β-酸化とは？わかりやすく解説

β酸化（ベータさんか）とは脂肪酸の代謝において脂肪酸を酸化して脂肪酸アセチルCoA（fatty acetyl-CoA; 脂肪酸と補酵素Aのチオエステル）を生成し、そこからアセチルCoAを取り出す代謝経路のことである。β酸化は4つの反応の繰り返しから成り、反応が一順するごとにアセチルCoAが1分子生成され、最終生産物もアセチルCoAとなる。脂肪酸アシルCoAのβ位において段階的な酸化が行われることからβ酸化と名付けられた。β酸化は脂肪酸の代謝の3つのステージ（β酸化、クエン酸回路、電子伝達系）の最初1つであり、生成されたアセチルCoAはクエン酸回路に送られ、CO₂へと酸化される。動物細胞では脂肪酸からエネルギーを取り出すための重要な代謝経路である。植物細胞においては発芽中の種子の中で主に見られる。1904年ヌープによって発見された。

脂肪酸の動員

生物がエネルギーを取り出すために利用する脂肪酸やグリセロールは、脂肪細胞に貯蔵されたトリアシルグリセロールなどのエステルから得る^[1]。トリアシルグリセロールは細胞中に脂質滴として凝集しているため、細胞質の浸透圧を上げることなく存在でき、また水和もされない。また同じ質量のたんぱく質や糖質の2倍以上の完全酸化エネルギー（有機物を二酸化炭素と水まで酸化したときに得られるエネルギー）を持っている^[2]。このようにエネルギー貯蔵物質としては極めて優れているが、その水に対する極端な不溶性は酵素によって代謝される際に障害となる。脂質滴のトリアシルグリセロールをエネルギー生産のために各組織（骨格筋、心臓、腎皮質など）に運ぶ際は次の手順が踏まれる。

ホルモン感受性リパーゼが脂質滴の表面に移動する。
リパーゼによりトリアシルグリセロールが加水分解され、脂肪酸が遊離する（リン脂質はホスホリパーゼにより加水分解される）
血液中に出た脂肪酸が、可溶性タンパク質である血清アルブミンと結合し、不溶性が打ち消される。
血流に乗って筋組織などに運ばれ、血清アルブミンから遊離した脂肪酸が脂肪酸トランスポーターから細胞内に取り込まれる。

このように各細胞に取り込まれた後、脂肪酸の活性化、β酸化を経て、アセチルCoAが生成されるのである。

脂肪酸の活性化とミトコンドリア内への輸送

細胞内に取り込まれた脂肪酸は、その安定なC-C結合を克服するため、ミトコンドリア外膜の細胞質側に存在する酵素アシルCoAシンテターゼ (acyl-CoA synthetase) により触媒され、次の反応によって活性化される。

脂肪酸 + CoA + ATP $\rightleftharpoons$

最初の段階はアシルCoAデヒドロゲナーゼ (acyl-CoA dehydrogenase) による酸化反応である。この反応においてα炭素とβ炭素の間に二重結合が形成され、trans-Δ²エノイルCoAができる。Δは二重結合の位置を表す。哺乳類には4種類のアシルCoAデヒドロゲナーゼのアイソザイムが存在し、それぞれ短鎖、中鎖、長鎖、超長鎖のアシル鎖に対して特異的に作用する^[1]。二重結合が形成されることで電子がこれらの酵素の補欠分子族であるFADに移り、すぐにミトコンドリア呼吸鎖に送られる。電子伝達フラビンタンパク質 (ETF) と呼ばれる水溶性のタンパク質に結合した別のFADがこの電子を捕捉する^[2]。

段階2: 水和

第二の段階では、エノイルCoAヒドラターゼ (enoyl-CoA hydratase) が触媒する反応により、前段階で形成された二重結合にH₂Oが付加され、β-ヒドロキシアシルCoA (β-hydroxyacyl-CoA, 3-hydroxyacyl-CoA) となる。この反応は立体特異的に進み、L体のみが生成する。

段階3: NAD⁺による酸化

3段階目は3-ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ (3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase) が触媒する反応によってL-β-ヒドロキシアシルCoAが酸化され、β-ケトアシルCoA (β-ketoacyl-CoA) ができる。この酵素はβ-ヒドロキシアシルCoAのL体のみに作用する。この反応はNAD⁺依存である。NAD⁺に電子が移り、NADHができるが、その電子は電子伝達系の複合体Ⅰに渡される^[2]。

段階4: チオール開裂

前3つは比較的安定なC-C結合を不安定化させるための反応である^[2]。最後はβ-ケトアシルCoAチオラーゼ (3-ketoacyl-CoA thiolase;チオラーゼ、β-ケトチオラーゼ、アセチルCoA-アセチルトランスフェラーゼなどとも) の触媒する反応により、β-ケトアシルCoAと補酵素Aがチオール開裂 (thiolysis) を起こし、2炭素分短くなった脂肪酸アシルCoAとアセチルCoAが生成する。補酵素Aのチオール基 (-SH) がβ-ケトアシルCoAのカルボニル炭素を求核的に攻撃することでα-β炭素間が開裂する。

炭素鎖が短くなった脂肪酸アシルCoAは次のβ酸化の第1段階の基質となり、脂肪酸アシル鎖の部分がすべてアセチルCoA (またはプロピニルCoA)に酸化されるまで反応は繰り返される。先ほど例に出したパルミチン酸では全体の反応式は次のように表せる。

パルミトイルCoA + 7CoA + 7FAD + 7NAD⁺ + 7H₂O

\longrightarrow

[horton-1] H. Robert Horton 他著『ホートン生化学（第3版）』鈴木紘一・笠井献一・宗川吉汪監訳、東京化学同人、2003年9月、p.362-371、ISBN 4-8079-0575-9

[lehninger-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f David L. Nelson, Michael M. Cox 共著『レーニンジャーの新生化学［下］‐第４版‐』山科郁男監修、川嵜敏祐ほか編、廣川書店、2007年2月、p.897-912、ISBN 978-4-567-24403-9

[VS-3] K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore 共著『ボルハルト・ショアー現代有機化学（第４版）〔上〕』古賀憲司・野依良治・村橋俊一監訳、化学同人、2004年4月、p.643-644、ISBN 9784759809633

[harper-4] Robert K. Murry ほか著『ハーパー生化学原書２５版』上代淑人監訳、丸善、2001年、p.261-262、ISBN 4-621-04834-1

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β-酸化とは？わかりやすく解説

ベータ‐さんか〔‐サンクワ〕【β酸化】

β酸化

β酸化

脂肪酸の動員