Ketogeneze, produkce acetoacetátu a β-hydroxybutyrátu z oxidace mastných kyselin s dlouhým řetězcem, probíhá pouze v játrech. Pokud je produkce glukózy nedostatečná, tělo přechází na hospodaření založené na lipidech. Mozek však nemůže oxidovat mastné kyseliny za účelem získání energie, takže produkce ketonů je ochranná (1, 2).

Je zcela pozoruhodné, kolik významných vědců začalo studovat ketogenezi již před desítkami let, mezi nimi i nositelé Nobelovy ceny profesoři H. A. Krebs a Feodor Lynen. Na počátku byl rozšířený názor, že nedostatek oxaloacetátu v cyklu trikarboxylových kyselin přesouvá acetyl-CoA získaný oxidací mastných kyselin na acetoacetát, jak je popsáno ve vynikající přednášce o této historii publikované profesorem Krebsem v roce 1966 (3). Acetoacetát je skutečně preferovaným metabolickým substrátem v savčích buňkách, který je vybírán před glukózou, mastnými kyselinami a jinými substráty (1, 2). Oxidace acetoacetátu však vyžaduje enzym sukcinyl-CoA:3-ketoacid-CoA transferázu, který v játrech není přítomen; játra tedy nemohou ketony oxidovat, pouze je uvolňovat.

Odeznívající zájem o oxaloacetátovou teorii vedl k další myšlence, že produkce ketolátek játry závisí na koncentraci mastných kyselin s dlouhým řetězcem v krvi dodávané do jater. S využitím izolovaných perfundovaných jater potkana jsme však prokázali, že oleát se významně přeměňuje na ketony až šest hodin po zahájení hladovění. To ukázalo, že v játrech existuje signál zapnutí/vypnutí pro zahájení a ukončení ketogeneze (4).

Můj kolega Denis McGarry a já jsme brzy věděli, že syntéza a oxidace mastných kyselin jsou vzájemné, ale nebylo jasné, jak je tento vztah regulován. Zpočátku jsme si mysleli, že regulace je na straně lipogenů, ale když jsme akutně zablokovali oxidaci mastných kyselin, došlo k okamžitému obnovení syntézy mastných kyselin a triglyceridů, což naznačovalo, že tento proces musí regulovat inhibitor oxidace mastných kyselin. Stáli jsme před dvěma úkoly: identifikovat bod inhibice a určit, co jej řídí. Abychom to prozkoumali, porovnali jsme dále ketogenezi z kyseliny oktanové a olejové. Věděli jsme, že oktanoát může volně pronikat do mitochondrie, a zjistili jsme, že ketogeneze z něj byla stejná jak ve stavu krmení, tak nalačno. Oxidace oktanoátu je tedy měřítkem kapacity β-oxidačního systému. Naproti tomu oleát musí být transesterifikován z oleyl-CoA na oleylkarnitin enzymem karnitin palmitoyltransferázou 1 (CPT1), aby se dostal do mitochondrie. Rychlost oxidace oleátů se mezi stavem najedení a stavem nalačno zvýšila šestkrát. Došli jsme tedy k závěru, že regulace probíhá na úrovni CPT1 (4).

Jaký byl inhibitor? Věděli jsme, že dochází k poklesu glykogenu, který doprovází zvýšení ketogeneze. Testovali jsme desítky molekul na CPT1 a žádná z nich nezměnila jeho aktivitu. Jednoho rána přišel McGarry do laboratoře a řekl: „Musí to být malonyl-CoA. Je to substrát pro syntézu mastných kyselin a musí to být také inhibitor.“ „A co je to? Skutečně se nám to podařilo přímo otestovat a data potvrdila jeho pronikavou hypotézu (5, 6).

Věděli jsme, že glukagon je primárním signálem pro jaterní ketogenezi (7). Po zahájení závisí rychlost produkce ketolátek na hladině mastných kyselin s dlouhým řetězcem, které se dostanou do jater. Signalizace glukagonu spouští fosforylaci a aktivaci AMPK. AMPK následně fosforyluje dvě acetyl-CoA karboxylázy, čímž blokuje syntézu malonyl-CoA. Současně zvyšuje destrukci malonyl-CoA aktivací malonyl-CoA dekarboxylázy (obrázek (Obrázek1).1). Pokles malonyl-CoA zastavuje syntézu mastných kyselin a aktivuje CPT1 a ketogenezi (8). Ukázali jsme také, že systém malonyl-CoA funguje v kosterním a srdečním svalu, ačkoli tyto tkáně netvoří ketony (9).

Zajímavé je, že jsme následně zjistili, že interakce malonyl-CoA a karnitinu s CPT1 se liší v játrech a ve svalu. Inhibice CPT1 v játrech vyžaduje desetkrát vyšší koncentraci malonyl-CoA než inhibice CPT1 ve svalu a srdci. Naopak Km pro karnitin je v játrech mnohem nižší než ve svalu. Tyto rozdíly se staly důležitými, když jsme klonovali a sekvenovali jaterní a svalové enzymy.

Snížení koncentrace malonyl-CoA je život zachraňující během nočního půstu, a co je důležitější, během dlouhodobého hladovění nebo hladovění (1, 2). Může však být také smrtelný u nekontrolovaného diabetu 1. typu, kde výrazně zvýšená koncentrace mastných kyselin s dlouhým řetězcem posouvá chemický stav od mírné ketózy k plné ketoacidóze, pokud se neléčí (10).

Závažnější problém než přechodné snížení malonyl-CoA nastává u jedinců, kteří mají genetické nedostatky v enzymech, které řídí hladinu karnitinu a oxidaci tuků. Systémový nedostatek karnitinu způsobený mutací v karnitinovém transportéru OCTN2 byl první identifikovanou příčinou syndromu hypoketotické hypoglykémie, který může vést k náhlému úmrtí kojenců (11). Nedostatek karnitinu způsobuje také selhání jater, vysokou hladinu amoniaku, edém mozku, srdeční arytmie, kardiomyopatii a svalovou slabost s rabdomyolýzou.

Při zpětném pohledu má objev regulačního systému malonyl-CoA dopad daleko přesahující problematiku ketogeneze. Tento systém je aktivní v hypotalamu, kde přispívá k regulaci příjmu potravy, v srdci, kde oxidace mastných kyselin ovlivňuje výsledek infarktu myokardu, a v játrech, kde může být nealkoholická steatóza snížena zvýšenou oxidací mastných kyselin, a má význam při obezitě, kde zvýšená funkce mitochondrií může způsobit úbytek hmotnosti.

Poznal jsem profesora Krebse, když několik let vyučoval na UT Southwestern v kurzu biochemie pro studenty prvního ročníku. Bylo pozoruhodné a dojemné, že on, objevitel cyklu kyseliny citronové, nám blahopřál k vyřešení ketogeneze.