miniatura|dereita|350px|Esquema da oxidación dos ácidos graxos. Na beta-oxidación orixínase acetil-CoA e coencimas reducidos, que despois entran na respiración celular. A β-oxidación ou beta oxidación é un proceso catabólico dos ácidos graxos no cal estes perden sucesivamente grupos de dous carbonos nun proceso cíclico, no que o ácido graxo se descompón totalmente en forma de moléculas de acetil-CoA, e na que se producen coencimas reducidos (NADH, FADH2). O acetil-CoA e os coencimas serán oxidados na respiración celular mitocondrial e orixinarán a formación dunha gran cantidade de enerxía en forma de ATP. Deste modo os ácidos graxos achegan gran parte da enerxía que necesita a célula. Nos animais a β-oxidación ten lugar nas mitocondrias, fundamentalmente do fígado, aínda que os ácidos graxos de cadea moi longa son oxidados nos peroxisomas. Nas plantas ten lugar nos glioxisomas.

A β-oxidación dos ácidos graxos consta de catro reaccións que se repiten ciclicamente. Antes de que os ácidos graxos entren na β-oxidación deben activarse uníndose ao coencima A e atravesar a membrana mitocondrial interna, xa que proceden do citosol. Despois de acabada a β-oxidación, os seus produtos finais entran na respiración celular, onde son completamente oxidados.

Por tanto, podemos resumir a oxidación dos ácidos graxos nestes 4 procesos: Activación dos ácidos graxos. Transporte ás mitocondrias. β-oxidación. Oxidación na respiración celular dos produtos da β-oxidación.

Activación e traslocación dos ácidos graxos miniatura|270px|Activación dun ácido graxo e traslocación do acil-CoA resultante pola carnitina Vermello: acil-CoA, verde: carnitina, Vermello+verde: acilcarnitina, CoASH: coencima A, CPTI: carnitina palmitoiltransferase I, CPTII: carnitina palmitoiltransferase II, 1: acil-CoA sintetase, 2: translocase, A: membrana mitocondrial extena, B: espazo intermembrana, C: membrana mitocondrial intena, D: matriz mitocondrial.

Activación previa dos ácidos graxos Antes de que comece a β-oxidación deben activarse os ácidos graxos uníndose ao coencima A (CoASH), formando acil-coencima A (acil-CoA, R–CO–SCoA), concretamente acilo graxo-CoA, o cal ten lugar no retículo endoplasmático ou na membrana mitocondrial externa, onde se atopa o encima que cataliza a reacción, a acil-CoA sintetase (ou ácido graxo tioquinase):Devlin, T. M. 2004. Bioquímica, 4ª edición. Reverté, Barcelona. ISBN 84-291-7208-4

R–COOH + ATP + CoASH →Acil-CoA sintetase→ R–CO–SCoA + AMP + PPi + H2O

Para establecer o enlace tioéster entre o ácido graxo e o coencima A deben consumirse dous enlaces de alta enerxía do ATP en forma de pirofosfato (PPi), que despois orixina 2 Pi, polo que neste paso previo hai un consumo de enerxía.

Traslocación á matriz mitocondrial Os ácidos graxos atópanse no citosol, onde se realiza a síntese de ácidos graxos. Como a beta-oxidación ten lugar nos animais nas mitocondrias, deben chegar ás mitocondrias, pero a membrana mitocondrial é impermeable a eles (e aos acil-CoA) deben usar un transportador. Os acil-CoA formados no paso anterior usan o transportador da carnitina da membrana mitocondrial para pasar ao interior da mitocondria (matriz).

O mecanismo que usa a carnitina para facer a traslocación é o seguinte:

O encima carnitina palmitoiltransferase I (CPTI) da membrana mitocondrial externa elimina o coencima A da molécula de acil-CoA e, ao mesmo tempo, úneo á carnitina situada no espazo intermembrana, orixinando acilcarnitina; o coencima A queda libre no citosol para poder activar outro ácido graxo. Este encima é inhibido polo malonil-CoA, o cal aumenta cando hai moita glicosa, o que quere dicir que se a célula ten moita glicosa, non oxida os ácidos graxos (polo contrario, empezará a sintetizar triglicéridos). Despois, unha proteína transportadora, chamada translocase, situada na membrana mitocondrial interna, transfire a acilcarnitina á matriz mitoncondrial e, paralelamente, a carnitina palmitoiltransferase II (CPTII) une unha molécula de coencima A da matriz ao ácido graxo que está entrando, polo que se rexenera dentro da mitocondria o acil-CoA . A proteína transportadora devolve a carnitina ao espazo intermembrana e reacciona con outro acil-CoA, repetíndose o ciclo.

A carnitina é un derivado aminoacídico que reduce os niveis de triglicéridos e colesterol en sangue e participa nos pasos previos da beta-oxidación. Prodúcese naturalmente no fígado a partir dos aminoácidos L-metionina e a L-lisina.

β-oxidación As catro reaccións das que consta a β-oxidación resúmense na seguinte táboa e despois serán tratadas con máis detalle. Estas catro reaccións conducen á liberación dunha molécula de acetil-CoA e de coencimas e ao acurtamento en dous átomos de carbono do ácido graxo. As catro reacción repítense ciclicamente (hélice de Lynen), de modo que o ácido graxo é cada vez máis pequeno, e o ciclo continúa ata que o ácido graxo estea completamente desfeito:

Descrición Reacción Encima Produto final Oxidación por FAD O primeiro paso é a oxidación do ácido graxo pola acil-CoA deshidroxenase. O encima cataliza a formación dun dobre enlace entre C-2 (carbono α) e C-3 (carbono β). centro|400px acil-CoA deshidroxenase trans-Δ2-enoíl-CoA HidrataciónO seguinte paso é a hidratación do enlace entre C-2 e C-3. Esta reacción é estereospecífica, formando só o isómero L. centro|400px enoíl-CoA hidratase L-3-hidroxiacil-CoA Oxidación por NAD+O terceiro paso é a oxidación do L-3-hidroxiacil-CoA polo NAD+, o que converte o grupo hidroxilo (–OH) nun grupo cetona (=O). centro|400px L-3-hidroxiacil-CoA deshidroxenase 3-cetoacil-CoA TióliseO paso final é a separación do acetil-CoA do 3-cetoacil-CoA por acción do grupo tiol doutra molécula de CoA. O novo tiol establécese entre C-2 e C-3. centro|400px β-cetotiolase Unha molécula de acetil-CoA e unha de acil-CoA con dous carbonos menos.

Oxidación por FAD (deshidroxenación) O primeiro paso é a oxidación do ácido graxo activado (acil-CoA) por FAD. O encima acil-CoA-deshidroxenase, unha flavoproteína que ten o coencima FAD unido covalentemente como un grupo prostético, cataliza a formación dun dobre enlace entre os carbonos 2 e 3 (carbonos α e β). Como o carbono 3 é o carbono β, que é o que finalmente se oxidará, a isto débese o nome β-oxidación. Os produtos finais son FADH2 e un acil-CoA-β-insaturado (trans-Δ2-enoíl-CoA), xa que o carbono β do ácido graxo se une cun dobre enlace ao perder dous hidróxenos (que son captados polo FAD). Este ácido graxo trans é unha excepción no conxunto de ácidos graxos insaturados da célula, que son cis. O FADH2 formado pode ceder os seus electróns ao coencima Q da cadea respiratoria a través da flavoproteína transferidora de electróns (EFTP) para producir ATP.

Hidratación O seguinte paso é a hidratación (adición dunha molécula de auga) do dobre enlace trans entre C-2 e C-3. Esta reacción é catalizada pola enoíl-CoA hidratase e obtense un betahidroxiacil-CoA (L-3-hidroxiacil-CoA); é unha reacción estereospecífica, formándose exclusivamente o isómero L. Nesta fase houbo que consumir unha molécula de auga para facer a hidratación e facer desaparecer o dobre enlace.

Oxidación por NAD+ (deshidroxenación) O terceiro paso é a oxidación do L-3-hidroxiacil-CoA polo NAD+, catalizada pola L-3-hidroxiacil-CoA deshidroxenase, que ten especificidade absoluta polo isómero L. Isto converte o grupo hidroxilo do carbono β nun grupo cetona (satúrao). O produto final é o 3-cetoacil-CoA de maneira que o carbono β xa foi oxidado e está preparado para a escisión. O NADH orixinado pode ceder os seus electróns ao primeiro transportador da cadea respiratoria da membrana mitocondrial interna para producir ATP.

Tiólise (separación do grupo de dous carbonos) O paso final para a rotura do cetoacil-CoA entre C-2 e C-3 polo grupo tiol doutra molécula de CoA, polo que se denomina tiólise. Esta reacción é catalizada pola β-cetotiolase e dá lugar a unha molécula de acetil-CoA e un acil-CoA con dous carbonos menos.

Estas catro reaccións continúan ata que se produza a escisión completa da molécula en unidades de acetil-CoA. En cada ciclo, fórmase unha molécula de FADH2, unha de NADH e unha de acetil-CoA. Isto supón unha visión do ciclo como unha espiral xa que repiten os mesmos pasos pero coas substancias procedentes do ciclo anterior, que recibe o nome de hélice de Lynen. Para un ácido palmítico (16 C) a reacción global será:

palmitoíl-CoA + 7 CoaSH + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O → 8 acetil-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+

Posteriormente, o acetil-CoA e os coencimas entrarán na respiración celular para producir enerxía, co que a oxidación total do ácido graxo estará completa.

Ácidos graxos de número impar de carbonos A gran maioría dos ácidos graxos dos tecidos animais teñen un número par de átomos de carbono e degrádanse en grupos de dous carbonos por medio da β-oxidación que acabamos de ver. Os ácidos graxos de número impar de carbonos son moito máis escasos, pero seguen as mesmas vías da β-oxidación, é dicir, ciclos de deshidroxenación, hidratación, deshidroxenación e tiólise. Porén, como son impares, no último paso do ciclo, fórmase unha molécula de 3 carbonos de propionil-CoA. Este composto é potencialmente gliconeoxénico, a diferenza dos acetil-CoA, que ao entrar no ciclo dos ácidos tricarboxílicos é completamente oxidado a dúas moléculas de dióxido de carbono e non pode servir para a gliconeoxénese.

Os ruminantes son os únicos que teñen moitos ácidos graxos de número impar de carbonos debido á súa peculiar dixestión baseada en fermentacións bacterianasNelson, D. L. & Cox, M. M. (2005). Lehninger Principles of Biochemistry, 4th Edition. New YorkW. H. Freeman and Company, pp. 648-649. ISBN 0-7167-4339-6..

Ácidos graxos insaturados A maior parte dos ácidos graxos dos triglicéridos das graxas animais son insaturados (teñen un ou varios dobres enlaces). A β-oxidación dos ácidos graxos insaturados presenta un problema importante, porque a localización do dobre enlace cis que teñen estes ácidos graxos pode impedir a formación do enlace trans-Δ2 que se orixna na primeira reacción da β-oxidación, xa que os enlaces dobres non son un substrato axeitado para os encimas da β-oxidación. A β-oxidación funciona normalmente ata que o ácido graxo se vai acurtando e se chega á posición onde está o dobre enlace cis, onde se presentará o problema. Este problema soluciónase coa participación de dous encimas adicionais:

Se o acil-CoA contén un enlace dobre cis-Δ3 (no carbono 3 do ácido graxo, acurtado, que queda), entón o encima cis-Δ3-enoíl-CoA isomerase converte o enlace en trans-Δ2, o cal xa é un substrato que poden procesar normalmente os encimas da β-oxidación. Se o acil-CoA contén un enlace dobre cis-Δ4 (no carbono 4 do ácido graxo, acurtado, que queda), entón a súa deshidroxenación orixina un intermediato 2,4-dienoíl, o cal non é un substrato axeitado para a enoíl-CoA hidratase. Porén, outro encima, o 2,4 dienoíl-CoA redutase, pode reducir este intermediato, utilizando NADPH, a trans-Δ3-enoíl-CoA. Como no caso superior, este último composto convértese nun intermediato apropiado para a β-oxidación por acción da 3,2-enoíl-CoA isomerase.

En resumo: Os enlaces dobre en posición impar son procesados pola isomerase. Os enlaces dobre en posición par son procesados pola redutase (que crea enlaces dobres impares).

β-oxidación nos peroxisomas Nos animais a β-oxidación dos ácidos graxos é un proceso principalmente mitocondrial, pero pode producirse tamén nos peroxisomas, orgánulos nos que se oxidan os ácidos graxos de cadea moi longa. Porén, a oxidación destes grandes ácidos graxos nos peroxisomas remata cando se chega ao octanil CoA; despois deben saír do orgánulo. Pénsase que os ácidos graxos de cadea moi longa (maior5 de 22 carbonos) sofren unha oxidación iniical nos peroxisomas e despois esta debe continuar nas mitocondrias.