10 Stoffwechsel - Hersberger
Fettsäuren
Fettsäuren
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Lernkarten
Grundlagen
Rolle von omega 3 und omega 6 Fettsäuren bei Entzündugsreaktionen
Wirkung Aspirin
Metabolite der Arachidonsäuren eher entzündungsfördernd und die Metabolite der
Eicosapentaensäure (EPA) und der Docosahexaensäure (DHA) eher entzündungshemmend.
Die Wirkung von Aspirin beruht auf der kovalenten Hemmung von COX-1 und auf einer veränderten Enzymreaktion von COX-2, die zur Bildung von Resolvinen führt.
Grundlagen; Merkregeln
Fettsäuresynthese im Menschen
länge der Fettsäuren
Elongasen
Desaturasen
Die häufigsten Fettsäuren beim Menschen sind C16, C18 und C20
Mensch kann Fettsäuren im Cytoplasma bis C16 machen: Palmitinsäure. Weitere
Verlängerungen sind möglich, werden aber durch andere Enzyme gemacht:
Elongasen.
Verschiedene Fettsäure-Elongasen-Systeme im glatten ER und Mitochondrien.
Desaturasen: können bei den Tieren höchstens bis zur Carboxylgruppe C9 desaturieren. Die
essentiellen Fettsäuren sind ausschliesslich pflanzlicher Herkunft. Trotzdem
sind Meeresfische eine wichtige Quelle für essentielle Fettsäuren. Die
essentiellen Fettsäuren aus Fischen (wichtig: ω-3-Fettsäuren) werden jedoch
nicht von den Fischen produziert, sondern stammen aus dem marinen
Phytoplankton.
Abbau der Fettsäuren
zu was werden Fettsäuren abgebaut, wo werden sie anschliessend weiterverarbeitet
Wann wir dFettsäurenabbau gemaacht
wo erfolgt der Fettsäurenabbau
Abbau der Fettsäuren
Aktivierung der Fettsäuren im (Muskel) Cytosol
Enzym
Aktivierte Fs =Thioester mit CoA = Acyl-CoA.
Enzym: Acyl-CoA-Synthetase lokalisiert auf der cytosolischen Seite der äusseren Mitochondrienmembran.
Aktivierung erfolgt über 2 Teilreaktionen:
Für die Bildung von Acyl-CoA müssen die Fettsäuren zuerst voraktiviert werden.
- Bildung eines gemischten Säure-Anhydrids (analog zu 1,3-Bisphosphoglycerat). Die Reaktion ist gekoppelt mit Hydrolyse des anorganischen Pyrophosphates, P~P, in zwei anorganische Phosphate, Pi. D.h. es werden 2 energiereiche Phosphatbindungen verbraucht.
- Übertragung des Acylrests von AMP (Säure-Anhydrid) auf CoA (Thioester).
sB
Abbau der Fettsäuren
Import von Acyl-CoA in die Mitochondrien;
Was ist das problem dabei, wie wird es gelöst
Welche Enzyme sind beteiligt
Abbau der Fettsäuren
Abbau der Fettsäuren durch (beta)-Oxidation;
Name (beta-Oxidation)?
Wo erfolgt sie?
Reaktionsprinzip/mechanismus
Die Abspaltung wird eingeleitet durch eine Oxidation am C-Atom β, daher
der Name (siehe Nomenklatur der Fettsäuren).
Die (beta)-Oxidation der Fettsäuren erfolgt in den Mitochondrien. Dabei werden die Fettsäuren durch
Wiederholung einer Folge von 4 Reaktionen zu Acetyl-CoA abgebaut:
1) 1. Oxidation
2) Hydratation
3) 2. Oxidation
4) Thiolyse durch CoA
sB
Abbau der Fettsäuren
Einschleusung der Energie-reichen Elektronen aus der (beta)-Oxidation der Fettsäuren in die Atmungskette
Die Energie, die aus der Verbrennung (der -Oxidation) der Fettsäuren frei geworden ist, wird vorerst in Form von energiereichen Elektronen auf NAD+ (wird dabei zu NADH + H+) und FAD (wird dabei zu FADH2) übertragen. Diese Elektronen, gebunden an NADH und FADH2, werden dann in der Atmungskette in der inneren Mitochondrien-Membran via mehrere Stationen auf O2 übertragen. Die 2 Energie-reichen Elektronen von NADH werden auf den NADH-Dehydrogenase-Komplex (NADH-QOxidoreduktase, Komplex I) übertragen.
Abbau der FEttsäuren
P/O-Quotient; Definiton
Definition:
Der P/O-Quotient zeigt auf, wie viele ATP("P") pro verbrauchtem Sauerstoffatom ("O") gebildet
werden können.
Die vollständige Verbrennung von Fettsäuren verbraucht pro C-Atom ca. 43% mehr Sauerstoff als die vollständige Verbrennung von Glucose.
Grund für den Unterschied: Fettsäuren enthalten pro Kohlenstoffatom weniger Sauerstoff als Glucose.
Abbau der FEttsäuren
Abbau der ungesättigten Fettsäuren
Der Abbau der ungesättigten Fettsäuren ist ähnlich organisiert wie derjenige der gesättigten Fettsäuren. Ungefähr die Hälfte aller Fettsäuren im menschlichen Organismus sind ungesättigt, d.h. sie enthalten Doppelbindungen und sind damit bereits teilweise oxidiert (1. Oxidationsschritt ist schon erfolgt).
Damit die ungesättigten Fettsäuren in die β-Oxidation eingeschleust werden können sind 2 zusätzliche Enzyme, eine Reduktase und eine Isomerase nötig. Geradzahlige Doppelbindungen führen während der β- Oxidation zu Δ2trans-Δ4cis-Enoyl-CoA, das in der β-Oxidation nicht weiter verarbeitet werden kann. Jedoch mittels der 2,4-Dienoyl-CoA Reduktase zu Δ3Cis-Enoyl-CoA metabolisiert wird. Um das Δ3Cis-Enoyl-CoA in die β-Oxidation einzuführen, muss die Doppelbindung aufwärts verlagert und von der Cis- in die Trans- Konfiguration isomerisiert werden. Die Wanderung und Cis -> trans - Isomerisierung der Doppelbindung wird durch Δ3-Cis- Δ2-Trans-Enoyl-CoA-Isomerase katalysiert. Ungeradzahlige ungesättigte Fettsäuren führendirekt zu Δ3Cis-Enoyl-CoA.
Abbau der Fettsäuren
Abbau ungeradzahliger Fettsäuren
Der Abbau der ungeradzahligen Fettsäuren erfolgt wie der Abbau der geradzahligen über die β-Oxidation.Einzig am Schluss der β-Oxidation werden statt 2 Acetyl-CoA, ein Acetyl-CoA und eine Propionyl-CoA (C3) gebildet
Synthese der Fettsäuren
wo erfolgt sie
woher stammen die C2 fragmente
An was sind die Zwischenprodukte gebunden
Welcher H-träger (zb FAD) wird verwendet?
Erfolgt im Cytosol (beta-Oxidation in Mitochondrien)
Fettsäuren werden zwar durch sukzessives Ankoppeln von C2-Einheiten aufgebaut; der unmittelbare Donor der C2-Fragmente ist jedoch eine C3-Verbindung: Malonyl-CoA.
Zwischenprodukte sind nicht an CoA gebunden, sondern an Pantethein, die prosthetische Gruppe eines Proteins.
Für die Reduktionsschritte wird NADPH verwendet (beta-Oxidation: NAD+, FAD).
Synthese der Fettsäuren
Malonyl-CoA
rolle/zweck
Malonyl-CoA ist ein energiereiches Zwischenprodukt, welches eine effiziente Polymerisierung erlaubt.
In Malonyl-CoA ist Acetyl-CoA superaktiviert: C(alpha) wird durch die Carboxylierung noch stärker nucleophil. Durch die Verwendung von Malonyl-CoA kann die energetisch ungünstige Umkehr der Thiolasereaktion bewerkstelligt werden. Wenn an Stelle von Acetyl-CoA das aus 3 C-Atomen bestehende Malonyl-CoA in die wachsende Kette eingefügt wird und sogleich im darauf folgenden Schritt eine Decarboxylierung durchgeführt wird, treibt die bei der Decarboxylierung frei werdende Energie das Gleichgewicht der Reaktion auf die Seite der Kondensation. Damit wird die Kondensations- Reaktion irreversibel.
Synthese der Fettsäuren
Die Fettsäure-Synthase;
Genetische codierung
Aufbau/Organisation
SH-Gruppen
Im Genom des Menschen ist die Fettsäure-Synthase durch ein langes Gen codiert. Die Gene sind nach funktionellen Gesichtspunkten angeordnet
Organisation der Fettsäure-Synthase
Die Fettsäure-Synthase, ein multifunktionelles Protein:
2 identische strukturelle Einheiten, bestehend aus 8 Domänen
1 funktionelle Einheit
zentrale (Phosphopantethein) und periphere (Cys) SH-Gruppe
Phosphopantethein bildet einen ca. 20 Å langen, beweglichen Arm; es ist ein makromolekulares Analog von CoA. Neben dieser zentralen SH-Gruppe besitzt die Fettsäuresynthase eine, wie bereits erwähnt, zweite, sogen. periphere SH-Gruppe eines Cys-Restes der Ketoacyl-Synthase, dem Enzym, welches die Bildung der neuen C - C - Bindungen katalysiert, die zur Kettenverlängerung führt (condensing enzyme).
Synthese der Fettsäuren
Die Reaktionen der Fettsäuresynthese:
Initiation der Fettsäuresynthese
Die ersten Reaktionen der Fettsäuresynthese sind die Übertragung einer Acetylgruppe aus Acetyl-CoA auf die periphere SH-Gruppe sowie die Übertragung einer Malonylgruppe aus Malonyl-CoA auf die zentrale SHGruppe (am Ende des Phosphopanthetheins des ACPs). Für beide Reaktionen ist die Malonyl/Acetyl- Transferase (MAT-Domäne) der Fettsäuresynthase zuständig
Synthese der Fettsäuren
Die Reaktionen der Fettsäuresynthese:
Kondensation (Kettenverlängerung)
Nun erfolgt ein nucleophiler Angriff des sehr nucleophilen C-Atoms der Malonsäure auf das Carboxyl-CAtom des Acetats. Durch den nucleophilen Angriff auf das sich in einer Thioester-Bindung befindliche Carboxyl-C-Atom der Acetatgruppe, wird die Carboxygruppe der Malonsäure abgelöst und durch die Acetat-Gruppe ersetzt, wobei die Thioester-Bindung an der peripheren SH-Gruppe aufgelöst wird. Die Verbindung der Kondensation mit der Decarboxylierung der Malonsäure-Gruppe ist notwendig, um den Prozess exergon zu machen und damit das Gleichgewicht in Richtung der Kondensation zu verschieben.
Synthese der Fettsäuren
Die Reaktionen der Fettsäuresynthese:
Wiederhohlung des Synthese-Zyklus
Synthese der Fettsäuren
Die Reaktionen der Fettsäuresynthese:
Kettenablösung; Enzym(/Domäne)
Palmitinsäure (C16) wird aus Palmitoyl-ACP durch die Thioesterase-Domäne (7) hydrolytisch abgespalten.
Synthese der Fettsäuren
Elongasen; was tun sie
Im Cytosol Synthese nur bis Palmitinsäure (C16). Die Kohlenwasserstoffkette wird durch besondere Systeme in den Mitochondrien (Umkehr der -Oxidation) und im endoplasmatischen Reticulum (ER) (über MalonylCoA) verlängert. Die entsprechenden Enzyme werden als Elongasen bezeichnet.
Synthese der fettsäuren
Desaturasen; was machen sie?
Desaturasen sind zur Gruppe I der EC-Klassifikation gehörige Enzyme, die den reduktiven Einbau von Doppelbindungen in die Kohlenstoffketten ihres Substrates katalysieren und somit gesättigteBindungen in ungesättigte umwandeln.
Doppelbindungen werden durch Oxidationsreaktionen im ER der Leber eingeführt: Die entsprechenden Enzyme werden als Desaturasen bezeichnet.
Die Desaturasen der Tiere können nur eine C9-C10-Doppelbindung erzeugen.
Sxnthese der FEttsäuren
Woher stammt das AcetylCoA für die FS-Syntese?
Wie kann es ins Cytosol transportiert werden?
Acetyl-CoA entsteht in den Mitochondrien entweder aus Pyruvat, gewissen Aminosäuren oder durch die Oxidation von Fettsäuren. Da die Synthese von Fettsäuren im Cytosol stattfindet, muss das Acetyl-CoA exportiert werden. Acetyl-CoA kann jedoch die Mitochondrien-Membran nicht passieren. (Längere Fettsäuren (Acyl-CoA) können die innere Mitochondrien-Membran in Form von Acyl-Carnitin passieren.) Für Acetyl-CoA wird das Transportproblem gelöst, in dem es in Citrat umgewandelt wird. Citrat kann die innere Mitochondrien-Membran mit Hilfe des Citrat-Transporters passieren. Im Cytosol wird Citrat mit Hilfe der ATP-Citrat-Lyase in Acetyl-CoA zurück verwandelt.
Synthese der Fettsäuren
Woher stamm das zur fFetsäuresyntehse verwendete Acetyl CoA?
Wie kommt es ins Cytosol?
Acetyl-CoA entsteht in den Mitochondrien entweder aus Pyruvat, gewissen Aminosäuren oder durch die Oxidation von Fettsäuren. Da die Synthese von Fettsäuren im Cytosol stattfindet, muss das Acetyl-CoA exportiert werden. Acetyl-CoA kann jedoch die Mitochondrien-Membran nicht passieren. (Längere Fettsäuren (Acyl-CoA) können die innere Mitochondrien-Membran in Form von Acyl-Carnitin passieren.) Für Acetyl-CoA wird das Transportproblem gelöst, in dem es in Citrat umgewandelt wird. Citrat kann die innere Mitochondrien-Membran mit Hilfe des Citrat-Transporters passieren. Im Cytosol wird Citrat mit Hilfe der ATP-Citrat-Lyase in Acetyl-CoA zurück verwandelt.
Synthese der Fettsäuren
WOher stammt das zur FS-Synthese verwendete NADPH?
-> 2 Wege
NADPH kann auf 2 verschiedenen Wegen produziert werden. Ein schon bekannter Weg ist der Pentosephosphat-Weg.
Eine zweite Art der NADPH-Produktion ist gekoppelt an den Transport von Acetyl-CoA aus den Mitochondrien im Cytosol:
- Kombination Malatdehydrogenase/Malatenzym erlaubt Umwandlung von NADH in NADPH (Malatenzym = engl. malic enzyme)
- Zyklus braucht 2 ATP/Acetyl-CoA.
- Pro Acetyl-CoA kann auf diese Art höchstens ein NADPH produziert werden: Für die Synthese von Palmitinsäure werden 8 Acetyl-CoA und 14 NADPH verbraucht (2 ReduktionsSchritte!!) Durch die MDH/Malatenzym-Kombination wird pro Acetyl-CoA, welches via Citrat aus dem Mitochondrium ins Cytosol übertritt, ein NADPH generiert. Demnach müssen 14-8 = 6 NADPH über den Pentose-P-Weg bezogen werden.
-> In Fs-synthetisierenden Geweben (Fettgewebe, Nebennieren-Rinde, Milchdrüse, Leber) findet man Malatenzym (engl.: malic enzyme) und Enzyme des Pentoephosphat-Wegs.
Regulation des Fettsäure-Stoffwechsels
Pyruvatdehydrogenase (PD)
- Welche Reaktion Katalysert sie
-> wie heissen Prdoukt und Edukt
- Durch was wird ihre aktivität gesteigert?
- Durch was wird sie gehemmt?
- Hohe Aktivität der Pyruvatdehydrogenase sorgt für genügende Bereitstellung von Acetyl-CoA.
- Insulin steigert die Aktivität der Pyruvatdehydrogenase durch Förderung der Dephosphorylierung (Überführung in den aktiven Zustand).
- Pyruvat fördert die PD-Aktivität via Hemmung der PDKs (Edukt-Förderung).
- Der Status der Energieladung (hier vertreten durch das Verhältnis NADH/NAD+) reguliert PD via Regulation der PDKs.
Regulation des Fettsäure-Stoffwechsels
Acetyl-CoA-Carboxylase (ACC)
- In welcher Reaktionskette ist die ACC wichtig?
- mit welchen mechanismen wird sie reguliert (Grundsätzlich)?
Regulation des Fettsäure-Stoffwechsels
Acetyl-CoA-Carboxylase (ACC); allosterische Regulation
- Durch welche stoffe wird ACC alosterisch reguliert/gehemmt (je 1)