Ketogenese

Ketokörper oder auch Ketonkörper ist die Bezeichnung für drei Verbindungen, die vor allem in katabolen Stoffwechsellagen (also Hunger oder Diät) gebildet werden und unter Umständen zu einer Ketose führen. Unter Ketokörpern fasst man Acetoacetat (auch Acetacetat genannt bzw. Acetessigsäure), Aceton und β-Hydroxybutyrat (in d. Abb. unten 3-Hydroxybutyrat benannt) zusammen. Letztere Verbindung ist die bedeutendste der drei.

Die Ketokörper werden in der Leber aus Acetyl-CoA gebildet, welches aus der β-Oxidation stammt. Sie stellen eine transportable Form des Acetyl-CoAs in unserem Körper dar. Zur Verwertung der Ketokörper müssen sich Gehirn und Muskeln aber zunächst umstellen, indem sie Enzyme exprimieren, die zur Rückwandlung von Ketokörpern in Acetyl-CoA benötigt werden. In Hungerzeiten tragen die Ketokörper einen beträchtlichen Anteil zur Energiegewinnung bei. So ist es dem Gehirn nach einiger Zeit möglich, mit 40 Gramm anstatt mit 120 Gramm Glucose pro Tag auszukommen.

Metabolismus der Ketokörper

Ketogenese

Die Synthese der Ketokörper erfolgt aus zwei Molekülen aktivierter Essigsäure, Acetyl-CoA, dem normalen Zwischenprodukt des Fettsäureabbaus. Zunächst wird mithilfe der Acetyl-CoA−Acetyltransferase das Acetoacetyl-CoA gebildet, welches unter Verwendung einer weiteren Acetyl-CoA-Einheit und des Enzyms HMG-CoA-Synthase zum Zwischenprodukt 3-Hydroxy-3-Methyl-Glutaryl-CoA (HMG-CoA) verlängert wird. Schließlich spaltet die HMG-CoA-Lyase das Acetoacetat ab. Diese drei Schritte finden ausschließlich in den Mitochondrien der Leber statt. 3-Hydroxybutyrat entsteht schließlich im Zytosol durch die D-beta-Hydroxybutyrat–Dehydrogenase.

HMG-CoA ist außerdem ein Endprodukt beim Abbau der Aminosäure Leucin und Acetoacetat aus den Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin.

Durch spontane Decarboxylierung entsteht aus Acetoacetat Aceton; es ist gelegentlich im Atem von Diabetikern und Diäthaltenden bzw. auch bei Tieren, die an Ketose erkrankt sind, wahrzunehmen. Es kann vom Körper nicht weiterverwendet werden. Der Anteil von Aceton an den Ketokörpern ist allerdings gering.

Verstoffwechselung

HMG-CoA ist Basis für die Cholesterinsynthese.

Aus D-β-Hydroxybutyrat kann mittels des Enzyms 3-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase Acetoacetat gewonnen werden; die Reaktion ist also leicht umkehrbar. Die 3-Ketosäure–CoA-Transferase überträgt CoA auf Acetoacetat, während gleichzeitig Succinat freigesetzt wird. Letztendlich wird aus Acetoacetyl-CoA und CoA zweimal Acetyl-CoA gewonnen; die Katalyse dieser Reaktion besorgt die Acetyl-CoA−Acetyltransferase, ebenfalls die Umkehrung einer bei der Synthese stattfindenden Reaktion.

Diese Aktivierung der Ketokörper findet in der mitochondrialen Matrix aller Zellen statt, die Ketokörper verarbeiten können, jedoch nicht in der Leber. Schließlich fließt das so gewonnene Acetyl-CoA in den Citratzyklus ein, wo daraus durch Oxidation Energie gewonnen wird.

Ketokörper und Diabetes

Beim Diabetes mellitus Typ-1 (Zuckerkrankheit) findet man oft vermehrt Ketokörper im Urin. Dies beruht auf einer zu hohen Konzentration derselben im Blut. Wie Glukose scheidet die Niere die Ketokörper bei einer erhöhten Blutkonzentration aus.

Der Grund für die vermehrte Produktion der Ketonkörper ist der Mangel an Insulin. Obwohl eigentlich genügend Glukose im Blut vorhanden ist, kann diese durch den Mangel an Insulin nicht in die Zellen eingeschleust werden. Dies hat zur Folge, dass sich paradoxerweise, trotz vielfach erhöhtem Blutzuckerspiegel, in den Zellen ein Glukosemangel einstellt. Dies führt zu einem vermehrten Abbau von Fett (Lipolyse), weil Insulin einerseits den Aufbau von Depotfett stimuliert und andererseits der Körper versucht, den vermeintlichen Glukosemangel durch Fettverbrennung zu kompensieren. Das Fehlen von Insulin stimuliert somit die Lipolyse, wie es bei einer Hungersituation der Fall ist. Ketonkörper werden gebildet, wenn das Abbauprodukt der Fettsäuren, Acetyl-CoA, aufgrund einer zu geringen Oxalacetatkonzentration nicht in den Citratzyklus eintreten kann. Oxalacetat kann in einer anaplerotischen Reaktion aus Pyruvat synthetisiert werden. Pyruvat ist bekanntlich das Endprodukt der Glykolyse. Der im Falle von Diabeles mellitus vorliegende niedrige Glucosespiegel führt zu geringen Mengen an Pyruvat und so zu geringen Mengen an Oxalacetat, was die Bildung von Ketonkörper aus Acetyl-CoA begünstigt. Bei zu vielen Ketokörpern im Blut sinkt dessen pH-Wert und es kommt zu einer Ketoazidose, welche im schlimmsten Fall zu einem ketoazidotischen Koma führt. Deswegen ist auch nur Typ-1 relevant, bei Diabetes mellitus Typ-2 hat der Körper eine Insulinresistenz gebildet. Der Insulinspiegel im Blut ist somit hoch.

Ein typisches Symptom für eine Ketoazidose ist der Geruch von Aceton (Nagellackentferner) in der Atemluft, da die Ketonkörper über diese abgeatmet werden.

Bei anhaltenden Hypoglykämien mit gleichzeitig erniedrigter Ketonkörperzahl im Blut, muss hingegen an das Vorliegen einer Fettsäureoxidationsstörung gedacht werden. Beispiel hierfür ist ein Medium-Chain Acyl-Coenzym A Dehydrogenase Mangel.

Literatur

• Biochemie, Berg/Tymoczko/Stryer, 5. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag GmbH Heidelberg 2003, ISBN 3827413036

Weblinks

• Gopinathrao/reactome.org: Ketone body metabolism doi:10.3180/REACT_1861.2