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 Energiespeicher- Funktion 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 C 2 - Einheiten abgebaut und gehen in den Citratzyklus ein
Lipogenese (Triacylglycerin- Biosynthese) Substrate für die Lipogenese sind aktivierte Fettsäuren und aktiviertes Glycerin (α- Glycerophosphat). Enzyme sind in der Membran des endoplasmatischen Reticulums lokalisiert. Die Lipogenese läuft in vier Schritten ab:
Erste und zweite Acylierung Acyl-CoA reagiert mit α- Glycerophosphat zu Lysophosphatidat Enzym: Glycerophosphat- Acyltransferase Ein weiteres Acyl-CoA reagiert mit Lysophophatidat zu Phosphatidat Enzym: Lysophosphatidat- Acyltransferase
Abspaltung von Phosphat Im nächsten Schritt wird aus Phosphatidat durch Phosphat-Abspaltung Diacylglycerin. Enzym: Phosphatidat- Phosphohydrolase
Durch Reaktion mit einem weiteren Acyl-CoA entsteht das Triacylglycerin. Enzym: Diacylglycerin- Acyltransferase Dritte Acylierung
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 β- Oxidation 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 Fettsäure- Dehydrogenase 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 Acyl- CoA 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-CoA- Dehydrogenase zu Enoyl-CoA dehydriert Es entsteht eine trans- Doppelbindung
Unter Katalyse durch die Enoyl-CoA-Hydratase lagert sich H 2 O an das Enoyl-CoA, somit wird die Doppelbindung zwischen C2 und C3 aufgelöst und es entsteht L-β- Hydroxyacyl-CoA mit einem asymmetrischen C-Atom in β-position 2. Hydratisierung
3. Dehydrierung (zweite Oxidation) Oxidation der β- ständigen Hydroxygruppe zum Keton durch die L-β- Hydroxyacyl- Dehydrogenase. Das Produkt ist β- Ketoacyl-CoA
Durch die 3- Ketothiolase wird β- Ketoacyl-CoA zu Acetyl-CoA und dem um zwei C-Atome verkürzten Acyl-CoA gespalten. 4. Thiolyse
Ausbeute der β-oxidation pro Durchlauf wird jeweils ein Molekül FADH 2 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.
Pyruvatdecarboxylierung zu Acetyl- CoA: 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 Citrat-Shuttle
Besonderheiten der eukaryotischen 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 (Acyl- Carrier-Protein) mit einer zentralen und einer peripheren Sulfhydryl- Gruppe. 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 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 CO 2 ( Regulation) Die Carboxylierung ist abhängig von Biotin und verläuft über das Carboxybiotin
Ablauf der Fettsäurebiosynthese Pro Zyklus wird die Fettsäure um eine C 2 - Einheit 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 SH- Gruppe
Acyltransfer 1. Durchlauf: Transfer der Acetyl-Gruppe auf periphere SH-Gruppe Bei allen nachfolgenden Zyklen wird der entstandene Acyl-Rest auf die periphere SH- Gruppe 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-Acetyl- Transferase-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-ketoacyl- Rest Ketoacyl-Synthase-Domäne
Erste Reduktion Reduktion des β-ketoacyl-rest zu einem D-β- Hydroxyacyl-Rest mit NADPH/H + als Reduktionsmittel Ketoreduktase-Domäne
Dehydratisierung Dehydratisierung des D-β-Hydroxyacyl-Rests zu einem Δ 2 -trans-enoyl-rest durch die Dehydratase-Domäne
Zweite Reduktion Reduktion des Δ 2 -trans- Enoyl-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 C- Atomen 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 (C 11 H 23 COOH) Myristinsäure (C 13 H 23 COOH) Palmitinsäure (C 15 H 23 COOH) Stearinsäure (C 17 H 23 COOH)
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 20:4 Δ5,8,11,14 : 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 C2- Einheit 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 Cytosol Zwischenprodukte an CoA gebunden Multienzymkomplex (Dimer) NADPH als Reduktionsäquivalent Fettsäureabbau durch β-oxidation Mitochondriale Matrix Zwischenprodukte an ACP gebunden Keine Assoziation der Enzyme NAD + und FAD als Reduktionsäquivalente