KETOGENESIS: ประเภทของร่างกายการสังเคราะห์และการย่อยสลาย - ชีววิทยา - 2026

ketogenesisเป็นกระบวนการโดยที่ acetoacetate, β-ไฮดรอกซีอะซีโตนและจะได้รับซึ่งร่วมกันจะเรียกว่าร่างกายคีโตน กลไกที่ซับซ้อนและได้รับการควบคุมอย่างประณีตนี้เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียจากการสลายตัวของกรดไขมัน

การได้รับคีโตนร่างกายจะเกิดขึ้นเมื่อร่างกายอยู่ภายใต้การอดอาหารอย่างละเอียดถี่ถ้วน แม้ว่าสารเหล่านี้ส่วนใหญ่จะถูกสังเคราะห์ในเซลล์ตับ แต่ก็พบว่าเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญในเนื้อเยื่อต่างๆเช่นกล้ามเนื้อโครงร่างและในเนื้อเยื่อหัวใจและสมอง

ที่มา: Sav vas

Β-Hydroxybutyrate และ acetoacetate เป็นสารที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในกล้ามเนื้อหัวใจและเยื่อหุ้มสมองของไต ในสมองร่างกายของคีโตนกลายเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญเมื่อร่างกายเก็บกลูโคสจนหมด

ลักษณะทั่วไป

Ketogenesis ถือเป็นหน้าที่ทางสรีรวิทยาหรือวิถีการเผาผลาญที่สำคัญมาก โดยทั่วไปกลไกนี้จะเกิดขึ้นในตับแม้ว่าจะมีการแสดงให้เห็นว่าสามารถทำได้ในเนื้อเยื่ออื่น ๆ ที่สามารถเผาผลาญกรดไขมันได้

การก่อตัวของคีโตนเป็นแหล่งที่มาของการเผาผลาญหลักของ acetyl-CoA สารนี้ได้มาจากกระบวนการเผาผลาญที่เรียกว่าβ-oxidation ซึ่งเป็นการย่อยสลายกรดไขมัน

ความพร้อมของกลูโคสในเนื้อเยื่อที่β-oxidation เกิดขึ้นเป็นตัวกำหนดชะตากรรมการเผาผลาญของ acetyl-CoA โดยเฉพาะอย่างยิ่งกรดไขมันที่ถูกออกซิไดซ์จะถูกส่งไปยังกระบวนการสังเคราะห์คีโตนเกือบทั้งหมด

ประเภทและคุณสมบัติของเนื้อคีโตน

ตัวคีโตนหลักคือ acetoacetate หรือ acetoacetic acid ซึ่งส่วนใหญ่สังเคราะห์ในเซลล์ตับ โมเลกุลอื่น ๆ ที่ประกอบเป็นเนื้อคีโตนมาจากอะซิโตอะซิเตต

การลดลงของกรดอะซิโตอะซิติกทำให้เกิด D-β-hydroxybutyrate ซึ่งเป็นตัวคีโตนตัวที่สอง อะซิโตนเป็นสารประกอบที่ย่อยสลายได้ยากและเกิดจากปฏิกิริยา decarboxylation ที่เกิดขึ้นเองของ acetoacetate (ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีการแทรกแซงของเอนไซม์ใด ๆ ) เมื่อมีอยู่ในความเข้มข้นสูงในเลือด

การกำหนดร่างกายของคีโตนได้รับการจัดเตรียมโดยการประชุมเนื่องจากการพูดอย่างเคร่งครัดβ-hydroxybutyrate ไม่มีฟังก์ชันคีโตน โมเลกุลทั้งสามนี้ละลายได้ในน้ำซึ่งช่วยในการขนส่งในเลือด หน้าที่หลักคือให้พลังงานแก่เนื้อเยื่อบางอย่างเช่นโครงร่างและกล้ามเนื้อหัวใจ

เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างคีโตนส่วนใหญ่อยู่ในเซลล์ตับและไตซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมสถานที่ทั้งสองนี้จึงเป็นตัวผลิตหลักของสารเหล่านี้ การสังเคราะห์เกิดขึ้นเฉพาะในเมทริกซ์ไมโทคอนเดรียของเซลล์

เมื่อสังเคราะห์โมเลกุลเหล่านี้แล้วจะผ่านเข้าสู่กระแสเลือดไปยังเนื้อเยื่อที่ต้องการซึ่งจะถูกย่อยสลายเป็น acetyl-CoA

การสังเคราะห์เนื้อคีโตน

เงื่อนไขสำหรับการเกิดคีโตเจนิก

ชะตากรรมการเผาผลาญของ acetyl-CoA จากβ-oxidation ขึ้นอยู่กับความต้องการการเผาผลาญของร่างกาย สิ่งนี้ถูกออกซิไดซ์เป็น CO ₂และ H ₂ O ผ่านวัฏจักรกรดซิตริกหรือการสังเคราะห์กรดไขมันหากการเผาผลาญของไขมันและคาร์โบไฮเดรตมีความเสถียรในร่างกาย

เมื่อร่างกายต้องการการสร้างคาร์โบไฮเดรต oxaloacetate จะถูกใช้สำหรับการผลิตกลูโคส (gluconeogenesis) แทนที่จะเริ่มวงจรกรดซิตริก สิ่งนี้เกิดขึ้นตามที่กล่าวไว้เมื่อร่างกายไม่สามารถรับกลูโคสได้บางส่วนในกรณีเช่นการอดอาหารเป็นเวลานานหรือการมีโรคเบาหวาน

ด้วยเหตุนี้ acetyl-CoA ที่เกิดจากการออกซิเดชั่นของกรดไขมันจึงถูกใช้ในการผลิตคีโตน

กลไก

กระบวนการคีโตเจเนซิสเริ่มต้นจากผลิตภัณฑ์ของβ-oxidation: acetacetyl-CoA หรือ acetyl-CoA เมื่อสารตั้งต้นคือ acetyl-CoA ขั้นตอนแรกประกอบด้วยการควบแน่นของโมเลกุลสองตัวปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดย acetyl-CoA transferase เพื่อผลิต acetacetyl-CoA

Acetacetyl-CoA ควบแน่นด้วย acetyl-CoA ตัวที่สามผ่านการกระทำของ HMG-CoA synthase เพื่อผลิต HMG-CoA (β-hydroxy-β-methylglutaryl-CoA) HMG-CoA ถูกย่อยสลายเป็น acetoacetate และ acetyl-CoA โดยการกระทำของ HMG-CoA lyase ด้วยวิธีนี้ร่างกายของคีโตนตัวแรกจะได้รับ

Acetoacetate ลดลงเป็นβ-hydroxybutyrate โดยการแทรกแซงของβ-hydroxybutyrate dehydrogenase ปฏิกิริยานี้ขึ้นอยู่กับ NADH

acetoacetate ketone body ที่สำคัญคือกรดβ-keto ซึ่งผ่านการ decarboxylation ที่ไม่ใช่เอนไซม์ กระบวนการนี้ง่ายและผลิตอะซิโตนและ CO ₂

ปฏิกิริยาชุดนี้จึงก่อให้เกิดเนื้อคีโตน สิ่งเหล่านี้ละลายในน้ำสามารถเคลื่อนย้ายได้ง่ายผ่านทางกระแสเลือดโดยไม่จำเป็นต้องยึดติดกับโครงสร้างอัลบูมินเช่นเดียวกับกรดไขมันที่ไม่ละลายในน้ำ

Β-oxidation และ ketogenesis เกี่ยวข้องกัน

เมแทบอลิซึมของกรดไขมันจะสร้างสารตั้งต้นสำหรับการสร้างคีโตเจนิกดังนั้นทางเดินทั้งสองนี้จึงสัมพันธ์กัน

Acetoacetyl-CoA เป็นตัวยับยั้งการเผาผลาญกรดไขมันเนื่องจากจะหยุดการทำงานของ acyl-CoA dehydrogenase ซึ่งเป็นเอนไซม์ตัวแรกของβ-oxidation นอกจากนี้ยังมีฤทธิ์ยับยั้ง acetyl-CoA transferase และ HMG-CoA synthase

เอนไซม์ HMG-CoA synthase รองจาก CPT-I (เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการผลิต acyl carnitine ในβ-oxidation) มีบทบาทสำคัญในการสร้างกรดไขมัน

กฎข้อบังคับของβ-oxidation และผลต่อการเกิดคีโตเจนิก

การให้อาหารของสิ่งมีชีวิตควบคุมสัญญาณฮอร์โมนที่ซับซ้อน คาร์โบไฮเดรตกรดอะมิโนและไขมันที่บริโภคในอาหารจะถูกสะสมในรูปของไตรอะซิลกลีเซอรอลในเนื้อเยื่อไขมัน อินซูลินซึ่งเป็นฮอร์โมนอะนาโบลิกมีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ไขมันและการสร้างไตรอะซิลกลีเซอรอล

ในระดับไมโตคอนเดรียβ-oxidation ถูกควบคุมโดยการเข้าและการมีส่วนร่วมของสารตั้งต้นบางชนิดในไมโทคอนเดรีย เอนไซม์ CPT I สังเคราะห์ Acyl Carnitine จาก cytosolic Acyl CoA

เมื่อร่างกายได้รับอาหาร Acetyl-CoA carboxylase จะเปิดใช้งานและซิเตรตจะเพิ่มระดับ CPT I ในขณะที่ phosphorylation (ปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับวงจร AMP) จะลดลง

สิ่งนี้ทำให้เกิดการสะสมของ malonyl CoA ซึ่งกระตุ้นการสังเคราะห์กรดไขมันและสกัดกั้นการเกิดออกซิเดชั่นป้องกันไม่ให้เกิดวงจรที่ไร้ประโยชน์

ในกรณีของการอดอาหารกิจกรรมของคาร์บอกซิเลสจะต่ำมากเนื่องจากระดับของเอนไซม์ CPT I ลดลงและยังได้รับฟอสโฟรีเลสกระตุ้นและส่งเสริมการเกิดออกซิเดชั่นของไขมันซึ่งจะทำให้เกิดคีโตนในภายหลัง acetyl-CoA

การปลด

ร่างกายของคีโตนแพร่กระจายออกจากเซลล์ที่พวกมันถูกสังเคราะห์และถูกขนส่งไปยังเนื้อเยื่อรอบนอกโดยกระแสเลือด ในเนื้อเยื่อเหล่านี้สามารถถูกออกซิไดซ์ผ่านวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก

ในเนื้อเยื่อส่วนปลายβ-hydroxybutyrate จะถูกออกซิไดซ์เป็น acetoacetate ต่อจากนั้น acetoacetate จะถูกกระตุ้นโดยการทำงานของเอนไซม์ 3-ketoacyl-CoA transferase

Succinyl-CoA ทำหน้าที่เป็นผู้บริจาค CoA โดยการแปลงตัวเองเป็น Succinyl-CoA การกระตุ้นของ acetoacetate เกิดขึ้นเพื่อป้องกันไม่ให้ succinyl-CoA ถูกเปลี่ยนเป็น succinate ในวงจรกรดซิตริกโดยมีการสังเคราะห์ GTP ควบคู่ไปกับการกระทำของ succinyl-CoA synthase

acetoacetyl-CoA ที่ได้รับจะผ่านการสลาย thiolytic โดยผลิตโมเลกุล acetyl-CoA สองตัวที่รวมอยู่ในวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิกหรือที่รู้จักกันดีในชื่อวัฏจักร Krebs

เซลล์ตับขาด 3-ketoacyl-CoA transferase ซึ่งป้องกันไม่ให้เมตาบอไลต์นี้ทำงานในเซลล์เหล่านี้ ด้วยวิธีนี้จึงรับประกันได้ว่าร่างกายของคีโตนจะไม่ออกซิไดซ์ในเซลล์ที่สร้างขึ้น แต่สามารถถ่ายโอนไปยังเนื้อเยื่อที่ต้องการกิจกรรมได้

ความเกี่ยวข้องทางการแพทย์ของร่างกายคีโตน

ในร่างกายมนุษย์ร่างกายของคีโตนที่มีความเข้มข้นสูงในเลือดอาจทำให้เกิดภาวะพิเศษที่เรียกว่าภาวะเลือดเป็นกรดและคีโทนิเมีย

การผลิตสารเหล่านี้สอดคล้องกับการเร่งปฏิกิริยาของกรดไขมันและคาร์โบไฮเดรต หนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของภาวะคีโตเจนิกทางพยาธิวิทยาคือชิ้นส่วนอะซิติกไดคาร์บอเนตที่มีความเข้มข้นสูงซึ่งไม่ถูกย่อยสลายด้วยวิถีการออกซิเดชั่นของกรดไตรคาร์บอกซิลิก

เป็นผลให้มีการเพิ่มขึ้นของระดับคีโตนในเลือดสูงกว่า 2 ถึง 4 มก. / 100 นิวตันและการมีอยู่ในปัสสาวะ ส่งผลให้เกิดการรบกวนการเผาผลาญระดับกลางของสารเหล่านี้

ข้อบกพร่องบางอย่างในปัจจัยทางระบบประสาทต่อมใต้สมองที่ควบคุมการย่อยสลายและการสังเคราะห์ของร่างกายคีโตนร่วมกับความผิดปกติในการเผาผลาญของไฮโดรคาร์บอนเป็นสาเหตุของภาวะไขมันในเลือดสูง

โรคเบาหวานและการสะสมของร่างกายคีโตน

โรคเบาหวาน (ประเภท 1) เป็นโรคต่อมไร้ท่อที่ทำให้ร่างกายผลิตคีโตนเพิ่มขึ้น การผลิตอินซูลินที่ไม่เพียงพอจะปิดการขนส่งกลูโคสไปยังกล้ามเนื้อตับและเนื้อเยื่อไขมันจึงสะสมในเลือด

เซลล์ที่ไม่มีกลูโคสจะเริ่มกระบวนการกลูโคโนเจเนซิสและการสลายไขมันและโปรตีนเพื่อฟื้นฟูการเผาผลาญ เป็นผลให้ความเข้มข้นของ oxaloacetate ลดลงและการเกิดออกซิเดชันของไขมันเพิ่มขึ้น

จากนั้นจะเกิดการสะสมของ acetyl-CoA ซึ่งในกรณีที่ไม่มี oxaloacetate ไม่สามารถติดตามวิถีของกรดซิตริกได้จึงทำให้มีการผลิตคีโตนในปริมาณสูงซึ่งเป็นลักษณะของโรคนี้

ตรวจพบการสะสมของอะซิโตนโดยการมีอยู่ในปัสสาวะและลมหายใจของผู้ที่มีอาการนี้และเป็นหนึ่งในอาการที่บ่งบอกถึงการแสดงออกของโรคนี้

อ้างอิง

1. Blázquez Ortiz, C. (2004). Ketogenesis ใน astrocytes: ลักษณะเฉพาะการควบคุมและบทบาทของ cytoprotective ที่เป็นไปได้ (วิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอก Complutense University of Madrid บริการสิ่งพิมพ์)
2. Devlin, TM (1992). ตำราชีวเคมี: กับความสัมพันธ์ทางคลินิก.
3. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). ชีวเคมี. ทอมสันบรูคส์ / โคล.
4. McGarry, JD, Mannaerts, GP, & Foster, DW (1977) บทบาทที่เป็นไปได้สำหรับ malonyl-CoA ในการควบคุมการเกิดออกซิเดชันของกรดไขมันในตับและการสร้างคีโตเจนิก วารสารการสอบสวนทางคลินิก, 60 (1), 265-270.
5. Melo, V. , Ruiz, VM และ Cuamatzi, O. (2007) ชีวเคมีของกระบวนการเผาผลาญ Reverte
6. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008) หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger Macmillan
7. Pertierra, AG, Gutiérrez, CV, และอื่น ๆ , CM (2000) พื้นฐานของชีวเคมีในการเผาผลาญ บรรณาธิการTébar
8. Voet, D. , & Voet, JG (2006). ชีวเคมี. Panamerican Medical Ed.