background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

1

OXIDATION OF FATTY ACIDS (LIPOLYSIS)

 

Fatty acids stored in adipose tissue, in form of neutral TAG, serve as the 
body's major fuel storage. 

  

The main oxidations of fatty acid are:

 

 α - Oxidation

  

 Β- Oxidation

  

           ω- Oxidation

 

Quantitatively  β  oxidation  of  fatty  acids  is  the  most  important  pathway 
which  occurs  in  the  mitochondria.  However  α  and  ω  also  occur,β- 
oxidation of fatty  is the most important pathway for fatty acid oxidation. 
The  initial  event  in  the  utilization  of  fat  as  an  energy  source  is  the 
hydrolysis  of  triacylglycerol  .This  process  is  initiated  by  hormone-
sensitive lipase
 (HSL), which removes a fatty acid from carbon 1 and/or 
carbon  3  of  the  TAG.  Epinephrine  (as  well  as  norepinephrine)  and 
glucagon  stimulate  fatty  acid  release  from  triglycerides  stored  in 
adipocyte fat droplets, whereas insulin action is to counter the responses 
to these two hormones, and conversely, to induce fat storage. Epinephrine 
and  glucagon  binding  to  their  respective  receptors  triggers  activation  of 
adenylate  cylcase  which  lead  to  activation  of  HSL,  this  enzyme  is 
'activated  when  phosphorylated  by  3',5'-cydie  AMP-dependent protein 
kinase    while  in  the  presence  of  high  plasma  levels  of  insulin,  HSL  is 
dephosphorylated, and becomes inactive.  
 

 


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

2

 

Then free fatty acids move through the cell membrane of the adipocyte, 
and immediately bind to albumin in the plasma. They are transported to 
the  tissues,  where  the  fatty  acids  enter  cells,  get  activated  to  their  CoA 
derivatives, and are oxidized for energy. 
Fatty acids are both oxidized to acetyl-CoA and synthesized from acetyl-
CoA.    Although  the  staring  material  of  one  process  is  identical  to  the 
product of the other, fatty acid oxidation is not the simple reverse of fatty 
acid  biosynthesis.  It  is  an  entirely  different  process  taking  place  in 
separate  compartment  of  the  cell.    This  allows  each  process  to  be 
individually controlled. 
  

 

 

Stages of fatty acid oxidation

  

(1) Activation of fatty acids 

 

  

(2) Transport into the mitochondria 
(3) Degradation (B-oxidation pathway)  
 
 

  

 


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

3

Activation of Fatty Acids

 

Fatty acids are converted to CoA thioesters by acyl-CoA synthetase (two 
ATP equivalents) are consumed to activate one fatty acid to a thioester. 

 

 

 

Transport of Fatty Acyl CoA into Mitochondria 

Fatty  acids  are  activated  in  the  cytoplasm;  but  the  beta  oxidation  is  in 
mitochondria.  So  transport  of  fatty  acids  through  the  mitochondrial 
membrane  is  essential.  The  long  chain  fatty  acyl  CoA  cannot  pass 
through  the  inner  mitochondrial  membrane.  Therefore  a  transporter, 
carnitine is involved in transfer of fatty acids 
The  enzyme  carnitine  acyl  transferase-I  (CAT-I)  will  transfer  the  fatty 
acyl  group  to  the  hydroxyl  group  of  carnitine  to  form  acyl  carnitine  . 
translocase  will  carry  the  acyl  carnitine  across  the  membrane  to  the 
matrix  of  mitochondria.On  the  matrix  side  of  the  membrane  another 
enzyme, carnitine acyl transferase-II (CAT-II) will transfer the acyl group 
back to co-enzyme A molecule. Carnitine is returned to the cytosolic side 
by the translocase. 
 

  

  

Fatty acids shorter than twelve carbons can cross the inner mitochondrial 
membrane without the aid of carnitine  
 


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

4

The Reactions of B oxidation  
The oxidation of the hydrocarbon chain (fatty acyl) occurs by a sequential 
cleavage  of  two  carbon  atoms  (as  acetyl  CoA)  in  the  mitochondrial 
matrix.

 

This  process  is  known  as  beta  oxidation,  because  the  oxidation 

and splitting of two carbon units occur at the beta-carbon atom 
 

 

 

β-oxidation  is  consists  of  a  sequence  of  four  reactions  that  result  in 
shortening  the  fatty  acid  chain  by  two  carbons.  The  steps  include  an 
oxidation that produces FADH

2

 ,a hydration step, a second oxidation that 

produces  NADH,  and  a  thiolytic  cleavage  that  releases  a  molecule  of 
acetyl  CoA.  These  four  steps  are  repeated  for  saturated  fatty  acids  of 
even-numbered  carbon  chains  (n/2)-1times  (where  n  is  the  number  of 
carbons), each cycle producing an acetyl group plus one NADH and one 
FADH

2

.The final thiolytic cleavage produces two acetyl groups.  

1. Oxidation

of 

acyl

CoA

by an 

acyl CoA

dehydrogenase

to 

give an 

enoyl CoA

Coenzyme -

FAD

  

2. Hydration

of the 

double bond between 

C-2 and C-3 by 

enoyl

CoA hydratase

with 

the 

3-hydroxyacyl 

CoA (-hydroxyacyl

CoA)

formation 

  


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

5

3. Oxidation

of          

3-hydroxyacyl CoA

to     

3-ketoacyl CoA

by       

3-hydroxyacyl CoA

dehydrogenase

Coenzyme –

NAD

+

  

 

4.

 

cleavage

 reaction 

 catalyzed by 

 

Thiolase

 

 

  
Each round (4 enzyme steps) generates one molecule of: 
 FADH2   
 NADH 
Acetyl CoA 
Fatty acyl CoA (2 carbons shorter each round)  

Fates of the products of B-oxidation 

NADH and FADH2 - are used in electron respiratory chain              
acetyl CoA - enters the citric acid cycle             
acyl CoA – undergoes the next cycle of oxidation

 

  

Energy yield from fatty acid oxidation 

The energy yield from the β-oxidation pathway is high. For example, the 
oxidation of amolecule of palmitoyl CoA(16 carbon) yields 129 ATPs 

8 acetyl CoA 

 

 

 

8x12=96 

7 FADH

2

   

 

 

 

7x2=14       


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

6

 7 NADH   

 

 

 

7x3=21 

 

 

 

 

 

 

                            131 ATP 

ATP expended to activate palmitate      -2 

Net yield:   

 

 

 

129 ATP  

 Oxidation of fatty acids with an odd number of carbons:  

The β-oxi-dation of a saturated fatty acid with an odd number of carbon 
atoms proceeds by the same reaction steps as that of fatty acids with an 
even number, until the final three carbons are reached. This compound, 
propionyl CoA, is metabolized by a three-step pathway  

Propionyl CoA Is Converted into Succinyl CoA

1. Propionyl CoA

is 

carboxylated

to yield the D 

isomer of 

methylmalonyl CoA

The hydrolysis of an 

ATP is required

.

Enzyme: 

propionyl CoA carboxylase

Coenzyme

biotin

  

2.

The 

D isomer

of methylmalonyl CoA is 

racemized to the 

L isomer

Enzyme: 

methylmalonyl-CoA racemase

 

3.

L isomer of 

methylmalonyl CoA

is  converted 

into 

succinyl

CoA

by an intramolecular

rearrangement

Enzyme: 

methylmalonyl CoA mutase

Coenzyme: 

vitamin B

12

(cobalamin)

  


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

7

β Oxidation of Unsaturated Fatty Acids 

 

The oxidation of unsaturated fatty acids provides less energy than that of 
saturated fatty acids because they are less highly reduced and, therefore, 
fewer reducing equivalents can be produced from this oxidation. 
 
Comparism between synthesis and degradation of fatty acids 

 

 
Ketone Bodies Are Fuel That Are Synthesized in the liver  

Unbalanced metabolism of fats and carbohydrate changes the flow of 
nutrients pathways 
Common factors in abnormal metabolic conditions 
Lack of carbohydrates 
Impaired use of carbohydrates 
Fasting 
Starvation 
Untreated diabetes 
Response to a Fast and Starvation 
The  natural  response  to  glucose  and  energy  deficiency  is  involves  two 
metabolic processes. Firstly the adrenal cortex secretes glucocorticoids to 
stimulate gluconeogenesis. 
Secondly growth hormone is secreted to accelerate lipolysis in adipose 
tissue to provide fatty acids for oxidation. 
Liver  glycogen  stores  are  depleted  .Fatty  acids  can  be  used  by  heart, 
kidney skeletal muscle and liver. Fatty acids are not used as fuel by the 
brain because they do not cross the blood brain barrier. Survival during 
starvation is mainly determined by the size of the stored  triacylglycerol 
pool .After several days of starvation acetyl CoA is made in abnormally 


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

8

high  amounts  due  to  excessive  fatty  acid  breakdown  since 
glucose/glycogen  is  not  available,  glucose  is  the  primary  source  of  fuel 
for the human brain therefore the rate of gluconeogenesis has to increase 
during fasting or carbohydrate starvation, oxaloacetate in liver is depleted 
from  the  TCA  cycle  because  it  is  used  for  gluconeogenesis(making 
glucose for the brain) impedes entry of acetyl CoA into the TCA cycle. 
Excessive  Acetyl  CoA  is  converted  in  liver  mitochondria  to  ketone 
bodies.Ketone bodies can be thought of as “soluble fats exported to cells 
that need it. 

 

Synthesis of the ketone bodies 
1. β Ketothiolase condensing 2 acetyl CoA to produce acetoacetyl CoA, 
with release of one CoA 
2. HMG  CoA Synthase  catalyzes  condensation of  a third acetate  moiety 
(from  acetyl CoA) with acetoacetyl CoA to form hydroxymethylglutaryl 
CoA (HMG CoA). 
3. HMG CoA Lyase cleaves HMG CoA to yield acetoacetate plus acetyl 
CoA 
4.  β  Hydroxybutyrate  dehydrogenase  catalyzes  inter  conversion  of  the 
ketone bodies acetoacetate and β hydroxybutyrate. 
 

 

 


background image

Clinical biochemistry  second stage

 

 

 

9

 
Ketone  Bodies  are  oxidized  in  mitochondria  of  many  tissues  other  than 
liver  .Liver  cannot  use  ketone  bodies  because  the  activating  enzyme 
required for ketone body utilization is absent in the liver. 
While  ketogenesis  is  an  important  survival  mechanism  that  maintains 
high rates of fatty acid oxidation when carbohydrates stores are depleted, 
it  can  also  lead  to  pathological  conditions  if  acetoacetate  and  D-β-
hydroxybutyrate levels in the blood get too high. Acidosis is a condition 
referring  to  low  blood  pH  which  can  occur  when  ketogenesis  produces 
more acetoacetate and D-β- hydroxybutyrate than what can be utilized by 
the peripheral tissues. In patients with undiagnosed diabetes, which is  a 
metabolic  form  of  carbohydrate"starvation,"  elevated  concentrations  of 
acetoacetate  and  D-β-hydroxybutyrate  in  the  blood  and  urine  can  be 
several orders of magnitude higher than normal causing nausea, vomiting 
and  stomach  pain.  Moreover,  these  individuals  also  have  high  levels  of 
acetone in their blood which can be detected on their breath as a fruity 
odor. Acetone is a spontaneous breakdown product of acetoacetate  
 

 

 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 135 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل