Inhalt:
1. Einleitung
2. Klassifikationen der Fette und Fettsäuren
2.1 Chemischer Aufbau
2.2 Kettenlänge
2.3 Gesättigte/Ungesättigte Fettsäuren
2.4 Essentielle Fettsäuren
2.5 Omega Fettsäuren
2.6 cis/trans- Fettsäuren
3. Verdauung und Resorption
3.1. MKT
3.2. LKT
4. Aufgaben der Fette im Körper
5. Stoffwechsel der Fette
5.1 β-Oxidation
5.2 Ketone
5.2 Ketone
5.3 Ketogene Aminosäuren
6. Fettsäurebiosynthese
6.1 Cytoplasmatische Synthese
6.2 Mitochondriale Synthese
6.3 „Lorenzos Öl“
7. Zusammenfassung
8. Literaturquellen
1. Einleitung
Wer denkt beim Thema Fett nicht zuallererst an Milch, Butter und Käse, an Wurst und ein saftiges Stück Fleisch, vielleicht auch an Pommes frites mit einem Klacks Mayonnaise oder an die Tüte Chips. Doch Fett ist weit mehr als nur ein kalorienhaltiges Nahrungsmittel.
Aus Wachs, chemisch gesehen einem Verwandten von Fett, fertigt man Kerzen, die stundenlang brennen. Fette eignen sich als Schmier-, Trenn- und Haftmittel, aus ihnen lassen sich Salben und Seifen herstellen. Öle, also die flüssige Form von Fetten, haben als Träger von Duftstoffen eine lange Tradition. Bestimmte Ölsorten wie Leinsamenöl oder Nussöl trocknen an der Luft zu einer harten, wasserundurchlässigen Masse ein. Aus diesem Grund setzt man derartige Öle Farben und Lacken bei.
Brauchen wir Fett, was ist Fett überhaupt, wie wird Fett aufgenommen (resorbiert), welche Aufgaben hat Fett im menschlichen Körper? Diese und ähnliche Fragen wollen wir Euch mit diesem Referat beantworten.
2. Klassifikationen der Fette
2.1 Chemischer Aufbau der Fette
Fette und Fettsäuren kann man auf verschiedene Art und Weise charakterisieren und klassifizieren. Wir wollen uns hier jedoch auf die wichtigsten biologischen Einteilungen beschränken. Dennoch kommen wir nicht ganz um die Chemie bzw. die chemische Betrachtungsweise herum, denn es gibt verschiedene Gruppen von Lipiden. Bei allen werden jedoch die charakteristischen Eigenschaften durch das Kohlenwasserstoffskelett der Fettsäuren bestimmt. In den langen C-Ketten der Fettsäuren-Reste liegen nur C-C und C-H Bindungen vor. Diese sind unpolar. Daher sind alle längerkettigen Fettsäuren in Wasser unlöslich.
Fette bestehen in der Regel aus Triglyceriden (eigentlich Triacylglycerin). Hinter diesem Namen verbirgt sich einmal das Glycerin, ein dreiwertiger Alkohol (es ist dickflüssig, berauscht nicht und eignet sich auch nicht zum Trinken). Kennzeichen dafür sind seine drei alkoholischen OH-Gruppen, die ihm einen leicht süßen Geschmack verleihen. Beim Fett ist dieser nicht mehr vorhanden, denn die alkoholischen Gruppen haben mit jeweils einer Fettsäure reagiert. Dabei wurde Wasser abgespalten denn die Corboxyl-Gruppe (COOH) hat mit der OH-Gruppe des Alkohols reagiert. Somit besteht ein Fettmolekül aus einem Glycerin-Rest und drei Fettsäuren-Reste.
2.2 Kettenlänge
Die Fettsäuren bestehen aus unterschiedlich langen Kohlenstoffketten, jedoch besitzen sie stets eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen. Entscheidend für das Vorliegen als festes Fett oder Öl ist zum einen die Länge der verschiedenen Fettsäuren, zum anderen die Art der Kette. Bleiben wir zunächst bei der Länge.
Die Fettsäureketten können sehr kurz sein, so ist beispielsweise die Buttersäure nur 4 Kohlenstoffatome lang. Wie der Name andeutet, finden wir sie in Butter, aber auch in anderen tierischen Fetten. Pflanzenfette dagegen besitzen in der Regel Fettsäuren mit längeren Kohlenstoffketten. Typische Vertreter sind unter anderem die Myristinsäure mit 14 Kohlenstoffatomen, die Palmitinsäure mit 16, die Stearinsäure mit 18 und die Arachidonsäure mit 20 Kohlenstoffatomen.
Somit kann man die Fette nach ihrer Kohlenstoffkettenlänge einteilen in: Kurzkettige Triglyceride (KKT) mit 2-6 Kohlenstoffe pro Fettsäure Mittelkettige Triglyceride (MKT) mit 8-10 Kohlenstoffe pro Fettsäure Langkettige Fettsäuren (LKT) mit 12-24 Kohlenstoffe pro Fettsäure
Die Länge der Fettsäuren bestimmt übrigens, ob ein Fett bei Raumtemperatur fest ist oder flüssig als Öl vorliegt. Kurze Fettsäuren bedingen feste Fette, lange Fettsäuren verflüssigen ein Fett. Doch die Kettenlänge ist nur ein Aspekt bei der Beschaffenheit von Fetten.
2.3 Gesättigte/Ungesättigte Fettsäuren
Entscheidend ist, ob die jeweilige Fettsäure gesättigt oder ungesättigt ist. Ungesättigte Fettsäuren senken den Schmelzpunkt eines Fettes, d.h. auch in diesem Fall werden die Fette flüssiger. Doch was verbirgt sich hinter diesen Begriffen "gesättigt" und "ungesättigt"?
Der Ausdruck "ungesättigt" meint, daßdie Kohlenstoffkette der Fettsäure keine Doppelbindung enthält, also noch freie Reaktionsstellen im Molekül vorhanden sind. So enthalten z.B. Palmitoleinsäure und Ölsäure, übrigens der Hauptbestandteil des Olivenöls, eine Doppelbindung. Sie werden als "einfach ungesättigte Fettsäuren" bezeichnet. Es gibt aber auch zahlreiche Fettsäuren mit mehr als einer Doppelbindung, so z.B. die Linolsäure, die Linolensäure sowie die Eicosapentaensäure. Man nennt sie „mehrfach ungesättigte Fettsäuren“ (MUFS). Diese Fettsäuren haben ein gemeinsames Merkmal: Bei Zimmertemperatur sind sie flüssig.
Die Doppelbindungen von ungesättigten Fettsäuren sind sehr reaktionsfreudig und verringern die Stabilität von Ölen, die aus solchen Fettsäuren aufgebaut sind. Bei der Lagerung reagieren sie leicht mit Sauerstoff aus der Luft und oxidieren, d.h. sie werden ranzig. Je mehr Doppelbindungen vorhanden sind, um so schneller vollzieht sich der Fettverderb.
2.4 essentielle Fettsäuren
Essentielle Fettsäuren sind mehrfach ungesättigte Fettsäuren, die vom Organismus nicht selbst hergestellt werden können und deshalb mit der Nahrung aufgenommen werden müssen. Die wichtigsten Vertreter sind die Linolsäure und die Linolensäure. Wissenschaftler streiten derzeit, ob die Arachidonsäure auch essentiell ist. Nicht essentiell sind nach dem heutigen Stand alle anderen Fettsäuren.
2.5 omega Fettsäuren
Bei den Omega-Fettsäuren handelt es sich um ungesättigte Fettsäuren. Als Klassenname dient der letzte Buchstabe des griechischen Alphabetes (ω = Omega), da bei diesen Fettsäuren - gezählt vom Methyl ende der Fettsäurekette - das jeweils erste nicht komplett abgesättigte Fettsäuremolekül unverrückbar positioniert ist. Diese 1. Doppelbindung haben Omega-Fettsäuren am 3., 6. oder 9. Kohlenstoffatom (C-Atom). Je nach Länge der Fettsäurekette sind dann im Abstand von jeweils 3 Fettsäuremolekülen weitere Doppelbindungen eingefügt.
2.6 cis/trans Fettsäuren
Bei den trans-Fettsäuren handelt es sich um ungesättigte Fettsäuren mit einer speziellen räumlichen Struktur - im Gegensatz zu den cis-Fettsäuren. Die normalerweise in der Natur vorkommenden ungesättigten Fettsäuren liegen in cis-Konfiguration vor, d.h. die beiden Wasserstoffatome an den durch die Doppelbindung verknüpften Kohlenstoffatomen sind auf der gleichen Seite positioniert. Bei trans-Fettsäuren liegen sich diese zwei Wasserstoffatome diagonal gegenüber.
Im wesentlichen gibt es zwei Quellen für trans-Fettsäuren in der Nahrung:
1. Gehärtete Öle und Fette, da bei der Härtung von ungesättigten Fettsäuren trans-Fettsäuren als Zwischenstufe entstehen.
2. Im Fett von Wiederkäuern, da trans-Fettsäuren bei der mikrobiellen Hydrierung im Pansen dieser Tiere entstehen.
Bei der Härtung pflanzlicher Öle entsteht z.B. aus der zweifach ungesättigten Linolsäure (C18:2) die einfach ungesättigte cis-Ölsäure (C18:1), die sich dann in die trans-Elaidinsäure (C18:1 trans-9) umlagert, die bei der weiteren Härtung in die gesättigte Stearinsäure (C18:0) übergeht. Die unterschiedliche räumliche Struktur von cis- bzw. trans-Fettsäuren bedingt sowohl unterschiedliche physikalische als auch ernährungsphysiologische Eigenschaften. Beispielsweise ist die Ölsäure bei Raumtemperatur flüssig (Schmelzpunkt 130 C), während die Elaidinsäure fest ist (Schmelzpunkt 510 C).
In trans-Form verlieren die essentiellen Fettsäuren ihre physiologische Wirkung.
3. Verdauung und Resorption
Verdauung und Resorption der Fette werden in hohen Maße von der Kettenlänge der Fettsäuren mitbestimmt. Man unterscheidet zwei große Gruppen :
1. Langkettige Fettsäuren (LKT)
2. Mittelkettige Fettsäuren (MKT)
3.1 Verdauung und Resorption von LKT
Die im Mund zerkleinerte Nahrung gelangt über die Speiseröhre in den Magen. Das Fett wird dort zum großen Teil mechanisch aus der Nahrung herausgelöst. Es mischt sich nur schlecht mit der wäßrigen Magenflüssigkeit, so dass sich die Fettmoleküle zu relativ großen Tropfen zusammenlagern. Damit Fette über die Darmwand in den Körper gelangen können, müssen sie physikalisch und chemisch verändert werden. Gleich in den ersten Zentimetern des Dünndarms gelangen zwei unentbehrliche Helfer der Fettverdauung hinzu: die Gallensäure aus der Gallenblase und die Pankreaslipase aus der Bauchspeicheldrüse.
Aber auch der Darm mußetwas tun. Damit die Dünndarmzellen wirklich alle zerlegten Nahrungsbestandteile ins Körperinnere einschleusen können, benötigen sie eine ausreichend große Oberfläche. Um dies zu erreichen, ist der Darm vielfach gefaltet. Die Falten ihrerseits zeigen sogenannte Zotten. Diese verzehnfachen die Darmoberfläche. Doch die stärkste Oberflächenvergrößerung bedingt der mikroskopisch kleine Mikrovillisaum. Dabei handelt es sich um eine kammartige Struktur der einzelnen Zelloberflächen. Der Mikrovillisaum steigert die Darmoberfläche zusätzlich um das 20 fache.
Im Darm werden die mit der Nahrung aufgenommenen Triglyceride unter dem Einflußvon Gallenflüßigkeit und Pankreassaft hydrolisiert und die Spaltprodukte von der Darmschleimhaut resorbiert. Dabei dienen die Gallensalze als Emulgatoren für die Fette. Somit werden aus dem Nahrungsfett kleinste Fetttröpfchen, wodurch es von den Lipasen (fettspaltende Enzyme) leichter angegriffen werden kann. Die Pankreaslipase kann das Fett nur von der wasserlöslichen Seite zu Monoglyceride, Diglyceride und freien Fettsäuren katalysieren.
Die Voraussetzung für die Resorption der Spaltprodukte von Fetten (LKT) ist die Bildung sogenannter Mizellen. Unter Mizellenbildung versteht man eine Anordnung der Lipidmoleküle in der Weise, dass die hydrophilen Molekülanteile nach außen und die hydrophoben Molekülanteile nach innen gekehrt sind. Hierdurch entsteht ein kugelförmiges Gebilde, dessen äußerer Mantel von wasserlöslichen Molekülgruppen gebildet wird. Somit sind diese Gallensäure-Mizellen gut wasserlöslich. Sie beinhalten auch andere fettlösliche Nahrungsbestandteile, wie fettlösliche Vitamine, Cholesterrin, etc.. Die Bestandteile der Mizellen werden, abgesehen von den Gallensalzen, die im Darmlumen zurückbleiben, in die Darmschleimhautzelle eingeschleust.
In der Darmwand werden die Mono- und Diglyceride durch intrazellulare Lipasen weiter bis zu freien Fettsäuren und Glyzerin abgebaut. Da die langkettigen Fettsäuren schlecht wasserlöslich sind, werden sie reverestert (der genaue Ablauf der Wiederveresterung soll hier nicht erläutert werden) und an einem Trägerprotein (wasserlöslich) gebunden. Diese Verbindungen nennt man Chylomikronen, welche anschließend an die Lymphe abgegeben werden. Von dort aus gelangen sie in den Blutkreislauf.
3.2 Verdauung und Resorption von MKT
Fette mit mittelkettigen Fettsäuren, also MKT-Fetten, sind in Wasser löslich. Somit benötigen sie bei der Verdauung keine Mizellenbildung. Eine Spaltung durch Pankreaslipasen ist nicht nötig, sondern wird durch die intrazellularen Lipasen der Darmwand erledigt. Somit ist eine Resorption von MKT-Fetten durch die Darmwand als Triglycerid möglich und die anschließende Reverestrung nicht nötig. Auch benötigen sie keine Chylomikronenbildung und werden nicht an die Lymphe, sondern über Pfortader in den Blutkreislauf abgegeben.
4. Aufgaben der Fette im Körper
Die Aufgaben der Fette im Organismus sind außerordentlich vielseitig. Fett ist der Nährstoff mit dem höchsten Energiewert. 1 Gramm Fett liefert 9 kcal. Aufgenommene Nahrungsfette, die nicht zur Energiegewinnung gebraucht werden, speichert der Körper in Depots.
Darüber hinaus sind die Nahrungsfette Lieferant essentieller Fettsäuren und Träger fettlöslicher Vitamine.
Fette haben verschiedene wichtige biologische Funktionen:
- als Wärmeisolator
- Polster beweglicher Organe
- Abwehr gegen Stoßund Druck
- als strukturelle Bestandteile von Membranen
- als Bestandteile der Zelloberfläche, die bei Zell-Erkennung, Art-Spezifität und Gewebs - Immunität eine Rolle spielen.
5. Stoffwechsel der Fette
Mit Hilfe einer Fettgewebslipase kann deponiertes Fett in seine Einzelteile gespalten und somit für die Energiegewinnung wieder bereitgestellt werden. Diesen Vorgang nennt man Lipolyse. Die freigesetzten Fettsäuren treten in die Blutbahn über, in dem sie gebunden (an Albumin) transportiert werden. Das Glycerinmolekül wird in der Glycolyse abgebaut, während die Fettsäuren in der β-Oxidation schrittweise abgebaut werden.
Fettsäuren verhalten sich bei chemischen Reaktionen eher träge. Um sie zu verstoffwechseln, müssen sie vorher energetisch angereichert werden. Dabei wird ein ATP Molekül pro Fettsäure verbraucht. Die Reaktion wird von der Acyl-CoA-Synthetase katalysiert und verläuft über zwei Stufen:
- Die Fettsäure reagiert mit ATP unter Abspaltung von Diphosphat zu Acyl- Adenylat
- Das Acyl-Adenylat wird dann durch CoA-SH in Acyl-SCoA (die aktivierte Fettsäure) und Adenosinmonophosphat (AMP) zerlegt.
Die CoA-Verbindung der Fettsäuren steht im Gleichgewicht mit einem anderen energiereichen Derivat, dem Carnitinester, d.h. die Fettsäure kann mit dem Carnitin zum Acylcarnitin reagieren. Das Carnitin hat eine ZwitterionenStruktur, die vermutlich der Grund für die gute Lipidmembrangängigkeit des Acylcarnitins ist. Das Acylcarnitin dient als Transportform für die Einschleusung der Fettsäure in die Mitochondrien. Hier wird der Fettsäure-Rest auf HS-CoA rückübertragen. Die weiteren Reaktionen laufen wieder an den Acyl-SCoA-Verbindungen (Apoenzyme) ab.
5.1 β-Oxidation
Die eigentliche Verstoffwechselung der Fettsäuren findet in den Mitochondrien statt. Die Fettsäure, die an das Coenzym A gebunden ist, wird enzymatisch dehydriert, d.h. es werden zwei Wasserstoffatome der Fettsäure entzogen. Der Wasserstoff wird auf FAD übertragen und über ein elektronentransferierendes Flavoprotein in die Atmungskette eingeschleust. An die ungesättigte Fettsäure- CoA-Verbindung wird nun Wasser angelagert, so dass man von einer β- Fettsäure spricht. Somit ist eine sekundäre Alkohol-Gruppe an der Fettsäure entstanden (elektrophile Addition), die anschließend dehydriert wird. Diesmal jedoch werden die zwei Wasserstoffatome dem NAD+ übertragen, es wird zum NADH+H+.
Die dehydrierte Fettsäure ist recht labil. An der Stelle, an dem die sekundäre Alkohol-Gruppe sich befand, ist nun eine Doppelbindung (C=O) vorhanden. An dieser Stelle kann durch ein weiteres Molekül CoA-SH gespalten werden. Diese Reaktion ist der entscheidende Schritt zum Abbau, die Spaltung einer C- C Bindung. Das Spaltstück besteht aus der Essigsäure und dem CoA und stellt deswegen die aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA) dar.
Die Fettsäure durchläuft die Reaktionen von neuem. Sie braucht jedoch nicht erneut aktiviert zu werden, da sie noch CoA-Gruppe besitzt. Es genügt also, wenn die Fettsäure, mag sie 12 oder 16 oder 22 C-Atome besitzen, einmal „aktiviert“ worden und mit Coenzym A verbunden ist, um sie schrittweise in C2-Einheiten, nämlich Acetyl CoA, zu zerlegen.
Die meisten Fette enthalten neben den gesättigten Fettsäuren auch einfach und mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Diese werden genauso wie die gesättigten aktiviert und der ß-Oxidation unterworfen. Wegen der Doppelbindung sind jedoch zwei weitere Enzyme notwendig, die die Doppelbindung „verschieben“. Letztendlich werden auch sie zu Acetyl-CoA zerlegt.
Das Acetyl-CoA nimmt eine zentrale Stellung im Stoffwechsel ein. Das Acetyl-CoA, das entweder aus dem Pyruvat- (aus der Glykolyse oder aus dem Aminosäurestoffwechsel ) oder aus dem Fettsäureabbau stammt, wird im Citratcyklus in CO2 und H2O überführt. Dabei reagiert das Acetyl-CoA mit dem Oxalacetat aus dem Citratcyklus zu Citrat unter der Freisetzung von Coenzym A.
5.2 Ketone
Acetyl-CoA kann nicht in den Citratcyklus einfließen, wenn nicht genügend Glucose vorhanden und folglich nicht genügend Oxalacetat vorhanden ist. Bei einer Gewichtsreduktion bzw. beim Fasten oder im Hungerzustand werden sogenannte Ketonkörper gebildet. Dies geschieht ausschließlich in der Leber. Ketonkörper sind Auf- und Abbauprodukte des Fettstoffwechsel und werden deshalb bei einer gesteigerten Lipolyse gebildet.
Die Biosynthese erfolgt durch Kondensation des Acetyl-CoA, die eine Umkehrung der „Aktivierung der Essigsäure“ darstellt. Dadurch entsteht Acetoacetyl-CoA, die nun unter Abspaltung einer HS-CoA-Gruppe mit einem weiteren Acetyl-CoA reagiert. Das daraus entstandene HMG wird mittels Enzymen zu Aceto-Acetat und Acetyl-CoA gespalten. Nun gibt es zwei weitere Möglichkeiten, wie das Aceto-Acetat reagieren kann :
- Durch CO2 Abspaltung kann Aceton entstehen
- Wird durch NAD+ zu β-Hydroxybuttersäure reduziert
Letzteres ist der übliche „Weg“ des Aceto-Acetat. Durch die Bildung von Acetoacetat können die extrahepatischen (= nicht-Leber) Gewebe von der Leber mit einem leicht wasserlöslichen, aufbereiteten Brennstoff aus dem Fettsäureabbau versorgt werden. Insbesondere das Gehirn, welches die im Blut transportierten Fettsäuren nicht verwerten kann, vermag nach einer gewissen Adaptionszeit einen großen Teil seiner Stoffwechselenergie aus der Oxidation von Acetoacetat und β-Hydroxybuttersäure zu decken. Normalerweise wird von der Leber nur so viel Acetoacetat und Hydroxybuttersäure abgegeben wie in den peripheren Organen umgesetzt wird. Die Blutspiegelkonzentration ist deshalb normalerweise gering. Nur im Hunger bei extremer Mobilisierung der Fettreserven und beim Diabetes mellitus kommt es zu einer überschießenden Produktion von Ketonkörpern, zu ihrer Ausscheidung im Urin und zu einer metabolischen Acidose (= "Blut wird sauer").
5.3 Ketogene Aminosäuren
Aminosäuren aus der Nahrung werden weder gespeichert noch unverändert ausgeschieden. Sie werden entweder direkt für die Synthese von Proteine verwendet oder als Energiequellen genutzt und in Zwischenprodukte des Energiestoffwechsels umgewandelt.
Der Abbau der Aminosäuren im Stoffwechsel erfolgt in drei Schritten und führt zur Bildung von Harnstoff, dem vorherrschenden stickstoffhaltigen Ausscheidungsprodukt. Das Kohlenstoffskelett der Aminosäure kann dem weiterem Abbau zugeführt werden. Die entstehenden 2-Oxosäuren, ein Produkt des Abbaus von Aminosäuren, können entweder zum direkten Abbau zu CO2 führen, oder zur Glukoneogenese (glukogene Aminosäuren), also zum Aufbau von Glucose oder zur Synthese von Acetyl-CoA und Acetoacetat (ketogene Aminosäuren) dienen. Die geschieht vor allem bei besonders starkem Energiebedarf, sowie bei mangelnden Kohlenhydrat- und Lipidreserven (z.B. Hungerstoffwechsel).
Eine Einteilung der Aminosäure in ketogene und glukogene läßt erkennen das nicht jede Aminosäure einen beliebigen Stoffwechselweg gehen kann. Und dennoch gibt es Aminosäuren, die beide Wege gehen können. Dies gilt beispielsweise für Phenylalanin und Thyrosin, sowie Isoleucin.
Ketogene Aminosäuren wie z.B. Valin, Leucin oder Isoleucin werden nach der Transaminierung an einem Multi-Enzym-Komplex durch oxidative Decarboxylierung weiter verarbeitet. Im einzelnen verläuft die oxidative Decarboxylierung der 2-Oxosäure wie folgt:
- CO2 wird aufgrund der Polaritäten frei
- Das zentrale Kohlenstoffatom trägt nun die negative Ladung, die es mit einem H+ kompensiert
- Coenzym A (CoA-SH) lagert sich an und wird von NAD oxidiert
- Es entsteht somit NADH + H+ und eine aktivierte Kohlenstoffkette
- Diese Aktivierte Kohlenstoffkette wird umgebaut (im Falle von Leucin wird FAD zu FADH2 reduziert/Oxidiert , CO2 eingebaut, H2O eingebaut und anschließend gespalten)
- Es entsteht Acetoacetat und Acetyl-CoA die nun in andere Stoffwechselwege einfließen
6. Fettsäurebiosynthese
Dass Fett im Säugetierorganismus aus anderen Nahrungsstoffen aufgebaut werden kann, beweist das Schwein; denn wenn es mit Kartoffeln und Kleie (also Kohlenhydratreicher Kost) gemästet wird, dann setzt es Fett an. Es gibt zwei Arten der Fettsäuresynthese , zum einen die cytoplasmatische und zum anderen die mitochondriale Fettsäuresynthese.
Es wäre eine reine Energieverschwendung, wenn Fettsäureabbau und Fettsäuresynthese nebeneinander herliefen. Beide Systeme sind zunächst einmal räumlich getrennt. Ist der Citratzyklus durch ATP-Überschußgehemmt, so wird Citrat ausgeschleust und kann im Cytosol das zur Fettsäuresynthese benötigte Acetyl-CoA liefern.
6.1 Cytoplasmatische Synthese
Fettsäuren werden im Körper durch das Aneinanderhängen von Acetyl-CoA, also von Zwei-Kohlenstoffatom-Einheiten, synthetisiert. Die Fettsäuresynthese findet in der Leber statt und beginnt sozusagen von neuem („de nova“). Im ersten Schritt wird Acetyl-CoA vom Inneren der Mitochondrien durch die Mitochondrienmembran in das Cytosol transportiert, wo die Biosynthese von Fettsäuren stattfindet, da dort die entsprechenden Enzyme sind. Die aktivierte Essigsäure mußalso aus den Mitochondrien ausgeschleußt werden, dies geschieht über Citrat und kostet ein ATP.
Der Acetyl-CoA-Pool im Cytoplasma liefert das Ausgangsmaterial für den Fettsäureaufbau. Im Cytosol wird Acetyl-CoA durch ein Enzym, das Biotin als prosthetische Gruppe enthält, zu Malonyl-CoA carboxyliert. Für diesen Schritt ist Energie in Form eines Moleküls ATP erforderlich. Dieses Molekül ist wesentlich reaktionsfähiger und für die Kettenverlängerung besser geeignet. Im zweiten Schritt werden eine Malonyl- und eine Acetyl-Gruppe an das sogenannte Acyl-Carrier-Protein (ACP) gekoppelt. Das Enzym Fettsäure- Synthase katalysiert die Kopplung von Malonyl-ACP und Acetyl-ACP und die Eliminierung eines CO2-Moleküls, wobei Acetoacetyl-ACP entsteht. Dieses wird anschließend zu Butyryl-ACP reduziert.
Bisher wurde beschrieben, wie das aus zwei Kohlenstoffatomen bestehende Acetyl-CoA zu einem aus vier Kohlenstoffatomen zusammengesetzten Molekül verlängert wird. Dieser Prozess wiederholt sich nun entsprechend: Acetyl-CoA wird zu Malonyl-CoA carboxyliert, die Malonyl-Gruppe wird an ACP gekoppelt, Malonyl-ACP wird mit dem Butyryl-ACP aus dem vorhergehenden Prozess kondensiert und das Produkt decarboxyliert. Das Resultat ist Hexyryl-ACP, ein aus sechs Kohlenstoffatomen bestehendes Molekül.
Der Prozess wiederholt sich, bis Palmitat, eine Fettsäure mit sechzehn Kohlenstoffatomen, gebildet ist.
6.2 Mitochondriale Synthese
Auch in den Mitochondrien kann eine Verlängerung der Fettsäurenketten verlaufen. Hierbei dient nicht Malonyl-CoA, sondern Acetyl-CoA als Reaktionspartner einer CoA-Verbindung mittlerer Kettenlänge (C16-C22). Die Reaktionen entsprechen genau der Umkehrung der β-Oxidation, mit Ausnahme der Reduktion der Doppelbindung. Diese erfolgt nicht durch das Flavoprotein (FAD), sondern durch NADPH2 als Wasserstoffdonator.
6.3 „Lorenzos Öl“
Bei ALD, der Adrenoleukodystrophie, oder zu Deutsch der Nebennierenentmarkungskrankheit, handelt es sich um eine peroxisomale Krankheit, d.h. eine Krankheit, die in den Peroxisomen (Organellen in der menschlichen Zelle) zum tragen kommt. Das Enzym, das die sehr langkettig-gesättigten Fettsäuren (>C22) in den Peroxisomen abbauen sollte, ist defekt oder fehlt ganz. Somit können die sehr langkettig-gesättigten Fettsäuren (gesättigt, weil sie nur Einfachbindungen zwischen den C-Atomen besitzen) und die nur in den Peroxisomen abgebaut werden können, nicht in ihre kleineren Spaltstücke zerlegt werden. Dadurch nimmt der Gehalt dieser sehr langkettig-gesättigten Fettsäuren, insbesondere von C24 und C26, zu. Aus welchem Grunde diese sehr langkettig-gesättigten Fettsäuren nur ausschließlich in den Peroxisomen abgebaut werden können, also die Beta-Oxidation durchlaufen, ist nicht bekannt. Der Defekt dieses Enzym (peroxisomale sehr langkettige Fettsäure-CoA-Synthetase1) ist geschlechtschromosomengebunden, genauer gesagt, das Gen, dass das Enzym codieren sollte, liegt auf dem X-Chromosom. Somit können nur Männer an ALD erkranken, da nur sie ein einziges X- Chromosom besitzen. Ist das "ALD-Gen" auf dem männlichen X-Chromosom zu finden, so erkranken die Männer (XY); im Gegensatz zu den Frauen, die in Folge ihrer Geschlechtschromosomenkombination (XX) zwei X Chromosomen besitzen. Ist nämlich ein weibliches X-Chromosom mit dem ALD-Gen bestückt, so haben die Frauen noch ein zweites, gesundes X-Chromosom. Somit ist die Frau die Konduktorin (Trägerin), das heißt: ALD wird ausschliesslich auf den Sohn übertragen.
Ist einmal der C24 und C26-Gehalt erhöht, so reichern sich diese "ungekürzten" Fettsäuren im Gehirn an und zerstören die Myelinscheide, die Schutzhülle der Nervenstränge im Gehirn. Wie weit die Anreicherung der sehr langkettig-gesättigten Fettsäuren die Myelinscheide beschädigt, kann nur vermutet werden. Der Myelinschwund kann fatale Folgen für den Knaben haben, die insbesonders zwischen dem 4. und 10. Lebensjahr auftreten. So verursacht der Myelinschwund anfänglich beispielsweise plötzliche Anfälle, Seh-, Gehör-, Sprach- und Schluckstörungen, bis letztlich eine Vollkörperlähmung einsetzt und der Patient dem Tod geweiht ist. Da nur gerade jeder 500'000 an ALD leidet, sind Forschungsgelder für Wissenschaftler, die diese Krankheiten untersuchen, rar. Lange waren die Wissenschaftler ratlos; bis Augusto Odone, der Vater eines ALD-kranken Kindes herausfand, dass der Körper seinen Fettsäuremangel kompensiert, indem er durch Biosynthese selbst Fettsäuren herstellt. Außerdem erkannte er, dass wenn man der Nahrung C24 und C26 entziehe, und dem ALD-Patienten Ölsäure (C18) verabreiche, so würde die Biosynthese von C24 und C26 zu 50 Prozent gedrosselt, da dasjenige Enzym, das beim Abbau der sehr langkettig- ungesättigten Fettsäuren (C18) eine Schlüsselrolle einnahm, das gleich war, wie dasjenige, das bei der Biosynthese der sehr langkettig-gesättigten Fettsäuren (C24 und C26) involviert war. Verabreichte man dem Körper nun Ölsäure, so wurde das Enzym gewissermassen abgelenkt. Man spricht dann von kompititiver Hemmung. Da die Ölsäure-Therapie nur zu 50 Prozent Wirkung zeigte, wurde den Patienten darauf Ölsäure und Erucasäure (C22) verabreicht. Die Heilung von ALD schien in Sicht. Immerhin wurden kurzfristige Erfolge verbucht. Doch auch die Ölsäure-Erucasäure-Therapie (Lorenzos Öl) ist keine endgültige Heilung.
Wer sich dafür interessiert, dem sei der Spielfilm „Lorenzos Öl“ wärmstens zu empfehlen. Hier wird die authentische Geschichte des kleinen Lorenzo Odone und der Kampf der Eltern erzählt.
7. Zusammenfassung
Wir haben bei der Klassifizierung der Fettsäuren die wichtigsten Einteilungen erläutert. Wir wollen hier noch mal kurz auf den Sinn eingehen.
Die Klassifizierung nach der Kettenlänge ist wichtig für die Verdauung und Resorption, denn MKT-Fette werden anders als LKT-Fette verdaut und resorbiert. Die Einteilung nach gesättigten bzw. ungesättigten Fettsäuren bekommt ihren Sinn bei der Fettsäurebiosynthese. Der Körper kann keine mehrfach ungesättigten Fettsäuren synthetisieren, wohl aber bestehende MUFS in ihrer Kette verlängern, die zum Aufbau wichtiger Verbindungen dienen. Daher gelten MUFS, dazu zählen auch die omega-Fettsäuren, auch als essentielle Fettsäuren. Sie müssen mit der Nahrung täglich zugeführt werden. Dabei ist aber zu beachten, dass diese Fetttsäuren in ihrer eigentlichen cis- Form aufgenommen werden müssen, da sie sonst unwirksam sind.
Beim Stoffwechsel haben wir die zentrale Bedeutung des Acetyl-CoA kennengelernt. Es ist sowohl das Endprodukt der Fettsäuren, als auch Nebenprodukt des Stoffwechsel der ketogenen Aminosäuren und der Glykolyse, aber auch gleichzeitig Substrat für die Ketonkörperbildung, für die Fettsäurebiosynthese, aber vor allem für den Citratzyklus.
8. Literaturquellen
Karlson, P.: Kurzes Lehrbuch der Biochemie für Mediziner und Naturwissenschaftler. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1980
Linder, H.: Biologie. J.B.Metzlersche Verlagsbuchgruppe, Stuttgart 1989
Holzner,D.: Chemie für Technische Assistenten in der Medizin. VCH Verlag 1988
Kasper,H.: Ernährungsmedizin und Diätetik. Urban & Schwarzenberg, München 1991
Miram, W. und Scharf, K.H.: Biologie heute S2. Schroedel Verlag 1988
AID.: Speisefette. 1992
http://www.quarks.de/fett/00.htm
http://www.margarine-institut.de/index.htm
Häufig gestellte Fragen
Was ist der chemische Aufbau von Fetten und wie werden sie klassifiziert?
Fette bestehen hauptsächlich aus Triglyceriden, die aus Glycerin und drei Fettsäuren bestehen. Sie werden nach Kettenlänge (kurzkettig, mittelkettig, langkettig), Sättigungsgrad (gesättigt, ungesättigt), Essenzialität (essentiell, nicht-essentiell) und Omega-Position der Doppelbindung (Omega-3, Omega-6, Omega-9) klassifiziert.
Was sind gesättigte und ungesättigte Fettsäuren?
Gesättigte Fettsäuren enthalten keine Doppelbindungen in ihrer Kohlenstoffkette, während ungesättigte Fettsäuren eine (einfach ungesättigt) oder mehrere (mehrfach ungesättigt) Doppelbindungen enthalten. Ungesättigte Fettsäuren haben einen niedrigeren Schmelzpunkt und sind oft flüssig bei Raumtemperatur.
Was sind essentielle Fettsäuren und warum sind sie wichtig?
Essentielle Fettsäuren (z.B. Linolsäure und Linolensäure) kann der Körper nicht selbst herstellen und müssen über die Nahrung aufgenommen werden. Sie sind wichtig für verschiedene Stoffwechselprozesse und die Zellstruktur.
Was sind Omega-Fettsäuren?
Omega-Fettsäuren sind ungesättigte Fettsäuren, bei denen die erste Doppelbindung vom Methylende (Omega-Ende) der Fettsäurekette aus an der 3., 6. oder 9. Position liegt (Omega-3, Omega-6, Omega-9 Fettsäuren).
Was sind cis- und trans-Fettsäuren?
Cis-Fettsäuren sind die natürlich vorkommenden ungesättigten Fettsäuren, bei denen die Wasserstoffatome an den Kohlenstoffatomen der Doppelbindung auf derselben Seite liegen. Bei trans-Fettsäuren liegen sie diagonal gegenüber. Trans-Fettsäuren entstehen hauptsächlich bei der Härtung von Ölen und in geringen Mengen im Fett von Wiederkäuern.
Wie werden Fette verdaut und resorbiert?
Die Verdauung beginnt im Magen, aber hauptsächlich im Dünndarm durch Gallensäure und Pankreaslipase. Langkettige Fettsäuren (LKT) werden durch Mizellenbildung resorbiert und über Chylomikronen in die Lymphe transportiert. Mittelkettige Fettsäuren (MKT) werden leichter resorbiert und gelangen direkt über die Pfortader ins Blut.
Welche Aufgaben haben Fette im Körper?
Fette dienen als Energiereserve, Wärmeisolator, Polster für Organe, Träger fettlöslicher Vitamine, Bestandteile von Zellmembranen und liefern essentielle Fettsäuren.
Wie funktioniert der Fettstoffwechsel (β-Oxidation)?
Bei der β-Oxidation werden Fettsäuren in den Mitochondrien schrittweise in Acetyl-CoA zerlegt, welches dann in den Citratzyklus eingespeist wird. Der Prozess erzeugt Energie in Form von ATP.
Was sind Ketonkörper und wann werden sie gebildet?
Ketonkörper (Acetoacetat, β-Hydroxybuttersäure und Aceton) sind Abbauprodukte des Fettstoffwechsels, die in der Leber gebildet werden, wenn nicht genügend Glukose vorhanden ist (z.B. bei Hunger oder Diabetes). Sie dienen als alternative Energiequelle, besonders für das Gehirn.
Was sind ketogene Aminosäuren?
Ketogene Aminosäuren werden im Stoffwechsel zu Acetyl-CoA oder Acetoacetat abgebaut, was zur Bildung von Ketonkörpern führen kann.
Wie funktioniert die Fettsäurebiosynthese?
Die Fettsäurebiosynthese findet hauptsächlich im Cytosol der Leberzellen statt, wo Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA carboxyliert und dann schrittweise zu längeren Fettsäuren aufgebaut wird.
Was ist „Lorenzos Öl“ und wofür wird es eingesetzt?
„Lorenzos Öl“ ist eine Mischung aus Ölsäure und Erucasäure, die zur Behandlung der Adrenoleukodystrophie (ALD) eingesetzt wird. ALD ist eine genetische Stoffwechselerkrankung, bei der sehr langkettige Fettsäuren nicht abgebaut werden können. Das Öl soll die Biosynthese dieser Fettsäuren reduzieren.
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- Pisa Hamburg (Author), 2002, Fette, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/106620
