La β-oxydation, communément appelée hélice de Lynen, est la principale voie métabolique de dégradation des molécules d'acides gras pour produire : d'une part de l', dont le groupe acétyle est oxydé par le cycle de Krebs et d'autre part du NADH et du , dont les électrons à haut potentiel alimentent la chaîne respiratoire.
Dans les cellules eucaryotes, la β-oxydation se déroule en aérobiose dans la matrice mitochondriale, mais aussi dans d'autres organites que sont les peroxysomes et, chez les plantes, les glyoxysomes. Dans les cellules procaryotes, elle se déroule dans le cytosol. La bêta-oxydation est un processus principalement actif dans le cœur, le foie et le cerveau.
Activation des acides gras et transport par la navette de la carnitine redresse=2|vignette| Transfert des groupes acyle de l'acyl-CoA du cytosol vers la matrice mitochondriale sous forme d'acylcarnitine via la translocase carnitine-acylcarnitine.
Les acides gras sont dégradés dans les mitochondries sous forme d'acyl-CoA. Ces derniers se forment sous l'action d'une -synthétase, qui catalyse la réaction :
120px + ATP + CoA-SH → 150px + AMP + PPi.
Le pyrophosphate formé est rapidement hydrolysé dans le cytosol, ce qui déplace l'équilibre de la réaction vers la formation d'acyl-CoA. Le mécanisme réactionnel implique le passage par un intermédiaire acyladénylate. Les acides gras à chaîne courte peuvent diffuser à travers les membranes mitochondriales, de sorte que leur activation en peut être réalisée au sein de la matrice mitochondriale ; en revanche, les acides gras à chaîne plus longue doivent être activés dans le cytosol et franchir les membranes mitochondriales en utilisant la navette de la carnitine. Ils sont dans ce cas convertis en acylcarnitine par transfert du groupe acyle sur une molécule de carnitine sous l'action d'une carnitine-acyltransférase de la membrane mitochondriale externe (CPTI).
L'acylcarnitine peut alors pénétrer dans l'espace intermembranaire mitochondrial à travers une porine de la membrane externe, puis franchir la membrane mitochondriale interne en empruntant la translocase carnitine-acylcarnitine, qui fonctionne comme un antiport permettant d'échanger une molécule de carnitine de la matrice mitochondriale contre une molécule d'acylcarnitine de l'espace intermembranaire.
Une fois parvenues dans la matrice, les molécules d'acylcarnitine peuvent restituer leur groupe acyle à une coenzyme A sous l'action d'une carnitine acyltransférase de la membrane interne (CPTII) afin de redonner de .
La peut alors commencer.
Dans les mitochondries Acides gras saturés Dans les mitochondries, la dégradation des acides gras saturés par la β-oxydation fait intervenir quatre réactions qui se déroulent dans la matrice mitochondriale.
Réaction Enzyme Description centre|400px|class=skin-invert-image Acyl-CoA-déshydrogénase Déshydrogénation par le FAD. La déshydrogénation, en présence de FAD, catalysée par une oxydoréductase, l'acyl-CoA-déshydrogénase, a lieu entre les carbones β et α (carbones 2 et 3 dans la nomenclature de l'IUPAC). Il y a formation de en Cn.
Le est oxydé par la chaîne respiratoire avec libération d'énergie sous forme d'ATP. centre|400px|class=skin-invert-image Énoyl-CoA-hydratase Hydratation. Cette réaction d'addition est catalysée par une crotonase du groupe des lyases. Du fait de la proximité du groupe cétone, la double liaison est polarisée (le carbone β est δ+, le carbone α est δ-) : le groupe OH de l'eau se lie au carbone β avec formation de en Cn.
Cette réaction réversible est stéréospécifique et aboutit à l'isomère L. centre|400px|class=skin-invert-image 3-hydroxyacyl-CoA-déshydrogénase Oxydation par le NAD+ avec formation de en Cn.
Le NADH est oxydé par la chaîne respiratoire avec libération d'énergie sous forme d'ATP. centre|400px|class=skin-invert-image Acétyl-CoA-C-acyltransférase Thiolyse. Cette réaction est catalysée par une transférase, la , en présence de coenzyme A, et conduit à la formation : d'acétyl-CoA, dégradée par le cycle de Krebs, la lipogenèse, la cétogenèse ; d'acyl-CoA en Cn-2, dégradée par β-oxydation selon un processus itératif tant que .
La dégradation complète de l'acide gras se poursuit jusqu'à ce que la chaîne carbonée soit complètement découpée en molécules d'acétyl-CoA : c'est l'hélice de Lynen. Chaque tour de l'hélice raccourcit l' de deux atomes de carbone et libère une molécule , une molécule de et une molécule de NADH. Cette dégradation intervient par oxydations sur les carbones β successifs (étapes hydratation et thiolyse ci-dessus), d'où le terme de « ».
À nombre pair d'atomes de carbone redresse=1.75|vignette|Cycle de Krebs, avec cycle du glyoxylate (absent chez les animaux).
Dans le cas des acides gras saturés à nombre pair d'atomes de carbone, le dernier tour de l'hélice de Lynen conduit à la formation de deux molécules , d'une molécule de et d'une molécule de NADH. Chacune des molécules peut alors être oxydée par le cycle de Krebs ou au contraire servir à des biosynthèses.
À nombre impair d'atomes de carbone Dans le cas des acides gras saturés à nombre impair d'atomes de carbone, le dernier tour de l'hélice de Lynen conduit à la formation d'une molécule de , d'une molécule d', d'une molécule de et d'une molécule de NADH.
La propionyl-CoA est d'abord carboxylée par un ion bicarbonate sous l'action de la -carboxylase pour donner de la au cours d'une réaction impliquant un cofacteur biotine et l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. La -épimérase donne la , laquelle est convertie en par la -mutase, une enzyme nécessitant un cofacteur B12 (cobalamine). La étant un intermédiaire du cycle de Krebs, c'est à ce niveau que la rejoint ce dernier.
Cependant, la n'alimente pas le cycle de Krebs en atomes de carbone à oxyder, elle ne fait qu'augmenter le nombre d'intermédiaires du cycle de Krebs présents dans la cellule. Si ceux-ci dépassent la demande cataplérotique, par exemple afin de produire de l'aspartate ou du glutamate, une partie de l'oxaloacétate du cycle peut être orientée vers la néoglucogenèse via le phosphoénolpyruvate par la carboxykinase de phosphoénolpyruvate :
GTP + oxaloacétate → GDP + phosphoénolpyruvate + .
Acides gras insaturés La β-oxydation des acides gras insaturés pose un problème particulier dû à la présence éventuelle d'une ou de plusieurs doubles liaisons mal positionnées empêchant la formation d'une double liaison par l'-déshydrogénase.
Ainsi, la -isomérase convertit les liaisons ou en liaison , qui est un substrat enzymatique pour l'-déshydrogénase.
La présence d'une liaison Δ4 ne bloque pas l'oxydation, qui donne deux doubles liaisons Δ2,Δ4 ; en revanche, cette configuration est bloquante pour l'-hydratase et nécessite l'action d'une -réductase pour convertir les liaisons , ou , en liaison .
Enfin, dans les cas des acides gras polyinsaturés, la isomérase est nécessaire pour convertir les liaisons Δ3,Δ5 en liaisons Δ2,Δ4, configuration qui peut être traitée par la réductase, puis par l'-hydratase.
Dans les peroxysomes redresse=1.75|vignette|Interactions métaboliques entre peroxysomes et mitochondries.
Dans les peroxysomes, ce sont avant tout les acides gras à longue et très longue chaîne qui sont dégradés, jusqu'à l' — avec un résidu d'acide gras en . On pense que les acides gras à longue chaîne — à 22 atomes de carbone et plus — commencent par être oxydés dans les peroxysomes avant d'être entièrement dégradés par dans les mitochondries.
Une différence essentielle de l'oxydation des acides gras dans les peroxysomes par rapport aux mitochondries est que la première étape de cette dégradation est réalisée par une enzyme spécifique, l'-oxydase (), qui catalyse la réaction :
acyl-CoA + trans-Δ2-énoyl-CoA + .
Ainsi, contrairement à l'-déshydrogénase, les électrons à haut potentiel ne sont pas récupérés sous forme de permettant de libérer leur énergie métabolique sous forme d'ATP par la chaîne respiratoire ; à la place, on obtient du peroxyde d'hydrogène , dont la catalase, enzyme spécifique aux peroxysomes, catalyse ensuite la dismutation en eau et oxygène .
Une autre particularité des peroxysomes est que l'-hydratase et la -déshydrogénase y sont présentes sous forme d'un complexe enzymatique multifonctionnel, alors qu'elles sont distinctes dans les mitochondries.
Par ailleurs, la β-oxydation dans les peroxysomes requiert une carnitine-acyltransférase peroxisomale, distincte des CPTI et CPTII mitochondriales, afin de permettre aux résidus acyle à très longue chaîne de traverser la membrane de cet organite.
De plus, les acides gras à longue chaîne métabolisés dans les peroxysomes y sont importés non pas à l'aide de la navette de la carnitine, mais à l'aide d'une protéine de la famille des transporteurs ABC ; la mutation du gène codant cette protéine chez l'humain est responsable d'une maladie génétique, l'adrénoleucodystrophie liée à l'X , qui se traduit par une démyélinisation progressive du système nerveux central et l'accumulation d'acides gras linéaires saturés à très longue chaîne, notamment l'acide cérotique (C26:0).
Enfin, la peroxysomale est également distincte de celle des mitochondries, avec une affinité différente pour les substrats ; elle n'est notamment efficace que sur les acides gras à plus de huit atomes de carbone, d'où l'accumulation d', qui doit être oxydé dans les mitochondries.
Rendement énergétique L'activation d'un acide gras en par l'-synthétase consomme l'équivalent de deux molécules d'ATP, car l'ATP est hydrolysée en AMP et non en ADP au cours de cette réaction :
Acide gras + ATP + CoA-SH → acyl-CoA + AMP + PPi.
Par ailleurs, chaque tour de l'hélice de Lynen libère une molécule d', une molécule de et une molécule de NADH. Le NADH et le permettent chacun de produire respectivement d'ATP environ grâce à la chaîne respiratoire. L' produit au cours de la est prioritairement dégradé par le cycle de Krebs :
Acétyl-CoA + 3 NAD+ + → CoA-SH + 3 (NADH + H+) .
La permet de produire environ d'ATP grâce à la chaîne respiratoire, de sorte que l'oxydation complète du résidu acétyle de permet de produire , ce qui porte à 14 le nombre d'ATP produits par tour de l'hélice de Lynen en prenant en compte les issus du NADH et du de la .
Enfin, dans le cas d'un acide gras à nombre pair d'atomes de carbone, la dernière molécule peut également être oxydée en libérant . Ainsi, la suivie de la dégradation par le cycle de Krebs d'un acide gras saturé à de carbone libère , soit avec la chaîne respiratoire :
pour une molécule d'acide palmitique , qui contient de carbone , et donc ; pour une molécule d'acide caproïque , qui contient de carbone , et donc ;
A titre de comparaison, l'oxydation complète d'une molécule de glucose, qui contient également 6 atomes de carbone, s'écrit selon l'équation :
Glucose + 10 NAD+ + 2 + 2 ADP → 10 (NADH + H+) + 2 ,
ce qui correspond à environ . Ainsi, par rapport au glucose, l'acide caproïque permet de libérer un surcroît de 37,5 % d'énergie métabolique à nombre d'atomes de carbone égal ; d'une manière générale, les acides gras sont sensiblement plus énergétiques que les oses.
Cas particulier de l'acide phytanique vignette|Étapes de l'.
L'acide phytanique est un acide gras saturé terpénoïde, donc ramifié, apporté dans l'organisme par le régime alimentaire. Il ne peut être dégradé directement par car le est porteur d'un groupe méthyle. Il doit donc au préalable subir une pour « raccourcir » la chaîne aliphatique d'un atome de carbone et faire en sorte que le groupe méthyle soit porté par le , permettant à la d'avoir lieu.
La phytanoyl-CoA est ainsi convertie en pristanoyl-CoA dans les peroxysomes, où la peut commencer à être dégradée par jusqu'à ne plus avoir qu'une chaîne de longueur moyenne ; à ce stade, la molécule doit migrer dans une mitochondrie pour que la puisse se poursuivre jusqu'à dégradation complète du composé.