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Stoffwechsel:
1. Grundprinzipien des Metabolismus
2. Enzyme & Cofaktoren
3. Glykolyse und Gärung
4. Citratzyklus – die zentrale Drehscheibe des Metabolismus
5. Atmungskette und ATP-Synthese
6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel
7. Gluconeogenese und Cori-Zyklus
8. Biosynthese und Abbau von Glycogen
9. Fettsäuresynthese und β-Oxidation
10.Stoffwechsel von Cholesterin, Steroiden und Membranlipiden
11.Aminosäurestoffwechsel und Harnstoffzyklus
12.Stoffwechsel der Nukleotide
Inhalt der Vorlesung
1
2
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäuren
Fettsäuren sind langkettige
Kohlenwasserstoffe mit einer
terminalen Carboxylgruppe
➢ sind wichtige Energielieferanten
➢ dienen als Bestandteile von
Phospholipiden und Glykolipiden
dem Aufbau biologischer
Membranen
➢ finden Verwendung als Vorstufen
von Hormonen und intrazellulären
Botenstoffen
Cholesterol Phospholipide
1. Membranlipide
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationWichtige Funktionen der Lipide
3
Emulsion mit
Gallensalzen
Abbau durch
Dünndarmlipasen
zu FS und Glycerin
Aufnahme +
Umwandlung zu
Triacylglyceriden Umbau zu
Lipoproteinen:
Transportform im Blut
Spaltung durch
Lipoprotein-Lipasen
Speicherung oder
‚Verbrennung‘ der
Fettsäuren
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Nahrungsfetten (Triacylglyceride)
5
Hormonsensitive
Lipase
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Speicherfetten (Triacylglyceride)
6
1. Spaltung der Triacylglyceride
2. Aktivierung der Fettsäure
3. Transport durch die Membran
4. b-Oxidation zu Acetyl-CoA
Citratcyclus
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Triacylglyceriden
7
Cytosol
mitochondriale
Matrix
95 % der Energie
Glycerinaldehyd-3-
phosphat
Dihydroxyaceton-
phosphat
Glycolyse Gluconeogenese
ATP
ADP
NADH+H+
NAD+
Glycerin-
phosphat-
Dehydrogfenase
Glycerin-
Kinase
β-Oxidation
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Triacylglyceriden
8
Carbonsäuresterasen
Phosphodiesterase
Phospholipase B: beide
Säureester werden gespalten
Schlangen-/Bienengift
Signaltransduktion
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Triacylglyceriden/Phospholipiden
9
DG°` = -34 kJ mol-1
In der äußeren Mitochondrienmembran
(katalysiert durch Fettsäure-CoA-Ligase):
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAktivierung einer Fettsäure
11
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren
14
FAD oxidiert die Fettsäure, eine Doppelbindung entsteht
Fettsäure reagiert mit ATP → Coenzym A substituiert die AMP-Gruppe
Doppelbindungen sind gegenüber einem Angriff mit Wasser empfindlich
→ Bindung wird hydrolysiert
NAD+ oxidiert den alkoholischen Rest zum Keton
Nun kann ein weiteres Coenzym A die ursprüngliche Fettsäure spalten.
um 2 C-Atome
verkürzter
Fettsäurerest
1. Acyl-CoA Dehydrogenase
FAD als Elektronenakzeptor
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 1 – Oxidation zu einer ungesättigten FS
15
2. Enoyl-CoA Hydratase
Addition von H2O an die Doppelbindung
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 2 – Wasseraddition an Doppelbindung
16
3. 3-L-Hydroxyacyl-CoA Dehydrogenase
Nur die L-Form des Substrats wird umgesetzt!
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 3 – Oxidation des Alkohols zum Keton
17
Oxidation einer
3-Hydroxygruppe
zu einer 3-Ketogruppe
(= β-Ketogruppe)
=> β-Oxidation!
4. b-Ketoacyl-CoA Thiolase (Acyl-CoA-Acetyl-Transferase)
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 4 – thiolytische Spaltung zu Acetyl-CoA + Acyl-CoA
18
ern
eu
ter
Zyklu
s d
er
β-O
xid
ation
• geradzahlige
• unverzweigte
• gesättigte
Fettsäuren
werden durch
die b-Oxidation
in Mitochondrien
zu Acetyl-CoA
abgebaut
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren
19
COOH18
12 910
3 x Acetyl-CoAcis
H2O Hydratase
NADP+ NADPH + H+
2,4-Dienoyl-CoA-
Reduktase
cis-D3-Enoyl-CoA-
Isomerase
cis-D3-Enoyl-CoA-
Isomerase
trans
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: ungesättigte Fettsäuren
21
1. Schritt: Carboxylierung zu Methyl-Malonyl-CoA: Propionyl-CoA Carboxylase
H3C
CH2
O
S
CoA
O
S
CoA
H3CH
O
O
-
HCO3-+ ATP
+H2OADP +
PPi
Biotin
2./3. Schritt: Umlagerung zu Succinyl-CoA: Methylmalonyl-CoA Isomerase + Mutase
O
S
CoA
H3CH
O
O
- -
O
S
CoA
H3CH
O
O-
O
O
CH2
CH2 S
CoA
O
B12
D-Methylmalonyl-CoA L-Methylmalonyl-CoA Succinyl-CoA
Einschleusung in
den Citratzyklus
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: ungeradzahlige Fettsäuren
22
Grizzly:
Verbrauch von 6 000 kcal/Tag im Winter
Aufnahme von 20 000 kcal/Tag im Spätherbst
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Energiequelle während der Winterruhe
23
Biosynthese von Lipiden
2. Synthese
zusammengesetzter Lipide
1. Synthese der Fettsäure
3. Synthese des Cholesterols
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Lipiden
24
Aus Acetyl-CoA (d.h. Kondensation von C2-Einheiten) im Cytosol:
Umwandlung von Zuckern in Fette ist möglich
1. Transport von Acetyl-CoA vom Mitochondrium ins Cytosol
2. Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA
3. Fettsäure-Synthase-Reaktionen
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren
25
Acetyl-CoA kann den
Carnitintransportweg für
langkettige Acylreste nicht
nutzen!
Netto wird ein Molekül
Acetyl-CoA unter Ver-
brauch von zwei ATP ins
Cytosol transportiert;
gleichzeitig wird ein NADH
in NADPH umgewandelt.
Mitochondrialer
Citrat-Shuttle:
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Transport von Acetyl-CoA vom Mitochondrium ins Cytosol
26
Acetyl-CoA-Carboxylase
ATP-abhängig, Biotin, Mechanismus analog Pyruvat-Carboxylase
Reaktion:
Regulation
(Schrittmacherenzym):
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA
28
Acetyl-CoA-Carboxylase
1. Teilreaktion: ATP-abhängiger Carboxyltransfer auf Biotin
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA
29
Acetyl-CoA-Carboxylase
2. Teilreaktion: Angriff von Acetyl-CoA (Carbanion)
H
Malonyl-CoA
H
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA
30
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 1.+2. Substratbindung durch 2 Transferasen
32
D-b-Hydroxy-
butyryl-ACP
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 3. Kettenverlängerung durch β-Ketoacyl-ACP-Synthase
4. erste NADPH-abhängige Reduktion (Enoyl-ACP-Reduktase)
33
Acetoacetyl-
ACP
Decarboxylierung treibt die
Reaktion an
→„Umweg“ über C3-Verbindung
ermöglicht die Kondensation
energetisch!
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 6. zweite NADPH-abhängige Reduktion
35
,
Malonyl-CoA
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 7. Substrattransfer
36
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthese: Bilanz
38
Die Gesamtbilanz der Palmitinsäuresynthese lautet:
8 Acetyl-CoA + 14 NADPH + 7 ATP + 7 H+ + H2O
Palmitinsäure + 8 CoA + 14 NADP+ + 7 ADP + 7 Pi
katalysiert 7 Teilschritte
Co-Enzym: Phospho-Pantethein
Eukaryoten: 2 x identische Polypeptidkette,
2400 kDa Multienzymkomplex
E. coli: 7 Einzelproteine
9. Fettsäuresynthese
und β-Oxidation
Fettsäure-Synthase
39
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: längerkettige und ungesättigte
Endprodukt der FS-Synthese: Palmitat (C16)
2 alternative Wege der Verlängerung:
• Verlängerung an der Außenseite des ER:
C2-Donor: Malonyl-CoA
Kondensation/Decarboxylierung wie FS-Synthese
Unterschied: FS als Acyl-CoA (nicht gebunden an ACP)
• Verlängerung im Mitochondrium:
spezifische Enzyme: Addition/Reduktion von Acetyl-CoA
(analog Umkehrung der β-Oxidation)
40
Bsp.: Stearyl-CoA + NADH + H+ + O2 Oleoyl-CoA + NAD+ + 2 H2O
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Desaturasen
41
• Lokalisation
• Acylgruppen-Carrier
• Elektronen-Akzeptor/Donor
• Stereochemie der Dehydratation/Hydratation
• C2-Einheiten
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationVergleich: Fettsäure-Synthese und Fettsäure-Abbau
43
z.B. Glycero-
Phospholipide
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden
44
Glycolyse
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden
Schritt 1: Dihydroxyacetonphosphat → Phosphatidsäure
45
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden
Schritt 2: Phosphatidsäure → Diacylglycerol/Phospholipiden
46
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden
Schritt 3: Diacylglycerol → Triacylglycerol
47
49
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationZusammenfassung
Die wichtigste Quelle und Speicherform von Fettsäuren sind die Triacylglyceride, in
denen hauptsächlich C16- und C18-Fettsäuren mit Glycerin verestert sind.
Lipasen spalten Triacylglyceride in ihre Komponenten. Glycerin wird
phosphoryliert und in die Glykolyse eingeschleust. Die freien Fettsäuren werden
zum Abbau in die mitochondriale Matrix transportiert. Dazu müssen die Fettsäuren
zunächst zu Acyl-CoA aktiviert und auf das Trägermolekül L-Carnitin übertragen
werden. Die so gebundenen Fettsäuren werden dann durch einen Carrier
(Antiporter) über die innere Mitochondrienmembran transportiert und schließlich
wieder auf Coenzym A übertragen.
Bei der β-Oxidation werden die Fettsäuren in mehreren Runden in Acetylreste
gespalten, wozu jedes zweite Kohlenstoffatom schrittweise bis zur Carbonsäure
oxidiert werden muss. Mittels thiolytischer Spaltung entsteht jeweils Acetyl-CoA.
Jede Oxidationsrunde erzeugt ein NADH und ein FADH2. Ungesättigte Fettsäuren
werden durch Umlagerung ihrer Doppelbindungen ebenfalls vollständig der
β-Oxidation zugeführt. Beim Abbau ungeradzahliger Fettsäuren entsteht
Propionyl-CoA, das über Carboxylierung und Isomerisierung in Succinyl-CoA
umgewandelt wird.
50
9. Fettsäuresynthese und β-OxidationZusammenfassung
Die Synthese von Fettsäuren aus Acetyl-CoA erfolgt bei Eukaryoten an einem
Multienzymkomplex im Cytosol, der zwei Phosphopantetheinreste mit
Thiolresten zur Bindung der Acylreste trägt. Vor der Übertragung auf die wachsende
Fettsäure muss Acetyl-CoA über das Citrat-Shuttle in das Cytosol transportiert
und dort unter ATP-Verbrauch vorübergehend zu Malonyl-CoA carboxyliert werden.
Zur schrittweisen Reduktion bis zur Einfachbindung werden zwei NADPH pro
eingeführtem Acetylrest benötigt. Im letzten Schritt wird die fertige Fettsäure durch
Hydrolyse freigesetzt.
Die Fettsäure-Synthase kann maximal C16-Fettsäuren (Palmitinsäure) herstellen;
längferkettige Fettsäuren entstehen u.a. durch Verlängerung am endoplasma-
tischen Reticulum. Dort entstehen auch ungesättigte Fettsäuren durch selektive
Dehydrierung (z.B. Ölsäure).
Aus der vierfach ungesättigten C20-Fettsäure Arachidonsäure entstehen
Eikosanoide. Dazu zählen Prostaglandin, Prostacycline, Thromboxane und
Leukotriene. Die bifunktionelle Prostaglandin-Synthase erzeugt PGH2, das
gemeinsame Vorstufe aller Prostaglandine, Prostacycline und Thromboxane ist.
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