Beta-Oxidation von Fettsäuren
IMPP-Score: 1.4
Schritte und enzymatische Reaktionen der Beta-Oxidation von Fettsäuren
Die Beta-Oxidation ist ein zentraler Prozess im Stoffwechsel, durch den Fettsäuren in den Mitochondrien abgebaut werden, um Energie in Form von Acetyl-CoA zu liefern, das dann im Citratzyklus weiter verarbeitet wird. Der Prozess ist besonders wichtig im Hungerzustand oder bei low-carb Diäten, da dann vermehrt Fette als Energiequelle genutzt werden.
Überblick
Grafisch
Tabellarisch
| Schritt | Enzym | Reaktion | Bemerkung |
|---|---|---|---|
| Aktivierung der Fettsäuren | Acyl-CoA-Synthetase | Fettsäure + CoA -> Acyl-CoA | Erfordert ATP |
| Transport in die Mitochondrien | Carnitin-Palmitoyltransferase I und II | Acyl-CoA -> Acylcarnitin -> Acyl-CoA | Carnitinshuttle |
| Oxidation (1. Reaktion) | Acyl-CoA-Dehydrogenase | FAD -> FADH2, Trans-Doppelbindung | Trans-Enoyl-CoA |
| Hydratisierung (2. Reaktion) | Enoyl-CoA-Hydratase | Addition von H2O | L-3-Hydroxyacyl-CoA |
| Oxidation (2. Reaktion) | L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase | NAD+ -> NADH + H+ | 3-Ketoacyl-CoA |
| Thiolyse (4. Reaktion) | Thiolase | Acyl-CoA -> Acetyl-CoA + um 2 C kürzeres Acyl-CoA | Acetyl-CoA für Citratzyklus |
| Zyklische Natur und Energiegewinnung | NA | Jeder Zyklus produziert 1 Acetyl-CoA, FADH2 und NADH | Energie über Atmungskette |
1. Aktivierung der Fettsäuren
Das ganze Geschehen startet im Cytoplasma, wo die Fettsäuren zunächst aktiviert werden müssen. Dies geschieht durch die Bindung der Fettsäure an Coenzym A (CoA), katalysiert durch die Acyl-CoA-Synthetase. Dabei entsteht Acyl-CoA. Dieser Schritt erfordert Energie, welche durch das Spalten von ATP zu AMP und zwei anorganischen Phosphaten (Pyrophosphat) bereitgestellt wird.
2. Transport in die Mitochondrien
Acyl-CoA kann die mitochondriale Membran nicht direkt überqueren. Hier kommt der Carnitinshuttle ins Spiel: Acyl-CoA wird zunächst in Acylcarnitin umgewandelt (durch die Enzyme Carnitin-Palmitoyltransferase I und II), welches dann durch die innere mitochondriale Membran transportiert und auf der anderen Seite wieder in Acyl-CoA zurückverwandelt wird.
3. Die vier Schritte der Beta-Oxidation im Mitochondrium
Im mitochondrialen Matrixraum angekommen, durchläuft das Acyl-CoA eine Serie von Reaktionen, die es abbauen und dabei Energie freisetzen:
3.1. Oxidation (1. Reaktion)
Die erste Reaktion ist eine Oxidation, katalysiert durch das Enzym Acyl-CoA-Dehydrogenase. Dabei wird FAD zu FADH2 reduziert und eine Trans-Doppelbindung zwischen dem Alpha- und Beta-Kohlenstoffatom der Fettsäurekette eingeführt, was trans-Enoyl-CoA ergibt.
3.2. Hydratisierung (2. Reaktion)
Das so gebildete trans-Enoyl-CoA wird durch die Enoyl-CoA-Hydratase hydriert, d.h. es wird ein Wassermolekül an die Doppelbindung addiert. Hieraus resultiert L-3-Hydroxyacyl-CoA.
3.3. Oxidation (2. Reaktion)
Das L-3-Hydroxyacyl-CoA wird durch das Enzym L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase unter Verbrauch von NAD+ zu 3-Ketoacyl-CoA oxidiert, wobei NADH + H+ entsteht.
3.4. Thiolyse (4. Reaktion)
In der letzten Reaktion, der Thiolyse, wirkt das Enzym Thiolase, das 3-Ketoacyl-CoA in ein um zwei C-Atome kürzeres Acyl-CoA und Acetyl-CoA spaltet. Acetyl-CoA kann anschließend in den Citratzyklus eingeschleust werden.
Zyklische Natur und Energiegewinnung
Jeder Zyklus verkürzt die Fettsäure um zwei Kohlenstoffatome, d.h. es entsteht jeweils ein Molekül Acetyl-CoA pro Durchlauf. Die Energie aus diesem Prozess wird allerdings nicht direkt als ATP, sondern indirekt über die Atmungskette gewonnen, da die während der Reaktionen gebildeten FADH2 und NADH dort reoxidiert werden.
Es ist essenziell, dass du die speziellen Enzyme und die von ihnen katalysierten Reaktionen verinnerlichst, da das IMPP gerne nach den Details der molekularen Mechanismen der Beta-Oxidation fragt.
Bedeutung von Acetyl-CoA im Energiestoffwechsel
Acetyl-CoA ist ein Schlüsselmolekül im Stoffwechsel, welches eine zentrale Schnittstelle zwischen verschiedenen Stoffwechselwegen bildet, insbesondere bei der Beta-Oxidation von Fettsäuren.
Entstehung und Rolle von Acetyl-CoA in der Beta-Oxidation
Beim Abbau von Fettsäuren im Mitochondrium, einem Prozess der als Beta-Oxidation bekannt ist, wird Acetyl-CoA als eines der Endprodukte generiert. Die Beta-Oxidation, die in der mitochondrialen Matrix stattfindet, beginnt typischerweise mit der Aktivierung einer Fettsäure zu Acyl-CoA. Durch eine Reihe von Reaktionen, katalysiert von spezifischen Enzymen, wird die Fettsäure schrittweise abgebaut, wobei in jedem Zyklus ein Acetyl-CoA abgespalten wird. Dieses Acetyl-CoA ist ein wichtiges Zwischenprodukt, das weiter in den Citratzyklus eingeht.
Acetyl-CoA im Citratzyklus und der Atmungskette
Im Citratzyklus wird Acetyl-CoA zur Erzeugung von weiteren Energiemolekülen wie ATP verwendet. Die Hauptrolle von Acetyl-CoA im Citratzyklus liegt darin, den Zyklus zu speisen und durch mehrere chemische Umwandlungen, Mitwirkung von NADH und FADH2 an der Erzeugung von ATP in der Atmungskette beizutragen.
Das IMPP prüft oft die Verknüpfungen von Acetyl-CoA mit dem Citratzyklus und der Atmungskette sowie die ATP-Produktion daraus. Verinnerliche gut die Rolle von Acetyl-CoA in diesen Prozessen!
Acetyl-CoA und die Synthese von Ketonkörpern
In Zeiten des erhöhten Energiebedarfs oder bei Kohlenhydratmangel kann Acetyl-CoA auch zur Synthese von Ketonkörpern verwendet werden. Diese Ketonkörper dienen als alternative Energiequelle, besonders für das Gehirn, wenn Glucose begrenzt verfügbar ist.
Nichtumwandelbarkeit von Acetyl-CoA zu Glucose
Ein weiteres wichtiges Konzept ist die Tatsache, dass Acetyl-CoA in Säugetierzellen nicht zurück in Glucose umgewandelt werden kann. Dies liegt an der Irreversibilität des Pyruvat-Dehydrogenase-Schritts, bei dem Pyruvat zu Acetyl-CoA umgewandelt wird. Dies bedeutet, dass einmal verbrauchtes Acetyl-CoA nicht mehr zur Glucose-Produktion genutzt werden kann.
Spezialfall: Ungeradzahlige Fettsäuren
Bei der Beta-Oxidation ungeradzahliger Fettsäuren wird Propionyl-CoA gebildet, das in einem speziellen Weg in Succinyl-CoA umgewandelt wird, welches dann in den Citratzyklus eingespeist oder für die Gluconeogenese genutzt werden kann.
Es ist essentiell zu verstehen, dass Propionyl-CoA aus ungeradzahligen Fettsäuren in der Gluconeogenese verwendet werden kann, was bei Acetyl-CoA nicht der Fall ist.
Verbindung zwischen Beta-Oxidation, Citratzyklus und Atmungskette
Die Erzeugung von ATP findet letztendlich durch die Reoxidation von NADH und FADH2 in der Atmungskette statt, die durch den Abbau von Acetyl-CoA im Citratzyklus erhalten wurden. Dies verdeutlicht wiederum die zentrale Rolle von Acetyl-CoA im gesamten Energie-produzierenden Stoffwechsel.
Zusammenfassung
Feedback
Melde uns Fehler und Verbesserungsvorschläge zur aktuellen Seite über dieses Formular. Vielen Dank ❤️
Footnotes
Credits Überblick über die Beta-Oxidation. Grafik: Abatra21, Beta oxidation Anindita, CC BY-SA 4.0↩︎
