393.1 Grundlagen und Chemie

In der Prüfung wird möglicherweise verlangt, dass Sie berechnen, wie lange ein vorgegebenes Glykogendepot bei einem Marathonlauf den Muskel mit Energie versorgt.

RechenbeispielAngenommen, es liegt am Anfang einer Ausdauerleistung ein Glykogen-vorrat von etwa 100 mmol Glucose pro Liter Muskel vor. Wenn 1 Liter Muskelgewebe etwa 50 mmol ATP pro Minute verbraucht und wenn man annimmt, dass nur aerober Abbau aus Glykogen erfolgt, wie lange wird dann der Glykogenvorrat des Muskels ausreichen?

lösungsweg: 1 mmol Glucose ergeben beim Abbau 32 mmol ATP, 100 mmol ergeben dann 3200 mmol ATP. Da der Muskel pro Minute 50 mmol ATP verbraucht, reichen die Reserven für 3200 mmol/50 mmol pro min, also für ca. 60 Minuten.

→ Lösung: 60 min

Fazit – Das müssen sie wissen

– ! Die akute Giftwirkung von blausäure (HCN) ist auf die hemmung von Komplex iV (Cytochrom-c-Oxidase) der Atmungskette zurückzuführen. HCN bindet an das häm-eisen des Enzyms.

– ! entkoppler vermindern die atp-synthese, indem sie Protonen durch die innere Mitochondrienmembran transpor-tieren und den H+-Gradienten zusammenbrechen lassen.

– !! Üben Sie das Rechnen mit Stoffmengen in Stoffwechselbi-lanzen:

– Insgesamt entstehen beim vollständigen abbau eines Glucosemoleküls 32 atp.

– Um 1 mol Glucose vollständig zu CO2 und H2O zu oxidieren, sind 6 mol O2 notwendig, wie aus der Reaktionsgleichung c6h12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 h2O hervorgeht.

3 Lipide und ihr Stoffwechsel�3.1 Grundlagen und ChemieLipide erfüllen im Körper vielfältige Aufgaben. Sie

▪ werden vom Organismus gespeichert und dienen der ener-giegewinnung, ▪ sind wichtige Bestandteile der phospholipidmembran, ▪ dienen als Vorstufe für die Synthese von steroidhormonen und Gallensäuren.

Prinzipiell kann man drei Gruppen von Lipiden unterscheiden (Abb. 3.1).

Lipide sind lipophil (fettliebend) und damit hydrophob (wasserabweisend). Sie lösen sich gut in organischen Lösungs­mitteln wie Benzol oder Ether, sind aber schlecht wasserlöslich und müssen im wässrigen Medium wie Blut mithilfe von Prote­inen transportiert werden.

3.1.1 Fettsäuren

Fettsäuren sind Monocarbonsäuren, enthalten also eine Carb­oxylgruppe (–COOH) und einen Kohlenstoff-„schwanz“, der bei den einzelnen Fettsäuren unterschiedlich lang ist. Die meisten

Thie

me

Verla

gsgr

uppe

/Chr

is M

eier

Ler

npA

ket

2

Fettsäuren haben eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen. Man unterteilt Fettsäuren in verschiedene Gruppen:

▪ gesättigte Fettsäuren: ohne Doppelbindung ▪ ungesättigte Fettsäuren: mit einer oder mehreren Doppel­bindungen

– nicht essenzielle Fettsäuren (z. B. Ölsäure): werden vom Körper synthetisiert,

– essenzielle Fettsäuren (z. B. Linolensäure): müssen vom Körper aufgenommen werden.

Die Doppelbindungen von mehrfach ungesättigten Fettsäuren sind fast nie konjugiert (Einfach­ und Doppelbindungen wech­seln sich ab), sondern nahezu immer isoliert (durch eine Me­thylengruppe getrennt; z. B. bei Linolensäure). Je nachdem, ob die Wasserstoffatome bei ungesättigten Fettsäuren auf der glei­chen oder auf verschiedenen Seiten der Doppelbindung stehen, ist die Doppelbindung cis(Z)­ bzw. trans(E)-konfiguriert. Die Doppelbindungen der essenziellen ungesättigten Fettsäuren besitzen eine cis-(Z-)Konfiguration.

Wichtige Fettsäuren sind in tab. 3.1 zusammengestellt.

3.1.2 Aufbau von Lipiden

Lipide lassen sich, je nachdem, ob sie sich von Glycerin oder vom Sphingosin (Abb. 3.2) ableiten, in 2 Gruppen aufteilen:

aus: Endspurt Vorkl�inik – Biochemie 1 (ISBN 9783131534125) © 2013 Georg Thieme Verl�ag KG

40 3 Lipide und ihr Stoffwechsel�

▪ Glycerolipide: Grundbaustein Glycerin; einfache und kom­plexe Lipide. ▪ sphingolipide: Grundbaustein Sphingosin; komplexe Lipide.

Die einzelnen Fettsäuren sind mit Glycerin bzw. Sphingosin verestert.

3.1.3 Triacyl�gl�ycerine

Die einfachsten aus Fettsäuren aufgebauten Lipide sind triacyl-glycerine (Triglyceride, Neutralfette; Abb. 3.3). Die Hydroxyl­gruppen des Glycerinmoleküls sind mit drei Fettsäuren veres­tert; triacylglycerine sind daher unpolar und nicht in Wasser löslich, sie sind unpolarer als Glycerophospholipide (s. u.). Sie können daher wasserfrei und platzsparend gepackt werden und dienen im Körper typischerweise als langfristige Ener­giespeicher. Je nach Art der Fettsäuren unterscheidet sich die

Kephaline

Cerebroside

Sulfatide

Ganglioside

Glycero-glykolipide

Sphingo-glykolipide

Abb. 3.1 überblick über die lipide.

tab. 3.1 wichtige Fettsäuren (Fs).

name struktur anzahl c-atome

anzahl Doppelbindun-gen (Konfiguration)

bemerkungen

Buttersäure COOH 4 – kürzeste FS in Lipiden

Palmitinsäure COOH 16 – häufige FS

Stearinsäure COOH 18 – häufige FS

Ölsäure COOH 18 1 (cis) nicht essenziell

Linolsäure (ω6-Fettsäure)

COOH 18 2 (cis; isoliert) essenziell

Linolensäure (ω3-Fettsäure)

COOH 18 3 (cis; isoliert) essenziell

Arachidonsäure (ω6-Fettsäure)

COOH 20 4 (cis; isoliert) aus Linol- oder Linolensäure synthetisiert; Vorstufe der Eicosanoide

C

C

H C2 CH2

2HC H

H C2 H

OH NH

OHOH

OH HO

Glycerin

Sphingosin

Abb. 3.2 Grundbausteine der lipide. Glycerin und Sphingosin.

R1

R2

R3

O

O

O

C

C

C

O

O

O

H C2

HC

H C2

Triacylglycerin (TAG)

Abb. 3.3 triacylglycerin (R1–3 = Fettsäuren belie-biger Länge; verestert).

aus: Endspurt Vorkl�inik – Biochemie 1 (ISBN 9783131534125) © 2013 Georg Thieme Verl�ag KG

413.1 Grundlagen und Chemie

Ler

npA

ket

2

Konsistenz der Triacylglycerine: Lange und gesättigte Fettsäu­ren erhöhen die Festigkeit (festes Fett). Sie kommen z. B. im sog. baufett vor, das u. a. die Festigkeit des Nierenlagers erhält. Je mehr Fettsäuren die Triacylglycerine jedoch enthalten und je weniger diese gesättigt sind, umso niedriger ist ihr schmelz-punkt (flüssiges Öl).

apROpOswachse sind Ester eines einwertigen Alkohols mit einer langkettigen Fettsäure.

Fazit – Das müssen sie wissen

– !! Ölsäure ist eine ungesättigte Fettsäure mit 18 c-atomen. – !! linolensäure ist eine ω3-Fettsäure. – ! arachidonsäure ist eine 4-fach ungesättigte ω6-Fettsäure mit 20 c-atomen.

– ! Im triacylglycerin sind die Fettsäuren mit den Hydroxyl-gruppen des Glycerins verestert.

3.1.4 Phosphol�ipide

Phospholipide enthalten folgende Bausteine: ▪ Glycerin oder Sphingosin ▪ Fettsäure(n) ▪ Phosphorsäure ▪ organische Verbindung.

Phospholipide sind amphiphile Moleküle, d. h., sie besitzen ei­nen polaren (hydrophilen) und einen unpolaren (hydrophoben) Bereich. Die polare Kopfgruppe wird durch die Phosphatgruppe und den damit veresterten organischen Substituenten gebildet, der unpolare Bereich durch die Kohlenwasserstoffketten der Fettsäuren.

Zu den Phospholipiden gehören die Glycerophospholipide und die Sphingophospholipide.

leRntipp

Die Struktur der Phospholipide ist ein wichtiges Prüfungsthema. Machen Sie sich klar, wie die Phospholipide aufgebaut sind, und schauen Sie sich auch die Ladungsverteilung innerhalb der unter-schiedlichen Moleküle bei physiologischem pH-Wert an.

Gl�ycerophosphol�ipideGlycerophospholipide (Abb. 3.4), auch phosphoglyceride ge­nannt, bestehen aus dem Grundbaustein Glycerin, zwei Fett­säuren, Phosphorsäure und einer organischen Verbindung.

Am Glycerinmolekül stehen drei Oh-Gruppen zur Esterbin­dung mit einer Säuregruppe zur Verfügung. Mit dem C1­ und dem C2­Atom des Glycerinmoleküls wird jeweils eine Fettsäure verestert und mit dem c3 eine phosphorsäure. Diese Grund­struktur bezeichnet man als Glycerophosphatid oder phospha-tidsäure (Phosphatidat). Die organische Verbindung ist wiede­rum mit der Phosphorsäure verestert – es entsteht eine Phos­phorsäurediesterbindung. Die Einteilung in die verschiedenen Glycerophospholipide erfolgt nach der organischen Verbindung.

Glycerophospholipide können sehr spezifisch durch vier ver­schiedene Phospholipasen (A1, A2, C und D) gespalten werden.

▪ Phospholipase A1 spaltet die Fettsäure an C1 ab, ▪ Phospholipase A2 die Fettsäure an C2 des Glycerins. ▪ Phospholipase C und D spalten jeweils eine der Phosphodi­ester bindungen in der Kopfgruppe:

– phospholipase c spaltet die Phosphorsäurediesterbindung zum c3 des Glycerins und

– Phospholipase D die Diesterbindung zu Lecithin, sodass Phosphatidat und Cholin entstehen (Abb. 3.5).

leRntipp

Schauen Sie sich genau an, wo die Phospholipasen spalten, und lesen Sie in der Prüfung die Frage genau, denn sowohl PLC als auch PLD sind Phosphodiesterasen, die Bindung zum C3 des Glycerins spaltet jedoch nur die PLC.

▶cholin als organische Verbindung. Cholin ist eine hydrophile und damit polare Substanz, die aus der Aminosäure Serin (tab.

R

R

R

R

R

R

R

R

R

O

O O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

P

P P

P

C

C

C

C

C

C

C

C

CO

O O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O⊖

O⊖ O⊖

O⊖

O⊖

H2C

H2C CH2

H2C

HC

HC CH HC

HC

H2C

H2C H2C H2C

CH2

H2CCH2 CH2 CH3O

CH3

CH3

N

OOH

OH

OH OH

OH

R

R

O

O

O

P

C

CO

O

O

O⊖

H2C

HC

H2C CH2 CH2 NH3O

R

R

O

O

O

P

C

CO

O

O

O⊖

H2C

HC

H2C

O

O CH2

H2C

HCOH

CH2 NH3

NH3

CH2P

CH CH RO

CHCH2 COO⊖O

a

e

b

f

Lecithin= Phosphatidylcholin

ein Plasmalogen

c

Phosphatidylethanolamin

Ethanolamin

d

PhosphatidylinositolPhosphatidylserin

Cholin

Cardiolipin

GlycerinGlycerophosphatid GlycerophosphatidInositol

⊕ ⊕ ⊕

⊕

Abb. 3.4 Glycerophospholipide. a Lecithin. b Plasmalogen. c Phosphatidylethanolamin. d Phosphatidylserin. e Phospatidylinositol. f Cardiolipin.

aus: Endspurt Vorkl�inik – Biochemie 1 (ISBN 9783131534125) © 2013 Georg Thieme Verl�ag KG

42 3 Lipide und ihr Stoffwechsel�

5.2) gebildet wird. Ist Cholin die organische Verbindung am Glycerophosphatid, so entsteht Lecithin (= Phosphatidylcholin, Abb. 3.4a). Lecithin ist eine amphiphile Substanz mit polaren (Cholin) und unpolaren (Fettsäuren) Gruppen. Es ist Bestand­teil von Zellmembranen. Das Molekül besitzt ein quarternäres Stickstoffatom und dadurch eine stark positive Gesamtladung.

plasmalogene sind Etherlipide, die ähnlich wie Lecithin auf­gebaut sind. Statt der Fettsäure ist jedoch an das c1 des Glyce­rins ein langkettiger alkohol gebunden, wodurch die Etherbin­dung entsteht (Abb. 3.4b).

▶serin/ethanolamin als organische Verbindungen. Serin und Ethanolamin sind polare Substanzen. ethanolamin ist das bio­gene Amin von Serin (Tab. 5.2) und entsteht in einer pyrido-xalphosphatabhängigen Reaktion aus Serin. Sind Serin und Ethanolamin an Glycerophosphatide gebunden, entstehen die Kephaline Serinkephalin bzw. Ethanolaminkephalin (= phos-phatidylserin bzw. phosphatidylethanolamin, Abb. 3.4c, d), amphiphile Substanzen mit polaren und unpolaren Gruppen.

Die polaren Gruppen sind bei physiologischem pH­Wert von 7,4 geladen – eine Säuregruppe der Phosphorsäure (und bei Phosphatidylserin die freie Carboxylgruppe) ist deprotoniert, die Aminogruppe ist protoniert. phosphatidylserin trägt daher zwei negative ladungen und eine positive, insgesamt ist die polare Kopfgruppe des Phosphatidylserins also einfach negativ geladen.

▶inosit als organische Verbindung. Inosit ist ein sechswertiger zyklischer Alkohol. Ist Inosit am Glycerophosphatid gebunden, so entsteht das Glycerophospholipid phosphatidylinositol (Abb. 3.4e), aus dem der Second Messenger ip3 (Inositoltrisphosphat) gebildet wird. Durch die Phospholipase C wird Phosphatidyl­inositol in Phosphoinositol (das zu IP3 wird) und Diacylglycerin (DAG) gespalten. IP3 und DAG sind beides Second Messenger.

▶Glycerin als organische Verbindung. Glycerin ist ein drei­wertiger Alkohol. Dient Glycerin als Verbindung zwischen zwei Glycerophosphatiden, so entsteht cardiolipin (Abb. 3.4f), das ausschließlich in der Mitochondrienmembran vorkommt.

Sphingophosphol�ipideDie Sphingophospholipide bestehen grundsätzlich aus dem Grundbaustein sphingosin (einem langkettigen Aminoalkohol, der aus Palmitoyl­CoA und Serin gebildet wird), einer Fettsäu-re, einer phosphorsäure und einer organischen Verbindung.

sphingosin liegt als Grundbaustein der Lipide immer als ce-ramid (s. u.) vor, d. h., es ist über eine Amidbindung mit einer Fettsäure verbunden. Das Ceramid wird mit der Phosphorsäu­re verestert, und eine zweite Esterbindung entsteht zwischen Phosphorsäure und organischer Verbindung. Es liegt also eben­falls eine Phosphodiesterbindung vor.

Ein wichtiges Sphingophospholipid ist sphingomyelin (Abb. 3.6), das als organische Verbindung cholin enthält. Sphin­gomyelin kommt in der äußeren Schicht der Lipiddoppelschicht (s. u.) vor und ist in myelinscheiden des ZNS besonders häufig.

Fazit – Das müssen sie wissen

– ! Bei Glycerophospholipiden ist mit dem c3-atom des Glyce-rinmoleküls eine phosphorsäure verestert.

– ! phospholipase c spaltet die Phosphorsäurediesterbindung zwischen Kopfgruppe und Glycerin.

– ! Glycerin ist ein Baustein von lecithin, plasmalogenen, phosphatidylinositol und cardiolipin.

– ! ethanolamin entsteht in einer pyridoxalphosphatabhän-gigen Reaktion aus serin.

– ! Bei einem physiologischen ph-wert von 7,4 trägt der hydrophile Teil des phosphatidylserins zwei negative und eine positive Ladung;

– !! insgesamt ist die polare Kopfgruppe daher negativ geladen. – ! cardiolipin kommt nur in der mitochondrienmembran vor. – ! sphingosin ist ein Baustein von ceramid. – !! Die Fettsäure im sphingomyelin ist über eine amidbin-dung gebunden.

3.1.5 Gl�ykol�ipide

Glykolipide enthalten einen Lipid­ und einen Kohlenhydratan­teil, aber im Gegensatz zu den Phospholipiden kein Phosphat.

Bei Glyceroglykolipiden besteht der Lipidanteil aus Diacyl­glycerin (Glycerin + zwei Fettsäuren), bei den sphingoglykoli-piden (Glykosphingolipide) – den in tierischen Zellen vorkom­menden Glykolipiden – besteht der Lipidanteil aus Ceramid (Sphingosin + 1 Fettsäure). Je nach Art des Kohlenhydrats, das mit dem Ceramid verknüpft ist, unterscheidet man drei Klassen von Sphingoglykolipiden:

▪ cerebroside = Ceramid + Monosaccharid (meist Galactose, Abb. 3.7a) ▪ sulfatide = Ceramid + Schwefelsäureester des Monosaccha­rids ▪ Ganglioside = Ceramid + komplexer Kohlenhydratanteil mit Sialinsäurerest(en) (Abb. 3.7b).

R1

O OP

O

OH

C

CC

CH2

H

CH2

CH2

CH3

N CH3H C3

N

HHO

O H

Ceramid

Sphingosin

FSCholin

Abb. 3.6 sphingomyelin. Das Molekül besteht aus Ceramid + Phos-phorsäure + Cholin. Die Fettsäure (FS) ist über eine Amidbindung an das Sphingosin gebunden.

R

R

O

O

O

P

C

CO

O

PLA1

PLDPLC

PLA2 O

O

H2C

HC

H2C RO

Abb. 3.5 spaltstellen der phospho-lipasen (pl).

aus: Endspurt Vorkl�inik – Biochemie 1 (ISBN 9783131534125) © 2013 Georg Thieme Verl�ag KG

433.1 Grundlagen und Chemie

Ler

npA

ket

2Sphingoglykolipide sind über den hydrophoben Ceramid­„anker“ in der Plasmamembran befestigt. Dabei sitzt der hyd­rophile Kohlenhydratanteil immer auf der extrazellulären Seite der Membran und dient der Zellerkennung. So sind z. B. die Blut­gruppenantigene Sphingoglykolipide mit Ceramidanker.

▶lysosomale speicherkrankheiten. Phosphatide, Sphingosine (Cerebroside, Ganglioside, sulfatide) und andere Moleküle kön­nen nur in lysosomen abgebaut werden. Katalysiert wird ihr Abbau durch verschiedene spezifische saure Hydrolasen.

Besteht aufgrund eines Gendefekts ein Mangel an diesen ly­sosomalen Hydrolasen, können die Substrate in den Lysosomen und schließlich an bestimmten Stellen des Organismus wie Nervensystem, Haut, Leber, Milz, Knorpel und Knochen akku­mulieren. Folge sind Erkrankungen, die zur Gruppe der lysoso­malen Speicherkrankheiten (S. 24) zusammengefasst werden

und die sich wiederum in Sphingolipidosen, Mucolipidosen, Mucopolysaccharidosen, Oligosaccharidosen oder auch Glyko­genosen einteilen lassen. Die Erkrankungen gehen einher mit schweren geistigen und/oder körperlichen Behinderungen. Bei sphingolipidosen z. B. reichert sich eine ceramidhaltige Ver-bindung vorwiegend im zentralen Nervensystem an.

3.1.6 Eigenschaften kompl�exer Lipide

Die komplexen Lipide, besonders die phospholipide, sind auf­grund ihres amphiphilen charakters mit der polaren Kopfgrup­pe und den unpolaren Fettsäuren in der Lage, sich im Wasser zu strukturieren. An Grenzflächen zwischen Wasser und Luft bzw. Öl liegen die hydrophilen Anteile im Wasser, und die lipophilen Anteile orientieren sich zur Luft bzw. zum Öl (Abb. 3.8). Phos­

a

N

H OO

OH

OH

HO O

CH2OH

CH

CHO

CH2

extrazellulär Membran

Cerebrosid

extrazellulär Membran

N

O

H

C

H O

O

O

O

O

OH

OH

H

NH

OH

OHO O

O

O

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH

C

C

CH3

CH2

HO

b

Gangliosid Ceramidanker

N-Acetyl-galactosamin

Glucose Glucose Sphingosin Fettsäure

H

C

...

Abb. 3.7 sphingoglykolipide. a (Galacto-)Cerebrosid. b Gangliosid.

Abb. 3.8 Strukturierung von Lipidmolekülen an Grenzflächen.

aus: Endspurt Vorkl�inik – Biochemie 1 (ISBN 9783131534125) © 2013 Georg Thieme Verl�ag KG

44 3 Lipide und ihr Stoffwechsel�

pholipide können in wässrigen Medien verschiedene Struktu­ren ausbilden.

▶micellen. Die lipophilen Anteile der Phospholipide umschlie­ßen einen nicht wässrigen Innenraum, die hydrophilen Anteile bilden die äußere Hülle (s. Abb. 3.8). Micellen spielen eine wich­tige Rolle bei der Verdauung von lipophilen Substanzen.

▶lipiddoppelschicht. Bei der Lipiddoppelschicht zeigen die hydrophilen Anteile der Phospholipide nach außen, während die lipophilen Anteile einander zugewandt sind. Sie stellt eine Begrenzung zwischen zwei wässrigen Medien dar. Das be­kannteste und gleichzeitig wichtigste Modell einer Phospho­lipidanordnung stellt die zellmembran dar. Sie besteht häufig vorwiegend aus Phospholipiden, enthält aber auch Cholesterin, Glykolipide und Proteine. Die Membranfluidität wird durch die Zahl der Doppelbindungen der am Membranaufbau beteiligten Fettsäuren beeinflusst.

▶liposomen. Sie bestehen aus einer oder mehreren lipiddop-pelschichten, die eine wässrige phase umschließen und sich so z. B. als Träger für hydrophile Medikamente verwenden lassen.

3.1.7 Isoprenoide

Aus Isoprenoideinheiten (Abb. 3.9) aufgebaute Substanzen sind lipophil; Beispiele für diese Gruppe sind u. a. verschiedene Vita­mine und Hormone.

▶terpene. Sie entstehen aus mehreren Isopreneinheiten (Abb. 3.9a, polymere Isoprene). Zu den Terpenen zählen:

▪ fettlösliche Vitamine: Tocopherol (Vitamin E), Phyllochinon (Vitamin K), Retinol (Vitamin A, Abb. 3.9b) ▪ Dolichol: enthält etwa 10–20 Isoprenuntereinheiten (Abb. 3.9c) und spielt bei der Synthese von Glykoproteinen eine Rolle ▪ Ubichinon: ist Elektronenüberträger in der Atmungskette (S. 35).

▶steroide. Sie entstehen durch Zyklisierung aus dem Triterpen Squalen und sind daher ebenfalls Derivate des Isoprens. Sie sind leicht am steran-(Gonan-)gerüst aus 17 C­Atomen zu erkennen.

Das Sterangerüst besteht aus vier Ringen – drei Cyclohexanrin­gen (A, B, C) und einem Cyclopentanring (D). Diese Grundstruk­tur ist lipophil. Die wichtigste Struktur mit Sterangrundgerüst ist das Cholesterin (Abb. 3.10).

Fazit – Das müssen sie wissen

– ! cerebroside, sulfatide und Ganglioside enthalten als Struk-turbestandteil ceramid und somit auch sphingosin.

– ! sulfatide gehören zu den Lipiden, die normalerweise ausschließlich in lysosomen abgebaut werden.

– ! Bei sphingolipidosen reichert sich eine ceramidhaltige Verbindung an.

– ! liposomen besitzen eine hülle aus einer oder mehreren lipiddoppelschichten.

– ! Dolichol enthält etwa 10–20 Isoprenuntereinheiten.

3.2 Stoffwechsel� der Fettsäuren

Fettsäuren können vom Körper als Triacylglycerine in fast un­beschränkten Mengen gespeichert werden. Ihr Stoffwechsel ist deshalb auch eng mit anderen Stoffwechselwegen gekoppelt. Beim Abbau der Triacylglycerine entsteht Acetyl­CoA, das dann über den Citratzyklus und die Atmungskette zu CO2 und H2O abgebaut werden kann.

3.2.1 Abbau der Triacyl�gl�ycerine (Lipol�yse)

Den größten Triacylglycerinspeicher bilden die Fettzellen. Dort werden Triacylglycerine durch die hormonsensitive triacylgly-cerinlipase (TAG­Lipase) in Glycerin und drei Fettsäuren ge­spalten. Diesen Vorgang nennt man lipolyse. Lipolytische Hor­mone wie Adrenalin aktivieren die TAG­Lipase und stellen so Energie dem Körper in Form von Fettsäuren zur Verfügung. Die freien Fettsäuren können direkt in der Zelle abgebaut oder von den Fettzellen ans Blut abgegeben werden, wo sie an Albumin gebunden zu den verschieden Geweben gelangen.

Lipide aus der Nahrung werden in der Darmmukosa in Li­poproteine (Chylomikronen) verpackt und gelangen über die Lymphe ins Blut. Mithilfe der lipoproteinlipase (S. 58) wer­den Fettsäuren im Blut aus den Lipoproteinen gespalten und in die Zelle aufgenommen.

3.2.2 Abbau der Fettsäuren (β-Oxidation) ▶aktivierung der Fettsäuren. Da freie Fettsäuren reaktions­

träge sind, werden sie vor ihrem oxidativen Abbau durch die Reaktion mit freiem coenzym a (CoA) und atp aktiviert. CoA enthält eine Sulfhydrylgruppe/Thiolgruppe (­SH) und kann so eine energiereiche thioesterbindung mit der Säuregruppe der Fettsäure eingehen. Dabei entsteht über das Zwischenprodukt Acyladenylat (Aktivierung mittels ATP) das acyl-coa (aktivier-te Fettsäure, Abb. 3.11). Diese Reaktion wird durch die Thioki­nase katalysiert und findet im zytosol der Zelle statt.

▶lokalisierung des Fettsäureabbaus. Der eigentliche Abbau der Fettsäuren, die β-Oxidation, findet in den mitochondrien statt.

C

C

H

H

2

2

17

O

O

H

H

Isopren

Retinol= Vitamin A

Dolichol

a

b

c

Abb. 3.9 isoprenoide. a Isopren. b Retinol. c Dolichol.

HO

17

CholesterinA B

C D

Abb. 3.10 cholesterin. Das Sterangerüst ist farbig mar-kiert.

aus: Endspurt Vorkl�inik – Biochemie 1 (ISBN 9783131534125) © 2013 Georg Thieme Verl�ag KG

453.2 Stoffwechsel� der Fettsäuren

Ler

npA

ket

2

apROpOsNervenzellen und Erythrozyten bauen keine Fettsäuren ab. Den Nerven-zellen fehlen die entsprechenden Enzyme, und die Lipide können die Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden, die Erythrozyten haben keine Mito-chondrien.

Während der abbau von Fettsäuren mit bis zu 18 c-atomen (z. B. Stearinsäure) vorrangig in den mitochondrien stattfindet, werden Fettsäuren mit mehr als 20 c-atomen zunächst in den peroxisomen auf eine Länge von 8 C­Atomen verkürzt. Dabei werden im ersten Oxidationsschritt die Elektronen auf O2 über­tragen, und es entsteht H2O2. Anschließend werden sie dann weiter in den Mitochondrien abgebaut.

▶transport der Fettsäuren vom zytosol ins mitochondrium. Die Aktivierung der Fettsäuren zu acyl-coa findet im zytosol statt, doch kann Acyl­CoA die innere Mitochondrienmembran nicht durchdringen (Abb. 3.12). Für den Transport überträgt die carnitin-acyltransferase 1, die sich an der äußeren Seite der in­neren Mitochondrienmembran befindet, den Acylrest von Acyl-CoA auf carnitin. Der entstehende Carnitinester acylcarnitin gelangt dann über die acylcarnitin-translokase in der inneren Mitochondrienmembran in den Matrixraum des Mitochondri­ums. An der Innenseite der inneren Mitochondrienmembran sitzt die carnitin-acyltransferase 2 (Carnitin­Palmitoyltrans­ferase 2), die den Acylrest des Acylcarnitins wieder auf coen-zym a (CoA) überträgt. Das frei gewordene Carnitin wird im Antiport gegen Acylcarnitin wieder aus dem Mitochondrium hinaustransportiert.

Fazit – Das müssen sie wissen

– ! Bei der Aktivierung der Fettsäuren vor dem oxidativen Abbau entsteht das Zwischenprodukt acyladenylat.

– ! Der abbau von Fettsäuren mit bis zu 18 c-atomen findet vorrangig in den mitochondrien statt.

– !! Der Abbau von sehr langkettigen Fettsäuren (> 18 C-Atome) findet in den peroxisomen statt. Dabei werden im ersten Oxidationsschritt die Elektronen auf O2 übertragen, und es entsteht h2O2.

– !! acylcarnitin (ein Carnitinester) wird durch einen Trans-porter, die acylcarnitin-translokase, über die innere mitochondrienmembran in die Matrix des Mitochondriums transportiert.

Reaktionen der β-OxidationDer Name „β-Oxidation“ für die Reaktionskette des Fettsäu­reabbaus weist darauf hin, dass dabei eine Oxidation am β-C-atom der Fettsäure stattfindet (zur Nomenklatur der C-Atome s. Abb. 3.13). Als Zwischenstufen entstehen dabei β-Hydroxy­ bzw. β-Ketoacyl-Verbindungen. Der Begriff „Oxidation“ kann hier auch synonym mit „Dehydrierung“ verwendet werden.

In der β-Oxidation wird Acyl-CoA in einem Kreislauf, der wiederholt durchlaufen wird, zu mehreren Acetyl­CoA ab­gebaut. Pro „Durchlauf“ wird die Fettsäure um zwei C-Atome (entspricht einem Acetyl­CoA) gekürzt. Neben Acetyl­CoA, das

O O OO O SAMPCoA

C C C

C C C

R R R

H H H2 2 2

Fettsäure

Mg2+ Mg2+

ATP AMPCoAAcyladenylat Acyl-CoA

Thiokinase Thiokinase

P P

Abb. 3.11 aktivierung der Fettsäuren durch coa. Die Thioesterbindung ist farbig unterlegt.

Acyl-carnitin

Acyl-carnitin

Zytosol äußereMitochondrien-membran

Acyl-CoA Acyl-CoA

CoA CoA

Carnitin-Acyltransferase 1

Carnitin Carnitin

Acylcarnitin-Translokase

Carnitin-Acyltransferase 2

innereMitochondrien-membran

β-Oxidation

Matrix

Einbahnstraße!

Acylcarnitin

H3C

CH3

CH3

N CH2 CH2 COO⊖CH

O

O C

⊕

Abb. 3.12 transport von acylcarnitin durch die innere mitochondrienmembran.

COO

CH3

CH2

CH2

C1

CαC2

CβC3

CγC4

Abb. 3.13 nomenklatur der c-atome. Die C-Atome werden von 1 bis n durchnummeriert, wobei beim höchstoxidierten C-Atom begonnen wird. Bei der Bezeichnung mit griechischen Buchstaben fasst man die Carboxylgruppe als funktionellen Rest auf, sodass das darauf folgende C-Atom das erste, also α, ist.

aus: Endspurt Vorkl�inik – Biochemie 1 (ISBN 9783131534125) © 2013 Georg Thieme Verl�ag KG