Beta-Oxidation von Fettsäuren: gesättigte, ungesättigte und solche mit ungerader Kohlenstoffzahl

Analyse der Beta-Oxidation von Fettsäuren: Transport über den Carnitin-Shuttle, vier Reaktionen des Zyklus, Besonderheiten der Oxidation ungesättigter und ungeradzahliger Fettsäuren unter Bildung von Succinyl-CoA.

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Lokalisierung des Prozesses und Schicksal der Fettsäuren

Beta-Oxidation ist ein katabolischer Abbauweg höherer Fettsäuren, der in fast allen Zellen abläuft, die Energie benötigen. Bei Fasten oder erhöhtem Energiebedarf werden Triacylglycerole der Adipozyten hydrolysiert, und die freigesetzten Fettsäuren werden über den Blutstrom zu den Verbrauchergeweben transportiert.

In der Zelle angekommen, befinden sich die Fettsäuren zunächst im Cytoplasma, während die Enzyme der Beta-Oxidation in der mitochondrialen Matrix lokalisiert sind. Die innere mitochondriale Membran ist für langkettige Fettsäuren (ab 14 Kohlenstoffatomen) undurchlässig; kurzkettige (bis zu 12 C-Atome) passieren frei.

Aktivierung und Carnitin-Shuttle

Vor dem Transport muss die Fettsäure aktiviert werden. Die Reaktion wird durch die Acyl-CoA-Synthetase unter Verbrauch von ATP und Anfügung von Coenzym A katalysiert; das Produkt ist Acyl-CoA. Es ist wichtig, Acyl-CoA (Fettsäurerest) und Acetyl-CoA (Zweikohlenstofffragment) nicht zu verwechseln.

Der Transfer des Acylrests in die Matrix erfolgt in drei Schritten:

Beta-Oxidation gesättigter Fettsäuren

Der Name des Prozesses leitet sich davon ab, dass die chemischen Umwandlungen das β-Kohlenstoffatom betreffen (das zweite vom Carboxylende; das erste ist α). In einem Zyklus wird vom Acyl-CoA ein Zweikohlenstofffragment in Form von Acetyl-CoA abgespalten. Der Zyklus umfasst vier aufeinanderfolgende Reaktionen:

  1. Dehydrierung — Acyl-CoA-Dehydrogenase bildet eine Doppelbindung zwischen dem α- und β-Kohlenstoff; das Coenzym FAD wird zu FADH₂ reduziert.
  2. Hydratisierung — Enoyl-CoA-Hydratase lagert Wasser an die Doppelbindung an: H an das α-Kohlenstoffatom, OH an das β-Kohlenstoffatom; es entsteht β-Hydroxyacyl-CoA.
  3. Dehydrierung am β-Kohlenstoff — β-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert die OH-Gruppe zu einer Ketogruppe; das Coenzym NAD⁺ wird zu NADH reduziert.
  4. Thiolytische Spaltung — β-Ketoacyl-CoA-Thiolase spaltet unter Beteiligung eines zweiten Coenzym-A-Moleküls Acetyl-CoA ab; das um zwei Kohlenstoffatome verkürzte Acyl-CoA tritt in einen neuen Zyklus ein.

Der Prozess ist zyklisch: Palmitinsäure (16 C) liefert 8 Moleküle Acetyl-CoA in 7 Zyklen. Das entstehende Acetyl-CoA tritt in den Citratzyklus ein, während NADH und FADH₂ in die Atmungskette gelangen.

Oxidation ungesättigter Fettsäuren

In natürlichen ungesättigten Fettsäuren weisen die Doppelbindungen eine cis-Konfiguration auf, während die Enoyl-CoA-Hydratase nur mit dem trans-Isomer arbeitet. Beim Erreichen der Position der Doppelbindung durch die Oxidation wird ein zusätzliches Enzyme eingeschaltet — die Enoyl-CoA-Isomerase, die die cis-Bindung in die trans-Form überführt.

Da die Doppelbindung im Substrat bereits vorhanden ist, wird die erste Reaktion des Zyklus (Dehydrierung mit FAD) übersprungen: Der Prozess beginnt sofort mit der Hydratisierung. Nach dem Passieren der Doppelbindung verläuft die Oxidation nach dem Standard-Vier-Reaktionen-Schema.

Oxidation von Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffanzahl

Im vorletzten Zyklus verbleibt bei einer solchen Säure ein Fünfkohlenstoffrest; nach der nächsten Abspaltung von Acetyl-CoA entsteht am Ende ein dreikohlenziges Propionyl-CoA. Sein weiteres Schicksal:

Succinyl-CoA ist ein Metabolit des Krebs-Zyklus, weshalb der Propionylrest in den gemeinsamen Katabolismusweg eingeschleust und zur Energiegewinnung genutzt wird.

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