성하는 데 문제가 발생하는 질병이다.[22] 지질 대사 장애는 혈액 내 혈장 지질 농도의 증가와 관련이 있으며, 특히 LDL 콜레스테롤, VLDL, 트리글리세라이드의 증가는 심혈관 질환으로 이어지는 경우가 많다.[23] 이러한 장애는 유전되는 경우가 많으며, 이는 부모로부터 자녀에게 유전자를 통해 전달되는 상태를 의미한다.[22] 고셔병(1, 2, 3형), 니만-픽병, 테이-삭스병, 파브리병은 모두 지질 대사 장애를 겪을 수 있는 질병이다.[24] 지질 대사 장애와 관련된 드문 질병으로는 시토스테롤혈증, 월만병, 레프섬병, 뇌건황색종증 등이 있다.[24]

9. 3. 종류

지질 대사 장애(선천성 지질 대사 이상 포함)는 지방(또는 지방 유사 물질)을 분해하거나 합성하는 데 문제가 발생하는 질병이다.[22] 지질 대사 장애는 혈액 내 혈장 지질 농도의 증가와 관련이 있으며, 특히 LDL 콜레스테롤, VLDL, 트리글리세라이드의 증가는 심혈관 질환으로 이어지는 경우가 많다.[23] 이러한 장애는 유전되는 경우가 많으며, 이는 부모로부터 자녀에게 유전자를 통해 전달되는 상태를 의미한다.[22]

지질 대사 장애를 겪을 수 있는 질병은 다음과 같다:[24]

지질 대사 장애와 관련된 드문 질병은 다음과 같다:[24]

  • 시토스테롤혈증
  • 월만병
  • 레프섬병
  • 뇌건황색종증

10. 지질의 종류

지질 대사에 관여하는 주요 지질의 종류는 다음과 같다.

구분종류설명
막 지질인지질세포막지질 이중층을 구성하는 주요 성분.[25]
스핑고지질주로 신경 조직의 세포막에서 발견.[18]
글리코지질지질 이중층의 안정성을 유지하고 세포 인식을 촉진.[3]
글리세로인지질뇌를 포함한 신경 조직에 다량 함유.[3]
기타 지질콜레스테롤프로게스테론, 테스토스테론 등 호르몬의 주요 전구체이며, 세포막 유동성 조절.[26]
스테로이드중요한 세포 신호 전달 분자 중 하나.[26]
트리아실글리세롤 (지방)인체의 주요 에너지 저장 형태.[1]
지방산지질막 및 콜레스테롤 생합성에 사용, 에너지원으로도 활용.
담즙산간에서 분비, 소장에서 지질 소화 촉진.[27]
에이코사노이드지방산으로 만들어지며 세포 신호 전달에 사용.[28]
케톤체간에서 지방산으로 만들어지며, 기아 상태 등에서 에너지 생산.[6]


10. 1. 막 지질

10. 2. 기타 지질


  • 콜레스테롤: 프로게스테론, 테스토스테론 등 인체 내 다양한 호르몬의 주요 전구체이다. 콜레스테롤의 주요 기능은 세포막 유동성을 조절하는 것이다.[26][51]
  • 스테로이드 (스테로이드 생성 참조): 스테로이드는 중요한 세포 신호 전달 분자 중 하나이다.[26][51]
  • 트리아실글리세롤 (지방) (지방 분해 및 지방 생성 참조): 트리아실글리세롤은 인체에서 주요 에너지 저장 형태이다.[1][29]
  • 지방산 (지방산 대사 참조): 지방산은 지질막 및 콜레스테롤 생합성에 사용되는 전구체 중 하나이다. 또한 에너지로 사용된다.
  • 담즙산: 담즙산은 간에서 분비되며 소장에서 지질 소화를 촉진한다.[27][52]
  • 에이코사노이드: 에이코사노이드는 신체 내 지방산으로 만들어지며 세포 신호 전달에 사용된다.[28][53]
  • 케톤체: 케톤체는 간에서 지방산으로 만들어진다. 그 기능은 기아 또는 낮은 음식 섭취 기간 동안 에너지를 생산하는 것이다.[6][34]

참조

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[2] 웹사이트 Hydrolysis – Chemistry Encyclopedia – structure, reaction, water, proteins, examples, salt, molecule http://www.chemistry[...] 2016-11-01
[3] 서적 Molecular biology https://archive.org/[...] Jones and Bartlett 1987
[4] 서적 Medical Biochemistry Saunders, Elsevier Limited 2014
[5] 논문 Insect fat body: energy, metabolism, and regulation 2010
[6] 서적 Lehninger Principles of Biochemistry https://archive.org/[...] Worth Publishers
[7] 웹사이트 Lipid Metabolism Summary http://chemistry.elm[...] Elmhurst College 2013
[8] 논문 Reviewed Work: Plant Lipid Biochemistry 1972-05
[9] 논문 Regulation of Lipid Metabolism and Beyond 2016
[10] 서적 Elsevier's Integrated Review Biochemistry Elsevier/Mosby 2012
[11] 서적 Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level Wiley 2013
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