脂肪酸のベータ酸化：ステップ、反応、製品、規制 - 生物学 - 2025

脂肪酸のベータ酸化は、脂肪酸の異化（分解）の経路であり、その主な機能は、これらの分子の結合に含まれるエネルギーの生成または「放出」です。

このルートは、最終的なメチル基がフェニル基で修飾された脂肪酸の実験的ラットへの投与で構成されたドイツのフランツ・ヌープによって行われた実験のおかげで、1904年に発見されました。

脂肪酸のベータ酸化の図（出典：ArturoGonzálezLaguna via Wikimedia Commons）

Knoopは、これらの「アナログ」脂肪酸の異化生成物が通常の（未修飾の）天然脂肪酸の酸化経路と同様の経路をたどると予想しました。しかし、脂肪酸の炭素原子数の関数として得られる生成物には違いがあることを発見しました。

これらの結果から、Knoopは、β炭素（末端のカルボキシル基に対して3の位置にあるもの）への「攻撃」から始まる「ステップ」で分解が起こり、2つの炭素原子のフラグメントを放出することを提案しました。

このプロセスにはミトコンドリアで生成されるATPの形のエネルギーが必要であり、2つの炭素原子の断片がアセチル-CoAとしてクレブス回路に入ることが後で示されました。

要するに、脂肪酸のベータ酸化には、末端カルボキシル基の活性化、活性化脂肪酸のミトコンドリアマトリックスへの輸送、およびカルボキシル基からの2×2炭素の「段階的」酸化が含まれます。

多くの同化および異化プロセスのように、他の異化ルートが細胞および体のエネルギー需要を満たすのに十分でない場合、「予備」脂肪酸の動員に値するので、このルートは規制されます。

手順と反応

脂肪酸は、生合成経路に由来するものであれ、摂取した食品（細胞に入らなければならない）から貯蔵される脂肪沈着物に由来するものであれ、主にサイトゾルに存在します。

-脂肪酸の活性化とミトコンドリアへの輸送

脂肪酸の活性化にはATP分子の使用が必要であり、コエンザイムAとのアシルチオエステル結合体の形成に関係しています。

この活性化は、各脂肪酸の鎖長に特異的なアセチル-CoAリガーゼと呼ばれる酵素のグループによって触媒されます。これらの酵素のいくつかは、ミトコンドリアの外側の膜に埋め込まれているため、脂肪酸がミトコンドリアのマトリックスに輸送されるときにそれらを活性化します。

脂肪酸の活性化（出典：Wikimedia Commons経由の英語版ウィキペディアのJag123）

活性化プロセスは2つのステップで行われ、最初にATPで活性化脂肪酸からアデニル酸アシルを生成します。ここでピロリン酸分子（PPi）が放出されます。次に、ATPによって活性化されたカルボキシル基は、補酵素Aのチオール基によって攻撃されて、アシル-CoAを形成します。

ミトコンドリア膜を介したアシル-CoAの移動は、カルニチンシャトルと呼ばれる輸送システムによって達成されます。

-偶数の炭素原子を持つ飽和脂肪酸のベータ酸化

分子の全長に達するまで、2つの炭素原子の各フラグメントの放出の直後に別のものが続くため、脂肪酸の分解は循環経路です。このプロセスに関与する反応は次のとおりです。

-脱水素。

-二重結合の水和。

-ヒドロキシル基の脱水素。

-アセチルCoA分子のβ炭素への攻撃による断片化。

反応1：最初の脱水素

これは、2つの水素原子を除去することにより、α-炭素とβ-炭素の間に二重結合が形成されることから成ります。これは酵素trans-2-enoyl-S-CoAの分子とFAD +（補因子）の分子を形成する酵素アシル-CoAデヒドロゲナーゼによって触媒されます。

反応2および3：水和および脱水素

水和はエノイル-CoAヒドラターゼによって触媒されますが、脱水素は3-ヒドロキシアシル-CoAデヒドロゲナーゼによって媒介され、後者の反応は補因子NAD +に依存します。

transΔ2-エノイル-S-CoAの水和により、3-ヒドロキシアシル-CoAが生成され、その脱水素化により、3-ケトアシル-CoA分子とNADH + Hが生成されます。

ベータ酸化の最初の3つの反応で生成されたFADH2とNADHは、電子輸送チェーンを介して再酸化されます。これにより、FADH2ごとに2分子、NADHごとに3分子のATPが生成されます。

反応4：断片化

2つの炭素原子を持つ分子を削除するベータ酸化の各サイクルは、ケト炭素の「チオール」フラグメント化で終わります。これは、α炭素とβ炭素間の結合で補酵素Aによって攻撃されます。

この反応は、酵素β-ケトチオラーゼまたはチオラーゼによって触媒され、その生成物は、アシル-CoA（炭素原子が2つ少ない活性化脂肪酸）の1つの分子と、アセチル-CoAの1つの分子です。

-奇数の炭素原子を持つ飽和脂肪酸のベータ酸化

奇数の炭素原子を持つ脂肪酸（あまり豊富ではない）では、最後の分解サイクルの分子は5つの炭素原子を持っているため、その断片化によりアセチル-CoA分子（クレブス）とプロピオニル-CoAの別のもの。

プロピオニル-CoAは、酵素プロピオニル-CoAカルボキシラーゼによってカルボキシル化され（ATPおよび重炭酸塩に依存する反応）、それによってD-メチルマロニル-CoAとして知られる化合物を形成し、その「L」型にエピマー化する必要があります。

奇数の脂肪酸のベータ酸化（出典：ウィキメディア・コモンズ経由のEleska）

エピマー化により得られた化合物は、酵素L-メチルマロニル-CoAムターゼの作用によりサクシニル-CoAに変換され、この分子とアセチル-CoAはクエン酸回路に入ります。

-不飽和脂肪酸のベータ酸化

多くの細胞脂質は不飽和脂肪酸鎖を持っています。つまり、それらは炭素原子間に1つ以上の二重結合を持っています。

これらの脂肪酸の酸化は、飽和脂肪酸の酸化とは少し異なります。これは、2つの追加の酵素、エノイル-CoAイソメラーゼと2,4-ジエノイル-CoAレダクターゼがこれらの不飽和を除去して、これらの脂肪酸が酵素エノイル-CoAヒドラターゼの基質である可能性があります。

不飽和脂肪酸のベータ酸化（出典：Hajime7basketballウィキメディア・コモンズ経由）

Enoyl-CoAイソメラーゼは、モノ不飽和脂肪酸（1つの不飽和のみ）に作用し、酵素2,4-dienoyl-CoAレダクターゼは、多価不飽和脂肪酸（2つ以上の不飽和）と反応します。

-ベータ外ミトコンドリア酸化

脂肪酸のベータ酸化は、ペルオキシソームなどの他の細胞質小器官の内部でも発生する可能性があります。たとえば、FAD +に転送される電子は呼吸鎖ではなく直接酸素に送られるという違いがあります。

この反応により、これらのオルガネラに特異的な、カタラーゼ酵素によって除去される化合物である過酸化水素（酸素が還元されます）が生成されます。

ベータ酸化の製品

脂肪酸の酸化は、炭水化物の分解よりもはるかに多くのエネルギーを生成します。ベータ酸化の主な生成物は、パスの環状部分の各ステップで生成されるアセチルCoAですが、他の生成物は次のとおりです。

-AMP、H +およびピロリン酸塩（PPi）、活性化中に生成されます。

-生成されたアセチル-CoAごとにFADH2およびNADH。

-スクシニル-CoA、ADP、Pi、奇数鎖脂肪酸用。

パルミチン酸のベータ酸化（出典：Wikimedia Commonsの´Rojinbkht）

例として、16個の炭素原子を持つ脂肪酸であるパルミチン酸（パルミチン酸）の完全なベータ酸化を考えると、生成されるエネルギー量は、完了しなければならない7ターンからの129分子のATPに相当します。サイクル。

規制

ほとんどの細胞における脂肪酸ベータ酸化の調節は、炭水化物だけでなく脂肪酸自体にも関連するエネルギー利用可能性に依存します。

動物は動員を制御し、したがってホルモン刺激による脂肪の分解を制御します。ホルモン刺激は同時に、たとえばcAMPなどの分子によって制御されます。

主要な脂肪分解器官である肝臓では、マロニルCoAの濃度がベータ酸化の調節に非常に重要です。これは脂肪酸生合成経路に関与する最初の基質です。

マロニル-CoAが大きな割合で蓄積すると、脂肪酸の生合成を促進し、ミトコンドリアのトランスポーターまたはアシル-カルニチンシャトルを阻害します。その濃度が低下すると、阻害が停止し、ベータ酸化が活性化されます。

参考文献

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