Кетоновые тела

Кетоновые тела — это группа органических соединений, образующихся в печени из жирных кислот в процессе кетогенеза при дефиците глюкозы в клетках. К кетоновым телам относят ацетоацетат, бета-гидроксибутират и ацетон. Они служат альтернативным источником энергии для тканей организма, особенно для головного мозга, в условиях голодания, длительного физического напряжения или при сахарном диабете. Повышенная концентрация кетоновых тел в крови называется кетонемией, а их выделение с мочой — кетонурией; совокупность этих состояний и клинических проявлений обозначается термином «кетоз» или, при патологическом накоплении, «кетоацидоз».

История открытия и изучения

Первые упоминания о запахе ацетона у больных сахарным диабетом относятся к XVII веку, когда английский врач Томас Уиллис (1621–1675) описал сладковатый запах мочи у пациентов. В 1857 году немецкий химик Карл Шорлеммер выделил из мочи больных диабетом вещество, названное им ацетоном. В 1865 году немецкий физиолог Фридрих Кекуле установил химическую структуру ацетона. В 1884 году немецкий врач Бернхард Наунин впервые связал появление ацетона в моче с нарушением углеводного обмена. В 1920-х годах американский врач Эллиот Джослин разработал протоколы лечения диабетического кетоацидоза, а в 1930-х годах британский биохимик Ганс Кребс (впоследствии открывший цикл трикарбоновых кислот) описал процесс кетогенеза в печени. В 1950-х годах была установлена роль кетоновых тел как энергетического субстрата для мозга при длительном голодании.

Химическая структура и свойства

Кетоновые тела представляют собой низкомолекулярные водорастворимые соединения, не являющиеся белками или липидами в строгом смысле. Основные представители:

• Ацетоацетат (ацетоуксусная кислота, CH₃COCH₂COOH) — первичный продукт кетогенеза, слабая кислота, способна спонтанно декарбоксилироваться до ацетона.
• Бета-гидроксибутират (3-гидроксибутановая кислота, CH₃CHOHCH₂COOH) — восстановленная форма ацетоацетата, наиболее распространённое кетоновое тело в крови при кетозе.
• Ацетон (диметилкетон, CH₃COCH₃) — летучее соединение, образующееся при спонтанном декарбоксилировании ацетоацетата; выводится через лёгкие, придавая дыханию характерный запах.

Все три соединения взаимопревращаемы в организме: в митохондриях клеток ацетоацетат восстанавливается до бета-гидроксибутирата с помощью фермента бета-гидроксибутиратдегидрогеназы. Ацетон не метаболизируется в тканях и выводится преимущественно через дыхание и мочу.

Биосинтез (кетогенез)

Кетогенез происходит преимущественно в митохондриях гепатоцитов (клеток печени) при низком уровне глюкозы в крови и истощении запасов гликогена. Основные этапы:

1. Липолиз — расщепление триглицеридов в жировой ткани с высвобождением свободных жирных кислот.
2. Бета-окисление — окисление жирных кислот в митохондриях печени до ацетил-КоА.
3. Конденсация — две молекулы ацетил-КоА соединяются с образованием ацетоацетил-КоА.
4. Образование ацетоацетата — ацетоацетил-КоА расщепляется до ацетоацетата и свободного КоА.
5. Восстановление — ацетоацетат восстанавливается до бета-гидроксибутирата, либо декарбоксилируется до ацетона.

Ключевым ферментом кетогенеза является митохондриальная 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-синтаза (HMG-CoA-синтаза). Регуляция кетогенеза осуществляется гормонами: инсулин подавляет процесс, а глюкагон, адреналин и кортизол — стимулируют.

Физиологическая роль и утилизация

Кетоновые тела служат альтернативным источником энергии для большинства тканей организма, включая сердечную мышцу, скелетные мышцы и почки. Особое значение они имеют для головного мозга, который в норме использует исключительно глюкозу, но при длительном голодании (более 2–3 суток) способен покрывать до 60–70% своих энергетических потребностей за счёт кетоновых тел. Утилизация кетоновых тел происходит в митохондриях клеток-потребителей через цикл трикарбоновых кислот после их превращения обратно в ацетил-КоА.

В небольших количествах кетоновые тела постоянно присутствуют в крови здорового человека (концентрация менее 0,5 ммоль/л). При голодании или низкоуглеводной диете их уровень может повышаться до 1–3 ммоль/л (физиологический кетоз). При этом ацетон частично выводится через лёгкие, что придаёт дыханию сладковатый запах.

Патологические состояния

Кетоацидоз

Кетоацидоз — это опасное для жизни состояние, при котором концентрация кетоновых тел в крови превышает 5–10 ммоль/л, что приводит к снижению pH крови (метаболический ацидоз). Наиболее распространённая форма — диабетический кетоацидоз (ДКА), возникающий при абсолютном дефиците инсулина у пациентов с сахарным диабетом 1-го типа, реже — при сахарном диабете 2-го типа в условиях тяжёлого стресса. Симптомы: жажда, частое мочеиспускание, тошнота, рвота, боль в животе, запах ацетона изо рта, спутанность сознания, вплоть до комы. Лечение включает внутривенное введение инсулина, регидратацию и коррекцию электролитных нарушений.

Другой тип — алкогольный кетоацидоз, развивающийся у лиц с хроническим алкоголизмом после длительного запоя на фоне голодания и рвоты. Характеризуется умеренным ацидозом и нормальным уровнем глюкозы в крови.

Кетоз при голодании и диетах

Физиологический кетоз возникает при длительном голодании (более 24–48 часов), строгих низкоуглеводных диетах (кетогенная диета) или интенсивных физических нагрузках. В отличие от кетоацидоза, он не сопровождается ацидозом и не требует медицинского вмешательства. Кетогенная диета с высоким содержанием жиров и низким — углеводов используется в медицине для лечения резистентных форм эпилепсии у детей, а также изучается в контексте терапии ожирения, сахарного диабета 2-го типа и нейродегенеративных заболеваний.

Кетоз у новорождённых и беременных

У новорождённых детей, особенно недоношенных, кетоз может развиваться при задержке кормления или стрессе. У беременных женщин кетоз возникает на поздних сроках при токсикозе или голодании, что может быть связано с риском для плода. В обоих случаях требуется контроль уровня кетоновых тел.

Диагностика

Определение уровня кетоновых тел проводится в крови, моче или выдыхаемом воздухе:

• Анализ крови — измерение концентрации бета-гидроксибутирата (наиболее точный метод). Норма: менее 0,5 ммоль/л; кетоз: 0,5–3,0 ммоль/л; кетоацидоз: более 3,0 ммоль/л.
• Анализ мочи — тест-полоски на ацетоацетат (качественный или полуколичественный метод). Чувствительность ниже, чем у анализа крови, так как ацетон и бета-гидроксибутират не определяются.
• Анализ выдыхаемого воздуха — измерение концентрации ацетона с помощью портативных анализаторов (используется в спортивной медицине и диетологии).

Клиническое значение

Кетоновые тела играют ключевую роль в метаболизме при дефиците глюкозы. Их патологическое накопление (кетоацидоз) является ургентным состоянием, требующим немедленной госпитализации. В то же время физиологический кетоз используется в терапевтических целях: кетогенная диета доказала эффективность при эпилепсии, а также исследуется при болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и некоторых формах рака. В спортивной медицине кетоновые тела рассматриваются как эргогенное средство, улучшающее выносливость при длительных нагрузках.

Интересные факты

• Ацетон, один из компонентов кетоновых тел, является промышленным растворителем и используется в производстве пластмасс, лаков и взрывчатых веществ.
• В XIX веке ацетон в моче считался специфическим признаком сахарного диабета, пока не было установлено, что он может появляться и при голодании.
• Кетогенная диета, разработанная в 1920-х годах для лечения эпилепсии, была вытеснена противосудорожными препаратами, но вновь стала применяться в 1990-х годах при резистентных формах заболевания.
• У некоторых животных (например, у верблюдов) кетоновые тела служат основным источником энергии при длительных переходах без пищи и воды.

Источники

• Гайтон А. К., Холл Дж. Э. «Медицинская физиология». — М.: Логосфера, 2008.
• Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. «Биохимия человека». — М.: Мир, 2004.
• Кетогенная диета: руководство для врачей / под ред. Е. В. Козлова. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2019.
• Федеральные клинические рекомендации по диагностике и лечению диабетического кетоацидоза у взрослых (2020).
• Laffel L. «Ketone bodies: a review of physiology, pathophysiology and application of monitoring to diabetes». — Diabetes/Metabolism Research and Reviews, 1999.