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Las cetonas se detectan con mayor frecuencia cuando la hidrólisis acelerada de los triglicéridos del tejido adiposo y el aumento de la permeabilidad de los ácidos grasos hepáticos a través de la membrana mitocondrial interna (producidos por una disminución de la insulina circulante y un aumento del glucagón) provocan un aumento de la descomposición del glucógeno, la gluconeogénesis, la lipólisis, la oxidación de los ácidos grasos y la cetogénesis. En los individuos normales, los niveles plasmáticos de cetonas son autolimitados, ya que a concentraciones de 2 a 4 mM y superiores, se estimula la liberación de insulina, evitando así la cetoacidosis mediante una limitación de la lipólisis por parte de la insulina y la disponibilidad de ácidos grasos libres para la oxidación hepática. En el diabético insulinodependiente, las concentraciones de ácidos grasos libres siguen aumentando de forma incontrolada hasta que se produce la cetoacidosis. Además del ayuno, la inanición prolongada y la diabetes no controlada, la cetonuria puede observarse en otras condiciones fisiológicas. El alcoholismo agudo y el ejercicio intenso y prolongado pueden provocar cetonuria. Los cuerpos cetónicos también pueden detectarse en la orina durante el tercer trimestre del embarazo, el parto, el período posparto inmediato y, ocasionalmente, durante la lactancia. La cetogénesis también puede aumentar en el neonato, dando lugar a una cetonuria significativa. Todas estas condiciones clínicas se caracterizan por una disminución temporal de la disponibilidad de la glucosa, un aumento de la utilización de la glucosa y niveles elevados de hormonas contrarreguladoras o asociadas al estrés, como el cortisol y la epinefrina.

Para reducir la pérdida urinaria de estos importantes combustibles metabólicos, que aportan una cantidad significativa de las necesidades calóricas durante el ayuno, el riñón es capaz de reabsorber una parte de la mayor carga filtrada de cetoácidos. Se ha encontrado una correlación lineal entre la excreción urinaria de acetoacetato y la concentración plasmática, una vez superado el umbral renal. La mayoría de los informes han descrito una relación lineal similar para la excreción de hidroxibutirato a medida que aumenta la carga filtrada. En niveles plasmáticos elevados de cuerpos cetónicos, las excreciones fraccionales medias son de 0,15 a 0,19 para el acetoacetato y el hidroxibutirato, respectivamente. Por lo tanto, los cuerpos cetónicos parecen ser completamente reabsorbidos por los túbulos renales a bajas concentraciones plasmáticas, pero a medida que aumentan los niveles plasmáticos y la carga filtrada de cuerpos cetónicos, aparece una cetonuria significativa. La tasa de reabsorción neta sigue siendo directamente proporcional a la carga filtrada de cuerpos cetónicos, de modo que, a pesar de los grandes aumentos de las concentraciones plasmáticas, las tasas de excreción de aproximadamente el 20% de la carga filtrada permanecen inalteradas. Las pruebas más recientes apoyarían la conclusión de que no existe un máximo tubular para los cuerpos cetónicos o que éste supera las altas cargas filtradas observadas durante los estudios sobre la inanición. Dado que las tasas de excreción se mantienen relativamente inalteradas, las tasas de reabsorción deben por tanto aumentar. Se desconocen los mecanismos que aumentan esta tasa de reabsorción, pero se ha demostrado que las tasas de reabsorción no se ven alteradas por la reducción del volumen extravascular y el equilibrio de sodio que acompañan a la inanición y a la diabetes descompensada.

Los estudios realizados en la rata han demostrado una disminución inicial de la reabsorción fraccional de las concentraciones de hidroxibutirato, pero no se produjo ningún otro descenso a medida que la concentración de hidroxibutirato se elevaba a niveles más altos. Estos datos pueden sugerir la existencia de sistemas de transporte renal saturables y no saturables para el hidroxibutirato. La tasa de transporte máxima del componente saturable se alcanza a una concentración arterial de aproximadamente 1,7 mM. Aunque la utilización renal del hidroxibutirato aumenta con el incremento de los niveles arteriales de este cetoácido, no afecta a la tasa de reabsorción neta. Las tasas de reabsorción de hidroxibutirato siempre superan la utilización. Al igual que en los humanos, la tasa de excreción de acetoacetato en la rata es directamente proporcional a su tasa de filtración. No se observó una tasa máxima, lo que indica que en el riñón existe un mecanismo no saturable para la reabsorción de acetoacetato. La reabsorción de acetoacetato disminuye al aumentar los niveles de hidroxibutirato, lo que indica un mecanismo de transporte tubular común y competitivo. El acetoacetato no fue liberado por el riñón a la sangre con el aumento de la utilización de hidroxibutirato, pero hubo una utilización neta simultánea de acetoacetato por el riñón. Esto tendía a aumentar con el incremento de las concentraciones arteriales de acetoacetato. Hubo evidencia de que con niveles más bajos de reabsorción de acetoacetato, las tasas más altas de utilización fueron sostenidas por la captación celular de la sangre peritubular. Por último, se sabe que las vesículas de membrana aisladas del borde en cepillo del riñón de rata contienen un sistema portador dependiente del gradiente de sodio que transporta cuerpos cetónicos a un espacio osmóticamente reactivo. El transportador demuestra una inhibición recíproca entre el acetoacetato y el hidroxibutirato, una difusión de intercambio acelerada, saturación e inhibición competitiva, y una falta de sensibilidad a la ouabaína.

La utilización renal de ambos cetoácidos representa aproximadamente el 50% del recambio de cuerpos cetónicos infundidos. Por lo tanto, el metabolismo oxidativo representa una fracción importante del aclaramiento renal medido de cuerpos cetónicos de la sangre. En caso de inanición prolongada, se ha calculado que la reabsorción renal de cuerpos cetónicos ahorra aproximadamente 225 K cal/día, que de otro modo se perderían en la orina. Hasta el 60% es consumido por el riñón, y el resto es liberado para su utilización por el sistema nervioso central durante la privación de glucosa. La capacidad del riñón para reabsorber los cuerpos cetónicos también preserva los iones de sodio, potasio y amonio, ya que se requiere la electroneutralidad urinaria para la excreción equimolar de cationes durante la pérdida de estos aniones. Durante los primeros días de ayuno o en el transcurso de la cetoacidosis diabética, el sodio y el potasio se pierden con la excreción de cuerpos cetónicos. Si la inanición continúa, el catión obligado que acompaña a los cuerpos cetónicos se convierte en el ion amonio. Por lo tanto, la reabsorción de cuerpos cetónicos no sólo ahorra calorías, sino también nitrógeno amoniacal, conservando al menos 7g de nitrógeno al día.