Oksidasjon av fettsyrer

1. Oksidasjon av fettsyrer Winnie Eskild, IMBV 2004

2. Fettsyrer hentes tre forskjellige steder Kroppen henter fettsyrer til forbrenning fra tre kilder: Fett i kosten • I vestlige, industrialiserte lande kommer 35-40% av daglig energiinntak fra fett i kosten Fettlagret i celler • Fett lagres i spesialisert vev, fettvev • Fett, i form av triglyserider, er ikke vannløselig. Det lagres i dråper i cytosol. Dråpene er omgitt av et enkeltlag av fosfolipider som igjen er dekket av et lag perilipiner. Perilipiner regulerer adgang for enzymer som katalyserer nedbrytning av lipider. Triglyserider er lite reaktive og skader ikke cellen selv i store mengder Fett som er syntetisert fra andre næringsstoffer (karbohydrat, protein) • Inntak av energi utover behov medfører lagring som fett (litt glykogen) • Noen vev bruker helst fett som energikilde: lever, hjerte, muskel ( i ro) henter over 50% av energien fra fett

3. Fettabsorpsjon • Fett i kosten deles opp i små partikler av gallesalter, amfipatiske forbindelser som fungerer som detergenter • De dannete micellene angripes av lipase som spalter triglyseridene i mono- og diglyserider, frie fettsyrer og glyserol • Disse nedbrytningsprodukter diffunderer gjennom tarmcellens membran • I tarmcellen gjendannes triglyseridene og pakkes i kylomikroner sammen med apolipoproteiner, fosfolipider og cholesterol

4. Kylomikroner • Kylomikroner er kjempemiceller • Hydrofobe forbindelser i midten: Triglyserider og kolesterylester • Amfipatiske forbindelser på overflaten: Apolipoproteiner, kolesterol og fosfolipider

5. Fettabsorpsjon • I kylomikroner og andre lipoproteiner ligger triglyseridene og andre hydrofobe lipider i midten og de amfipatiske proteiner og fosfolipider på overflaten • Kylomikronene sendes ut i lymfe-systemet og går derfra videre over i blodbanen • I muskle- og fettvev aktiverer apo CII på kylomikronets overflate lipoprotein lipase • Dette enzymet spalter triglyserider i frie fettsyrer og glyserol som begge tas opp i cellene • I muskel oksideres fettsyrene som energikilde • I fettvev reforestres fettsyrene til triglyserider og lagres til senere bruk

6. Fettabsorpsjon • Kylomikronresten tas opp av leveren • Gjenværende triglyserider kan ta 3 veier: • Oksidasjon (leverens eget behov) • Omdannelse til ketonlegemer (energikilde for hjernen) • Ompakking i VLDL (very low density lipoproteins) som sendes til fettvev via blodet. Her lagres triglyseridene til det er behov for dem

7. Mobilisering av triglyserider fra fettvev • Adrenalin og glukagon (via cAMP) signaliserer lavt blodglukose og behov for mobilisering av fettsyrer fra fettvevet • cAMP aktiverer en kinase som aktiverer den hormonfølsomme triacylglyserol lipase (viktigst). Kinasen fosforylerer også perilipin som da gir enzymet adgang til lipidene. • Lipasen katalyserer spalting av esterbindingen mellom glyserol og fettsyrene • Fettsyrene diffunderer ut i blodbanen og bindes ikke-kovalent til serum albumin • Fettsyrene inneholder 95% av triglyseridenes totale energiinnhold og glyserol inneholder 5%

8. Glyserols skjebne • Glyserol fosforyleres til L-glyserol-3-fosfat av enzymet glyserol kinase. Fosfatgruppen kommer fra ATP • Glyserol-3-fosfat oksideres til dihydroksyacetonefosfat av enzymet glyserol-3-fosfat dehydrogenase. To elektroner og en proton overføres til kofaktoren NAD+ og en proton avgis • Dihydroksyacetonefosfat isomeriseres til D-glyseraldehyd-3-fosfat av enzymet triose fosfat isomerase • Glyseraldehyd-3-fosfat går inn i glykolysen

9. Fettsyren aktiveres for transport til mitokondriet • Fettsyrer kan ikke passere mitokondriemembranen • Fettsyren aktiveres ved kopling til acetyl-CoA i en to-trinns-prosess • Først koples AMP på fettsyren av enzymet fettsyre-CoA syntetase. PPi spaltes fra • Tre typer fettsyre-CoA syntetase: langkjedete, medium kjedelengde og kortkjedete fettsyrer har hver sin gruppe av isoenzymer

10. Fettsyren aktiveres for transport til mitokondriet • Fettsyre-CoA syntetase katalyserer utbytting av AMP med acetyl-CoA • Energien fra spalting av anhydridbindingen er ikke helt tilstrekkelig til å sikre dannelse av thioesterbindingen

11. Fettsyren aktiveres for transport til mitokondriet • Ekstra energi hentes fra spalting av PPi. Dette katalyseres av uorganisk pyrofosfatase • Nettoreaksjon: fettsyre + acetyl-CoA + ATP => fettsyre-CoA + AMP + 2 Pi • DG’o = - 34 kJ/mol

12. Transport av fettsyren inn i mitokondriet • Fettsyre-CoA kan ikke passere mitokondriemembranen • CoA byttes ut med karnitin • Enzymet karnitin acyltransferase I, på mitokondriemembranens utside, kataly-serer en transesterifiseringsreaksjon hvor fettsyren bindes til karnitins OH-gruppe • Acyl-karnitin/karnitin transportøren • fører fettsyre-karnitin gjennom • membranen i bytte for karnitin. • Prosessen er en fasilitert diffusjon

13. Transport av fettsyren inn i mitokondriet • På matrikssiden av membranen finnes isoenzymet karnitin acyltransferase II, som katalyserer en ny transesterifisering hvor karnitin byttes ut med CoA og det dannes fettsyre-CoA igjen • Denne tretrinnsprosess tillater total atskillelse av CoA poolene i cytosol og mitokondriematriks. Disse har forskjellige formål • CoA i cytosol brukes til syntese av fettsyrer • CoA i mitokondriet brukes til katabolisme av pyruvat, fettsyrer og noen aminosyrer

14. Transport av fettsyren inn i mitokondriet • Transport av fettsyren inn i mitokondriet CH3 er det hastighetsbegrensende trinnet i CH3-N-CH2-CH-CH2-COO- oksidasjon av fettsyrer CH3 OH • Dette trinnet reguleres av malonyl-CoA Karnitin FFA

15. Fettsyrenedbryting • Trinn 1: b-oksidasjonen er første trinn i den fullstendige nedbryting av fettsyrer og syntese av ATP • b-oksidasjonen består av fire reaksjoner og resulterer i fjerning av en 2-karbon enhet fra den fettsyren som kataboliseres • Trinn 2: Hver 2-karbonenhet koples til CoA og sendes videre til sitronsyre-syklus for videre nedbryting til CO2 og 2 ATP dannes • Trinn 3: De ekstraherte elektronene fra både b-oksidasjonen og sitronsyresyklus sendes gjennom elektrontransportkjeden og fører til dannelse av flere ATP

16. Første reaksjon i b-oksidasjonen • Oksidasjon av acyl-CoA og dannelse av trans-D2-enoyl-CoA • Enzymet er acyl-CoA dehydrogenase og bruker FAD som kofaktor til å ta imot de to elektronene og to protonene • Her innføres en dobbelbinding (i transkonfigurasjon) mellom Ca og Cb • Enzymet er festet til indre membran • Acyl-CoA dehydrogenase finnes i 3 isoformer; en for langkjedete fett- syrer (12-18 C-atomer), en for medium lengde fettsyrer (4-14 C-atomer) og en for kortkjedete fettsyrer (4-8 C-atomer)

17. FADH2 overfører sine é til ETF i ETK • FADH2 overfører elektronene sine til elektronoverførende flavoprotein (ETF) i elektron-transportkjeden • Acyl-CoA dehydrogenase er bundet til mitokondrie-membranen • Disse elektronene vil senere gi opphav til dannelse av 1,5 ATP

18. Andre reaksjon i b-oksidasjonen • Hydrering av dobbelbindingen i trans-D2-enoyl-CoA • Fører til dannelse av L-b-hydroksy-acyl-CoA • Enzymet enoyl-CoA hydratase er spesifikt for transkonfigurasjon av substratet og for L-konfigura-sjon av produktet

19. Tredje reaksjon i b-oksidasjonen • L-b-hydroksyacyl-CoA oksideres og det dannes b-ketoacyl-CoA • Enzymet er b-hydroksyacyl-CoA dehydrogenase. Her brukes NAD+ som kofaktor. • NADH overfører elektronene sine til NADH dehydrogenase i elektron-transportkjeden og fører til dannelse av 2,5 ATP • De tre første reaksjonene har hatt som mål å svekke bindingen mellom metylenkarbonet Ca og nabokarbon-atomet Cb

20. Fjerde reaksjon i b-oksidasjonen Cb • SH-gruppen i CoA retter et nukleofilt angrep mot Cb-atomet og spalter bindingen mellom Ca- og Cb-atomet • Acetyl-CoA frigjøres • Det nytilkomne CoA etablerer en thioesterbinding til resten av fettsyren, nå to C-atomer kortere. Denne er nå klar til å starte forfra med reaksjon 1 i b-oksidasjonen • Enzymet er acyl-CoA acetyltransferase eller thiolase

21. De fire b-oksidasjonsreaksjoner gjentas • For hvert gjennomløp av de fire reaksjonene frigis en 2-karbonenhet (acetyl-CoA) og 4 é + 4H+ ekstraheres • Restproduktet, acyl-CoA 2 C-atomer kortere sendes pånytt gjennom de fire reaksjonene • Palmitoyl-CoA med 16 C-atomer går 7 ganger gjennom de fire b-oksidasjons-reaksjonene • Nettoreaksjon: palmitoyl-CoA + 7 CoA + 7 FAD + 7 NAD+ +7 H2O => 8 acetyl-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+ • Etter oksidativ fosforylering: palmitoyl-CoA + 7 CoA + 7 O2 + 28 Pi + 28 ADP => 8 acetyl-CoA + 28 ATP + 7 H2O

22. Fullstendig oksidasjon av palmitat • Hver acetyl-CoA oksideres: Acetyl-CoA + 2 O2 + 10 Pi + 10 ADP => CoA + 10 ATP + 2 H2O + 2 CO2 • Totalreaksjon: palmitoyl-CoA + 23 O2 + 108 Pi + 108 ADP => CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 23 H2O • Det koster 2 ATP å aktivere palmitat • 106 ATP: 106 x 30,5 kJ/mol = 3239 kJ/mol ( ca. 33%) • DG’o for total nedbrytning av palmitat = - 9800 kJ/mol • Reelt energiutbytte i form av ATP er ca 60%

23. Regulering av b-oksidasjonen • Når en fettsyre er koplet til CoA i cytosol har den to muligheter: • Hvis cellen trenger energi kan den gå inn i mitokondriet og oksideres i b-oksidasjonen slik at det dannes mere ATP • Hvis cellen har tilstrekkelig med ATP koples fettsyren til glyserol og de dannete triglyserider lagres som lipiddråper i cytosol til det igjen er behov for mere ATP • Dette valg styres av den hastighet hvormed acyl-CoA transporteres inn i mitokondriet • Karnitintransferase reaksjonene kontrolleres av malonyl-CoA som hemmer disse reaksjonene når nivået øker • Nivå av malonyl-CoA øker når en organisme har tilgang på tilstrekkelig karbohydrat til å dekke sine behov for ATP • Når forholdet NADH / NAD+ er høyt hemmes 3. reaksjon, enzymet b-hydroksyacyl-CoA dehydrogenase • Høyt nivå acetyl-CoA hemmer thiolase

24. Ketonlegemer • Acetyl-CoA fra b-oksidasjonen kan enten gå til sitronsyresyklus eller omdannes til ketonlegemer: • Acetone • Acetoacetat • b-hydroksybutyrat

25. Ketonlegemer • Ketonlegemer dannes i leverens mitokondrier fra acetyl-CoA • De er vannløselige og overføres til andre vev via blodbanen • I skjelettmuskel, hjerte, nyrebark bidrar de med en viktig del av energiforsyningen • I lever er b-oksidasjonen alltid aktiv. Når leveren ikke selv trenger energi fra acetyl-CoA kanaliseres den til ekstrahepatiske vev i form av ketonlegemer.

26. Syntese av ketonlegemer • Første reaksjon er en kondensering av to acetyl-CoA • Her får vi dannet acetoacetyl-CoA • Reaksjonen katalyseres av thiolase og tilsvarer en reversering av siste trinn i b-oksidasjonen

27. Syntese av ketonlegemer • Andre reaksjon: acetoacetyl-CoA kondenserer med en til acetyl-CoA og vi får dannet b-hydroksy-b-methylglutaryl-CoA • Reaksjonen katalyseres av HMG-CoA syntase

28. Syntese av ketonlegemer • I tredje reaksjon spaltes HMG-CoA til acetoacetat og CoA-SH • Reaksjonen katalyseres av HMG-CoA lyase

29. Syntese av ketonlegemer • I siste reaksjon reduseres meste-parten av acetoacetat til D-b-hydroksybutyrat • Reaksjonen katalyseres av D-b-hydroksybutyrat dehydrogenase

30. Syntese av ketonlegemer • En liten del av acetoacetaten dekarboksylerer til acetone • Reaksjonen er enten spontan eller katalysert av acetoacetat dekarboksylase • Acetone utskilles via pusten

31. Utnyttelse av ketonlegemer • D-b-hydroksybutyrat tas opp i ekstrahepatiske vev hvor det brukes til energi-produksjon • Her oksideres det først acetoacetat av enzymet D-b-hydroksybutyrat dehydrogenase som benytter NAD+ som kofaktor

32. Utnyttelse av ketonlegemer • I neste trinn aktiveres acetoacetat ved å bli omdannet til den tilsvarende CoA-esteren acetoacetyl-CoA • Reaksjonen katalyseres av b-ketoacyl-CoA transferase

33. Utnyttelse av ketonlegemer • Til slutt spaltes acetoacetyl-CoA til to molekyler acetyl-CoA • Reaksjonen katalyseres av thiolase