الأجسام الكيتونية Ketone bodies هي ثلاثة جزيئات قابلة للذوبان في الماء (وهي: أسيتو الأسيتات و بيتا هيدروكسي بيوتيرات وناتج التفكك التلقائي لهما وهو الأسيتون) والتي تصنع بواسطة الكبد من الأحماض الدهنية.[1] خلال فترات التي يكون فيها تناول الطعام منخفضا (حالة الصيام)، وحميات تخفيض أكل الكاربوهيدرات، أو حدوث مجاعة ، أو ممارسة التمارين الرياضية المكثفة والمطولة[2], والمصابون بمرض السكري نوع 1 الغير معالج (أو المعالج بشكل غير كافي). تلك الاجسام الكيتونية يتم التقاطها بشكل سريع من قبل انسجة خارج الكبد بسبب انخفاض نسبة السكر في الدم وتـُحوّل إلى أسيتيل مرافق الإنزيم-أ acetyl-CoA ومن ثم تدخل في دورة حمض الستريك وتؤكسد في الميتوكوندريا الموجودة في خلايا الجسم لكي تتحول إلى طاقة يحتاجها الجسم وأعضائه للقيام بوظائفها.[3] في الدماغ ، تستعمل في صنع أسيتيل مرافق الإنزيم-أ إلى احماض دهنية طويلة السلسلة .والاخيرة لا يمكن الحصول عليها من الدم ، لانها غير قادرة على النفاذ من خلال الحاجز الدموي الدماغي. بهذه الطريقة يمكن للدماغ خلال وقت قصير في حالة نقص السكر في الدم استخدام 40 غرام من الجلوكوز (السكر) بدلا من 120 غرام جلوكوز في اليوم، أي ينتج معظم طاقته من الأجسام الكيتونية عوضا عن الجلوكوز.
الاجسام الكيتونية يتم صنعها من قبل الكبد تحت تاثير الظروف المذكورة اعلاه المتسببة في نقص السكر في الدم (الصيام، المجاعه، حميات قليلة الكاربوهيدرات،التمارين الرياضية المكثفة، السكري نوع 1 الغير معالج ) نتيجة ل دورة تخليق الجلوكوز شديدة : وهي عملية صنع جلوكوز من مصادر غير كاربوهيدراتية (لا تشتمل على احماض دهنية )[1] .ولهذا دائما ما تنطلق الاجسام الكيتونية إلى الدم بواسطة الكبد بالتزامن مع افراز الجلوكوز حديث الصنع، بعدما تنضب مخازن الجلايكوجين الخاصة بالكبد (مخازن الكلايكوجين تنضب بعد 24 ساعة من الصيام )[1]
عندما يفقد جزيئان من اسيتايل كواي مرافق الانزيم أ الخاص بهما، يمكنهما صنع مركب كيميائي ثنائي الوحدات يسمى اسيتواستيت . بيتا هايدروكسي بيوتاريت هو الناتج من اختزال اسيتواستيت، حيث أن مجموعة الكيتون تحول إلى مجموعة كحول . كلاهما جزيئات رباعية الكربون لهذا تستطيع بشكل سريع ان تعود مرة أخرى إلى اسيتايل كواي بواسطة اغلب انسجة الجسم مع الاستثناء للكبد طبعا . الاسيتون هو الجزيء منزوع الكاربوكسيل من اسيتواستيت، والذي لا يستطيع أن يحول مرة أخرى أو يعود إلى أسيتيل مرافق الإنزيم-أ ماعدا عن طريق عملية ازالة السموم في الكبد حيث أنه يحول إلى حامض اللبنيك والذي يستطيع بالمقابل ان يؤكسد إلى حامض البيروفيك ، وعندها فقط إلى اسيتايل كواي.
الاجسام الكيتونية لها خاصية الرائحة المميزة، حيث يمكن كشفها من خلال رائحة النفس الخاصة بالافراد المصابين ب الحماض الكيتوني أو فرط كيتون الجسم ،( التي عادة ما تشبه رائحة مزيل اصباغ الاظافر التي عادة ما تحتوي على اسيتون أو اثيل استيت )
بعيدا عن الاجسام الكيتونية الثلاثة (اسيتون، اسيتو استيت، بيتا هايدروكسيبيوتاريت )[4]، اجاسم كيتونية أخرى مثل بيتا كيتوبينتانوت وبيتا هايدروكسيبينتانوت قد تصنع نتيجة لعملية التمثيل الغذاني للدهون الثلاثية الاصطناعية مثل هيباتنون الثلاثي
الإنتاج
الدهون المخزونة في النسيج الدهني تطلق من الخلايا الدهنية إلى الدم بشكل احماض دهنية حرة وجليسيرول عندما يكون مستوى الانسولين منخفضا في الدم ومستويات الغلوكاغون والابنفرين في الدم عالية . هذا يحدث بين الوجبات، خلال الصيام، والمجاعة والتمارين الرياضية المكثفة، في حالة كون مستويات الجلوكوز في الدم مرجح ان تنخفض ).
الاحماض الدهنية هي مصادر طاقة عالية (حرارة الجسم، وطاقة لقيام اعضاء الجسم بوظائفها) ،وتؤخذ من قبل كل الخلايا المؤيضة التي تحتوي على ميتوكوندريا ،وهذا لأن الاحماض الدهنية لا تؤيض إلا في داخل المايتوكوندريا [1][5]. خلايا الدم الحمراء لا تحتوي على ميتوكوندريا لهذا تعتمد بشكل كامل على عملية التحلل السكري (تخمر الجلوكوز إلى حامض اللبنيك) من اجل متطلبات الطاقة الخاصة بها . في كل الانسجة الأخرى، الاحماض الدهنية التي تدخل إلى الخلايا المؤيضة سوف تجمع مع مرافق الانزيم أ لتكوين سلاسل أسيتيل مرافق الإنزيم-أ . وهذه تنقل إلى الميتوكوندريا الخاصة بالخلايا (حيث سيتم تكسيرهاالى وحدات من الاستايل كواي عن طريق سلسلة من التفاعلات المعروفة ب اكسدة الاحماض الدهنية (بالانكليزيه : b oxidation )[1][5] استايل كواي المنتج من عملية اكسدة الاحماض الدهنية تدخل إلى دورة حمض الستريك في الميتوكوندريا عن طريق ان تجمع مع اوكزالواستيت لتنتج الستريت (بالانكليزية : citrate) .وخذا يؤدي إلى الاحتراق الكامل لمجموعة الاستيل الخاصة ب استيايل كواي إلى ماء وثنائي اوكسيد الكاربون . الطاقة الناتجة عن هذه العملية يتم التقاطها على شكل 1GTP و11جزيئة من ال ATP لمجموعة الاستيل الواحدة المؤكسدة [1][5] . هذا هو مصير استيايل كواي حيثما حصلت عملية اكسدة الاحماض الدهنية ماعدا تحت ظروف معينة في الكيد . حيث أن الاوكزالواستيت في الكبد يقوم بشكل جزئي أو أو كامل بتحويل مساره إلى مسار عملية استحداث السكر خلال الصيام والمجاعة وحميات التقييد من الكاربوهيدرات والتمارين الرياضية المطولة والمكثفة وايضا لدى المصابين بالسكري النمط الأول من دون علاج.تحت هذه الظروف اوكزالواستيت يتم هدرجته إلى حمض التفاح (malate)والذي يتم بعد ذلك ازالته من المايتوكوندريا حتى يتم تحويله إلى جلوكوز في سايتوبلازم خلايا الكبد ، ومن حيث يتم إطلاق سراحه إلى الدم [1] .في الكبد لهذا اوكزالو استيت يكون غير متوفر للتكاثف مع استيايل كواي عند حصول تحفيز كبير لعملية استحداث السكر ،وهذا التحفيز يكون نتيجة لتراكيز الانسولين المنخفض أو غلوجاغون العالي في الدم .تحت هذه الظروف يقوم استيايل كواي بنحويل مساره إلى صنع اسيتواستيت وبيتاهايدروكسي بيوتاريت [1]. اسيتواستيت، بيتاهايدروكسي بيوتاريت وناتج التكسر العشوائي لهما المعروف ب اسيتون [6] ، معروفين في كثير من الاحيان وبشكل مربك ب الاجسام الكيتونية (برغم انهم ليسوا اجسام في الواقع بل جزيئات قابلة للذوبان في الماء). الاجسام الكيتونية تطلق بواسطة الكبد إلى الدم . جميع الخلايا في الجسد التي تحتوي على مايتوكوندريا تستطيع التقاط الاجسام الكيتونية من الدم وتعيد تحويلها إلى استيايل كواي، وبهذا تستعملها ك مصدر وقود في دورات حامض الستريك، ولا يوجد نسيج آخر يستطيع تحويل مسار اوكزالواستيت إلى مسار عملية استحداث السكر كما يستطيع الكبد تحويلها .بخلاف الاحماض الدهنية الحرة، الاجسام الكيتونية تستطيع عبور الحاجز الدموي الدماغي وبهذا تكون متاحة ك مصدر وقود لخلايا الجهاز العصبي المركزي، لتعمل ك بديل للجلوكوز، الذي عليه عادة تعتمد الخلايا في النجاة [1] . حدوث ارتفاع في مستويات الاجسام الكيتونية في الدم خلال المجاعة أو حميات التقييد من الكاربوهيدرات أو التمارين الرياضية المكثفة والمطولة أو في السكري النمط الأول الغير معالج يسمى ب فرط الجسم الكيتوني .وفي الحالات التي يكون مستوياتها عالية بشكل متطرف في مرض السكري النمط الأول تسمى ب الحماض السكري اسيتو استيت يكون له خاصية الرائحة المميزة والتي تحصل في نفس المريض أو في البول خلال حالة فرط كيتون الجسم [7]
استعمالات الاجسام الكيتونية في القلب والعضلات والدماغ (ولكن ليس الكبد)
الاجسام الكيتونية يمكن تستعملها خلايا الجسم لإنتاج الطاقة التي تحتاجها.الاجسام الكيتونية يتم نقلها من الكبد إلى الانسجة الأخرى، حيث اسيتواستيت وبيتاهايدروكسيبيوتاريت يمكن إعادة تحويلها إلى استيايل كواي لكي تينتج طاقة من خلال دورة حمض الستريك . الاجسامالكيتونية لا يمكن استعمالها من قبل الكبد من اجل الحصول على طاقة، لان الكبد يفتقر إلى انزيم ثايوبوريز . الاسيتون في مستويات منخفضة يتم اخذه بواسطة الكبد ليدخل بعملية ازالة السموم عن طريق مسار مثيل كلايوكسيل الذي ينتهي ك حمض اللبنيك . الاسيتون في تراكيز عالية الذي يتكون بهذه التراكيز نتيجة للصيام المطول أو نتيجة لنظام غذائي مولد للكيتون، هذا الاسيتون يتم امتصاصه من قبل الخلايا عدا تلك الموجودة في الكبد وبعده تدخل في مسار مختلف بواسطة 1,2-بروبانيدول رغم ان المسار يتبع سلسلة مختلفة من الخطوات التي تتطلب ثلاثي فوسفات الادينوسين , 1,2-بروبانيدول يمكن أن يتحول إلى حمض البايروفيك .[8]
القلب يقوم بشكل تفضيلي باستخدام الاحماض الدهنية تحت الظروف الفزيولوجية الطبيعة، ومع ذلك تحت ظروف فرط كيتون الجسم يقوم القلب باستخدام الاجسام الكيتونية بشكل فعال من اجل الحصول على الطاقة .[9]
الدماغ أيضا يحصل على جزء من من الطاقة الخاصة به من الاجسام الكيتونية عندما يكون الجالكوز متوفر بشكل اقل (خلال الصيام أو المجاعة أو حميات التقييد من الكاربوهيدرات والنظام الغذائي مولد الكيتون وايضا في التمارين لرياضية الشديدة) . في حالة يكون مستوى الجالكوز في الدم منخفض فان الانسجة الأخرى في الجسم لها مصادر طاقة اضافية إلى جانب الاجسام الكيتونية (مثل الاحماض الدهنية). ولكن الدماغ على الارجح له بعض المتطلبات الإجبارية لبعض الجالكوز [10] . بعد أن يتغير النظام الغذائي إلى مستوى جالكوز منخفض ل ثلاثة ايام، الدمغ يحصل على 25% من طاقته من الاجسام الكيتونية [11] . وبعد تقريبا 4 ايام، ترتفع هذه النسبة إلى 70% [12] (في المراحل الاولية الدمغ لا يقوم بحرق الاجسام الكيتونية، لكونها ركيزة مهمة لتخليق الدهون في الدماغ) ، علاوة على ذلك الاجسام الكيتونية المنتجة من الاحماض الدهنية اوميجا 3 من الممكن أن تقلل تدهور القدرات الإدراكية في المراحل المتقدمة من العمر [13]
الحماض الكيتوني وفرط كيتون الجسم
في الافراد الطبيعيين، هناك إنتاج ثابت من الاجسام الكيتونية من قبل الكبد واستخدامهم بواسطة الانسجة خارج الكبد . تركيز الاجسام الكيتونية في الدم تكون قرابة واحد ملي غرام في الديسيلتر الواحد .افراز الاجسام الكيتونية في البول يكون قليل جدا وغير قابل للتمييز بواسطة اختبارات البول الروتينية . عندما يتجاوز معدل صنع الاجسام الكيتونية معدل افرازها، فان تركيزها في الدم يزداد، وهذا يعرف بتراكم الاجسام الكيتونية في الدم (كيتونيميا) ومن ثم يتبع ب وجود زيادة في كمية الاجسام الكيتونية في البول وتعرف هذا الحالة ب (كيتونيوريا) وهذين الحالتين مع بعضهما يكونان حالة تعرف ب فرط كيتون الجسم . وهذه الحالة تمتاز بوجود راجئحة اسيتون في انفاس المريض . عندما تعاني حالة من مرض السكري نوع 1 من احداث توتر بايولوجية (التهاب، سكتة قلبية، صدمات جسدية )أو عندما تفشل في إدارة الانسولين بشكل كافي من الممكن ان يدخل المريض في حالة الحماض الكيتوني فرط سكر الدم . تحت هذه الظروف انخفاض أو انعدام مستويات الانسولين في الدم، مع تراكيز الغلوكاغون المرتفعة بشكل غير مناسب [14] ، يحث الكبد على إنتاج الجالكوز بمعدل مرتفع بشكل غير مناسب، مما يسبب استايل كواي (الناتج من الاحماض الدهنية في دورة الاحماض الدهنية) ان يتحول إلى اجسام كيتونية . المستويات الناتجة المرتفعة جدا من الاجسام الكيتونية تعمل على تخفيض درجة الاس الهايدروجيني الخاص ب بلازما الدم والذي يحفز بشكل غريزي ان تقوم الكلى بافراز بول شديد الحموضة . المعدلات المرتفعة من الجالكوز والاجسام الكيتونية في الدم أيضا تتسرب بشكل سلبي إلى البول (قابلية الانابيب الكلوية في إعادة امتصاص الجالكوز والاجسام الكيتونية من السائل الانبوبي، يطغى عليها لهذه القابلية من قبل الحجوم الكبيرة من هذه المواد التي يتم تصفيتها إلى السائل الانبوبي) ادرار البول التناضحي للجالكوز الناتج يسبب ازالة الماء والشوارد الكهربائية من الدم مما يسبب احتمالية حصول جفاف مسبب للوفاة . الافراد الذين يكونون تحت حميات التقييد من الكاربوهيدرات سينتج لديهم أيضا فرط كيتون الجسم . وهذا فرط كيتون الجسم المحثوث في بعض الاحيان يسمى ب فرط كيتون الجسم الغذائي، ولكن مستور تراكيز الاجسام الكيتونية تكون بين 0.5-5 ملي مول بينما الحماض السكري الكيتوني يكون بين 15-25 ملي مول . الآن يتم فحص فعالية فرط كيتون الجسم في تخفيف اعراض مرض الزهايمر .
التأثير على درجة الأس الهايدروجيني (ph)
كلا من حامض الاسيتواستيت وحامض البيتاهيدروكسيبيوترايت حامضية، في حالة ارتفاع مستويات هذان الاثنان من الاجسام الكيتونية بشكل كبير سيؤدي إلى انخفاض درجة الاس الهايدروجيني الخاصة بالجسم وسيؤدي إلى حالة الحماض الكيتوني، ومضاعفات ل مرض السكري النمط الأول والغير معالج وفي بعض الاحيان بؤدي إلى المرحلة النهائية من السكري النمط الثاني
انظر ايضا
السكري . الحماض الكيتوني السكري . فرط كيتون الجسم . دورة تخليق السكر . دورة حمض الستريك .
مصادر
- Stryer, Lubert (1995). Biochemistry (الطبعة Fourth). New York: W.H. Freeman and Company. صفحات 510–515, 581–613, 775–778. .
- Koeslag, J.H.; Noakes, T.D.; Sloan, A.W. (1980). "Post-exercise ketosis". Journal of Physiology. 301: 79–90.
- Mary K. Campbell; Shawn O. Farrell (2006). Biochemistry (الطبعة 5th). Cengage Learning. صفحة 579. .
- Lori Laffel (1999). "Ketone bodies: a review of physiology, pathophysiology and application of monitoring to diabetes". Diabetes/Metabolism Research and Reviews. 15 (6): 412–426. doi:10.1002/(SICI)1520-7560(199911/12)15:6<412::AID-DMRR72>3.0.CO;2-8. PMID 10634967.
- Oxidation of fatty acids - تصفح: نسخة محفوظة 09 أغسطس 2017 على موقع واي باك مشين.
- Ketone body metabolism, University of Waterloo نسخة محفوظة 22 سبتمبر 2016 على موقع واي باك مشين.
- American Diabetes Association-Ketoacidosis - تصفح: نسخة محفوظة 22 ديسمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
- Integrated Risk Information System | US EPA - تصفح: نسخة محفوظة 24 سبتمبر 2015 على موقع واي باك مشين.
- Kodde IF, van der Stok J, Smolenski RT, de Jong JW (January 2007). "Metabolic and genetic regulation of cardiac energy substrate preference". Comp. Biochem. Physiol., Part a Mol. Integr. Physiol. 146 (1): 26–39. doi:10.1016/j.cbpa.2006.09.014. PMID 17081788.
- Clarke, DD; Sokoloff, L (1999). Siegel, GJ; Agranoff, BW; Albers, RW (المحررون). Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular and Medical Aspects (الطبعة 6th). Philadelphia: Lippincott-Raven. مؤرشف من الأصل في 23 مارس 2019.
- Hasselbalch, SG; Knudsen, GM; Jakobsen, J; Hageman, LP; Holm, S; Paulson, OB (1994). "Brain metabolism during short-term starvation in humans". Journal of cerebral blood flow and metabolism. 14 (1): 125–31. doi:10.1038/jcbfm.1994.17. PMID 8263048.
- Cahill GF. Fuel metabolism in starvation. Annu Rev Nutr 2006;26:1–22
- Freemantle, E.; Vandal, M. N.; Tremblay-Mercier, J.; Tremblay, S. B.; Blachère, J. C.; Bégin, M. E.; Thomas Brenna, J.; Windust, A.; Cunnane, S. C. (2006). "Omega-3 fatty acids, energy substrates, and brain function during aging". Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids. 75 (3): 213–20. doi:10.1016/j.plefa.2006.05.011. PMID 16829066.
- Koeslag, J.H.; Saunders, P.T.; Terblanche, E. (2003). "Topical Review: A reappraisal of blood glucose homeostat which comprehensively explains the type 2 diabetes mellitus/syndrome X complex". Journal of Physiology. 549: 333–346. doi:10.1113/jphysiol.2002.037895.