| Übergeordnet |
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| Fettsäureoxidation |
| Untergeordnet |
| viaAcyl-CoA-Dehydrogenase via Acyl-CoA-Oxidase |
| Gene Ontology |
| QuickGO |
Alsβ-Oxidation bezeichnet man den biochemischen Abbaumechanismus derFettsäuren. Die Bezeichnung bezieht sich auf die am β-C-Atom der Fettsäure stattfindendenOxidationen. Die β-Oxidation wurde früher auch alsFettsäurespirale bezeichnet.
Die β-Oxidation wurde schon 1904 vonFranz Knoop in Freiburg entdeckt. Erst 50 Jahre später indes wurde der genaue Mechanismus dieses Stoffwechselweges aufgeklärt. Die β-Oxidation erfolgt bei tierischen Zellen größtenteils in denMitochondrien, bei pflanzlichen Zellen in denGlyoxysomen.
An der β-Oxidation sind Proteine der folgenden Gene beteiligt:CPT1A,CPT1B,CPT1C,CPT2,HSD17B4,ECH1,HADHA,HADHB,ECHS1,EHHADH,ECI1,HADH,CROT.[1]
Bevor die eigentliche β-Oxidation beginnen kann, müssen die sonst sehr reaktionsträgen Fettsäuren zunächst imZytosol „aktiviert“ und anschließend vom Zytosol in die Matrix der Mitochondrien transportiert werden, wo die β-Oxidation stattfindet.
Ziel der Aktivierung ist die Bildung vonAcyl-CoA durch Übertragung der Fettsäure auf Coenzym A. Hierbei entsteht eine energiereicheThioesterbindung, die die weiteren Reaktionsschritte ermöglicht.Im ersten Schritt wird dazuATP zuPyrophosphat undAMP gespalten, das direkt zur Bildung von Acyl-AMP (auch: Acyl-Adenylat) genutzt wird. Parallel zur Spaltung des Pyrophosphats in einfaches Phosphat durch eine Pyrophosphatase kann die Fettsäure unter Abspaltung des AMP durch die frei werdende Energie mit Coenzym A verestert werden.Die so aktivierte Form der Fettsäure nennt man Acyl-CoA. Beide Reaktionen werden von einerFettsäure-CoA-Ligase katalysiert.
Danach wird die Acylgruppe unter Abspaltung des Coenzym A durch das Enzym Carnitin-Acyltransferase I aufCarnitin übertragen und aktiv in die Matrix der Mitochondrien transportiert. Dieser Vorgang wird durch denCarnitin-Acylcarnitin-Transporter (CACT) katalysiert, der im Antiport Acyl-Carnitin in die mitochondriale Matrix hinein und gleichzeitig Carnitin heraus befördert. In der Matrix wird der Acylrest durch dieCarnitin-Acyltransferase II von Carnitin abgelöst und zurück auf Coenzym A übertragen. Während die aktivierte Fettsäure nun dem Abbau zur Verfügung steht, wird das Carnitin durch den CACT wieder ins Zytosol exportiert. Die Acyl-CoA-Aktivierung ist nicht reversibel: eine aktivierte Fettsäure wird abgebaut.
Je nach Art der Fettsäure (Anzahl der C-Atome, Lage und Konfiguration etwaiger Doppelbindungen) kann sich der Ablauf des Abbaus von dem der geradzahligen, gesättigten Fettsäuren unterscheiden, da gegebenenfalls zusätzliche Reaktionen notwendig sind, um geeignete Substrate für die Enzyme der β-Oxidation zu schaffen oder weil andere Reaktionsprodukte als Acetyl-CoA anfallen.
Der eigentliche Abbau kann in vier aufeinander folgende Schritte unterteilt werden:
Der Abbauungeradzahliger Fettsäuren unterscheidet sich von dem der geradzahligen dadurch, dass zum Schluss nicht Acetyl-CoA, sondernPropionyl-CoA übrig bleibt. Dieses wird nun in mehreren Schritten zuSuccinyl-CoA, einem Metaboliten desCitrat-Zyklus, umgebaut.
Dazu wird das Propionyl-CoA zunächst unter Spaltung eines ATP am α-C-Atomcarboxyliert. Katalysiert wird diese Reaktion durch diePropionyl-CoA-Carboxylase, die als CofaktorBiotin (Vitamin B7) enthält. Es entsteht(S)-Methylmalonyl-CoA, das im nächsten Schritt durch die Methylmalonyl-CoA-Racemase in (R)-Methylmalonyl-CoA umgewandelt wird. Zuletzt wird die Carboxygruppe durch dieMethylmalonyl-CoA-Mutase,Vitamin-B12-abhängig, vom α-C-Atom auf das Kohlenstoffatom der Methylgruppe übertragen, wodurch Succinyl-CoA gebildet wird, das dem Citrat-Zyklus zugeführt werden kann.
Da die meisten Doppelbindungen der natürlich vorkommenden ungesättigten Fettsäuren eine cis-Konfiguration aufweisen, die Enzyme der β-Oxidation aber nur Substrate in trans-Konfiguration akzeptieren, müssen diese zunächst durch spezifische Isomerasen umgewandelt werden.Ein weiteres Problem stellen konjugierte Doppelbindungen (-CH=CH-CH=CH-) dar. Diese müssen so reduziert werden, dass nur noch eine Doppelbindung (-CH2-CH=CH-CH2-) bestehen bleibt, um von den Enzymen erkannt zu werden.
Das bei der β-Oxidation gebildete Acetyl-CoA kann entweder im Citrat-Zyklus weiter abgebaut, oder zur Synthese vonKetokörpern genutzt werden.Im Falle des Abbaus entstehen pro Runde der β-Oxidation ein FADH2 und ein NADH + H+, die über die Atmungskette 1,5 bzw. 2,5 ATP liefern. Jedes Acetyl-CoA, das über den Citrat-Zyklus abgebaut wird, ermöglicht zusätzlich die Synthese von 10 ATP.So können beim vollständigen Abbau eines MolekülsPalmitinsäure beispielsweise 106 Moleküle ATP gebildet werden: Palmitinsäure enthält 16 Kohlenstoffatome und wird daher zu insgesamt acht Acetyl-CoA abgebaut, wobei je sieben Moleküle FADH2 und NADH + H+ gebildet werden, da der Zyklus sieben Mal durchlaufen wird. Da zur Aktivierung der Fettsäure im Cytosol jedoch ein ATP unter Hydrolyse von zwei energiereichen Verbindungen zu AMP gespalten wurde, ergibt sich netto: 7 × 4 + 8 × 10 - 2 = 106 ATP. Im Vergleich dazu entstehen beim vollständigen Abbau von einem Molekül Glucose nur 32 Moleküle ATP.
Fettsäuren werden nicht nur in den Mitochondrien abgebaut. Bei Pflanzen und Hefen erfolgt beispielsweise der Abbau von Fettsäuren ausschließlich in den Glyoxysomen bzw.Peroxisomen.[2] Beim Menschen werden sehr langkettige Fettsäuren (mindestens 22-C-Atome) zunächst in den Peroxisomen zu kürzerkettigen Produkten abgebaut. Auch längerkettige, seltene Fettsäuren (26 bis 28 Kohlenstoffatome mit mehreren Doppelbindungen) werden durch Peroxisomen von Gehirnzellen metabolisiert.[3] Diese verkürzten Fettsäuren können dann durch die mitochondriale β-Oxidation wie oben beschrieben metabolisiert werden.
Für den Transport langkettiger Fettsäuren in das Peroxisom des Menschen wird statt Carnitin das ALD-Protein genutzt. Falls dieses einen Defekt trägt, führt dies zur Ausprägung einer Krankheit, derX-Adrenoleukodystrophie.[4][5]
Der Abbau der Fettsäuren in Peroxisomen hat gewisse Besonderheiten:[2] So oxidiert das erste Enzym die durch Coenzym A-aktivierte Fettsäure direkt mittels Sauerstoff. Dabei entsteht eintrans-Δ2-Enoyl-CoA undWasserstoffperoxid (H2O2). Diese Reaktion wird von einer Acyl-CoA-Oxidase (EC 1.3.3.6) katalysiert und umgeht das Übertragen der Elektronen auf FAD (vgl. oben). H2O2 wird durch eineKatalase zu Sauerstoff und Wasser disproportioniert. Außerdem sind die Aktivitäten der beiden folgenden Enzyme (Enoyl-CoA-Hydratase;L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase) ineinem multifunktionalen Enzym vereinigt. Schließlich spaltet die peroxisomale Thiolase nicht Fettsäuren, deren Kettenlänge kürzer als acht C-Atome ist.
Die Umkehrung der β-Oxidation findet in der Natur nicht statt, obwohl es keinen grundsätzlichen Hinderungsgrund gibt. Diese Umkehrung wäre sogar effizienter als die normaleFettsäuresynthese und könnte, in den geeigneten Mikroorganismen realisiert, Biokraftstoffe und Rohstoffe effizient produzieren. Im ModellorganismusE. coli gelang dies 2011 der Rice-Universität in Houston und stellt ein Beispiel für erfolgreichesBioengineering dar. Dazu mussten 1. Teilwege für kürzere und längere Ketten dereguliert und zusammengesetzt werden; 2. die konkurrierende Glucosefermentation ausgeschaltet werden; 3. terminierende Enzyme für die gewünschten Produkte (Acyl-CoA-Reductase, Aldehyd-/Alkoholdehydrogenase, Thioesterase) eingefügt/überexprimiert werden und 4. initiierende Enzyme (Thiolasen) für die gewünschten Edukte hinzugefügt werden.[6]
