Β-oksidaatio

β-oksidaatio eli beetaoksidaatio on rasvahappojen aineenvaihdunnan reitti, jossa kehon solut tuottavat ruoan tai rasvasolujen rasvahappoja hapettamalla yleensä energiaa ATP:n muotoon. Reitin nimi tulee siitä, että siinä hapetetaan eli oksidoidaan rasvahappojen β-hiiliä karbonyyleiksi.

β-oksidaatio tapahtuu ihmisten ja monien eläinten solujen mitokondrioissa ja peroksisomeissa. Se ei silti esimerkiksi nisäkkäillä tapahdu punasoluissa, koska näistä mitokondriot poistuvat solukehityksen aikana toisin kuin kaloilta ja ehkä joiltain muiltakin selkärankaisilta. Oksidaatiota ei juurikaan tapahdu myöskään nisäkkäiden hermosoluissa, koska näissä ei tuoteta juurikaan β-oksidaation entsyymeitä. Syytä kumpaankaan solutyypin entsyymipuutokseen ei tiedetä varmuudella.

Kasveilla β-oksidaatio tapahtuu glyoksisomeissa ja peroksisomeissa. Myös kasvien mitokondrioissa voi ehkä tapahtua jossain määrin β-oksidaatiota. Reitillä kasvit tosin tekevät rasvahapoista lähinnä biosynteesin raaka-aineita, eikä energiaa.

Useimmilla sienillä kuten leivinhiivalla β-oksidaatio tapahtuu vain peroksisomeissa.

Rasvahapot ovat usein triglyserideinä kiinni glyserolissa, jota ei käsitellä β-oksidaatiossa. Se hydrolysoituu irti rasvahapoista ja energiaksi mennessään glyseroli menee glyserolikinaasin kautta glyseroli-3-fosfaattina glykolyysiin.

β-oksidaatiolle vaihtoehtoinen reitti on ω-oksidaatio, mutta tämä on nisäkkäillä paljon vähäisempi ja valtaosa rasvahapoista käy läpi β-oksidaation. ω-oksidaatiossa rasvahappoja hapetetaan niiden ketjun pään ω-hiilestä, joka on kauimmainen hiili rasvahapon karboksyyliryhmästä. Reitti tapahtuu selkärankaisilla maksa- ja munuaissolujen solulimakalvostoissa ja lähinnä 10–12 hiilen rasvahapoille.

Rasvahappojen sisäänotto

Solukalvon läpäisy
Veressä rasvahapot kuljetaan kylomikroneissa triglyserideinä ja paljon vähemmässä määrin albumiiniin sitoutuneina rasvahappoina.

Ihmisillä kylomikronin apoC-II -lipoproteiini aktivoi verisuonten sisäpintaan (endoteeliin) sitoutuneen lipoproteiinilipaasin, joka hydrolysoi triglyserigit vapaiksi rasvahapoiksi ja glyseroleiksi. Lihassoluissa sisäänotetut rasvahapot päätyvät β-oksidaatioon mitokondrioon päästyään, mutta rasvasoluissa ne lähinnä käsitellään, esteröidään uudelleen ja säilötään rasvakudokseen. Lähes tyhjentyneen kylomikronin jäämät kulkevat veressä maksaan, jossa ne käsitellään vereen vapautuviksi VLDL:iksi. Nämä kuljettavat loput rasvahapoista rasvasoluihin.

Ihmisillä glukagonin ja epinefriinin sitoutuminen rasvasolujen pinnalle saa cAMP kautta PKA:n fosforyloimaan perilipiini A:n. Tämä kuljettaa rasvasolun pinnalle hormoniherkän lipaasin, joka hydrolysoi rasvasolun triglyseridejä vapauttaen vereen vapaita rasvahappoja. Rasvahapot eivät liukene vereen sellaisenaan. Siksi ne ensin sitoutuvat vesiliukoiseen albumiiniin, joka sitoo jopa 7 rasvahappoa kerralla. Tähän sitoutuneena ne kelkevat veren mukana lähinnä lihassoluille.

Mitokondrion läpäisy
Likimain alle 12 hiilen rasvahapot voivat päästä solulimasta mitokondrion sisäkalvon läpi itsestään diffuusiolla ilman kuljetusproteiineja. Valtaosa ruoan rasvahapoista on kuitenkin yli 14 hiiltä pitkiä ja nämä kuljetetaan mitokondrion sisäkalvon sisäiseen nesteeseen, matriksiin.

Kuljetus tapahtuu karnitiini-sukkula -järjestelmän avulla. Eripituisille rasvahapoille on useita pitkäketjuisten rasvahappojen CoA-ligaasien (EC 6.2.1.3) isotsyymejä. Solulimassa nämä katalysoivat tioesterin muodostumista rasvahapon karboksyylin (-COOH) ja koentsyymi A:n (lyhenne CoA) tiolin (-SH) välille ATP:n tuoman energian avulla:
rasvahappo + CoA + ATP ⇌ rasva-asyyli-CoA + AMP + PPi
Rasva-asyyli-CoA päätyy satunnaisen liikkeen kautta mitokondrion ulkokalvon karnitiiniasyylitransferaasi I:lle (geeni CPT1A). Tapahtuu vaihtoesteröinti ja CoA vapautuu vaihtuen L-karnitiiniin. Rasvahappo sitoutuu karboksyylistään karnitiinin hydroksyyliin. Reaktio on:
rasva-asyyli-CoA + L-karnitiini ⇌ rasva-asyylikarnitiini + CoA
Rasva-asyylikarnitiini kulkeutuu mitokondrion sisäkalvon karnitiini-asyylikarnitiinitranslokaasin (geeni SLC25A20) kautta matriksiin. Matriksissa rasva-asyylikarnitiini vaihtoesteröityy karnitiiniasyylitransferaasi II:lla (geeni CPT2) CoA kanssa:
rasva-asyylikarnitiini + CoA ⇌ rasva-asyyli-CoA + L-karnitiini
Rasva voi nyt siirtyä β-oksidaatioon. Karnitiini palaa translokaasin kautta mitokondrion ulkokalvolle reagoimaan seuraavien rava-asyyli-CoA -molekyylien kanssa.

Tyydyttyneet rasvat ja yksöissidokset

Mitokondrio-oksidaatio
β-oksidaatio tapahtuu tyydyttyneillä rasvahapoilla neljässä vaiheessa: dehydraus, hydrataatio, hapetus ja tiolyysi.

Dehydrauksessa FAD poistaa 2 vetyä rasvahaposta asyyli-CoA-dehydrogenaasilla (usea isotsyymi). C2-3 väliin tulee trans-sidos:

Hydrataatiossa vesi liitetään C2-3 kaksoissidokseen enoyyli-CoA-hydrataasilla (EC 4.2.1.17). Sidos pelkistyy, C3:en liittyy OH-ryhmä ja muodostuu S- eli L-isomeeri:

Hapetuksessa NAD+ poistaa 2 vetyä 3-hydroksiasyyli-CoA-dehydrogenaasilla (EC 1.1.1.35). C3:n OH hapettuu karbonyyliksi:

Tiolyysissä β-ketotiolaasin (EC 2.3.1.16) liittämä CoA:n tioli (-SH) katkaisee C2-3 sidoksen muodostaen tilalle tioesterin:

Reaktiosarja alkaa alusta. Joka toistossa rasvahaposta poistuu 2 hiiltä asetyyli-CoA:na kunnes rasvahappo on kulunut loppuun. Tiolyysin asetyyli-CoA siirtyy yleensä sitruunahappokiertoon mennen siten ATP:n tuottoon. Muissa vaiheissa saadut NADH ja FADH2 päätyvät ATP:n tuottoon menemällä mitokondrion elektroninsiirtoketjuun.

Asyyli-CoA-dehydrogenaasista (AD) on ihmisillä (ja useilla muilla nisäkkäillä) 4 entsyymityyppiä (isotsyymiä), jotka dehydraavat rasvahappoja näiden pituuden mukaan:
VLCAD, Very-Long-Chain AD (EC 1.3.8.9) - ei toimi alle 12 C rasvahapoille, toimii parhaiten 14–18 C rasvahapoille ja toimii jopa 24 C rasvahapoille.
LCAD, Long-CAD (EC 1.3.8.8) - ei toimi alle 6 C tai yli 24 C rasvahapoille ja toimii parhaiten 14–16 C rasvahapoille.
MCAD, Medium-CAD (EC 1.3.8.7) - sian entsyymi ei toimi alle 4 C tai yli 16 C rasvahapoille ja toimii parhaiten 8–12 C rasvahapoille.
SCAD, Short-CAD (EC 1.3.8.2) - naudan entsyymi toimii 3–8 C rasvahapoille.

Kun rasvahappo on alle 12 hiiltä pitkä, hapetetaan se mitokondrion matriksissa ja erillisin edellä reaktiovaiheissa mainituin entsyymein. Jos se on yli 12 hiiltä pitkä, hoitaa hydrataation, hapetuksen ja tiolyysin mitokondrion sisäkalvolla mitokondrion kolmitoiminen proteiini, MTP (eng. mitochondrial trifunctional protein). Kompleksi koostuu kaksitoimisesta α-yksiköstä (HADHA, hoitaa hydrataation ja hapetuksen) ja yksitoimisesta β-yksiköstä (HADHB, hoitaa tiolyysin).

Peroksisomioksidaatio
Mitä pidempiä rasvahappojen hiiliketjut ovat, sitä suuremmassa määrin niiden hapetus tapahtuu peroksisomeissa. Näissä hapetaan pääasiassa lähinnä yli 20 hiilen rasvahappoja, ja ketjujen lyhentyessä tarpeeksi hapetus siirtyy normaalisti lopulta kokonaan takaisin mitokondrioon, jossa se etenee loppuun asti.

Rasvahapot hapetetaan peroksisomeissa samoin reaktioin kuin mitokondrioissa, mutta osin eri entsyymein. Peroksisomit käsittelevät jopa 26 hiilen rasvahappoja (kuten keroottihappo) ja haarautuneita rasvahappoja, kuten fytaanihappoja ja pristaanihappoja. Fytaanihapon täytyy tosin ensin muuntua peroksisomin α-oksidaatiossa pristaanihapoksi, joka voi käydä läpi β-oksidaation.

Peroksisomissa ei dehydrausvaiheessa muodostu ATP:tä sillä FADH2 vedyt siirretään hapelle O2 ja saadaan vetyperoksidia (H2O2). Tämä on soluja vaurioittava hapetin ja siitä tulee päästä eroon, joten katalaasi muuntaa sen pian vedeksi. Reaktiossa muodostuu lämpöä. Hapetuksessa muodostuu kuitenkin NADH:ta, joka kuljetetaan mitokondrioon ATP tuottoon.

cis-sidokset

2-cis
Esimerkiksi petroseliinihappo (18:1 cis-6) sisältää 2-cis -sidoksen β-oksidaation edettyä kyllin pitkälle.

Jos tyydyttymätön rasvahappo sisältää 2-cis -sidoksen, enoyyli-CoA-hydrataasi hydratoi sidoksen ihmisillä kuten tyydyttyneiden rasvojen -osiossa. Tyydyttyneiden käsittelystä poiketen tuotteeksi muodostuu kuitenkin D-3-hydroksiasyyli-CoA (R-isomeeri). Eli:

Ihmisten ja muiden nisäkkäiden 3-hydroksiasyyli-CoA-dehydrogenaasi ei voi hapettaa tätä isomeeriä, mutta on eliöitä, joiden kyseinen entsyymi pystyy tähän. Tiettävästi nisäkkäät, kasvit ja jotkin bakteerit käsittelevät D-3-hydroksiasyyli-CoA:n peroksisomeissa (käsittelyä ei tapahdu mitokondrioissa) kahdella vaihtoehtoisella reitillä.

1. vaihtoehtoisessa reitissä 3-hydroksiasyyli-CoA-epimeraasi (EC 5.1.2.3) muuntaa D-3-hydroksiasyyli-CoA:n S- eli L-isomeeriksi, joka voidaan viedä  β-oksidaation hapetusvaiheeseen. Reaktio on:

R-hydroksiasyyli-CoA ⇌ L-3-hydroksiasyyli-CoA

2. vaihtoehtoisessa reitissä enoyyli-CoA-hydrataasi 2 (EC 4.2.1.119) muuntaa D-3-hydroksiasyyli-CoA:n (2E)-enoyyli-CoA:ksi, joka menee  β-oksidaation hydrataatiovaiheeseen. Reaktio on:

3-cis
Esimerkiksi linolihappo (18:2 9,12-cis) sisältää 3-cis -sidoksen β-oksidaation edettyä kyllin pitkälle.

3-cis -sidosta ihmiset eivät voi hydratoida saatavilla olevin entsyymein, joten sen muuntaa 2-trans -sidokseksi 3,2-trans-enoyyli-CoA-isomeraasi (EC 5.3.3.8):

Sitten enoyyli-CoA-hydrataasi hydratoi trans-sidoksen kuten tyydyttyneiden rasvahappojen kohdalla ja β-oksidaatio tapahtuu ainakin kerran.

Luonnon monityydyttymättömissä rasvahapoissa cis-kaksoissidokset ovat tosin lähes poikkeuksetta kahden yksöissidoksen päässä toisistaan kuten vaikka linolihapossa. Siksi ensimmäisen kaksoissidoksen käsittelyn jälkeisen yhden β-oksidaatiokierroksen ja asyyli-CoA-dehydrogenaasin dehydrauksen jälkeen rasvahapossa on konjugoidut 2-trans- ja 3-cis -sidokset. 2,4-dienoyyli-CoA-reduktaasi (EC 1.3.1.34) pelkistää nämä sidokset NADPH avulla yhdeksi 3-trans -sidokseksi:

3,2-trans-enoyyli-CoA-isomeraasi muuntaa tuotteen kaksoissidoksen taas 2-trans -sidokseksi josta tuote menee β-oksidaation hydrataatiovaiheeseen.

Alla on kuvattu linolihapon loppuun asti etenevä β-oksidaatio, johon kaikki edellä kuvatut entsyymit osallistuvat.

trans-sidokset

2-trans
Esimerkiksi linoelaidiinihappo (18:2 9,12-trans) sisältää 2-trans -sidoksen β-oksidaation edettyä ensimmäisestä kaksoissidoksesta seuraavaan.

Jos transrasvassa on 2-trans -sidos, enoyyli-CoA-hydrataasi hydratoi sidoksen ihmisillä ja reaktiot tästä eteenpäin jatkuvat normaalisti (katso Mitokondrio-oksidaatio). Muodostuu S- eli L-isomeeri:

3-trans
Esimerkiksi elaidiinihappo (18:1 9-trans) sisältää 3-cis -sidoksen β-oksidaation edettyä kyllin pitkälle.

Jos trans-sidos on C3-4 välissä, 3,2-trans-enoyyli-CoA-isomeraasi siirtää ihmisillä sidoksen yhdellä hiilellä eteenpäin ja enoyyli-CoA-hydrataasi jatkaa tästä kuten yllä (2-trans osio). Isomeraasin reaktio on:

Hiililtään parittomat rasvahapot
Valtaosassa ruoan ja luonnon rasvahapoista ei ole paritonta lukumäärää hiiliä, kuten vaikka margariinihapossa (17:0) on, mutta keho pystyy hajottamaan näitäkin.

Rasvahapon yksöis- ja kaksoissidokset hajotetaan tapauskohtaisesti tässä artikkelissa kuvatuin tavoin kunnes jäljellä on 3 hiilinen propionihappo tioesteröitynä propionyyli-CoA:ksi. Ihmisillä propionyyli-CoA-karboksylaasi liittää hiilidioksidin propionyylin C2:teen eli karboksyloi sen. Muodostuu S-metyylimalonyyli-CoA. Metyylimalonyyli-CoA-rasemaasi muuttaa tämän R-metyylimalonyyli-CoA:ksi. Metyylimalonyyli-CoA-mutaasi muuttaa tämän sukkinyyli-CoA:ksi, joka menee sitruunahappokiertoon. Reaktio on:

Konjugoidut rasvahapot
Konjugoiduissa rasvahapoissa kuten rumeenihapossa (18:2 9-cis,11-trans) on vähintään kaksi kaksoissidosta, joita erottaa yksi yksöissidos kahden sijaan, kuten tyydyttymättömissä rasvahapoissa yleensä. Kaksoissidokset ovat siksi konjugoituneet ja niistä ei-kumpikaan, toinen tai molemmat voivat olla trans-sidoksia loppujen ollessa cis-sidoksia.

Δ3,5Δ2,4-dienoyyli-CoA-isomeraasi (EC 5.3.3.21) käsittelee ihmisillä 3,5-dienoyyli-CoA:n, jossa on 3-trans- ja 5-cis -sidokset. Muodostuu (2E,4E)-dienoyyli-CoA, jossa on C2-3 ja C4-5 välillä konjugoituneet trans-sidokset. Reaktio on:

2,4-dienoyyli-CoA-reduktaasi käsittelee tuotteen kuten alla ja tätä seuraava reaktio on 3,2-trans-enoyyli-CoA-isomeraasilla (katso 3-cis).

Energiasaanto
Keho varastoi rasvahappojen kemiallisen energian ATP:ksi, jota käytetään sitten kehossa tuomaan energiaa esimerkiksi entsyymien reaktioihin.  

Oksidatiivinen fosforylaatio ei tapahdu täydellisesti, joten ATP:tä muodostuu karkeasti noin 1.5 per FADH2, 2.5 per NADH ja 10 per asetyyli-CoA. Yksittäisessä tyydyttymättömän sidoksen β-oksidaatiokierroksessa muodostuu näitä kaikkia aineita yksi, joten kierroksessa muodostuu kokonaisuudessaan 14 ATP:tä (1.5 + 2.5 + 10). Teoreettinen ATP-saanto olisi 2 per FADH2, 3 per NADH ja 12 per asetyyli-CoA (= 3 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP). 

Tyydyttyneelle rasvahapolle, jossa on parillinen määrä hiiliä, β-oksidaatio voi tapahtua n/2-1 -kertaa. n on hiilten lukumäärä. Kussakin asetyyli-CoA:ssa on kaksi hiiltä, joten kaava jaetaan kahdella, ja viimeissä β-oksidaatiokierroksessa muodostuu kaksi asetyyli-CoA -molekyyliä, joten kaavasta vähennetään yksi ja kaavan loppuun lisätään 10. Rasvahappo tulee kuitenkin β-oksidaation alussa liittää CoA-molekyyliin. Tämä vaatii 2 ATP:tä, jotka vähennetään lopullisesta kaavasta. 

Siten tyydyttyneiden ja parillisen hiililuvun omaaville rasvahapoille ATP-saantokaava on: 
(n/2-1) * 14 + 10 - 2 = ATP-saanto 
Siten palmitiinihappo (16:0) tuottaa 106 ATP:tä, eli: 
(16/2 - 1) * 14 + 10 - 2 = 106 ATP 
Kaava vastaa likimääräisesti todellisuutta jos β-oksidaation oletetaan tapahtuvan mitokondriossa, eikä osittain peroksisomissa (jossa erityisen pitkät rasvahapot käsitellään).

Katso myös
Lipolyysi
Glykolyysi, hiilihydraattien hajotusreitti
Ureasykli, aminohappojen hajotusreitti
Sitruunahappokierto, hiilihydraattien ja aminohappojen hajotusreitti
Oksidatiivinen fosforylaatio, ATP:n tuottoreitti

Lähteet

Metabolia
Rasvahapot