β-Oxidation
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Als β-Oxidation bezeichnet man den biochemischen Abbaumechanismus der Fettsäuren. Die Bezeichnung bezieht sich auf die ersten drei Reaktionsschritte, bei denen eine Oxidation am Beta-C-Atom (Cβ) stattfindet.
Die β-Oxidation wurde schon 1904 von Franz Knoop in Freiburg entdeckt. Erst 50 Jahre später indes wurde der genaue Mechanismus dieses Stoffwechselweges aufgeklärt. Die β-Oxidation erfolgt bei tierischen Zellen in den Mitochondrien, bei pflanzlichen Zellen in den Glyoxysomen.
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[Bearbeiten] Schrittweiser Abbau
Der Abbau der Fettsäuren erfolgt, wie auch der Aufbau, schrittweise. Dies geschieht in einer sich wiederholenden Abfolge von 4 Einzelreaktionen.
[Bearbeiten] Aktivierung
Bevor die β-Oxidation stattfinden kann, muss die abzubauende Fettsäure zunächst an das Coenzym A gebunden werden, dies geschieht im Cytoplasma. Im ersten Schritt der Aktivierung wird ATP zu AMP und Pyrophosphat gespalten, welches durch eine Pyrophosphatase weiter in Orthophosphat gespalten wird. AMP reagiert im darauf folgenden Schritt mit der Fettsäure zu Acyl-Adenylat. Im weiteren Reaktionsschritt kann die Fettsäure unter Abspaltung des AMP durch die frei werdende Energie mit dem Coenzym A verestert werden. Die so aktivierte Form der Fettsäure nennt man Acyl-CoA. Beide Reaktionen werden von einer von mehreren Fettsäure-CoA-Ligasen katalysiert.
Die folgenden Reaktionen finden in der Mitochondrienmatrix statt. Langkettige Fettsäuren können nicht selbstständig vom Cytoplasma durch die Mitochondrienmembranen diffundieren und werden daher, an Carnitin gebunden, in Form von Acyl-Carnitin, dorthin transportiert.
[Bearbeiten] Abbau an der inneren Mitochondrienmembran
Nun beginnt der eigentliche Abbau:
- 1)
- An dem Acyl-CoA wird durch das Enzym Acyl-CoA-Dehydrogenase zwischen Kohlenstoffatom 2 (Cα) und 3 (Cβ) eine trans-Doppelbindung geknüpft. Dabei wird ein FAD zu FADH2 reduziert.
- 2)
- Durch die Enoyl-CoA-Hydratase wird stereospezifisch Wasser an die neu entstandene Doppelbindung addiert. Es entsteht hierdurch L-3-Hydroxyacyl-CoA (auch: L-β-Hydroxyacyl-CoA).
- 3)
- In der nächsten Reaktion wird die C3-Hydroxylgruppe durch L-3-Hydroxylacyl-CoA-Dehydrogenase (auch: β-Hydroxylacyl-CoA-Dehydrogenase) zu einer Ketofunktion oxidiert. Dabei wird ein NAD+ zu NADH + H+ reduziert. Dieser Schritt ist der namensgebende für den gesamten Mechanismus.
- 4)
- Unter Aufnahme eines Coenzym A spaltet das Enzym Thiolase Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) ab, und ein um zwei Kohlenstoffatome verkürztes Fettsäuremolekül (in Form von Acyl-CoA) bleibt zurück, welches wieder dem ersten Schritt zugeführt werden kann.
- Diese Reaktionsabfolge wiederholt sich so lange, bis zum Schluss zwei Acetyl-CoA übrigbleiben.
Das gebildete Acetyl-CoA kann zum weiteren Abbau in den Citrat-Zyklus einfließen oder zur Synthese von Ketokörpern dienen. FADH2 und NADH/H+ werden der Atmungskette zugeführt. Dort können daraus, durch Elektronentransportphosphorylierung, ATP regeneriert werden (1,5 im Fall von FADH2 und 2,5 aus NADH/H+).
Der Abbau von Fettsäuren ist eine Reaktionsfolge, bei der sehr viel für den Körper nutzbare Energie frei wird. Bei einem vollständigem Abbau von einem Molekül Palmitat (durch β-Oxidation, Citrat-Zyklus und Atmungskette) werden etwa 98 bis 106 Moleküle ATP gebildet. Im Vergleich dazu entstehen bei dem Abbau von einem Molekül Glucose im statistischen Mittel nur etwa 30 Moleküle ATP.
Mittels der „normalen“ β-Oxidation lassen sich nur gesättigte Fettsäuren abbauen. Zum Abbau ungesättigter Fettsäuren sind weiterhin die Enzyme cis-Δ3-Enoyl-CoA-Isomerase und 2,4 Dienoyl-CoA-Reduktase vonnöten. Ein Sonderfall stellt die α-Oxidation dar, über die Phytansäure in Säugetieren abgebaut werden kann.
[Bearbeiten] β-Oxidation in anderen Organellen
Fettsäuren werden nicht nur in den Mitochondrien abgebaut. Bei Pflanzen und Hefen erfolgt beispielsweise der Abbau von Fettsäuren ausschließlich in den Glyoxysomen bzw. Peroxisomen.[1] Beim Menschen werden sehr langkettige Fettsäuren (mindestens 22-C-Atome) zunächst in den Peroxiosmen zur kürzerkettigen Produkten abgebaut. Diese verkürzten Fettsäuren können dann durch die mitochondriale β-Oxidation wie oben beschrieben metabolisiert werden.
Für den Transport langkettiger Fettsäuren in das Peroxisom des Menschens wird statt Carnitin das ALD-Protein genutzt. Falls dieses einen Defekt trägt, führt dies zur Ausprägung einer Krankheit, der X-Adrenoleukodystrophie.[2][3]
Der Abbau der Fettsäuren in Peroxisomen hat gewisse Besonderheiten:[1] So oxidiert das erste Enyzm die durch Coenzym A-aktivierte Fettsäure direkt mittels Sauerstoffes. Dabei entsteht ein trans-Δ2-Enoyl-CoA und Wasserstoffperoxid (H2O2). Diese Reaktion wird von einer Acyl-CoA-Oxidase (EC 1.3.3.6) katalyisiert und umgeht das Übertragen der Elektronen auf FAD (vgl. oben). H2O2 wird durch eine Katalase zu Sauerstoff und Wasser disproportioniert. Außerdem sind die Aktivitäten der beiden folgenden Enzyme (Enoyl-CoA-Hydratase; L-3-Hydroxylacyl-CoA-Dehydrogenase) in einem multifunktionalen Enzym vereinigt. Schließlich spaltet die peroxisomale Thiolase nicht Fettsäuren, deren Kettenlänge kürzer als acht C-Atome ist.
[Bearbeiten] Einzelnachweise
- ↑ a b Donald Voet (Autor), Judith G. Voet: Biochemistry. Wiley & Sons; 3. Auflage 2004; ISBN 978-0471193500; S. 927
- ↑ Kemp, S. und Wanders, RJ. (2007): X-linked adrenoleukodystrophy: very long-chain fatty acid metabolism, ABC half-transporters and the complicated route to treatment. In: Mol Genet Metab. 90(3); 268–276; PMID 17092750; doi:10.1016/j.ymgme.2006.10.001
- ↑ Moser, HW. et al. (2007): X-linked adrenoleukodystrophy. In: Nat Clin Pract Neurol. 3(3); 140–151; PMID 17342190; doi:10.1038/ncpneuro0421
[Bearbeiten] Literatur
- Biochemie, Berg/Tymoczko/Stryer, 5. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag GmbH Heidelberg 2003, ISBN 3827413036
