חמצון בטא

חמצון בטא (β oxidation), הוא מסלול מטבולי בו מפורקות חומצות שומן בתאי הגוף לשם הפקת אנרגיה במיטוכונדריה במסגרת מעגל קרבס. התהליך נקרא כך משום שחיתוך מולקולות האצטיל קואנזים A המתרחש בתהליך מתבצע אחרי הפחמן המסומן בתור פחמן בטא.

חשיבות המסלול

ניצול חומצות השומן כמקור חלופי להפקת האנרגיה היא תופעה שכיחה וחשובה המתרחשת בגוף החי בעיתות צום או רעב, כאשר אין אספקת גלוקוז זמינה לתהליך. למעשה, פירוק חומצות השומן מניב כמות של פי כמה וכמה יותר אנרגיה מאשר פירוק הסוכרים בתהליך הגליקוליזה.
תהליך הגלוקונאוגנזה, כלומר סינתזת הגלוקוז בגוף דורש כמויות גדולות של אנרגיה. תהליך חמצון בטא הוא המנגנון הבלעדי להספקת אנרגיה זו.

התהליך

חמצון בטא מורכב מסדרה של ארבעה תהליכים עוקבים המתבצעים על חומצת שומן מסוימת אשר בסופם מתקבלת מולקולת אצטיל קואנזים A חופשית המועברת ישירות אל מעגל קרבס, וחומצת שומן שהתקצרה בשני פחמנים אשר כעת עוברת גם היא את אותו התהליך וחוזר חלילה עד לפירוקה הסופי.
המקור לחומצות השומן הוא במאגרי השומן בגוף ומהמזון. מאגרי השומן מתרכזים בתאי שומן (אדיפוציטים) בצורת מולקולות טריגליצריד, המורכבות מחד סוכר גליצרול ושלש חומצות שומן. על מנת לנצל את חומצות השומן הללו להפקת האנרגיה יש לבצע תחילה מספר שלבים מקדימים הכוללים את פירוק הטריגליצריד למרכיביו, ושינוע חומצות השומן החופשיות לתאי הגוף השונים.
גם ניצול חומצות השומן מהמזון דורש מספר שלבים מקדימים הכוללים את אריזת הטריגליצרידים בליפופרוטאינים מיוחדים.

פירוק מאגרי השומן

תהליך פירוק הטריגליצרידים בתאי השומן מתבצע הודות לעלייה בהורמוני הגלוקגון או האפינפרין בדם. הורמונים אלה גורמים בראש ובראשונה להפעלת אנזים ליפאז ספצפי (Hormone Sensitive Lipase) אשר מתחיל לפרק את הטריגליצריד למרכיביו. חומצות השומן החופשיות משונעות בשלב הבא, על ידי חלבון האלבומין אל תאי הגוף השונים. בהגיעם אל התאים, מסוגלות חומצות השומן לעבור את ממברנות התאים הודות לשומניות שלהם ולמסיסות הנמוכה שלהם במים.

צריכת חומצות שומן מהמזון

תוצרי המזון וביניהם גם טריגליצרידים אשר מגיעים למעי הדק מפורקים על ידי סדרה של אנזימים ונספגים בדופן אפיתל המעי. בעוברם את האפיתל הם נבנים מחדש כטריגליצריד ונארזים בליפופרוטאינים מיוחדים שנקראים כילומיקרונים ומשונעים בזרם הדם אל תאי הגוף. בהגיעם אל התאים, מפורקים הכילומיקרונים וחומצות השומן מועברות אל פנים התא.

המעבר למיטוכונדריה

בעוברם את קרום התא מגיעות חומצות השומן לציטוזול התאי ומיד מגיבות עם קואנזים A ויוצרות מולקולת אציל קואנזים A אשר נחוצה לתהליך חמצון בטא. ריאקציה זו דורשת השקעה של אנרגיה ולכן מולקולת ATP אחת מנוצלת בתהליך. אולם מולקולות האציל קואנזים A אינן מסוגלות להיכנס אל תוך פנים המיטוכונדריה, מפני שהן אינן מצליחות לחדור את הקרום הפנימי שלהן. המעבר למיטוכנדריה מתאפשר אם כך הודות למולקולת הקרניטין, אשר מגיבה עם האציל קואנזים A ליצירת מולקולת אציל קרניטין. ריאקציה זו מזורזרת בנוכחות האנזים קרניטין אציל טְרַנְסְפֵרַאז I. אציל קרניטין חודרת את הקרום הפנימי ובתוך חלל המיטוכונדריה חוזרת לצורת אציל קואנזים A בנוכחות האנזים אציל טרנספראז II. 
כעת מולקולות האציל קואנזים A מתחילות את חמצון הבטא בפועל.

חמצון בטא בחומצות שומן בלתי רוויות

התהליך אשר מפורט לעיל מתרחש במצב האידיאלי בו חומצת השומן היא רוויה, כלומר ללא נוכחות של קשרים כפולים בין הפחמנים המרכיבים אותה. אולם רוב חומצות השומן בטבע הן בלתי רוויות, כלומר בעלות אחד או יותר קשרים כפולים. נוכחות של קשרים כפולים אינה מהווה בעיה בתנאי שהקשר הכפול הוא מסוג טראנס, מפני שקשר מסוג זה מתקבל באופן טבעי לאחר השלב הראשון בתהליך. הבעיה תיווצר אם הקשר הכפול הוא מסוג ציס, מפני שהאנזים אנואיל הידרטאז (האנזים אשר מכניס מולקולת מים) אינו מסוגל לתפקד במצב כזה. בשביל להתגבר על הבעיה מגיע האנזים אֶנוֹאִיל קואנזים A אִיזוֹמֵרָאז אשר משנה את מצב הציס למצב טראנס ובכך מאפשר את המשך החמצון.

חמצון בטא לחומצות שומן בלתי זוגיות

תהליך הפירוק של חומצות שומן בעלות מספר פחמנים אי זוגי מתבצע באופן זהה לתהליך אשר מתבצע עבור חומצות שומן זוגיות עד לשלב האחרון בו נותרת חומצת שומן בודדת בעלת שלושה פחמנים שנקראת פְּרוֹפְּיוֹנִיל קואנזים A. חומצת שומן זו אינה יכולה להיכנס למעגל קרבס אשר דורש מולקולות אצטיל קואנזים A בלבד אשר מתקבלות אך ורק בתום חמצון בטא לחומצות שומן זוגיות. ולכן לטובת ניצול הפרופיוניל קואנזים A מגיע האנזים פְּרוֹפְּיוֹנִיל קואנזים A קָרְבּוֹקְסִילָאז אשר תוך השקעת מולקולת ATP וביקרבונט הופך אותה למולקולת מַתִיל מָלוֹנִיל קואנזים A. מולקולה זו מיד הופכת לסוּקְסִינִיל קואנזים A על ידי האנזימים מַתִיל מָלוֹנִיל קואנזים A אֵפִּימֵרָאז ומוּתָאז בריאקציה עוקבת, אשר יכולה להיכנס כעת ישירות למעגל קרבס בתור אחד מהמטבוליטים שלו (ראו איור).

חמצון בטא של חומצות שומן ארוכות מאוד

חמצון חומצות שומן ארוכות מאוד (למעלה מ-18 פחמנים) מתחיל בציטוזול בפראוקסיזומים. החמצון הזה מתרחש עד לשלב שבו חומצות שומן מגיעות לאורך של 18 פחמנים. בשלב הבא משונעות חומצות השומן הללו למיטוכונדריה ומשם ממשיך התהליך כפי שפורט.