Der Fettsäureabbau, auch als β-Oxidation bezeichnet, ist ein zentraler Stoffwechselprozess, bei dem Fettsäuren schrittweise in Energie umgewandelt werden. Dieser Prozess findet hauptsächlich in den Mitochondrien von tierischen und menschlichen Zellen sowie in den Peroxisomen bestimmter Gewebe statt. Durch den Abbau von Fettsäuren wird der Organismus mit ATP versorgt, der universellen Energiewährung der Zelle, was ihn zu einem essenziellen Vorgang im Energiestoffwechsel macht.

Fettsäuren gelangen nach der Mobilisierung aus Speicherfetten, wie den Triacylglyceriden, in den Blutkreislauf, wo sie an das Transportprotein Albumin gebunden zu Zielzellen transportiert werden. In der Zielzelle werden die Fettsäuren aktiviert, indem sie unter Verbrauch von ATP mit Coenzym A zu Acyl-CoA verknüpft werden. Diese Reaktion wird von der Acyl-CoA-Synthetase katalysiert. Da die β-Oxidation ausschließlich in den Mitochondrien stattfindet und langkettige Fettsäuren die innere Mitochondrienmembran nicht direkt passieren können, wird für ihren Transport das Carnitin-Shuttle-System benötigt. Hierbei wird die Acylgruppe der Fettsäure zunächst auf Carnitin übertragen, was durch das Enzym Carnitin-Acyltransferase I vermittelt wird. Anschließend wird die Acyl-Carnitin-Verbindung in die mitochondriale Matrix eingeschleust und dort durch die Carnitin-Acyltransferase II wieder in Acyl-CoA umgewandelt.

Der eigentliche Abbau der Fettsäuren erfolgt nun in zyklischen Reaktionen innerhalb der β-Oxidation. Jede Runde der β-Oxidation verkürzt die Fettsäure um zwei Kohlenstoffatome, die als Acetyl-CoA freigesetzt werden. Dieser Prozess umfasst vier enzymatische Schritte: eine Dehydrierung, eine Hydratisierung, eine zweite Dehydrierung und schließlich eine Spaltung der Fettsäurekette. Die dabei entstehenden Produkte, Acetyl-CoA, NADH und FADH₂, spielen eine Schlüsselrolle im Energiestoffwechsel. Acetyl-CoA wird in den Citratzyklus eingeschleust, während NADH und FADH₂ ihre Elektronen an die Atmungskette abgeben, was die Synthese von ATP ermöglicht.

Die Energieausbeute des Fettsäureabbaus ist bemerkenswert hoch. Eine typische gesättigte Fettsäure wie Palmitinsäure (C16:0) liefert nach vollständigem Abbau durch die β-Oxidation, den Citratzyklus und die Atmungskette etwa 106 Moleküle ATP. Dies erklärt, warum Fette als hochkonzentrierte Energiespeicher dienen. Neben der Energiegewinnung liefert der Fettsäureabbau auch Substrate für andere biosynthetische Prozesse, beispielsweise die Ketonkörperbildung in der Leber, die während des Fastens oder bei kohlenhydratarmen Diäten eine alternative Energiequelle für Gehirn und Muskeln darstellt.

Die Regulation des Fettsäureabbaus ist komplex und fein abgestimmt, um den Energiebedarf des Körpers zu decken. Hormone wie Glukagon und Adrenalin fördern die Lipolyse und damit die Verfügbarkeit freier Fettsäuren, während Insulin diesen Prozess hemmt. Die β-Oxidation selbst wird durch den Energiezustand der Zelle reguliert, insbesondere durch das Verhältnis von ATP zu ADP und das Vorhandensein von Malonyl-CoA, einem Hemmstoff der Carnitin-Acyltransferase I.

Pathologische Störungen im Fettsäureabbau können schwerwiegende Folgen haben. Genetische Defekte in Enzymen der β-Oxidation oder des Carnitin-Shuttle-Systems führen zu metabolischen Erkrankungen wie der Carnitinmangelmyopathie oder der Acyl-CoA-Dehydrogenase-Defizienz. Diese Störungen äußern sich häufig in Muskelschwäche, Hypoglykämie und einer erhöhten Anfälligkeit für Stoffwechselkrisen unter Belastung oder Hunger.

Zusammengefasst ist der Fettsäureabbau ein essenzieller Prozess, der die Energiebereitstellung aus Fettsäuren sicherstellt und eng mit anderen Stoffwechselwegen verknüpft ist. Seine hohe Effizienz und zentrale Rolle machen ihn zu einem unverzichtbaren Bestandteil des Energiestoffwechsels bei nahezu allen Organismen.