Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кетоновые тела
Ацетоуксусная кислота
( R ) - бета- гидроксимасляная кислота

Кетоновые тела - это водорастворимые молекулы ( ацетоацетат , бета-гидроксибутират и продукт спонтанного распада ацетоацетата, ацетон ), содержащие кетоновую группу, которая вырабатывается печенью из жирных кислот [1] в периоды низкого потребления пищи ( голодание ). , углеводов ограничительные диеты , голодание , длительное интенсивное упражнение , [2] алкоголизм, или в необработанном (или недостаточно очищенных) диабета типа 1 диабет. Кетоновые тела легко транспортируются в ткани за пределами печени и превращаются в ацетил-КоА , который затем входит в цикл лимонной кислоты и окисляется в митохондриях для получения энергии. [3] В головном мозге кетоновые тела также используются для превращения ацетил-КоА в длинноцепочечные жирные кислоты .

Кетоновые тела вырабатываются печенью при перечисленных выше обстоятельствах в результате интенсивного глюконеогенеза , который представляет собой производство глюкозы из неуглеводных источников (исключая жирные кислоты). [1] Поэтому они всегда попадают в кровь печенью вместе с вновь продуцируемой глюкозой после того, как запасы гликогена в печени истощаются (эти запасы гликогена истощаются в течение первых 24 часов голодания). [1]

Когда две молекулы ацетил-КоА теряют свои -CoAs (или группы кофермента А ), они могут образовывать (ковалентный) димер, называемый ацетоацетатом. β-гидроксибутират - это восстановленная форма ацетоацетата, в которой кетонная группа превращается в спиртовую (или гидроксильную ) группу (см. иллюстрацию справа). Обе молекулы представляют собой 4-углеродные молекулы, которые могут быть легко преобразованы обратно в ацетил-КоА в большинстве тканей тела, за исключением печени. Ацетон представляет собой декарбоксилированную форму ацетоацетата, которая не может быть преобразована обратно в ацетил-КоА, кроме как посредством детоксикации в печени, где он превращается в молочную кислоту , которая, в свою очередь, может быть окислена впировиноградную кислоту , и только потом в ацетил-КоА.

Кетоновые тела имеют характерный запах, который можно легко обнаружить в дыхании людей, страдающих кетозом и кетоацидозом . Его часто называют фруктовым или жидким для снятия лака (который обычно содержит ацетон или этилацетат ).

Помимо трех эндогенных кетоновых тел, другие кетоновые тела, такие как β-кетопентаноат и β-гидроксипентаноат, могут образовываться в результате метаболизма синтетических триглицеридов , таких как тригептаноин .

Производство [ править ]

Ацетил-КоА с ацетильной группой, указанной синим цветом.

Жиры, хранящиеся в жировой ткани , высвобождаются из жировых клеток в кровь в виде свободных жирных кислот и глицерина при низком уровне инсулина и высоком уровне глюкагона и адреналина в крови. Это происходит между приемами пищи, во время голодания, голодания и физических упражнений, когда уровень глюкозы в крови может падать. Жирные кислоты являются очень высокоэнергетическим топливом и поглощаются всеми метаболизирующими клетками, имеющими митохондрии . Это потому, что жирные кислоты могут метаболизироваться только в митохондриях. [1] [4] Красные кровяные тельцане содержат митохондрий и поэтому полностью зависят от анаэробного гликолиза для удовлетворения своих потребностей в энергии. Во всех других тканях жирные кислоты, которые попадают в метаболизирующие клетки, объединяются с коферментом А с образованием цепей ацил-КоА . Они переносятся в митохондрии клеток, где расщепляются на единицы ацетил-КоА в результате последовательности реакций, известных как β-окисление . [1] [4]

Ацетил-КоА, образующийся в результате β-окисления, входит в цикл лимонной кислоты в митохондрии, соединяясь с оксалоацетатом с образованием цитрата . Это приводит к полному сгоранию ацетильной группы ацетил-КоА (см. Диаграмму вверху справа) до CO 2 и воды. Энергия, выделяемая в этом процессе, улавливается в форме 1 молекул ГТФ и 11 молекул АТФ на каждую окисленную ацетильную группу (или молекулу уксусной кислоты ). [1] [4] Такова судьба ацетил-КоА везде, где происходит β-окисление жирных кислот, за исключением определенных обстоятельств в печени . В печени оксалоацетат полностью или частично попадает вглюконеогенный путь во время голодания, голодания, низкоуглеводной диеты, длительных физических упражнений и при неконтролируемом сахарном диабете 1 типа . В этих условиях оксалоацетат гидрируется до малата, который затем удаляется из митохондрии и превращается в глюкозу в цитоплазме клеток печени, откуда глюкоза попадает в кровь. [1] Таким образом, в печени оксалоацетат недоступен для конденсации с ацетил-КоА, когда значительный глюконеогенез стимулируется низкой (или отсутствующей) концентрацией инсулина и высокой концентрацией глюкагона в крови. В этих условиях ацетил-КоА переходит на образование ацетоацетата и бета-гидроксибутирата.[1] Ацетоацетат, бета-гидроксибутират и продукт их спонтанного распада, ацетон [5] известны как кетоновые тела. Кетоновые тела выделяются печенью в кровь. Все клетки с митохондриями могут забирать кетоновые тела из крови и преобразовывать их в ацетил-КоА, который затем можно использовать в качестве топлива в их циклах лимонной кислоты, поскольку никакая другая ткань не может направить свой оксалоацетат в глюконеогенный путь так, как печень делает это. В отличие от свободных жирных кислот, кетоновые тела могут преодолевать гематоэнцефалический барьер и поэтому доступны в качестве топлива для клеток центральной нервной системы , действуя как заменитель глюкозы, на которой эти клетки обычно выживают. [1]Возникновение высоких уровней кетоновых тел в крови во время голодания, низкоуглеводной диеты и длительных тяжелых физических упражнений может привести к кетозу, а в его крайней форме при неконтролируемом сахарном диабете 1 типа, например, кетоацидозе .

Ацетоацетат имеет очень характерный запах для людей, которые могут обнаружить этот запах, который возникает в дыхании и моче во время кетоза. С другой стороны, большинство людей может чувствовать запах ацетона, чей «сладковато-фруктовый» запах также характерен для дыхания людей, находящихся в состоянии кетоза или, особенно, кетоацидоза. [6]

Использование топлива разными органами [ править ]

Кетоновые тела могут использоваться в качестве топлива для сердца , мозга и мышц , но не для печени . При окислении в митохондриях они дают 2 молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ) и 22 молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) на молекулу ацетоацетата. Кетоновые тела транспортируются из печени в другие ткани, где ацетоацетат и β-гидроксибутират могут быть преобразованы в ацетил-КоА с образованием восстанавливающих эквивалентов (НАДН и ФАДН 2.) через цикл лимонной кислоты. Хотя это источник кетоновых тел, печень не может использовать их для получения энергии, поскольку в ней отсутствует фермент тиофораза (β-кетоацил-КоА трансфераза). Ацетон поглощается печенью в низких концентрациях и подвергается детоксикации через путь метилглиоксаля, который заканчивается лактатом. Ацетон в высоких концентрациях, как это может происходить при длительном голодании или кетогенной диете, всасывается клетками за пределами печени и метаболизируется другим путем через пропиленгликоль . Хотя этот путь проходит через другую серию шагов, требующих АТФ, пропиленгликоль в конечном итоге может быть превращен в пируват. [7]

Сердце [ править ]

Сердце преимущественно использует жирные кислоты в качестве топлива в нормальных физиологических условиях. Однако в кетотических условиях сердце может эффективно использовать кетоновые тела для этой цели. [8]

Мозг [ править ]

Мозг получает часть своих потребностей в топливе из кетоновых тел, когда глюкоза менее доступна, чем обычно. В случае низкой концентрации глюкозы в крови у большинства других тканей есть альтернативные источники топлива помимо кетоновых тел и глюкозы (например, жирных кислот), но текущие исследования показывают, что мозг имеет обязательную потребность в некоторой глюкозе. [9] После трехдневного строгого голодания мозг получает 25% энергии из кетоновых тел. [10] Примерно через 24 дня кетоновые тела становятся основным топливом мозга, составляя до двух третей потребления топлива мозгом. [11] Многие исследования предполагают, что клетки мозга человека могут выжить при небольшом количестве глюкозы или без нее, но доказывать это с этической точки зрения сомнительно.. [11] На начальных стадиях кетоза мозг не сжигает кетоны, поскольку они являются важным субстратом для синтеза липидов в мозге. Кроме того, кетоны, произведенные из жирных кислот омега-3, могут уменьшить ухудшение когнитивных функций в пожилом возрасте . [12]

Кетоз и кетоацидоз [ править ]

У нормальных людей происходит постоянное производство кетоновых тел печенью и их использование внепеченочными тканями. Концентрация кетоновых тел в крови поддерживается на уровне около 1 мг / дл . Их экскреция с мочой очень низкая и не определяется обычными анализами мочи (тест Ротеры). [13]

Когда скорость синтеза кетоновых тел превышает скорость утилизации, их концентрация в крови увеличивается; это известно как кетонемия . Далее следует кетонурия - выведение кетоновых тел с мочой. Общая картина кетонемии и кетонурии обычно называется кетозом. Запах ацетоацетата и / или ацетона изо рта - обычное явление при кетозе.

Когда диабетик 1 типа страдает от острого биологического стресса (инфекция, инфаркт или физическая травма) или не вводит достаточное количество инсулина, он может перейти в патологическое состояние диабетического кетоацидоза . В этих условиях низкий или отсутствующий уровень инсулина в крови в сочетании с неадекватно высокими концентрациями глюкагона [14]заставляют печень производить глюкозу с неоправданно повышенной скоростью, в результате чего ацетил-КоА, образующийся в результате бета-окисления жирных кислот, превращается в кетоновые тела. В результате очень высокий уровень кетоновых тел снижает pH плазмы крови, что рефлекторно заставляет почки выделять мочу с очень высоким уровнем кислоты. Высокий уровень глюкозы и кетонов в крови также пассивно попадает в мочу (неспособность почечных канальцев реабсорбировать глюкозу и кетоны из канальцевой жидкости, подавляемые большими объемами этих веществ, фильтруемых в канальцевую жидкость). В результате осмотический диурез глюкозы вызывает удаление воды и электролитов из крови, что приводит к потенциально смертельному обезвоживанию..

У людей, соблюдающих низкоуглеводную диету, также разовьется кетоз. Этот индуцированный кетоз иногда называют пищевым кетозом , но уровень концентрации кетоновых тел составляет порядка 0,5–5 мМ, тогда как патологический кетоацидоз составляет 15–25 мМ .

Процесс кетоза в настоящее время исследуется на предмет эффективности в облегчении симптомов болезни Альцгеймера . [15]

См. Также [ править ]

  • Метаболизм жирных кислот

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я Stryer, Луберт (1995). Биохимия (Четвертое изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. С. 510–515, 581–613, 775–778. ISBN 0-7167-2009-4.
  2. ^ Koeslag, JH; Ноукс, Т. Д.; Слоун, AW (1980). «Кетоз после тренировки» . Журнал физиологии . 301 : 79–90. DOI : 10.1113 / jphysiol.1980.sp013190 . PMC 1279383 . PMID 6997456 .  
  3. ^ Мэри К. Кэмпбелл; Шон О. Фаррелл (2006). Биохимия (5-е изд.). Cengage Learning. п. 579 . ISBN 0-534-40521-5.
  4. ^ a b c Окисление жирных кислот
  5. ^ Метаболизм кетонов в организме , Университет Ватерлоо
  6. ^ Американская диабетическая ассоциация-кетоацидоз
  7. ^ http://www.epa.gov/iris/toxreviews/0128tr.pdf
  8. ^ Kodde И.Ф., ван - дер - Stok J, Смоленский РТ, де Йонг JW (январь 2007). «Метаболическая и генетическая регуляция предпочтения сердечного энергетического субстрата». Комп. Biochem. Physiol., Part a Mol. Интегр. Physiol . 146 (1): 26–39. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2006.09.014 . PMID 17081788 . 
  9. ^ Кларк, DD ; Соколов, L (1999). Siegel, GJ; Agranoff, BW; Альберс, Р.В. (ред.). Основы нейрохимии: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты (6-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт-Рэйвен.
  10. ^ Hasselbalch, SG; Кнудсен, GM; Якобсен, Дж; Hageman, LP; Holm, S; Полсон, OB (1994). «Метаболизм мозга при кратковременном голодании у человека» . Журнал церебрального кровотока и метаболизма . 14 (1): 125–31. DOI : 10.1038 / jcbfm.1994.17 . PMID 8263048 . 
  11. ^ a b Кэхилл Г.Ф. Топливный обмен при голодании. Анну Rev Nutr 2006; 26: 1–22
  12. ^ Freemantle, E .; Вандал, Миннесота; Tremblay-Mercier, J .; Tremblay, SB; Blachère, JC; Bégin, ME; Томас Бренна, Дж .; Windust, A .; Cunnane, SC (2006). «Жирные кислоты омега-3, энергетические субстраты и функция мозга при старении». Простагландины, лейкотриены и незаменимые жирные кислоты . 75 (3): 213–20. DOI : 10.1016 / j.plefa.2006.05.011 . PMID 16829066 . 
  13. ^ Комсток, Джон П .; Гарбер, Алан Дж. (1990). Уокер, Х. Кеннет; Холл, У. Даллас; Херст, Дж. Уиллис (ред.). Клинические методы: история, физические и лабораторные исследования (3-е изд.). Бостон: Баттервортс. ISBN 040990077X. PMID  21250091 .
  14. ^ Koeslag, JH; Saunders, PT; Тербланш, Э. (2003). «Тематический обзор: переоценка гомеостата глюкозы в крови, который всесторонне объясняет комплекс сахарного диабета 2 типа / синдрома X» . Журнал физиологии . 549 (Pt 2): 333–346. DOI : 10.1113 / jphysiol.2002.037895 . PMC 2342944 . PMID 12717005 .  
  15. ^ Хендерсон, Сэмюэл Т. (2008-07-01). «Кетоновые тела как терапевтическое средство при болезни Альцгеймера» . Нейротерапия . 5 (3): 470–480. DOI : 10.1016 / j.nurt.2008.05.004 . ISSN 1933-7213 . PMC 5084248 . PMID 18625458 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Emerg / 135 в eMedicine - диабетический кетоацидоз
  • Жировой обмен на unisanet.unisa.edu.au
  • Ketone + Bodies в Национальных медицинских предметных рубриках США (MeSH)
  • McGuire, L.C; Cruickshank, A.M; Манро, П. Т. (2006). «Алкогольный кетоацидоз» . Журнал неотложной медицины . 23 (6): 417–420. DOI : 10.1136 / emj.2004.017590 . PMC  2564331 . PMID  16714496 .