• Vorklinik
  • Physikum-Fokus

Fettsäuren und Triacylglycerine

Abstract

Die Fettsäuren und die Triacylglycerine (TAGs) sind wichtige Energieträger des Organismus. Sie werden im Fettgewebe gespeichert und können von dort bei Bedarf mobilisiert und unter Energiefreisetzung abgebaut werden.

Die im Körper vorkommenden Fettsäuren sind aliphatische Monocarbonsäuren mit unverzweigten Kohlenwasserstoffketten, wobei diese Kette meist 4 bis 24 C-Atome lang ist. Fettsäuren dienen im Organismus hauptsächlich als Bestandteile der verschiedenen Lipide und sind dann zumeist mit Alkoholen verestert (z.B. mit Glycerin, Sphingosin oder Cholesterol). Teilweise liegen die Fettsäuren auch ungebunden vor und werden dann als freie Fettsäuren bezeichnet. Man unterscheidet zudem nicht-essentielle von essentiellen Fettsäuren: Die nicht-essentiellen Fettsäuren können mithilfe der Fettsäuresynthase vom Organismus selbst hergestellt werden, die essentiellen Fettsäuren hingegen müssen mit der Nahrung zugeführt werden. Die in der Nahrung vorkommenden Fettsäuren werden in den Zellen mithilfe der β-Oxidation abgebaut; dabei wird Energie in Form von ATP freigesetzt.

TAGs sind die Speicherform der Fettsäuren im Organismus. Sie bestehen aus einem Molekül Glycerin, das mit drei Fettsäuren verestert ist. Der TAG-Stoffwechsel unterliegt einer strengen Regulation durch die hormonsensitive Lipase des Fettgewebes.

Chemische Struktur

Fettsäuren

Fettsäuren sind Monocarbonsäuren mit unverzweigter Kohlenstoffkette aus etwa 4–24 Kohlenstoffatomen.

  • Nomenklatur
    • Nach Kettenlänge
    • Nach Doppelbindungen
      • Gesättigte Fettsäuren (Alkansäuren): Keine Doppelbindungen
      • Ungesättigte Fettsäuren (Alkensäuren): Mindestens eine Doppelbindung
        • Einfach ungesättigte Fettsäuren: Nur eine Doppelbindung
        • Mehrfach ungesättigte Fettsäuren: Mehrere Doppelbindungen
    • Essentielle Fettsäuren: Fettsäuren, die der Organismus benötigt, jedoch nicht selbst synthetisieren kann
  • Regeln für die Benennung
    • Bezifferung wie bei allen Carbonsäuren (siehe: Benennung von Kohlenwasserstoffen)
    • Stellung einer Doppelbindung wird mit Delta (Δ) und einer hochgestellten Zahl dahinter angegeben, wenn man von der Carboxylgruppe aus zählt
    • Stellung einer Doppelbindung wird mit Omega (ω) und einer Zahl dahinter angegeben, wenn man vom Methylende der Fettsäure aus zählt
    • Je nach Stellung der Substituenten an beiden Seiten der Doppelbindung wird die Doppelbindung mit "cis" oder "trans" benannt (siehe auch: Konfigurationsisomere)
  • Eigenschaften von Fettsäuren
    • Die Carbonsäuregruppe (COOH-Gruppe) ist polar und hydrophil, der Kohlenwasserstoffteil ist apolar und hydrophob
    • Je länger eine Fettsäure, desto höher ist ihr Schmelzpunkt
    • Fettsäuren mit cis-Doppelbindungen sind gewinkelt bzw. „abgeknickt“, dadurch können sie sich weniger eng aneinander lagern
    • Je mehr (cis‑)Doppelbindungen in einer Fettsäure vorliegen, desto niedriger ist ihr Schmelzpunkt
Die wichtigsten gesättigten Fettsäuren
Trivialname Chemischer Name Summenformel Bedeutung
Buttersäure
  • C4H8O2
  • In Fetten, z.B. Butter
Palmitinsäure
  • C16H32O2
  • Bestandteil tierischer und pflanzlicher Lipide
Stearinsäure
  • C18H36O2
  • Bestandteil tierischer und pflanzlicher Lipide

Die wichtigsten einfach ungesättigten Fettsäuren
Ölsäure
  • C18H34O2
  • Hauptbestandteil aller Fette und Öle
  • ω-9-Fettsäure
Nervonsäure
  • C24H46O2
Die wichtigsten mehrfach ungesättigten Fettsäuren
Linolsäure
  • C18H32O2
Linolensäure
  • C18H30O2
Arachidonsäure
  • C20H32O2
  • In Fischölen, Bestandteil vieler Phosphoglycerine
  • ω-6-Fettsäure

Triacylglycerine

Triacylglycerine (TAGs) sind wichtige Nahrungsbestandteile und die Speicherform der Fettsäuren. Sie bestehen aus einem Molekül Glycerin , das mit drei Fettsäuren verestert ist. Siehe außerdem entsprechende Abschnitte: Lipogenese (für Aufbau), Lipolyse (Abbau) und Regulation des TAG-Stoffwechsels.

Verdauung und Resorption

Abbau

Abbau der Fettsäuren

Acyl-CoA und Acetyl-CoA dürfen nicht miteinander verwechselt werden! Acyl-CoA ist eine Sammelbezeichnung für alle aktivierten Fettsäuren. Acetyl-CoA ist das Acyl-CoA der Essigsäure ("Acetat")!

Die Reaktionsschritte der β-Oxidation
Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten
1. Oxidation zwischen C2 (α) und C3 (β)
  • trans-Δ2-Enoyl-CoA
  • FADFADH2
  • Es entsteht also zwischen C2 und C3 eine trans-konfigurierte Doppelbindung
2. Hydratisierung
  • trans-Δ2-Enoyl-CoA
  • L-3-Hydroxyacyl-CoA (auch: β-Hydroxyacyl-CoA)
3. Oxidation
  • L-3-Hydroxyacyl-CoA
  • 3-Ketoacyl-CoA
4. Thiolyse
  • 3-Ketoacyl-CoA
  • Ein Molekül CoA

Die Enoyl-CoA-Hydratase kann auch nur die trans-Form des Enoyl-CoA verwenden. Entsteht ausnahmsweise cis-Enoyl-CoA, so wird dies durch eine Isomerase in trans-Enoyl-CoA umgewandelt!

MCAD-Mangel, VLCAD-Mangel und LCHAD-Mangel
Eine sehr seltene autosomal-rezessive Erkrankung ist der Defekt der Acyl-CoA-Dehydrogenase, die mit einer Störung des Fettsäureabbaus einhergeht. Die Erkrankung betrifft zumeist den Abbau der mittelkettigen Fettsäuren und wird dann als MCAD-Mangel (MCAD = medium-chain acyl-CoA dehydrogenase) bezeichnet. Ist der Abbau der langkettigen Fettsäuren betroffen, heißt der Defekt VLCAD-Mangel (VLCAD = very long-chain acyl-CoA dehydrogenase) oder LCHAD-Mangel (LCHAD = long-chain acyl-CoA dehydrogenase).

Abbau langkettiger Fettsäuren

Die β-Oxidation von langkettigen Fettsäuren bis zum Octanoyl-CoA (8 C-Atome) findet in den Peroxisomen statt. Anschließend werden diese kürzeren C8-Fettsäuren zum weiteren Abbau in die Mitochondrien transportiert. Der erste Schritt der β-Oxidation – die Oxidation zwischen dem C2- und C3-Atom von Acyl-CoA – läuft dabei in den Peroxisomen anders ab als in den Mitochondrien.

Abbau ungeradzahliger Fettsäuren

Ungeradzahlige Fettsäuren durchlaufen ebenfalls die β-Oxidation. Im letzten Schritt bleibt allerdings nicht Acetyl-CoA übrig, sondern Propionyl-CoA, welches in Succinyl-CoA umgewandelt und dem Citratzyklus zugeführt wird.

Abbau mehrfach ungesättigter Fettsäuren

Auch mehrfach ungesättigte Fettsäuren wie Linolensäure werden in der β-Oxidation abgebaut. Dafür sind allerdings zwei zusätzliche Enzyme notwendig, eine Isomerase und eine Reduktase. Diese wandeln die Doppelbindungen um und „verschieben“ sie so, dass die entstehende Fettsäure von den Enzymen der β-Oxidation abgebaut werden kann.

Abbau der TAGs (Lipolyse)

Die Lipasen spalten die TAGs in Glycerin und drei Fettsäuren. Glycerin wird vom Fettgewebe an das Blut abgegeben und nach der Aktivierung zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) in die Glykolyse eingeschleust, während die Fettsäuren der β-Oxidation zugeführt werden.

Abbau des Glycerins
Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten
1. Phosphorylierung von Glycerin
  • Glycerin
  • Verbrauch eines Moleküls ATP
2. Oxidation von α-Glycerophosphat
  • Dihydroxyacetonphosphat (DAP)
  • Reduktion eines Moleküls NAD+ zu NADH+H+
3. Isomerisierung von DAP
  • DAP

Synthese und Speicherung

Gesättigte Fettsäuren können von nahezu allen Zellen des menschlichen Körpers hergestellt werden, Hauptsyntheseort ist allerdings die Leber. Auch ungesättigte Fettsäuren werden zum Großteil in der Leber synthetisiert.

Synthese gesättigter Fettsäuren

In der Fettsäuresynthese werden hauptsächlich Palmitinsäure (C16) und Stearinsäure (C18) hergestellt. Die Synthese der Fettsäuren ist keine Umkehr der β-Oxidation. Folgende wichtige Unterschiede liegen vor:

β-Oxidation Fettsäuresynthese
Lokalisation
Enzyme
  • Einzelenzyme
Cofaktoren
Bausteine

Die Fettsäuresynthase

Die Fettsäuresynthase ist ein Multienzymkomplex, der den Großteil der Reaktionen der Fettsäuresynthese katalysiert .

Ablauf der Fettsäuresynthese

Zu Beginn der Fettsäuresynthese wird ein Starter-Acetylrest gebildet. Das dafür benötigte Acetyl-CoA wird v.a. aus dem Endprodukt der Glykolyse, dem Pyruvat, gebildet. Dafür wird zytosolisches Pyruvat mithilfe eines Pyruvat-Carriers ins Mitochondrium befördert.

Zyklisch ablaufende Reaktionsschritte der Fettsäuresynthese
Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten
1. Carboxylierung von Acetyl-CoA
2. Bindung von Malonyl-CoA an die zentrale SH-Gruppe am ACP
  • Malonyl-ACP
  • Abspaltung von CoA
3. Kondensation des Acetylrests an der peripheren SH-Gruppe mit dem Malonylrest an der zentralen SH-Gruppe
  • Acetylrest
  • Malonyl-ACP
  • Acetacetylrest + CO2
  • Zusätzlich: Decarboxylierung des Malonylrests
4. Reduktion des Acetacetylrests
  • Acetacetylrest
  • D-3-Hydroxybutylrest
5. Dehydratisierung
  • D-3-Hydroxybutylrest
  • Dehydratase
  • trans-Enoylrest

6. Reduktion des trans-Enoylrests

  • trans-Enoylrest
  • Butyrylrest
  • NADPH+H+ NADP+
  • Butyrylrest wird auf die periphere SH-Gruppe übertragen

Der Zyklus der Fettsäuresynthese wird so oft durchlaufen, bis die Fettsäure fertiggestellt ist! So lange bleibt die entstehende Fettsäure im Multienzymkomplex gebunden!

Die Fettsäuresynthase synthetisiert fast ausschließlich Palmitinsäure (C16) und Stearinsäure (C18)!

Synthese ungesättigter Fettsäuren

Der Körper benötigt neben den gesättigten auch ungesättigte Fettsäuren. Die essentiellen ungesättigten Fettsäuren (Linolsäure und Linolensäure ) müssen dem Körper mit der Nahrung zugeführt werden, die nicht-essentiellen ungesättigten Fettsäuren können in der Leber aus gesättigten Fettsäuren synthetisiert werden.

Synthese der TAGs (Lipogenese)

Die TAG-Synthese findet hauptsächlich in der Leber und im Fettgewebe statt. Sowohl das Glycerin als auch die Fettsäuren müssen dafür aktiviert werden. Die fertigen TAGs werden entweder im Fettgewebe gespeichert oder als Energielieferant zum Muskel transportiert.

Aktivierung

Ablauf der TAG-Synthese

Reaktion Substrat Enzym Produkt
1. Verknüpfung von Glycerin-3-phosphat mit zwei Acyl-CoA-Molekülen
2. Abspaltung des Phosphatrests
  • Phosphatid-Phosphohydrolase
  • 1,2-Diacylglycerin
3. Anfügen eines weiteren Acylrests
  • 1,2-Diacylglycerin
  • Diacylglycerin-Acyltransferase

Speicherung der TAGs

TAGs werden in den Adipozyten des Fettgewebes in Form von Fetttröpfchen gespeichert.

  • Aufbau eines Fetttröpfchens

Regulation

Regulation des Fettsäurestoffwechsels

Der Fettsäurestoffwechsel unterliegt einer strengen Regulation; Auf- und Abbau werden gegensinnig reguliert . Die Kontrolle wird zum einen hormonell, zum anderen allosterisch durch Stoffwechselprodukte realisiert.

Regulation der Acetyl-CoA-Carboxylase

Die Acetyl-CoA-Carboxylase stellt als Schrittmacherenzym der Fettsäuresynthese einen wichtigen Regulationspunkt dar. Die Regulation erfolgt mittels reversibler Phosphorylierung, die hormonell oder durch Stoffwechselprodukte ausgelöst werden kann. Auch Regulation im Sinne der negativen Rückkopplung kommt vor.

Die phosphorylierte Form der Acetyl-CoA-Carboxylase ist inaktiv, die dephosphorylierte Form ist aktiv!

Regulation der Fettsäuresynthase

Die Fettsäuresynthase wird größtenteils auf Transkriptionsebene reguliert.

Regulation des TAG-Stoffwechsels

TAGs sind wichtig für den Energiehaushalt des Organismus, weshalb ihr Stoffwechsel sehr strengen Regulationsmechanismen unterliegt. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die Hormone Insulin und Glucagon und der Second Messenger cAMP.

Hypertriglyceridämie
Eine erhöhte Konzentration an TAGs im Blut bezeichnet man als Hypertriglyceridämie. Sie gehört zur großen Gruppe der Fettstoffwechselstörungen (Dyslipidämien) und kann sowohl genetisch (Mangel an Lipoproteinlipase) als auch alimentär bedingt sein (Adipositas, Alkoholismus). Genau wie die Hyperlipoproteinämien stellt die Hypertriglyceridämie ein Risiko für Gefäßerkrankungen dar (Atherosklerose, koronare Herzkrankheit, periphere arterielle Verschlusskrankheit).

Wiederholungsfragen zum Kapitel Fettsäuren und Triacylglycerine

Chemische Struktur

Wie unterscheiden sich ungesättigte und gesättigte Fettsäuren in ihrer chemischen Struktur?

Wovon hängt der Schmelzpunkt einer Fettsäure ab?

Wie lautet der chemische Name und die Summenformel der Palmitinsäure?

Wie lautet die Summenformel der Ölsäure? Wo und in welcher Form kommt sie vor?

Wie lässt sich die Stellung der Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäuren angeben? Verdeutliche dies am Beispiel der Linolensäure!

Beschreibe die Linolsäure und die Arachidonsäure hinsichtlich ihrer chemischen Struktur, der Lage ihrer Doppelbindungen und ihrer Bedeutung für den menschlichen Körper!

Verdauung und Resorption

Wie werden kurz-, mittel- und langkettige Fettsäuren nach ihrer Resorption durch die Enterozyten jeweils weiter verstoffwechselt?

Abbau

Welcher Teil des Fettsäureabbaus findet im Zytosol statt?

Wo findet die β-Oxidation von Fettsäuren statt und was ist ihr Zweck?

Beschreibe grob die Schritte der β-Oxidation! Welche Cofaktoren werden in welcher Anzahl benötigt?

Bei der β-Oxidation finden eigentlich zwei Oxidationen statt. Von welchen Enzymen werden diese jeweils katalysiert?

Weshalb muss während der β-Oxidation ggf. entstandenes cis-Enoyl-CoA in trans-Enoyl-CoA umgewandelt werden?

Welche Fettsäuren werden zuerst in den Peroxisomen abgebaut und worin unterscheidet sich die peroxisomale von der mitochondrialen β-Oxidation?

Welches Endprodukt entsteht bei der β-Oxidation ungeradzahliger Fettsäuren und welche Cofaktoren sind an dessen weiterer Verstoffwechslung beteiligt?

Welche Reaktion wird von der Glycerokinase (Syn. Glycerinkinase) katalysiert? Welche beiden Aufgaben erfüllt sie damit?

Synthese und Speicherung

Was geschieht im ersten Schritt der Fettsäuresynthese und welche Cofaktoren werden benötigt?

Wie wird verhindert, dass neu gebildete freie Fettsäuren gleich wieder im Mitochondrium abgebaut werden?

In welchem Schritt der Fettsäuresynthese wird CO2 freigesetzt?

Wie werden nicht-essentielle ungesättigte Fettsäuren synthetisiert?

Beschreibe die einzelnen Schritte der Arachidonsäuresynthese!

Regulation

Welches ist das Schrittmacherenzym der Fettsäuresynthese und wie wird es aktiviert bzw. inaktiviert?

Erläutere die Regulation der Fettsäuresynthese über Stoffwechselprodukte!

Wie wirkt Insulin im Lipidstoffwechsel kurzfristig anabol?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.

Meditricks

In Kooperation mit Meditricks bieten wir dir Videos zum Einprägen relevanter Fakten an. Die Inhalte sind vielfach auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend. Viele Meditricks gibt es in Lang- und Kurzfassung zur schnelleren Wiederholung. Eine Übersicht über alle Videos findest du in dem Kapitel Meditricks.

β-Oxidation (Video frei verfügbar)