Fettsäureabbau

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 13. November 2016
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Der Fettsäureabbau dient zur Energiegewinnung in den Zellen und erfolgt über die sogenannte Beta-Oxidation.

Im Rahmen der Beta-Oxidation entsteht Acetyl-Coenzym A, welches weiter zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut oder wieder in den Zitronensäurezyklus eingespeist wird.

Störungen des Fettsäureabbaus können zu schwerwiegenden Erkrankungen führen.

Inhaltsverzeichnis

Was ist der Fettsäureabbau?

Der Fettsäureabbau ist neben dem Glukose-Abbau im Organismus ein wichtiger Stoffwechselvorgang zur Energiegewinnung in der Zelle.

Die Fettsäuren werden in den Mitochondrien abgebaut. Der Abbau erfolgt über die sogenannte Beta-Oxidation. Die Bezeichnung "Beta" entstand aus der Tatsache, dass die Oxidation am dritten Kohlenstoffatom (Beta-Kohlenstoffatom) des Fettsäuremoleküls stattfindet.

Beim Abschluss eines Oxidationszyklus werden jeweils zwei Kohlenstoffatome in Form von aktivierter Essigsäure (Acetyl-Coenzym A) abgespalten. Da der Abbau einer Fettsäure mehrere Oxidationszyklen erfordert, wurde der Prozess früher auch als Fettsäurespirale bezeichnet.

Acetyl-Coenzym wird in den Mitochondrien weiter zu Ketonkörpern oder Kohlendioxid und Wasser abgebaut. Gelangt es aus dem Mitochondrium wieder in das Zytoplasma, wird es wieder in den Zitronensäurezyklus eingespeist.

Beim Fettsäureabbau wird mehr Energie erzeugt als bei der Verbrennung von Glukose.

Funktion & Aufgabe

Der Fettsäureabbau erfolgt über mehrere Reaktionsschritte und findet innerhalb der Mitochondrien statt. Zunächst befinden sich die Fettsäuremoleküle im Zytosol der Zelle.

Es sind reaktionsträge Moleküle, die für den Abbau erst aktiviert und in die Mitochondrien transportiert werden müssen. Zur Aktivierung der Fettsäure wird Coenzym A unter Bildung von Acyl-CoA übertragen. Dabei wird zunächst ATP in Pyrophosphat und AMP gespalten. AMP dient dann zur Bildung von Acyl-AMP (Acyl-Adenylat).

Nach der Abspaltung von AMP kann die Fettsäure mit Coenzym A zu Acyl-CoA verestert werden. Danach erfolgt mithilfe des Enzyms Carnitin-Acyltransferase I die Übertragung von Karnitin auf die aktivierte Fettsäure.

Dieser Komplex wird durch den Carnitin-Acylcarnitin-Transporter (CACT) in ein Mitochondrium (mitochondriale Matrix) transportiert. Dort kommt es wiederum zur Abspaltung von Karnitin und zur erneuten Übertragung von Coenzym A. Das Karnitin wird aus der Matrix geschleust und Acyl-CoA steht im Mitochondrium für die eigentliche Beta-Oxidation bereit.

Der Fettsäureabbau dient zur Energiegewinnung in den Zellen und erfolgt über die sogenannte Beta-Oxidation. Die Fettsäuren werden in den Mitochondrien abgebaut.

Die eigentliche Beta-Oxidation erfolgt in vier Reaktionsschritten. Die klassischen Oxidationsschritte finden bei geradzahligen gesättigten Fettsäuren statt. Beim Abbau ungeradzahliger oder ungesättigter Fettsäuren muss das Ausgangsmolekül erst durch weitere Reaktionen auf die Beta-Oxidation vorbereitet werden.

Das Acyl-CoA von geradzahligen gesättigten Fettsäuren wird in einem ersten Reaktionsschritt mithilfe des Enzyms Acyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert. Dabei entsteht zwischen dem zweiten und dem dritten Kohlenstoffatom in Trans-Stellung eine Doppelbindung. Zudem wandelt sich dabei FAD in FADH2 um.

Normalerweise befinden sich bei ungesättigten Fettsäuren die Doppelbindungen in Cis-Stellung, aber nur bei einer in Trans-Stellung befindlichen Doppelbindung kann der nächste Reaktionsschritt des Fettsäureabbaus erfolgen.

In einem zweiten Reaktionsschritt wird durch das Enzym Enoyl-CoA-Hydratase ein Wassermolekül an das Beta-Kohlenstoffatom unter Bildung einer Hydroxyl-Gruppe addiert. Durch die sogenannte L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase findet sodann am Beta-C-Atom eine Oxidation zu einer Keto-Gruppe statt. Es entsteht 3-Ketoacyl-CoA.

Im letzten Reaktionsschritt bindet sich zusätzliches Coenzym A an das Beta-C-Atom. Dabei spaltet sich Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) ab und ein um zwei Kohlenstoffatome kürzeres Acyl-CoA bleibt zurück. Dieses kürzere Restmolekül durchläuft den nächsten Reaktionszyklus bis zu einer weiteren Abspaltung von Acetyl-CoA.

Der Prozess wird so lange durchlaufen, bis das gesamte Molekül in aktivierte Essigsäure abgebaut ist. Auch der umgekehrte Prozess zur Beta-Oxidation wäre zwar theoretisch möglich, findet aber in der Natur nicht statt.

Für die Fettsäuresynthese gibt es einen anderen Reaktionsmechanismus. Im Mitochondrium wird Acetyl-CoA weiter zu Kohlendioxid und Wasser oder in Ketonkörper unter Energiefreisetzung abgebaut. Bei ungeradzahligen Fettsäuren bleibt zum Schluss Propionyl-CoA mit drei Kohlenstoffatomen zurück. Dieses Molekül wird über einen anderen Weg abgebaut.

Beim Fettsäureabbau von ungesättigten Fettsäuren werden durch spezifische Isomerasen die Doppelbindungen von Cis- in Trans-Konfigurationen gebracht.

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Krankheiten & Beschwerden

Störungen des Fettsäureabbaus sind zwar selten, können aber zu schweren gesundheitlichen Problemen führen. Fast immer handelt es sich dabei um genetische Erkrankungen.

Nahezu für jedes relevante Enzym des Fettsäureabbaus gibt es eine entsprechende Genmutation. So entsteht beispielsweise ein Mangel des Enzyms MCAD durch eine Genmutation, die autosomal rezessiv vererbt wird. MCAD ist verantwortlich für den Abbau mittelkettiger Fettsäuren. Als Symptome treten Hypoglykämie (Unterzuckerung), Krampfanfälle und häufige komatöse Zustände auf. Da die Fettsäuren hier nicht zur Energiegewinnung herangezogen werden können, wird in verstärktem Maße Glukose verbrannt. Daher kommt es zur Unterzuckerung und zur Gefahr des Komas.

Da der Körper immer mit Glukose zur Energiegewinnung versorgt werden muss, darf es zu keiner längerfristigen Nahrungskarenz kommen. Gegebenenfalls muss bei einer akuten Krise eine hoch dosierte Glukose-Infusion appliziert werden.

Des Weiteren sind alle Myopathien charakteristisch für mitochondriale Fettsäureabbaustörungen. Dabei kommt es zu Muskelschwäche, Störungen des Leberstoffwechsels und hypoglykämischen Zuständen. Bis zu 70 Prozent der Erkrankten erblinden im Laufe ihres Lebens.

Auch bei der Störung des Abbaus überlanger Fettsäuren treten schwerwiegende Erkrankungen auf. Diese sehr langkettigen Fettsäuren werden nicht in den Mitochondrien, sondern in den Peroxisomen abgebaut. Hier ist das Enzym ALDP für die Einschleusung in die Peroxisomen verantwortlich. Wenn ALDP jedoch defekt ist, sammeln sich die langen Fettsäuremoleküle im Zytoplasma an und führen so zu schweren Stoffwechselstörungen. Dabei werden auch die Nervenzellen und die weiße Hirnsubstanz angegriffen. Diese Form der Fettsäureabbaustörung führt zu neurologischen Symptomen wie Gleichgewichtsstörungen, Taubheit, Krämpfen und zur Unterfunktion der Nebennieren.

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