케톤체, 인체 에너지 공급원이자, 장쇄 지방산 전구체 역할
에너지가 부족해 위험한 순간 더 많은 에너지 소비 도와

1. 케톤체(ketone bodies)
1) 종류 (3개의 수용성 분자; 혈액과 소변에 잘 녹음)
• 아세토아세트산(acetoacetate)
• β-하이드록시부티르산(β-hydroxybutyrate)
• 아세톤(acetone,β-하이드록시부티르산이 자연적으로 분해되어 생산되는 것)

2) 생성
(1)지방산(fatty acid)의 분해로 간에서 생성

(2) 생성되는 시기
• 탄수화물이 적을 때: 음식섭취가 적은 경우(단식 등), 탄수화물 제한 식이, 기아
• 에너지가 많이 필요할 때: 장기간 강렬한 운동
• 기타: 알코올 중독, 관리되지 못한 1형 당뇨병

3) 사용
케톤체는 간, 적혈구를 제외한 조직에 쉽게 흡수 되어 acetyl-CoA로 변환되어 TCA cycle에 들어가며 미토콘드리아에서 산화되어 에너지를 얻는다. 심장근육은 지방을 주 에너지로 사용하는데 케톤체가 증가하는 상황에서는 케톤체를 효과적으로 에너지로 전환시킨다.

지방산(fatty acid)은 뇌혈관장벽(brain blood barrier)을 통과할 수 없지만, 케톤체는 쉽게 뇌혈관장벽을 통과한다. 포도당을 제외하고 대체에너지가 없는 뇌에서 케톤체는 매우 중요한 에너지 공급원이자, 장쇄 지방산(long-chain fatty acids)을 만드는데 중요한 전구체의 역할을 한다.

혈당이 낮은 상태로 3일이 지나면 뇌는 케톤체로부터 25%의 에너지를 얻고, 4일후에는 70%까지 올라간다(초기 혈당이 낮은 단계에 뇌는 케톤체를 지방으로 합성하므로).

간은 케톤체를 에너지로 전환 시 필요한 β-ketoacyl-CoA transferase(또는 thiophorase)가 존재하지 않아 에너지로 사용할 수 없고, 적혈구는 미토콘드리아가 없어서 에너지로 전환이 안된다. 아세톤은 acetoacetate의 decarboxylation된 형태로 acetyl-CoA로 전환이 될 수 없다.

아세톤은 간에서 detoxification을 거쳐서 젖산(lactic acid)으로 전환되고, pyruvic acid로 전환이 되어 acetyl-CoA로 산화 될 수 있다.  

4) ketogenesis와 gluconeogenesis
위에 열거된 상황에서 ketogenesis에 의해 케톤체가 생성되는 것은 포도당신생반응(gluconeogenesis)의 결과로서 나타난다. 간에서 포도당을 혈액으로 방출될 때 케톤체도 같이 혈액으로 방출된다.

2. TCA cycle과 전자전달계
생명이 숨을 쉬고, 음식을 먹는 이유는 ATP를 만들기 위해서다. ATP는 생명체에서 주된 에너지원이고, ATP를 이용해서 물질의 능동수송, 신진대사, 합성, 물리적 운동 등에 사용된다. ATP 생성은 물질마다 그 대사경로가 조금씩 다르다.
1) 포도당

2)지방

3) 아미노산
아미노산도 transamination(아미노기전이반응)을 거치면서 에너지 생성에 사용이 되지만 포도당이나 지방과 다른 이유로 에너지 대사에 참여를 한다.

[그림 2]는 전자전달계를 중심으로 에너지 생성을 본 그림이다. 해당반응, β-oxidation 및 TCA cycle에서 생성된 NADH와 FADH2는 전자전달계 효소 complexⅠ, Ⅱ에 전달이 되고, 산화환원 반응을 거치면서 ATP를 생성하게 된다. 

TCA cycle은 oxaloacetate에서 시작해서 oxaloacetate로 끝난다. oxaloacetate는 acetyl-CoA와 결합을 하여 citrate를 만들고, citrate는 많은 효소의 대사를 거치면서 CO2가 분리되고 NADH와 FADH2를 생성하고, 다시 oxaloacetate가 되는 것이다.

전자전달계는 TCA cycle을 통해서 전자(에너지)를 전달 받고, 해당반응과 β-oxidation은 TCA cycle에 탄소골격 acetyl-CoA를 공급한다. 해당반응에서 acetyl-CoA공급은 pyruvate dehydrogenase complex에 의해서 pyruvate가 acetyl-CoA로 전환이 되어서 공급이 된다.

3. gluconeogeneis와 ketogenesis
1)포도당신생반응(gluconeogenesis)

포도당신생반응은 혈중 포도당감소로 인슐린작용이 줄어들거나, 에피네프린과 코티솔의 작용이 증가하면서 인슐린 작용이 억제될 때 시작한다. 인슐린에 의한 동화반응(anabolism)이 감소하고, 에피네프린과 코티 솔의 이화반응(catabolism)이 증가한다.

이화반응의 증가는 인체에 저장된 에너지인 글리코겐분해(glycogenolysis), 지방분해(lipolysis), 단백질분해(proteolysis)가 증가한다. 이와 동시에 신경세포를 제외한 다른 조직에서는 pyruvate가 에너지로 전환(acetyl-CoA)이 되지 않고, 포도당신생반응에 사용이 된다.

근육에서 에피네프린과 코티솔의 반응으로 글리코겐의 분해와 지방산화가 증가한다. 지방산화의 증가는 acetyl-CoA를 증가시키고, 상대적으로 pyruvate는 acetyl-CoA로 전환보다 lactic acid의 전환이 증가하면서 혈액을 통해 간으로 이동한다. 간에서도 에피네프린과 코티솔의 작용으로 글리코겐분해와 지방산화가 증가한다.

간은 글리코겐에서 분해된 포도당과 지방산화 증가(acetyl-CoA의 증가)로 pyruvate 및  포도당 전구체를 포도당으로 전환(포도당신생반응)시켜 혈액으로 포도당을 공급한다.

간(또는 신장)에서 일어나는 포도당신생반응(gluconeogenesis)은 한 가지 반응을 제외하고 해당반응(glycolysis)의 역반응으로 나타난다. 해당반응에서 PEP(phosphoenolpyruvate)는 pyruvate로 전환이 되지만 pyuvate는 바로 PEP로 전환이 되지 못한다.

pyruvate는 oxaloacetate를 거쳐서 PEP로 전환이 가능하다. PEP는 해당반응의 역반응, 포도당신생반응을 통해서 포도당으로 전환이 된다. 이 반응에는 NADH가 존재해야 하고, oxaloacatate가 소비된다.

2) ketogenesis (in liver)

에피네프린과 코티솔의 작용은 지방분해(lipolysis)를 증가시키고, acetyl-CoA가 증가한다. 포도당신생반응으로 oxaloacetate는 감소한다. 지방에서 생성된 acetyl-CoA는 미토콘드리아에서 oxaloacetate와 결합을 하여 citrate로 전환이 되고, TCA cycle을 통해서 에너지로 전환이 된다.

또, oxaloacetate와 결합하지 못한 acetyl-CoA는 thiolase(acetyl-coenzyme A acetyltransferases)에 의해서 acetoacetyl-Co

A로 전환이 되고, 케톤체(ketone body)를 생성하게 된다.

케톤체의 생성은 에너지 공급 외에 CoA(coenzyme A)를 유지시키는데 중요한 역할을 한다. coenzyme A는 β-oxidation에 반드시 필요하고, ketogenesis는 지방산화를 도와주는 역할을 한다.

3) 단백질 분해와 transamination
아미노산의 이화반응(catabolism)은 에너지 생성보다 TCA cycle에 필요한 탄소골격을 공급해주는 역할을 한다.

포도당 전구체로 사용될 수 있는 glucogenic amino acid는 aminotransferase에 의해서 아미노기(NH2)가 제거되어 TCA cycle의 탄소뼈대로 제공된다. 임상적으로 중요한 효소로 alanine aminotransferase(ALT)와 asparate aminotransferase(AST)가 있다.

ALT는 주로 간에 존재하는 효소로 alanine을 pyruvate로 전환시켜 포도당을 생성하는데 중요한 역할을 한다. AST는 간, 심장 근육, 골격근, 신장, 뇌 및 적혈구에서 발견되며, aspartate를 oxaloacetate로 전환시킨다. oxaloacetate는 증가된 에너지 반응에서 acetyl-CoA를 받아 ATP생성을 증가시킨다.

4. 케톤체와 인슐린

인체에 필요한 구조를 만드는 반응을 동화반응(anabolism)이라고 한다면, 인체의 구조를 유지하는 반응은 이화반응(catabolism)이라고 할 수 있다. 생명은 태어나는 순간부터 생을 마감하는 순간까지 에너지가 필요하고, 생명체는 필요한 에너지를 구하는데 모든 힘을 다한다.

하지만 생명이 항상 필요한 순간에 에너지를 섭취할 수 있는 것은 아니다. 또, 위급한 상황에서는 평상시보다 더 많은 에너지를 소비하여 위험한 순간에서 벗어난다.

에너지가 부족할 때 에너지를 사용할 수 있는 것, 위험한 순간에 더 많은 에너지를 소비할 수 있게 하는 것이 바로 이화반응 gluconeogenesis와 ketogenesis이다. 그리고 생명은 저장된 에너지를 사용하는 것이지 無에서 有를 창조하는 것은 아니다. 인슐린의 동화반응은 이화반응에 필요한 에너지를 저장하는 역할을 한다.

인슐린에 의해서 저장된 에너지가 부족하게 되거나, 포도당의 에너지 전환에 필요한 thiamine이 결핍(각기병)되면, 에피네프린과 코티솔의 분비가 증가하면서 gluconeogenesis와 ketogenesis를 증가시킨다. 또, gluconeogenesis에 필요한 biotin이 부족하면 ketogenesis가 증가하게 되고, 비타민B6가 부족하게 되면

transamination에 문제가 발생하면서 TCA cycle의 탄소뼈대가 부족하게 된다. TCA cycle의 탄소뼈대가 부족해지면 에너지 생성에 문제가 나타나고, 근육통, 신경통 증상이 나타난다.

운동을 많이 하거나, 일을 많이 할 때 흔히 입에서 단내가 날 정도로 하였다고 한다. 입에서 단내가 난다는 것은 케톤체가 증가하여서 나타나는 것이고, acetone이 호흡으로 제거가 되면서 느끼는 현상이다.

보통의 경우는 휴식과 약간의 영양섭취가 있으면 증상이 사라진다. 문제는 에너지 저장에 문제가 생기는 1형 당뇨를 가진 사람이나, 오랜 시간 당뇨을 앓고 있는 사람들이다. 이들에게는 저장된 에너지가 다른 사람들에 비해 많이 부족해지고, 그것으로 인해서 에피네프린과 코티솔의 분비가 더 쉽게 더 많이 증가하게 된다.

에피네프린과 코티솔의 분비 증가는 [그림 8]에 나오는 다양한 증상을 겪게 만든다. 이러한 증상을 치료하기 위해서는 단순히 호르몬의 문제가 아니라 인체에 필요한 영양소의 알맞은 섭취가 반드시 필요한 것이다.