4.4 Grundzüge des Fettstoffwechsels
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Grundzüge des Fettstoffwechsels 4.4 Grundzüge des Fettstoffwechsels 4.4.1 Fettsäuren und Fette Klassifizierung der Lipide • Die Klasse der Lipide lässt sich unterteilen in – Nicht verseifbare Lipide • Isoprenderivate – Terpene – Sterine (z.B. Cholesterin) • Langkettige Carbonsäuren (Fettsäuren) – Verseifbare Lipide (Ester; Unterscheidung nach Alkohol) • • • • • Fette (Glycerin) Wachse (langkettiger Alkohol) Phosphoglyceride (Glycerin-3-Phoshat) Sphingolipide (Sphingosin) Cholesterolester (Cholesterin) Funktionen der Lipide • Langzeitspeicher für Energie – Fette (Triglyceride als Langzeitspeicher) • Schutz von Oberflächen – Wachse bei Pflanzen • Baumaterial für Biomembranen – Phospholipide – Glucolipide • Botenstoffe – Eicosanoide (Prostaglandine, Leukotriene) – Diacylglycerin – Sphingolipide • Lipophile Anker für Proteine in Biomembranen – Myristin-, Palmitinsäurerest, Prenylrest Fette • Fette sind Ester aus Glycerin und langkettigen Carbonsäuren (Fettsäuren) • Abhängig vom Veresterungsgrad des Glycerols unterscheidet man – Triacylglycerine (Triglyceride; Neutralfette) – Diacylglycerine – Monoacylglycerine • Die unveresterten Hydroxygruppen können auch andere Reste tragen (z.B. Glycosid- oder Phosphat-Reste). In diesem Fall spricht man von den sog. Fettähnlichen Stoffen (Lipoide) Triacylglycerine (TAG´s) • TAG´s dienen dem Organismus als Reservestoffe. Sie sind energiereichere Verbindungen als etwa Kohlenhydrate oder Proteine. (weil Proteine und Kohlenhydrate wesentlich mehr Sauerstofffunktionen enthalten als Fette mit ihren zahlreichen Methylengruppen → Oxidierbarkeit von Kohlenhydraten und Proteinen ist schneller erschöpft als die der Fette) • TAG´s übernehmen darüberhinaus weitere Funktionen bei der – Isolierung – Stossdämpfung Vorkommen von Triacylglycerinen • überwiegend im Zytosol von Adipozyten (Fettgewebszellen) • Unterhautfettgewebe: Kälteschutz • Baufett: in der Orbita und Fußsohle • Organfett: in der Nierenkapsel Stoffwechsel der Triacylglycerine Gastrointestinal-Trakt Verdauung und Resorption Leber Lipogenese Lipolyse Fettsäurebiosynthese β-Oxidation Blut Transport mittels der Lipoproteine Extrahepatische Gewebe (Bsp.: Adipocyten) Lipogenese Lipolyse Fettsäurebiosynthese β-Oxidation Aufnahme von TAG´s mit der Nahrung • Triacylglycerine sind sehr apolar und daher nicht membrangängig • Für ihren Transport durch Membranen werden sie enzymatisch in ihre Bestandteile zerlegt (hydrolytische Spaltung durch Lipasen) • Der eigentliche Transport erfolgt hauptsächlich mittels Transportproteine, die freie Diffusion spielt nur eine untergeordnete Rolle • Nach dem Transport erfolgt eine Resynthese der Triacylglycerine im Cytosol der Mucosazelle, anschließend werden sie an Apolipoproteine gekoppelt und als Chylomikronen in die Lymphe sezerniert • Die Chylomikronen gelangen zur Leber, dort werden die TAG´s primär verstoffwechselt und in Form von VLDL über die Blutbahn an verschiedene Zielgewebe „verschickt“ Lipolyse (Abbau der TAG´s) • Triacylglycerine kommen aufgrund ihrer EnergiespeicherFunktion in nahezu allen Geweben vor. • Die größte Menge liegt im spezialisierten Fettgewebe vor. • Im Falle von Nahrungskarenz werden die intrazellulären Triacylglycerine durch Lipolyse unter Katalyse der intrazellulären Lipasen hydrolytisch zu Fettsäuren und Glycerin gespalten. • Glycerin kann in Kohlenhydratstoffwechsel einbezogen werden: Umwandlung zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (auch Zwischenprodukt der Glykolyse und Gluconeogenese → Umwandlung in Pyruvat oder Glucose möglich) • Die Fettsäuren werden im Zuge der β-Oxidation zu C2Einheiten abgebaut und gehen in den Citratzyklus ein Lipogenese (TriacylglycerinBiosynthese) • Substrate für die Lipogenese sind aktivierte Fettsäuren und aktiviertes Glycerin (αGlycerophosphat). • Enzyme sind in der Membran des endoplasmatischen Reticulums lokalisiert. • Die Lipogenese läuft in vier Schritten ab: Erste und zweite Acylierung • Acyl-CoA reagiert mit αGlycerophosphat zu Lysophosphatidat – Enzym: GlycerophosphatAcyltransferase • Ein weiteres Acyl-CoA reagiert mit Lysophophatidat zu Phosphatidat – Enzym: LysophosphatidatAcyltransferase Abspaltung von Phosphat • Im nächsten Schritt wird aus Phosphatidat durch Phosphat-Abspaltung Diacylglycerin. – Enzym: PhosphatidatPhosphohydrolase Dritte Acylierung • Durch Reaktion mit einem weiteren Acyl-CoA entsteht das Triacylglycerin. – Enzym: DiacylglycerinAcyltransferase Übersicht: Lipogenese Aktivierung der Fettsäuren • Fettsäuren sind relativ reaktionsträge Verbindungen • Für den Eintritt in den Stoffwechsel müssen sie mit Coenzym A über eine Thioester-Verbindung aktiviert. • Katalyse durch Acyl-CoA-Synthetase • Die Reaktion verläuft zweistufig: • Dabei wird das entstandene Pyrophosphat gespalten und somit das Gleichgewicht zu Gunsten des Acyl-CoA´s verschoben. • Die Aktivierung findet im Cytosol statt Abbau der Fettsäuren • Der größte Teil der Fettsäuren wird über die βOxidation in Substrate für den Glucosestoffwechsel bzw. den Zitratzyklus abgebaut. • In geringem Umfang können Fettsäuren allerdings auch durch α-Oxidation abgebaut werden. Diese wird durch eine Fettsäure-Peroxidase und eine FettsäureDehydrogenase katalysiert: – 1. Fettsäure wird decarboxyliert → um ein C-Atom verkürzter Aldehyd – 2. Oxidation des Aldehyds zur Fettsäure, u. U. auch zum Alkohol Carnitin-Acylcarnitin-Transport • Die vollständige β-Oxidation findet ausschließlich in der mitochondrialen Matrix statt. Die Aktivierung der Fettsäuren findet im Cytosol der Zelle statt. Problem des Transportes von AcylCoA durch die mitochondrialen Membranen. • Äußere Mitochondrienmembran: Es stehen entsprechende Poren zur Verfügung. • Innere Mitochondrienmembran: Spezifischer Transportmechanismus Carnitintransport β-Oxidation • Die β-Oxidation der Fettsäuren umfasst pro Zyklus vier enzymatische Schritte: – – – – die erste Oxidation die Hydratisierung die zweite Oxidation Die thiolytische Abspaltung von Acteyl-CoA vom β-C-Atom. • Die findet in der mitochondrialen Matrix und in Peroxisomen (bei Pflanzen auch in den Glyoxisomen) statt • In den Peroxisomen finden meist nur wenige Zyklen statt Kettenverkürzung 1. Dehydrierung (erste Oxidation) • Acyl-CoA wird durch Acetyl-CoADehydrogenase zu Enoyl-CoA dehydriert • Es entsteht eine transDoppelbindung 2. Hydratisierung • Unter Katalyse durch die Enoyl-CoA-Hydratase lagert sich H2O an das Enoyl-CoA, somit wird die Doppelbindung zwischen C2 und C3 aufgelöst und es entsteht L-βHydroxyacyl-CoA mit einem asymmetrischen C-Atom in β-Position 3. Dehydrierung (zweite Oxidation) • Oxidation der βständigen Hydroxygruppe zum Keton durch die L-βHydroxyacylDehydrogenase. • Das Produkt ist βKetoacyl-CoA 4. Thiolyse • Durch die 3Ketothiolase wird βKetoacyl-CoA zu Acetyl-CoA und dem um zwei C-Atome verkürzten Acyl-CoA gespalten. Ausbeute der β-Oxidation • pro Durchlauf wird jeweils ein Molekül FADH2 und ein NADH/H+ generiert, die an die Atmungskette abgegeben werden und tragen dort zur Energiegewinnung in Form von ATP bei • zusätzlich erhält man ein Acetyl-CoA das an den Zitratzyklus weitergereicht wird • und eine um 2-C-Atome verkürzte aktivierte Fettsäurekette Ende der β-Oxidation • Geradzahlige Fettsäuren: – Der Zyklus wiederholt sich bis die FS vollständig zu Acetyl-CoA aufgespalten ist • Ungeradzahlige Fettsäuren: – Der Zyklus wiederholt sich, bis im letzten Durchlauf Propionyl-CoA entsteht. Dieses wird enzymatisch in Syccinyl-CoA umgewandelt, welches in den Citratzyklus eingespeist wird. • Ungesättigte Fettsäuren: – In der Regel liegen natürlich vorkommende ungesättigte Fettsäuren in der cis-Konformation vor. Abhängig von der Position der Doppelbindung werden die ungesättigten Fettsäuren unter Katalyse zweier zusätzlicher Enzyme so umstrukturiert, dass die regulären Enzyme der β-Oxidation ab der Enoyl-CoA-Hydratase den weiteren Abbau übernehmen können Biosynthese gesättigter Fettsäuren • In nahezu allen Zellen des Organismus können Fettsäuren aus Acetyl-CoA synthetisiert werden. (Wichtig für Membransynthese!!) • Fettsäurebiosynthese ist keine Umkehr der β-Oxidation: – Fettsäurebiosynthese ist im Cytosol lokalisiert (bei Pflanzen auch in den Chloroplasten) – Für die Fettsäurebiosynthese ist bei Eukaryonten ein dimerer Multienzymkomplex, die Fettsäuresynthase, notwendig – Substrat für die Elongation ist Malonyl-CoA – Das notwendige Reduktionsäquivalent ist NADPH/H+ • Man unterscheidet die de-novo-Synthese von der Kettenelongation. Citrat-Shuttle • Pyruvatdecarboxylierung zu AcetylCoA: in Mitochondrien → Acetyl-CoA muss ins Cytoplasma zur Fettsäuresynthese gelangen – Acetylgruppe des in den Mitochondrien gebildeten Acetyl-CoA kann nicht durch die Mitochondrienmembran ins Cytoplasma gelangen • • Kondensation von Oxalacetat und Acetyl-CoA zu Citrat, dieses kann aus den Mitochondrien über spezielle Transporter ins Cytoplasma ausgeschleust werden, dort wieder Übertragung auf cytoplasmatisches CoA → Rückbildung von Oxalacetat Citrat + Carrierprotein ist also der Überträger von Acetylgruppen aus den Mitochondrien ins Cytoplasma Besonderheiten der eukaryotischen Fettsäuresynthase • • • Die Fettsäuresynthase bei Tieren ist ein Multienzymkomplex (Pflanzen & Tiere: Einzelne Proteine) Sie liegt als Dimer vor. Jedes Monomer der Fettsäuresynthase trägt im Zentrum ein sog. ACP (AcylCarrier-Protein) mit einer zentralen und einer peripheren SulfhydrylGruppe. – Die zentrale SH-Gruppe gehört zu einem an das Protein geknüpften 4´Phosphopanthetein – Die periphere SH-Gruppe gehört zu einem Cysteinylrest • Um das ACP lagern die katalytischen Domänen der Fettsäuresynthase Substrate für die Fettsäuresynthase • Acteyl-CoA – Ein einziges Molekül dient als Starter-Molekül • Malonyl-CoA – Für die Kettenverlängerung wird Malonyl-CoA benötigt. – Es entsteht unter ATP-Verbrauch aus Acteyl-CoA und CO2 ( Regulation) – Die Carboxylierung ist abhängig von Biotin und verläuft über das Carboxybiotin Ablauf der Fettsäurebiosynthese • Pro Zyklus wird die Fettsäure um eine C2Einheit verlängert • Der Prozess wird fortgesetzt, bis Fettsäuren mit Kettenlängen von 16 oder 18 C-Atomen entstanden sind. „Laden“ des Enzyms • Aufnahme eines Acetylrests vom Startermolekül Acetyl-CoA auf die zentrale SHGruppe Acyltransfer • 1. Durchlauf: Transfer der Acetyl-Gruppe auf periphere SH-Gruppe • Bei allen nachfolgenden Zyklen wird der entstandene Acyl-Rest auf die periphere SHGruppe übertragen. Malonyltransfer • Bindung eines Malonylrestes vom Malonyl-CoA an die zentrale SH-Gruppe • Die Beladung der zentralen und peripheren SH-Gruppen mit Acetyl- bzw. Malonyl-CoA wird durch die sog. Malonyl-AcetylTransferase-Domäne der Fettsäuresynthase katalysiert. Kondensation • Übertragung des Acetylrests der peripheren SH-Gruppe auf den Malonylrest der zentralen SH-Gruppe. • Treibende Kraft der Reaktion ist die Decarboxylierung des Malonylrests. • Produkt ist ein β-KetoacylRest • Ketoacyl-Synthase-Domäne Erste Reduktion • Reduktion des β-Ketoacyl-Rest zu einem D-βHydroxyacyl-Rest mit NADPH/H+ als Reduktionsmittel • Ketoreduktase-Domäne Dehydratisierung • Dehydratisierung des D-β-Hydroxyacyl-Rests zu einem Δ2-trans-Enoyl-Rest durch die Dehydratase-Domäne Zweite Reduktion • Reduktion des Δ2-transEnoyl-Rests zum Acylrest mit NADPH/H+ als Reduktionsmittel • Enoylreduktase-Domäne Transacylierung • An dieser Stelle wird der entstandene Acylrest auf die periphere SH-Gruppe übertragen und der Zyklus beginnt von neuem. Esterhydrolyse • Der Acylrest (meist C16 oder C18) wird durch die Thioesterase-Domäne hydrolytisch von der zentralen SH-Gruppe abgespalten, auf CoA übertragen und als aktivierte Fettsäure freigesetzt. Gesättigte Fettsäuren - kompakt • Fettsäuren sind langkettige Carbonsäuren • Sie tragen eine meist gerade Anzahl an CAtomen • Unterteilung nach Kettenlänge: – Häufig: C16-C18 – Selten: <C14 und größer C20 • Sie liegen selten frei, meist verestert vor • Sie sind unverzeigt (Ausnahme: Bakterien) Wichtige gesättigte Fettsäuren • Laurinsäure (C11H23COOH) • Myristinsäure (C13H23COOH) • Palmitinsäure (C15H23COOH) • Stearinsäure (C17H23COOH) Ungesättigte Fettsäuren - kompakt • Einfach und mehrfach ungesättigte Fettsäuren kommen in den Lipiden häufig vor und haben dort wichtige Funktionen: – Schmelzpunkterniedrigung von Lipiden – Erhöhung der Membranfluidität – Ausgangsstoffe für Synthese biologisch aktiver Signalmoleküle, beispielsweise den sog. Eikosanoide (Leukotriene und Prostaglandine); Ausgangsstoff ist hierbei die mehrfach ungesättigte Arachidonsäure Ungesättigte Fettsäuren - kompakt • Bezüglich Kettenlänge und Verzweigungsgrad Analogie zu den gesättigten Fettsäuren • Doppelbindungen immer cis-konfiguriert – Trans-Konfigurationen entstehen bei manchen Hydrierungen von Fetten als Nebenprodukte – Trans-konfigurierte ungesättigte Fettsäuren stehen im Verdacht, das Risiko einer koronaren Herzerkrankung zu steigern • Doppelbindungen nie konjugiert sondern isoliert (durch Methylen-Gruppe getrennt) • Meist erste Doppelbindung an C9 • Anzahl der Doppelbindungen bestimmt Fluidität und Schmelzpunkt Nomenklatur der ungesättigten Fettsäuren • Es gibt verschiedene Schreibweisen: – ω3-Fettsäuren: Erste Doppelbindung sitzt am dritten C-Atom vom Kohlenstoffende aus gezählt – ω6-Fettsäuren: Erste Doppelbindung sitzt am sechsten C-Atom vom Kohlenstoffende aus gezählt – 20:4Δ5,8,11,14: Fettsäure mit 20 C-Atomen, 4 Doppelbindungen, jeweils an den C-Atomen 5,8,11,14 vom Carboxyl-Ende aus gezählt (hier: Arachidonsäure) Biosynthese • Es gibt zwei Wege: – Bei Bakterien wird bei der Verlängerung um eine C2Einheit der letzte Reduktionsschritt unterlassen – In gesättigten Fettsäuren werden nachträglich durch Desaturasen unter Verbrauch von NADPH und Sauerstoff am endoplasmatischen Reticulum Doppelbindungen eingeführt. • Einige ungesättigten Fettsäuren können vom Menschen nicht, oder nur in geringen Mengen produziert werden, obwohl sie lebenswichtig sind Essentielle Fettsäuren Wichtige ungesättigte Fettsäuren • Ölsäure; cis-9-Octadecensäure • Linolsäure; (cis,cis)-Octadeca-9,12-diensäure – Essentiell • (Alpha)-Linolensäure; (all-cis)-Octadeca-9,12,15-triensäure – Essentiell • Arachidonsäure; 5Z,8Z,11Z,14Z-Eicosatetraensäure • Ricinolsäure entsteht aus Ölsäure Vergleich: Fettsäuresynthese - Fettsäureabbau Fettsäuresynthese Fettsäureabbau durch β-Oxidation Cytosol Mitochondriale Matrix Zwischenprodukte an CoA gebunden Zwischenprodukte an ACP gebunden Multienzymkomplex (Dimer) Keine Assoziation der Enzyme NADPH als Reduktionsäquivalent NAD+ und FAD als Reduktionsäquivalente
