Localisation du processus et devenir des acides gras
La β-oxydation est la voie catabolique de dégradation des acides gras supérieurs, qui se déroule dans presque toutes les cellules ayant besoin d'énergie. En cas de jeûne ou de besoin énergétique accru, les triacylglycérols des adipocytes sont hydrolysés et les acides gras libérés sont transportés par la circulation sanguine vers les tissus consommateurs.
En pénétrant dans la cellule, les acides gras se retrouvent d'abord dans le cytoplasme, tandis que les enzymes de la β-oxydation sont localisées dans la matrice mitochondriale. La membrane mitochondriale interne est imperméable aux acides gras à chaîne longue (14 atomes de carbone et plus) ; les acides gras à chaîne courte (jusqu'à 12 atomes de C) la traversent librement.
Activation et navette carnitine
Avant d'être transporté, l'acide gras doit être activé. La réaction est catalysée par l'acyl-CoA synthétase avec consommation d'ATP et fixation d'un coenzyme A ; le produit formé est l'acyl-CoA. Il est important de ne pas confondre l'acyl-CoA (résidu d'acide gras) et l'acétyl-CoA (fragment à deux atomes de carbone).
Le transfert du résidu acyle dans la matrice s'effectue en trois étapes :
- La carnitine palmitoyltransférase I (CPT I) située sur la membrane externe transfère le groupe acyle du CoA vers la carnitine (sur le groupe OH), formant l'acyl-carnitine.
- La translocase de la membrane interne transporte l'acyl-carnitine dans la matrice selon le gradient de concentration.
- La carnitine palmitoyltransférase II (CPT II) dans la matrice redonne le groupe acyle au coenzyme A matriciel ; la carnitine libre est ramenée dans l'espace intermembranaire.
β-oxydation des acides gras saturés
Le nom du processus vient du fait que les modifications chimiques touchent l'atome de carbone β (le deuxième à partir de l'extrémité carboxyle ; le premier étant α). Au cours d'un cycle, un fragment à deux atomes de carbone est détaché de l'acyl-CoA sous forme d'acétyl-CoA. Le cycle comprend quatre réactions successives :
- La déshydrogénation : l'acyl-CoA déshydrogénase crée une double liaison entre les carbones α et β ; le coenzyme FAD est réduit en FADH₂.
- L'hydratation : l'énoyl-CoA hydratase ajoute une molécule d'eau sur la double liaison : H sur le carbone α, OH sur le carbone β ; il se forme du β-hydroxyacyl-CoA.
- La déshydrogénation au niveau du carbone β : la β-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase oxyde le groupe OH en groupe céto ; le coenzyme NAD⁺ est réduit en NADH.
- Le clivage thiolytique : la β-cétoacyl-CoA thiolase, en présence d'une seconde molécule de coenzyme A, détache l'acétyl-CoA ; l'acyl-CoA raccourci de deux atomes de carbone entame un nouveau cycle.
Le processus est cyclique : l'acide palmitique (16 C) donne 8 molécules d'acétyl-CoA en 7 cycles. L'acétyl-CoA formé entre dans le cycle de Krebs (cycle des acides tricarboxyliques), tandis que le NADH et le FADH₂ rejoignent la chaîne respiratoire.
Oxydation des acides gras insaturés
Dans les acides gras insaturés naturels, les doubles liaisons ont une configuration cis, alors que l'énoyl-CoA hydratase n'agit que sur l'isomère trans. Lorsque l'oxydation atteint la position de la double liaison, une enzyme supplémentaire entre en jeu — l'énoyl-CoA isomérase —, qui convertit la liaison cis en configuration trans.
La double liaison étant déjà présente dans le substrat, la première réaction du cycle (déshydrogénation par le FAD) est sautée : le processus commence directement par l'hydratation. Après le franchissement de la double liaison, l'oxydation se poursuit selon le schéma standard à quatre réactions.
Oxydation des acides gras à nombre impair d'atomes de carbone
Lors de l'avant-dernier cycle de ces acides gras, il reste un résidu à cinq atomes de carbone ; après un nouveau clivage d'acétyl-CoA, il se forme à la fin un résidu à trois atomes de carbone, le propionyl-CoA. Son devenir ultérieur :
- La propionyl-CoA carboxylase (dont le coenzyme est la biotine) fixe du CO₂ pour former du D-méthylmalonyl-CoA.
- La méthylmalonyl-CoA épimérase convertit la forme D en L-méthylmalonyl-CoA.
- La méthylmalonyl-CoA mutase (dont le coenzyme est la vitamine B₁₂, ou cobalamine) réorganise la molécule en succinyle-CoA.
Le succinyle-CoA est un métabolite du cycle de Krebs, ce qui permet au résidu propionyle d'intégrer la voie générale du catabolisme et d'être utilisé pour la production d'énergie.
Points clés
- La β-oxydation se déroule dans la matrice mitochondriale et fournit de l'énergie à la cellule lors de la dégradation des acides gras.
- L'activation de l'acide gras en acyl-CoA est catalysée par l'acyl-CoA synthétase avec consommation d'ATP.
- Les acyl-CoA à chaîne longue sont transportés dans la matrice via la navette carnitine (CPT-I, translocase, CPT-II).
- Un cycle comprend une déshydrogénation (FAD), une hydratation, une déshydrogénation (NAD⁺) et un clivage thiolytique avec libération d'acétyl-CoA.
- Lors de l'oxydation des acides gras insaturés, l'énoyl-CoA isomérase convertit la liaison cis en trans, et la réaction impliquant le FAD est sautée.
- Les acides gras à nombre impair de carbones donnent du propionyl-CoA, qui est converti en succinyle-CoA par carboxylation et via une mutase dépendante de la vitamine B₁₂.
- Les produits finaux sont l'acétyl-CoA pour le cycle de Krebs, ainsi que le NADH et le FADH₂ pour la chaîne respiratoire.