β-Oxidation: Dehydrierung und Hydratisierung
Die ersten beiden Schritte der β-Oxidation: Die Acyl-CoA-Dehydrogenase bildet mit FAD ein trans-Δ²-Enoyl-CoA, die Enoyl-CoA-Hydratase lagert Wasser an und bildet (S)-3-Hydroxyacyl-CoA.
Das Wichtigste in Kürze
- Die β-Oxidation baut Acyl-CoA in der Mitochondrienmatrix in Durchgängen aus vier Schritten ab und oxidiert dabei jeweils das β-C-Atom (C3).
- Die Acyl-CoA-Dehydrogenase dehydriert Acyl-CoA zu trans-Δ²-Enoyl-CoA (α,β-ungesättigt), z. B. Butyryl-CoA zu Crotonyl-CoA.
- Je Zyklus wird ein Molekül FAD zu \(\ce{FADH2}\) reduziert; FMN ist an der β-Oxidation nicht beteiligt.
- Die Enoyl-CoA-Hydratase lagert Wasser an die C=C-Doppelbindung an; die OH-Gruppe gelangt an C3.
- Zwischenprodukt ist (S)- bzw. L-3-Hydroxyacyl-CoA; das (R)-Enantiomer gehört zur Fettsäuresynthese, 2-Hydroxyacyl-CoA tritt nicht auf.
Worum es geht
Die β-Oxidation zerlegt aktivierte Fettsäuren schrittweise in Acetyl-CoA und liefert dabei Reduktionsäquivalente für die Atmungskette. Diese Einheit behandelt ihre ersten beiden Schritte samt Enzymen, Cosubstrat und Stereochemie. Das braucht man, um Fettstoffwechsel, Energiebilanz und Strukturformeln von Zwischenstufen sicher zuzuordnen.
Der Zyklus im Überblick
Die Fettsäure liegt bereits als Thioester mit Coenzym A vor und ist in die Mitochondrienmatrix eingeschleust. Wie das geschieht, steht unter Fettsäureaktivierung und Carnitin-Transport. In der Matrix läuft dann ein Zyklus aus vier Schritten ab.
Die β-Oxidation ist der mitochondriale Abbau von Acyl-CoA in wiederholten Durchgängen aus vier Schritten. Jeder Durchgang oxidiert das β-C-Atom und spaltet ein Acetyl-CoA ab, die Kette wird um zwei C-Atome kürzer.
Die Zählung beginnt am Thioester-Kohlenstoff C1. Das α-C-Atom ist C2, das β-C-Atom ist C3. Am β-C-Atom passiert die eigentliche Chemie: Aus einer \(\ce{CH2}\)-Gruppe wird über eine Doppelbindung und eine Hydroxygruppe schließlich eine Ketogruppe. Daher der Name.
| Schritt | Enzym | Cofaktor | Produkt |
|---|---|---|---|
| 1. Dehydrierung | Acyl-CoA-Dehydrogenase | FAD | trans-Δ²-Enoyl-CoA |
| 2. Hydratisierung | Enoyl-CoA-Hydratase | \(\ce{H2O}\) | (S)-3-Hydroxyacyl-CoA |
| 3. Dehydrierung | 3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase | \(\ce{NAD+}\) | 3-Ketoacyl-CoA |
| 4. Thiolyse | β-Ketothiolase | CoA-SH | Acetyl-CoA + verkürztes Acyl-CoA |
Die Schritte 3 und 4 behandelt die Einheit Oxidation zum Ketoacyl-CoA und Thiolyse. Das Muster der ersten drei Schritte kennst du vielleicht aus dem Citratzyklus: Succinat wird dehydriert, Fumarat hydratisiert, Malat wieder dehydriert.
Acyl-CoA-Dehydrogenase
Der erste Schritt ist eine Dehydrierung. Die Acyl-CoA-Dehydrogenase entfernt je ein Wasserstoffatom von C2 und C3. Dadurch entsteht zwischen α- und β-C-Atom eine C=C-Doppelbindung.
\[\ce{R-CH2-CH2-CO-SCoA + FAD -> R-CH=CH-CO-SCoA + FADH2}\]
Das Produkt heißt Enoyl-CoA, genauer trans-Δ²-Enoyl-CoA. Das Δ² gibt an, dass die Doppelbindung bei C2 beginnt. Sie liegt also zwischen C2 und C3, das Molekül ist α,β-ungesättigt. Die Reste stehen in trans-Stellung, auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung. Das einfachste Beispiel ist Crotonyl-CoA, das trans-Enoyl-CoA aus Butyryl-CoA.
Dass genau dieses Produkt entsteht, wird im Examen gerne gefragt: Merke dir trans und Δ² als feste Kombination. Anders als oft vermutet, bildet der erste Schritt noch kein β-Keto-Derivat. Die Ketogruppe entsteht erst im dritten Schritt, nach der Wasseranlagerung.
Auch die Lage der Doppelbindung ist festgelegt. Ein trans-Δ³-Enoyl-CoA kommt beim Abbau gesättigter Fettsäuren nicht vor, denn das Enzym greift immer an C2 und C3 an. Δ³-Doppelbindungen treten nur beim Abbau ungesättigter Fettsäuren auf. Dort verschiebt eine Isomerase sie zuerst in die Δ²-Position.
FAD als Cosubstrat
Die beiden abgespaltenen Wasserstoffatome nimmt FAD auf (Flavin-Adenin-Dinucleotid, siehe Cofaktoren des PDH-Komplexes). Dabei wird es zu \(\ce{FADH2}\) reduziert. Pro Durchgang der β-Oxidation geschieht das genau einmal, also entsteht je Zyklus ein Molekül \(\ce{FADH2}\).
FAD sitzt fest im Enzym. Es wirkt aber in jeder Runde als Wasserstoffakzeptor und muss danach wieder oxidiert werden. Deshalb nennt man es hier Cosubstrat. Die Elektronen wandern über ein elektronenübertragendes Flavoprotein auf Ubichinon und gelangen so in die Atmungskette.
In der β-Oxidation wird FAD reduziert, FMN ist nicht beteiligt. FMN ist die Flavingruppe von Komplex I der Atmungskette, der Elektronen von NADH übernimmt.
Der Grund für FAD statt \(\ce{NAD+}\) liegt in der Energie. Die Dehydrierung einer C–C-Einfachbindung setzt zu wenig Energie frei, um \(\ce{NAD+}\) zu reduzieren. Die Oxidation der Hydroxygruppe im dritten Schritt reicht dagegen für \(\ce{NAD+}\) aus.
Enoyl-CoA-Hydratase
Im zweiten Schritt lagert die Enoyl-CoA-Hydratase ein Molekül Wasser an die C=C-Doppelbindung an. Diese Hydratisierung geschieht in jedem Durchgang einmal. Die Hydroxygruppe landet am β-C-Atom C3, das Wasserstoffatom an C2.
\[\ce{R-CH=CH-CO-SCoA + H2O -> R-CH(OH)-CH2-CO-SCoA}\]
Das Produkt ist das 3-Hydroxyacyl-CoA, aus Crotonyl-CoA entsteht 3-Hydroxybutyryl-CoA. Die Hydratase arbeitet stereospezifisch. Unmittelbar bildet sie L-3-Hydroxyacyl-CoA nur aus trans-Δ²-Enoyl-CoA, das Substrat aus Schritt 1 passt also genau zu ihr.
In einem Reaktionsschema erkennst du diesen Schritt an zwei Merkmalen. Links steht eine C=C-Doppelbindung zwischen C2 und C3 eines Acyl-CoA. Rechts steht an C3 eine OH-Gruppe in Keil- oder Strichdarstellung, und \(\ce{H2O}\) ist als Reaktionspartner angegeben. Ein Oxidationsmittel fehlt, denn eine Hydratisierung ändert die Oxidationsstufe des Moleküls insgesamt nicht.
Zwei Abgrenzungen helfen bei der Zuordnung. Im zweiten Schritt wird Wasser addiert, anders als bei einer Isomerisierung, die eine C=O- in eine C=C-Doppelbindung umlagern würde. Im dritten Schritt wird nichts mehr hydratisiert, denn dort oxidiert \(\ce{NAD+}\) die neue OH-Gruppe.
Konfiguration des Hydroxyacyl-CoA
Das C3-Atom des 3-Hydroxyacyl-CoA trägt vier verschiedene Substituenten und ist damit ein Stereozentrum. In der β-Oxidation entsteht ausschließlich das (S)-3-Hydroxyacyl-CoA. In der Fischer-Nomenklatur heißt es L-3-Hydroxyacyl-CoA. Wie R/S und D/L festgelegt werden, steht unter Konfiguration der Aminosäuren.
Zwischenprodukt der β-Oxidation gesättigter Fettsäuren ist (S)- bzw. L-3-Hydroxyacyl-CoA mit der OH-Gruppe am β-C. Achte auf beides: Position 3 statt 2 und S statt R.
Das (R)-Enantiomer gehört zur Gegenrichtung. In der Fettsäuresynthese entsteht D-3-Hydroxyacyl-ACP mit R-Konfiguration. Die getrennte Stereochemie hilft der Zelle, Abbau und Aufbau sauber zu trennen. Ebenso wenig gehört 2-Hydroxyacyl-CoA in den Zyklus, denn dort säße die OH-Gruppe am α-C. Der Weg verläuft nie über ein α-Hydroxyacyl-CoA, und eine Dehydratisierung zu einem β,γ-ungesättigten cis-Enoyl-CoA kommt nicht vor.
So bestimmst du die Konfiguration an einer Keil-Strich-Formel:
- Prioritäten: An C3 hat OH Priorität 1. Es folgt die Seite zum Thioester (\(\ce{CH2-CO-SCoA}\), Priorität 2), weil deren zweites C-Atom O und S trägt. Die Alkylkette R ist 3, H ist 4.
- Drehsinn: Verfolge 1 → 2 → 3 in der Zeichenebene, im oder gegen den Uhrzeigersinn.
- Blickrichtung: Zeigt H nach hinten (gestrichelt), gilt der Drehsinn direkt. Zeigt H nach vorn, kehrst du ihn um.
- Ergebnis: Uhrzeigersinn bedeutet R, Gegenuhrzeigersinn bedeutet S.
Ein Beispiel: Die Kette liegt als Zickzack in der Ebene, der Thioester rechts, C3 an einer oberen Zacke. Zeigt die OH-Gruppe gestrichelt nach hinten, weist H nach vorn. Von 1 oben über 2 rechts unten zu 3 links unten dreht es sich im Uhrzeigersinn. Umgekehrt ergibt das S, also das Zwischenprodukt der β-Oxidation.
Schritt 1 und 2 der β-Oxidation: FAD macht trans-Δ², Wasser macht (S) bzw. L an C3.
Quiz
Aussage 1
Die Acyl-CoA-Dehydrogenase führt eine trans-konfigurierte Doppelbindung zwischen C2 und C3 des Acyl-CoA ein.
Das Produkt ist trans-Δ²-Enoyl-CoA, also α,β-ungesättigt.
Aussage 2
Pro Durchgang der β-Oxidation wird genau ein Molekül FAD zu \(\ce{FADH2}\) reduziert.
Die Acyl-CoA-Dehydrogenase überträgt die beiden Wasserstoffatome je Zyklus einmal auf FAD.
Aussage 3
Liegt bei einem 3-Hydroxyacyl-CoA der Substituent mit niedrigster Priorität nach vorn, muss man den in der Zeichnung abgelesenen Drehsinn umkehren.
Die CIP-Regel setzt voraus, dass der Substituent mit Priorität 4 vom Betrachter weg zeigt, sonst kehrt sich das Ergebnis um.
Aussage 4
Im ersten Schritt der β-Oxidation entsteht aus Acyl-CoA direkt ein 3-Ketoacyl-CoA.
Der erste Schritt liefert trans-Δ²-Enoyl-CoA. Die Ketogruppe entsteht erst im dritten Schritt.
Aussage 5
Die Enoyl-CoA-Hydratase addiert Wasser an die C=C-Doppelbindung, wobei die Hydroxygruppe an das β-C-Atom gelangt.
Es entsteht 3-Hydroxyacyl-CoA mit der OH-Gruppe an C3.
Aussage 6
Die Acyl-CoA-Dehydrogenase überträgt ihre Wasserstoffatome auf FMN, das dabei zu \(\ce{FMNH2}\) wird.
Akzeptor ist FAD, es entsteht \(\ce{FADH2}\). FMN ist die Flavingruppe von Komplex I der Atmungskette.
Aussage 7
Beim Abbau gesättigter Fettsäuren tritt (R)-3-Hydroxyacyl-CoA als Zwischenprodukt auf.
Die β-Oxidation bildet (S)- bzw. L-3-Hydroxyacyl-CoA. Die R-Form gehört zur Fettsäuresynthese.
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