酮体代谢及酮体的多种生理功能
脂解产生的乙酰辅酶A除了进入三羧酸循环氧化之外，还可以在肝脏中合成酮体（ketone body）。酮体指乙酰乙酸、β-羟基丁酸和丙酮这三种物质。
酮体主要是在缺乏葡萄糖时作为肝外组织的能源物质。心脏和肾上腺皮质主要以酮体作燃料，骨骼肌也可利用酮体，脑在平时利用葡萄糖，但在饥饿时会将酮体作为主要燃料，将珍贵的葡萄糖留给红细胞。在某些病理条件下（如糖尿病等），也会生成大量酮体。
酮体的合成首先是两个乙酰辅酶A缩合生成乙酰乙酰辅酶A。这个反应可以看作β-氧化最后一步的逆转，但所用的酶是另外一个酶，线粒体乙酰乙酰辅酶A硫解酶（mThiolase），或称乙酰辅酶A乙酰转移酶（acetyl-CoA acetyltransferase），由ACAT1基因编码。这样有利于两个过程的分别调控。
酮体的合成
乙酰乙酰辅酶A再与第三个乙酰辅酶A缩合，就生成β-羟基-β-甲基戊二酰辅酶A（HMG-CoA）。催化的酶是HMG辅酶A合酶，它是酮体合成的限速酶，由HMGCS2基因编码。这两步反应与胆固醇合成的起始反应相同，但后者在细胞质中进行，所以负责催化的是胞浆同工酶（ACAT2和HMGCS1）。
HMG-CoA裂解酶（HMGCL）将其裂解，生成乙酰-CoA和乙酰乙酸（AcAc或AA）。另外，HMGCL还参与亮氨酸的碳架氧化。
D-β-羟丁酸脱氢酶（BDH1）催化乙酰乙酸的还原，生成β羟丁酸（BHB或βOHB），反应可逆，不催化L-型底物。乙酰乙酸可以自发或由乙酰乙酸脱羧酶催化脱羧，生成丙酮。
酮体可通过自由扩散或由单羧酸转运蛋白1（MCT1）或MCT2转运出线粒体，二者分别由SLC16A1和SLC16A7基因编码。
BHB比AA更稳定，所以是血液中最主要的酮体。人体BHB的基础血清水平在μM范围，但禁食12-16小时后会上升到几百μM，禁食2天后达到1-2 mM，长期饥饿可达到6-8 mM（Trends Endocrinol Metab. 2014）。
酮体被肝外组织吸收后，有两条代谢途径。一条是进入线粒体氧化分解，称为氧化代谢命运，这是其主要代谢方式；另一条是在细胞质中参加脂合成，称为非氧化代谢命运。
BHB可由BDH1重新氧化生成乙酰乙酸，然后生成乙酰乙酰辅酶A，再通过β-氧化和三羧酸循环提供能量。生成乙酰乙酰辅酶A是酮体利用的限速步骤，线粒体中所用的酶是3-酮脂酰辅酶A转移酶1（OXCT1），也称为琥珀酰辅酶A：酮脂酰辅酶A转移酶（SCOT）。
酮体的氧化代谢
这是一个辅酶A的交换反应，好处在于不需要消耗ATP，由三羧酸循环提供琥珀酰辅酶A。但其平衡有利于逆反应，需要靠酮体的不断消耗来推动。SCOT在肝脏以外的所有线粒体中均有表达，这也是肝脏能不断输出酮体的原因。
细胞质中的反应由乙酰乙酰辅酶A合酶催化，然后乙酰乙酰辅酶A可被胞质HMGCS1催化进入胆固醇合成，或被ACAT2催化进入脂肪酸合成。
丙酮代谢比较复杂，先被单加氧酶催化羟化，然后可生成丙酮酸或乳酸、甲酸、乙酸等。大部分丙酮异生成糖，这是脂肪酸转化为糖的一个可能途径，但平时流量极低，只有在酮症状态下才有意义。
酮体的主要生理意义是作为禁食能源。这在进化上是很保守的，许多细菌合成βOHB的聚合物来存储能量。这种反应可用于生产生物降解塑料，如聚羟基丁酸（PHB）及其改进产品PHBHV。它们可降解、无毒，由可再生资源通过微生物发酵生产。已有多种此类商品上市，用于食品、药品等领域。例如有人用PHBHV制成生物相容性纳米载体，用于靶向大肠癌的5-FU递送（Drug Deliv. 2019）。
PHBHV纳米载体颗粒SEM显微照片，引自Drug Deliv. 2019
酮体代谢与糖脂代谢密切相关。它与细胞质和线粒体中的代谢途径是整合在一起的。当肝脏中有足够的磷酸二羟丙酮时，就会有充足的磷酸甘油，大多数脂肪酸会用来合成甘油三酯。当脂肪酸进入线粒体后，如果对ATP的需求不高，就会用来合成酮体。
酮体代谢与细胞质代谢途径的整合，引自Cell Metab. 2017
酮体合成的关键酶HMGCS2主要受FOXA2、PPARα和FGF21的转录调节，以及琥珀酰化和乙酰化/ SIRT3脱乙酰化的翻译后调控。酮体降解的关键酶OXCT1则主要受琥珀酰辅酶A调控。
酮体代谢调控，引自Trends Endocrinol Metab. 2014
很多代谢物都有信号传导作用，酮体也不例外。BHB作为最主要的循环酮体，当仁不让地成为了一个信号分子，为酮体代言。BHB至少有两种G蛋白偶联受体（GPCR），包括HCAR2（GPR109A）和FFAR3（GPR41），可以减少脂肪分解，减少交感神经紧张，降低代谢率。这与禁食状态相一致。
β-羟丁酸介导的信号转导，引自Trends Endocrinol Metab. 2014
BHB具有表观遗传调控作用。它可抑制组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）活性，促进一些抗氧化基因的表达，从而降低细胞氧化应激水平。在长期禁食条件下，BHB还可以使组蛋白中赖氨酸残基β-羟基丁酰化。这是表观遗传调控的一种新形式，可以改变多种基因表达，例如转录共激活因子PGC-1β，从而调控IRS2和CPT1A等。
此外，酮体还与炎症、肿瘤、神经保护以及寿命调控等多种事件相关。
β-羟丁酸与热量限制导致的长寿，引自IUBMB Life. 2017
参考文献：
John C Newman, et al. Ketone bodies as signaling metabolites. Trends Endocrinol Metab. 2014 Jan;25(1):42-52.
Ionut Cristian Radu, et al. Poly(3-hydroxybutyrate-CO-3-hydroxyvalerate) PHBHV biocompatible nanocarriers for 5-FU delivery targeting colorectal cancer. Drug Deliv. 2019 Dec;26(1):318-327.
Patrycja Puchalska, et al. Multi-dimensional Roles of Ketone Bodies in Fuel Metabolism, Signaling, and Therapeutics. Cell Metab. 2017 Feb 7;25(2):262-284.
Richard L Veech, et al. Ketone bodies mimic the life span extending properties of caloric restriction. IUBMB Life. 2017 May;69(5):305-314.
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