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Fettabbau

Hydrolyse der Triacylglyceride

Es gibt viele verschiedene Lipide. Für die menschliche Ernährung am wichtigsten sind allerdings die sogenannten Triacylglyceride oder Neutralfette. Das sind die "typischen" Fette, wie wir sie aus dem Supermarkt kennen: Butter, Margarine, Schmalz, Pflanzenöle und so weiter. Daher konzentrieren wir uns beim Thema "Fettabbau" ganz auf den Abbau der Triacylglyceride in unseren Zellen.

Einzelheiten zum Thema "Lipide" und insbesondere "Neutralfette" siehe die entsprechenden Seiten.

Ein Triacylglycerid besteht aus einem Glycerin-Molekül, das mit drei Fettsäure-Molekülen verestert ist. Im ersten Schritt des Fettabbaus werden diese drei Esterbindungen hydrolysiert, also mit Hilfe von Wasser aufgespalten:

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Hydrolyse eines kleinen Neutralfett-Moleküls

Normalerweise enthalten Neutralfette Fettsäure mit 16 bis 20 C-Atomen. Damit die Abbildung 1 übersichtlich bleibt, wurde hier ein Neturalfett mit besonders kurzkettigen Fettsäuren gewählt. 

Für Chemie-Experten:
Die Wasser-Moleküle werden gespalten. Die H-Atome setzen sich an die O-Atome des Glycerins, so dass sich dort drei OH-Gruppen bilden können. Die OH-Gruppen der Wasser-Moleküle setzen sich an die C=O-Gruppen der Fettsäuren, so dass dort neue COOH-Gruppen entstehen können.

Lipasen

Die Abbildung zeigt die Hydrolyse eines Neutralfettes in stark vereinfachter Form. In Wirklichkeit verläuft die Hydrolyse in drei Schritten[2]. Zunächst wird nur eine Fettsäure aus dem Triacylglycerid abgespalten. Das hierfür verantwortliche Enzym heißt Triacylglycerinlipase. Durch die Abspaltung der ersten Fettsäure entsteht als Zwischenprodukt ein Diacylglycerin.

Für Chemie-Experten:
Dieser erste Schritt ist der langsamste der drei Hydrolyse-Schritt und bestimmt daher die Geschwindigkeit der gesamten Hydrolyse. Eine Diacylglycerinlipase katalysiert den zweiten Schritt, und eine Monoacylglycerinlipase den dritten Schritt[2].

Abbau von Glycerin

Das Glycerin-Molekül wird recht einfach und schnell abgebaut. Zunächst wird das Glycerin durch ATP aktiviert, es entsteht Glycerin-3-phosphat. Dieses wird dann mittels NAP+ oxidiert zu Dihydroxyaceton-phosphat, welches sich dann zum Isomer Glycerinaldehyd-3-phosphat umlagert und dann in die Glycolyse einfließt[1][3].

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Der Abbau von Glycerin zu Glycerinaldehyd-3-phosphat

Abbau der Fettsäuren[1][2]

Kommen wir nun zum interessanteren Teil des Fettabbaus. Die Fettsäuren werden durch einen relativ komplexen mehrschrittigen Prozess in kleine Einheiten zerlegt, die im Wesentlichen aus zwei Kohlenstoff-Atomen (mit den zugehörigen H- und O-Atomen) bestehen. Der Abbau der Fettsäuren findet sowohl im Cytoplasma wie auch im Innenraum der Mitochondrien statt (mitochondriale Matrix).

An sich sind Fettsäuren recht reaktionsträge Moleküle. Mit ihrer COOH-Gruppen können die Fettsäuren Ester bilden, aber andere Reaktionen sind recht unwahrscheinlich.

Schritt 1: Aktivierung der Fettsäure

Im ersten Reaktionsschritt des Fettsäure-Abbaus erfolgt im Cytoplasma der Zellen eine Aktivierung der Carboxygruppe. Das geschieht durch das Coenzym A. Das Coenzym A verfügt über eine SH-Gruppe (analoge zur OH-Gruppe der Alkohole). Diese SH-Gruppe verestert nun mit der COOH-Gruppe der Fettsäure, es bildet sich ein sogenannter Thioester.

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Der erste Schritt des Fettsäure-Abbaus

In der Abbildung 2 sehen wir Einzelheiten des ersten Schrittes des Fettsäure-Abbaus. Der universelle Energieträger ATP aktiviert die Carboxygruppe der Fettsäure. Zwei Phosphat-Einheiten werden als Pyrophosphat PP abgegeben, der Hauptkörper des ATPs mit der restlichen Phosphatgruppe setzt sich an die Carboxygruppe. Derart aktiviert, kann die Fettsäure bzw. das Acyladenylat mit dem Coenzym A reagieren. Der ATP-Rest wird dabei als AMP abgespalten, übrig bleibt ein Ester aus der Fettsäure und Acetyl-Coenzym A. Das Pyrophosphat wird dann mit Hilfe eines Wasser-Moleküls in zwei Phosphat-Gruppen zerlegt.

Für Chemie-Experten:
Durch die Zerlegung des Pyrophosphats PP wird dessen Konzentration erniedrigt. Das wiederum sorgt für eine Verschiebung des chemischen Gleichgewichts nach rechts (Prinzip des kleinsten Zwangs), so dass der Fettsäure-Abbau begünstigt wird.

Die beiden in Abbildung 2 gezeigten Reaktionsschritte werden durch das Enzym Thiokinase katalysiert.

Schritt 2: Transport der Fettsäure-Reste in die Mitochondrien

Jetzt gibt es ein kleines Problem. Die Hydrolyse der Triacylglyceride (Neutralfette) findet im Cytoplasma statt. Auch der eben beschriebene erste Schritt des Fettsäure-Abbaus (Abbildung 2) läuft im Cytoplasma ab. Die folgenden Schritt des Fettsäure-Abbaus sind aber im Plasma der Mitochondrien lokalisiert.

An sich wäre das überhaupt kein Problem: Durch spezielle Transportproteine (Carrier) werden die Acyl-Coenzym A - Einheiten einfach durch die beiden Mitochondrien-Membranen in die mitochondriale Matrix transportiert. Leider ist das nicht so einfach; die Innenmembran der Mitochondrien ist für Acyl-CoA (und andere Nucleotide) nicht passierbar.

Trotzdem müssen die aktivierten Fettsäure irgendwie in das Innere der Mitochondrien transportiert werden, das ist klar. Aber wie geschieht das? Hier hat die Natur ein recht komplexes Transportsystem geschaffen.

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Eine stark vereinfachte Darstellung des Carnitin-Transportsystems

Die Abbildung 3 zeigt das Carnitin-Transportsystem. In der inneren Mitochondrienmembran nimmt ein Carnitin-Molekül ein Molekül aktivierte Fettsäure "in Empfang", dabei wird CoA abgespalten. Das Acyl-Carnitin "wandert" dann zur Innenseite der Membran, wo bereits ein neues CoA-Molekül "wartet". Dieses nimmt den Acyl-Rest "in Empfang", so dass neues Acyl-CoA in der Mitochondrien-Matrix entsteht. Das "entlastete" Carnitin wandert wieder zur Außenseite der Innenmembran und kann einen neuen Acylrest aufnehmen.

Schritt 3: beta-Oxidation

Im Folgenden werden die in die Mitochondrienmatrix transportierten Fettsäuren stufenweise abgebaut. Diesen Prozess bezeichnet man als beta-Oxidation. Die beta-Oxidation ist von herausragender Bedeutung, daher werden die Einzelheiten auf der nächsten Seite behandelt.

Quellen:

  1. Schlieper, Grundfragen der Ernährung, Hamburg 2017
  2. Löffler, Funktionelle Biochemie, Berlin 1994
  3. Landesbildungsserver Baden-Württemberg, "Abbau von Glycerin"