β-Oxidation: Endprodukt, Bilanz und Zwischenprodukte
Was am Ende der β-Oxidation herauskommt, was ein einzelner Zyklus an Energie liefert und wie man ihre Zwischenstufen an Strukturformeln erkennt und den Enzymen zuordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die β-Oxidation zerlegt Acyl-CoA in der Mitochondrienmatrix in Zyklen aus vier Reaktionen jeweils um zwei C-Atome.
- Endprodukt geradzahliger Fettsäuren ist Acetyl-CoA. Es wird vom Thioester-Ende abgespalten und in den Citratzyklus eingeschleust.
- Jeder Zyklus setzt ein Acetyl-CoA frei, der letzte Zyklus (aus Butyryl-CoA) zwei. Palmitoyl-CoA liefert in 7 Zyklen 8 Acetyl-CoA.
- Ein Zyklus enthält zwei Oxidationen und liefert ein \(\ce{FADH2}\) und ein \(\ce{NADH + H+}\), aber direkt kein ATP und keinen Protonengradienten.
- NADH speist Komplex I, die Elektronen aus \(\ce{FADH2}\) gelangen über ETF zum Ubichinon.
- Alle Zwischenprodukte sind Acyl-CoA-Thioester mit einer SCoA-Gruppe: trans-Δ2-Enoyl-CoA, L-3-Hydroxyacyl-CoA und 3-Ketoacyl-CoA.
Worum es geht
Die β-Oxidation zerlegt Fettsäuren in der Mitochondrienmatrix in C2-Bausteine und liefert dabei Elektronen für die Atmungskette. Fett ist deshalb der ergiebigste Energiespeicher des Körpers. Diese Einheit klärt, was dabei entsteht, wie die Bilanz aussieht und woran man die Zwischenprodukte erkennt.
Acetyl-CoA als Endprodukt
Ein aktiviertes Acyl-CoA durchläuft immer wieder dieselbe Folge aus vier Reaktionen. Die einzelnen Schritte sind dort erklärt. Jede Runde endet mit der Thiolyse: CoA-SH spaltet die Bindung zwischen C2 und C3. Heraus kommen ein Acetyl-CoA und ein Acyl-CoA, das um zwei C-Atome kürzer ist.
Die Abspaltung erfolgt immer am Thioester-Ende, also an C1 und C2. Dort sitzt die aktivierende CoA-Gruppe, und dort greifen alle Enzyme an. Das Methyl-Ende (ω-Ende) bleibt bis zuletzt unberührt. Man kann sich die Kette wie eine Wurst vorstellen, von der immer am selben Ende eine Scheibe abgeschnitten wird.
Im letzten Zyklus einer geradzahligen Fettsäure ist nur noch Butyryl-CoA (C4) übrig. Es wird bis zum Acetoacetyl-CoA oxidiert. Dessen Thiolyse liefert zwei Acetyl-CoA auf einmal. Das zweite enthält das ehemalige ω-Ende. Bei ungeradzahligen Fettsäuren bleibt am Schluss dagegen Propionyl-CoA (C3) übrig. Deshalb gilt die glatte Rechnung nur für geradzahlige Ketten.
Eine geradzahlige Fettsäure mit n C-Atomen braucht n/2 − 1 Zyklen und liefert n/2 Acetyl-CoA. Palmitoyl-CoA (C16): 7 Zyklen, 8 Acetyl-CoA.
Das Acetyl-CoA entsteht in der Matrix, also genau dort, wo auch der Citratzyklus abläuft. Die Citratsynthase kondensiert es mit Oxalacetat zu Citrat:
\[\ce{Acetyl-CoA + Oxalacetat + H2O -> Citrat + CoA-SH}\]
Im Citratzyklus werden die beiden C-Atome zu \(\ce{CO2}\) oxidiert. Es ist dasselbe Acetyl-CoA, das auch die Pyruvat-Dehydrogenase liefert. Fällt in der Leber mehr an, als der Citratzyklus aufnehmen kann, entstehen daraus Ketonkörper.
Ein Examensklassiker: Endprodukt der β-Oxidation geradzahliger Fettsäuren ist Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eingeschleust wird. Achte darauf, dass es vom Thioester-Ende abgespalten wird und dass der letzte Zyklus zwei Acetyl-CoA freisetzt, alle anderen je eines.
Bilanz eines Zyklus
Von den vier Reaktionen eines Zyklus sind genau zwei Oxidationen. Im ersten Schritt entzieht die Acyl-CoA-Dehydrogenase zwischen C2 und C3 zwei Wasserstoffatome. Sie überträgt sie auf FAD, es entsteht \(\ce{FADH2}\). Im dritten Schritt oxidiert die L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase die OH-Gruppe an C3 zur Ketogruppe. Ihr Akzeptor ist \(\ce{NAD+}\), es entsteht \(\ce{NADH + H+}\). Die Hydratisierung lagert nur Wasser an, und die Thiolyse spaltet eine C-C-Bindung. Beide ändern die Oxidationsstufe der Kette insgesamt nicht.
Damit ergibt sich für einen Zyklus:
\[\mathrm{Acyl\text{-}CoA}\,(C_n) + \mathrm{FAD} + \mathrm{NAD^+} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{CoA\text{-}SH} \rightarrow \mathrm{Acyl\text{-}CoA}\,(C_{n-2}) + \mathrm{FADH_2} + \mathrm{NADH} + \mathrm{H^+} + \mathrm{Acetyl\text{-}CoA}\]
Diese Bilanz wird im Examen gerne gefragt: ein Acetyl-CoA, ein \(\ce{FADH2}\) und ein \(\ce{NADH + H+}\) je Zyklus, aber direkt kein ATP. Kein Schritt koppelt an die Bildung von ATP aus ADP und \(\mathrm{P_i}\). Eine Substratkettenphosphorylierung wie in der Ertragsphase der Glykolyse gibt es hier nicht. ATP wird im Gegenteil vorher verbraucht, nämlich bei der Aktivierung der Fettsäure.
Verwertung in der Atmungskette
Die β-Oxidation baut auch selbst keinen Protonengradienten auf. Ihre Enzyme übertragen Elektronen, pumpen aber keine Protonen. Das erledigen erst die Komplexe der Atmungskette. Den Gradienten nutzt dann die ATP-Synthase bei der oxidativen Phosphorylierung. Die Energie der Fettsäure steckt also zunächst in den Reduktionsäquivalenten.
Die beiden Elektronenpaare nehmen getrennte Wege. \(\ce{NADH + H+}\) gibt seine Elektronen an Komplex I ab. Das \(\ce{FADH2}\) bleibt fest an die Acyl-CoA-Dehydrogenase gebunden. Seine Elektronen wandern über das elektronentransferierende Flavoprotein (ETF) und die ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase direkt zum Ubichinon. Sie umgehen damit Komplex I. Deshalb werden weniger Protonen gepumpt: etwa 1,5 ATP je \(\ce{FADH2}\) gegenüber etwa 2,5 ATP je NADH.
Mit diesen Werten lässt sich der Ertrag einer ganzen Fettsäure abschätzen. Ein Acetyl-CoA bringt über Citratzyklus und Atmungskette etwa 10 ATP. Für Stearinsäure (C18) rechnet man so:
- Zyklen: 18/2 − 1 = 8 Zyklen, daraus 9 Acetyl-CoA.
- Reduktionsäquivalente: 8 \(\ce{FADH2}\) × 1,5 = 12 ATP und 8 NADH × 2,5 = 20 ATP.
- Acetyl-CoA: 9 × 10 = 90 ATP.
- Aktivierung abziehen: 122 − 2 = 120 ATP netto, da ATP zu AMP gespalten wird.
Zwischenprodukte erkennen
Alle Zwischenprodukte der β-Oxidation sind Acyl-CoA-Thioester. Sie tragen an C1 eine Gruppe \(\ce{-CO-SCoA}\) und unterscheiden sich nur an C2 und C3. Wer diese beiden Positionen vergleicht, kann jede Struktur einordnen. Strukturformel-Aufgaben dazu sind besonders prüfungsrelevant: Man muss das Zwischenprodukt erkennen und aus Edukt, Produkt und Cofaktor das Enzym ableiten.
| Verbindung | Merkmal an C2/C3 | Enzym der folgenden Reaktion | Cofaktor |
|---|---|---|---|
| Acyl-CoA | gesättigt | Acyl-CoA-Dehydrogenase | \(\ce{FAD -> FADH2}\) |
| trans-Δ2-Enoyl-CoA | trans-Doppelbindung C2=C3 | Enoyl-CoA-Hydratase | \(\ce{H2O}\) |
| L-3-Hydroxyacyl-CoA, (S) | OH-Gruppe an C3 | L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase | \(\ce{NAD+ -> NADH + H+}\) |
| 3-Ketoacyl-CoA | Ketogruppe an C3 | β-Ketothiolase | CoA-SH |
Die Thiolyse liefert schließlich Acetyl-CoA und das verkürzte Acyl-CoA. Die Abbildung zeigt den ganzen Zyklus in Stereodarstellung mit nummerierten C-Atomen.
Vorgehen bei einem Reaktionsschema
- Thioester prüfen: Die Struktur hat genau eine \(\ce{-CO-SCoA}\)-Gruppe an C1.
- C2 und C3 vergleichen: Was ändert sich vom Edukt zum Produkt? Neue Doppelbindung, neue OH-Gruppe, neue Ketogruppe oder Kettenspaltung.
- Cofaktor zuordnen: FAD gehört zur Dehydrierung, Wasser zur Hydratisierung, \(\ce{NAD+}\) zur Oxidation der OH-Gruppe, CoA-SH zur Thiolyse.
- Stereochemie kontrollieren: Die Doppelbindung ist trans, das Hydroxyacyl-CoA hat L-(S)-Konfiguration.
So lassen sich auch Schritte entlarven, die nicht in den Zyklus gehören. Anders als in der Fettsäuresynthese sind die Zwischenstufen hier an CoA gebunden statt an ACP. Das Hydroxy-Zwischenprodukt ist L-konfiguriert, während die Synthese die D-Form nutzt. Eine Reduktion mit NADPH weist ebenfalls auf die Synthese hin, denn die β-Oxidation oxidiert ausschließlich.
Ein 3-(CoA-thio)-2-enoyl-CoA trägt zwei SCoA-Gruppen und tritt in der β-Oxidation nicht auf. Die Thiolyse liefert sofort zwei getrennte Thioester mit je einem CoA-Rest.
Quiz
Aussage 1
Bei der β-Oxidation wird Acetyl-CoA vom Methyl-Ende der Fettsäurekette abgespalten.
Die Abspaltung erfolgt am Thioester-Ende (C1 und C2). Das ω-Ende landet erst im letzten Acetyl-CoA.
Aussage 2
Die Enzyme der β-Oxidation pumpen Protonen und bauen so selbst einen Gradienten an der inneren Mitochondrienmembran auf.
Die β-Oxidation baut selbst keinen Protonengradienten auf. Das tun erst die Komplexe der Atmungskette mit den gelieferten Reduktionsäquivalenten.
Aussage 3
Myristoyl-CoA (C14) wird in sechs Zyklen zu sieben Molekülen Acetyl-CoA abgebaut.
Es gilt n/2 − 1 = 6 Zyklen und n/2 = 7 Acetyl-CoA, weil der letzte Zyklus zwei Acetyl-CoA liefert.
Aussage 4
Das in der β-Oxidation gebildete Acetyl-CoA reagiert im Citratzyklus mit Oxalacetat zu Citrat.
Die Citratsynthase kondensiert Acetyl-CoA mit Oxalacetat. So wird es in den Citratzyklus eingeschleust.
Aussage 5
Jeder Zyklus der β-Oxidation bildet durch Substratkettenphosphorylierung ein ATP aus ADP und \(\mathrm{P_i}\).
Ein Zyklus liefert direkt kein ATP. Er liefert ein Acetyl-CoA, ein \(\ce{FADH2}\) und ein \(\ce{NADH + H+}\), ATP entsteht erst über die Atmungskette.
Aussage 6
Die Elektronen des \(\ce{FADH2}\) aus der Acyl-CoA-Dehydrogenase erreichen das Ubichinon über ETF und umgehen dabei Komplex I.
ETF und ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase leiten die Elektronen direkt zum Ubichinon. Deshalb liefert \(\ce{FADH2}\) weniger ATP als NADH.
Aussage 7
Die beiden Oxidationsschritte eines Zyklus katalysieren die Acyl-CoA-Dehydrogenase mit FAD und die L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase mit \(\ce{NAD+}\).
Genau diese zwei Schritte sind Oxidationen. Hydratisierung und Thiolyse sind keine.
Aussage 8
Bei der Thiolyse entsteht als Zwischenprodukt ein 3-(CoA-thio)-2-enoyl-CoA mit zwei SCoA-Gruppen.
Eine Verbindung mit zwei SCoA-Gruppen tritt nicht auf. Die Thiolyse liefert direkt Acetyl-CoA und ein verkürztes Acyl-CoA mit je einem CoA-Rest.
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