การออกซิเดชันของกรดไขมันและการเผาผลาญคีโตนบอดี

การออกซิเดชันของกรดไขมันและการเผาผลาญคีโตนบอดีเป็นวิถีที่ช่วยให้ร่างกายใช้ไขมันเป็นพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงอดอาหารและการออกกำลังกายเป็นเวลานาน กรดไขมันจะถูกสลายด้วยเบต้า-ออกซิเดชัน (beta-oxidation) ไปเป็นอะซิทิล-โคเอ (acetyl-CoA) และในตับ อะซิทิล-โคเอส่วนเกินจะถูกเปลี่ยนเป็นคีโตนบอดี (ketone bodies) ซึ่งให้พลังงานแก่สมองและเนื้อเยื่ออื่นๆ เมื่อกลูโคสขาดแคลน

Definition

การออกซิเดชันของกรดไขมันคือวิถีไมโทคอนเดรีย (เบต้า-ออกซิเดชัน) ที่ย่อยสลายกรดไขมันเป็นอะซิทิล-โคเอเพื่อสร้างพลังงาน และการเผาผลาญคีโตนบอดีคือกระบวนการที่เชื่อมโยงกันซึ่งตับเปลี่ยนอะซิทิล-โคเอเป็นคีโตนบอดี (อะซีโตอะซีเตต, เบต้า-ไฮดรอกซีบิวทิเรต และอะซิโตน) ซึ่งทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงทางเลือกสำหรับเนื้อเยื่อภายนอกตับในระหว่างการอดอาหาร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการระดมและการออกซิเดชันของกรดไขมันในไมโทคอนเดรีย (การขนส่งคาร์นิทีนและเบต้า-ออกซิเดชัน), การสร้างคีโตนในตับ, การใช้คีโตนบอดีเป็นพลังงานและโมเลกุลส่งสัญญาณ, และการเปลี่ยนแปลงทางเมตาบอลิซึมของการอดอาหารและการอดอยาก เป็นหัวข้ออ้างอิงทางสรีรวิทยาและชีวเคมี ไม่ใช่แนวทางสำหรับอาหารคีโตเจนิกหรือการจัดการภาวะฉุกเฉินทางเมตาบอลิซึม

Core questions

• กรดไขมันถูกขนส่งเข้าสู่ไมโทคอนเดรียและถูกสลายโดยเบต้า-ออกซิเดชันได้อย่างไร?
• คีโตนบอดีถูกสังเคราะห์ขึ้นที่ไหนและอย่างไร?
• เนื้อเยื่อต่างๆ เช่น สมอง ใช้คีโตนบอดีเป็นพลังงานได้อย่างไร?
• การเผาผลาญเชื้อเพลิงเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในระหว่างการอดอาหารและการอดอยาก?

Key concepts

• เบต้า-ออกซิเดชัน
• การขนส่งคาร์นิทีน (CPT-I/CPT-II)
• อะซิทิล-โคเอ
• การสร้างคีโตน (วิถี HMG-CoA)
• เบต้า-ไฮดรอกซีบิวทิเรตและอะซีโตอะซีเตต
• การปรับตัวต่อการอดอาหารและการอดอยาก

Key theories

คีโตนบอดีในฐานะเชื้อเพลิงและสัญญาณ

Robinson และ Williamson ได้ยืนยันว่าคีโตนบอดีไม่ได้เป็นเพียงผลพลอยได้ แต่เป็นเชื้อเพลิงออกซิเดชันที่สำคัญเชิงปริมาณและสัญญาณเมตาบอลิซึมสำหรับสมอง หัวใจ และกล้ามเนื้อในระหว่างการอดอาหาร

การปรับตัวต่อการอดอยาก

การศึกษาการอดอาหารในมนุษย์ของ Cahill แสดงให้เห็นว่าร่างกายเปลี่ยนจากการเผาผลาญกลูโคสไปสู่การเผาผลาญกรดไขมันและคีโตนบอดีอย่างต่อเนื่องได้อย่างไร โดยสงวนโปรตีนไว้โดยการจัดหาคีโตนให้สมอง

Mechanisms

เมื่อต้องการพลังงาน กรดไขมันจะถูกปล่อยออกจากเนื้อเยื่อไขมัน ถูกกระตุ้นเป็นเอซิล-โคเอ (acyl-CoA) และถูกนำเข้าสู่ไมโทคอนเดรียโดยการขนส่งคาร์นิทีน (carnitine shuttle) (คาร์นิทีน ปาล์มิโทอิลทรานสเฟอเรส I และ II) ภายในไมโทคอนเดรีย เบต้า-ออกซิเดชันจะกำจัดหน่วยคาร์บอนสองอะตอมออกไปเพื่อสร้างอะซิทิล-โคเอ, NADH และ FADH2 ในตับ เมื่ออะซิทิล-โคเอเกินขีดความสามารถของวัฏจักรกรดซิตริก (citric-acid cycle) มันจะถูกเปลี่ยนเส้นทางผ่านวิถี HMG-CoA เพื่อผลิตคีโตนบอดีอะซีโตอะซีเตตและเบต้า-ไฮดรอกซีบิวทิเรต ซึ่งจะถูกส่งออกไปยังเนื้อเยื่อภายนอกตับและถูกเปลี่ยนกลับเป็นอะซิทิล-โคเอเพื่อการออกซิเดชัน ดังที่ Cahill แสดงให้เห็น การเปลี่ยนแปลงนี้จะเด่นชัดขึ้นในการอดอาหารเป็นเวลานาน ทำให้สมองสามารถใช้คีโตนและสงวนโปรตีนในร่างกายได้

Clinical relevance

วิถีเหล่านี้เป็นพื้นฐานของการตอบสนองของร่างกายต่อการอดอาหารและการออกกำลังกาย และเป็นพื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจความผิดปกติของการออกซิเดชันของกรดไขมันที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมและภาวะคีโตซิส (ketosis) เนื้อหานี้เป็นเชิงพรรณนาและให้ความรู้ ไม่ใช่แนวทางสำหรับการวินิจฉัยหรือจัดการความผิดปกติทางเมตาบอลิซึม หรือสำหรับการกำหนดแผนการรับประทานอาหาร

History

การออกซิเดชันของกรดไขมันถูกอธิบายครั้งแรกโดย Franz Knoop ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 และเบต้า-ออกซิเดชันได้รับการอธิบายทางชีวเคมีในทศวรรษต่อมา การศึกษาการอดอาหารของ Cahill ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ได้ชี้แจงสรีรวิทยาของการเปลี่ยนเชื้อเพลิง และบทวิจารณ์ของ Robinson และ Williamson ในปี 1980 ได้รวมบทบาทของคีโตนบอดีในฐานะเชื้อเพลิงเมตาบอลิซึมที่แท้จริง ซึ่งเป็นมุมมองที่ขยายออกไปโดยงานวิจัยในภายหลังเกี่ยวกับบทบาทการส่งสัญญาณของพวกมัน

Key figures

• George Cahill
• Dermot Williamson
• Patrycja Puchalska
• Peter Crawford

Seminal works

• robinson-williamson-1980
• cahill-2006

Frequently asked questions

ทำไมร่างกายจึงสร้างคีโตนบอดี?

ในระหว่างการอดอาหารหรือการบริโภคคาร์โบไฮเดรตต่ำ ตับจะเปลี่ยนอะซิทิล-โคเอส่วนเกินจากการออกซิเดชันของกรดไขมันให้เป็นคีโตนบอดี ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่สมองและเนื้อเยื่ออื่นๆ สามารถใช้ได้เมื่อกลูโคสมีจำกัด

การขนส่งคาร์นิทีนคืออะไร?

เป็นระบบขนส่งที่ใช้คาร์นิทีน ปาล์มิโทอิลทรานสเฟอเรส I และ II ซึ่งเคลื่อนย้ายกรดไขมันสายยาวข้ามเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นในเพื่อให้สามารถเกิดเบต้า-ออกซิเดชันได้