Ketogenese, produktionen af acetoacetat og β-hydroxybutyrat fra oxidation af langkædede fedtsyrer, sker kun i leveren. Når glukoseproduktionen er utilstrækkelig, skifter kroppen over til en lipidbaseret økonomi. Hjernen kan imidlertid ikke oxidere fedtsyrer til energi, så produktionen af ketoner er beskyttende (1, 2).

Det er ganske bemærkelsesværdigt, hvor mange fremtrædende forskere begyndte at studere ketogenese for årtier siden, blandt andet Nobelpristagerne professor H.A. Krebs og Feodor Lynen. Tidligt var en udbredt opfattelse, at en mangel på oxaloacetat i tricarboxylsyrecyklussen shuntede acetyl-CoA, der stammer fra fedtsyreoxidation, til acetoacetat, som beskrevet i et fremragende foredrag om denne historie, der blev offentliggjort af professor Krebs i 1966 (3). Acetoacetat er faktisk det foretrukne metaboliske substrat i pattedyrceller, der vælges frem for glukose, fedtsyrer og andre substrater (1, 2). Oxidation af acetoacetat kræver imidlertid enzymet succinyl-CoA:3-ketoacid-CoA-transferase, som ikke findes i leveren; leveren kan således ikke oxidere ketoner, men kun frigive dem.

Den faldende interesse for oxaloacetat-teorien førte til den næste tanke, nemlig at leverens ketonproduktion var afhængig af koncentrationen af langkædede fedtsyrer i blodet, som leveres til leveren. Ved hjælp af den isolerede perfunderede rottelever viste vi imidlertid, at oleat ikke blev omdannet væsentligt til ketoner før seks timer efter fastens begyndelse. Dette viste, at der var et on/off-signal i leveren til at igangsætte og afslutte ketogenese (4).

Min kollega Denis McGarry og jeg vidste tidligt, at fedtsyresyntese og oxidation var gensidige, men det var uklart, hvordan dette forhold blev reguleret. Vi troede oprindeligt, at kontrollen lå på den lipogene side, men da vi akut blokerede fedtsyreoxidation, var der en øjeblikkelig genoptagelse af fedtsyre- og triglyceridsyntese, hvilket indikerer, at en inhibitor af fedtsyreoxidation må regulere processen. Vi stod over for to udfordringer: at identificere hæmningsstedet og at identificere, hvad der kontrollerede det. For at undersøge dette sammenlignede vi dernæst ketogenese fra oktansyre og oliesyre. Vi vidste, at oktanoat frit kunne trænge ind i mitokondriet, og vi fandt, at ketogenese fra det var identisk i både fodret og fastende tilstand. Octanoatoxidation er derfor et mål for kapaciteten af det β-oxidative system. Oleat skal derimod transesterificeres fra oleyl-CoA til oleylcarnitin af enzymet carnitinpalmitoyltransferase 1 (CPT1) for at komme ind i mitokondrierne. Hastigheden af oleatoxidation steg seks gange mellem fodret og fastende tilstand. Vi konkluderede således, at reguleringen foregik på CPT1-niveau (4).

Hvad var hæmmeren? Vi vidste, at der var et fald i glykogen, der ledsagede stigningen i ketogenese. Vi testede snesevis af molekyler på CPT1, og ingen af dem ændrede dens aktivitet. En morgen kom McGarry ind i laboratoriet og sagde: “Det må være malonyl-CoA. Det er substratet for fedtsyresyntese, og det må også være inhibitoren.” Vi kunne faktisk teste dette direkte, og dataene bekræftede hans indsigtsfulde hypotese (5, 6).

Vi vidste, at glucagon var det primære on-signal for hepatisk ketogenese (7). Når først den er sat i gang, er ketonproduktionen afhængig af det niveau af langkædede fedtsyrer, der når leveren. Glucagon-signalering udløser fosforylering og aktivering af AMPK. Til gengæld fosforylerer AMPK de to acetyl-CoA-carboxylaser og blokerer derved syntesen af malonyl-CoA. Det øger samtidig destruktionen af malonyl-CoA ved at aktivere malonyl-CoA-decarboxylase (Figur (Figur1).1). Faldet i malonyl-CoA stopper fedtsyresyntesen og aktiverer CPT1 og ketogenese (8). Vi viste også, at malonyl-CoA-systemet fungerer i skelet- og hjertemuskulaturen, selv om disse væv ikke laver ketoner (9).

Interessant nok opdagede vi efterfølgende, at interaktionen mellem malonyl-CoA og carnitin med CPT1 er forskellig i lever og muskler. Hæmning af CPT1 i leveren kræver ti gange så stor en koncentration af malonyl-CoA som hæmning af CPT1 i musklerne og hjertet. Omvendt er Km for carnitin meget lavere i lever end i muskler. Disse forskelle blev vigtige, da vi klonede og sekventerede lever- og muskelenzymerne.

Den faldende malonyl-CoA-koncentration er livreddende under nattens faste og, endnu vigtigere, under længerevarende faste eller sult (1, 2). Det kan imidlertid også være dødbringende ved ukontrolleret type 1-diabetes, hvor markant øgede koncentrationer af langkædede fedtsyrer flytter den kemiske tilstand fra beskeden ketose til fuldkommen ketoacidose, hvis den ikke behandles (10).

Et mere alvorligt problem end forbigående nedsættelse af malonyl-CoA opstår hos personer, der har genetiske mangler i de enzymer, der kontrollerer carnitinniveauet og fedtoxidationen. Systemisk karnitinmangel som følge af en mutation i karnitintransporteren OCTN2 var den første identificerede årsag til syndromet hypoketotisk hypoglykæmi, som kan føre til pludselig spædbarnsdød (11). Carnitinmangel forårsager også leversvigt, højt ammoniakindhold, cerebralt ødem, hjertearytmier, kardiomyopati og muskelsvaghed med rhabdomyolyse.

Set i bakspejlet har opdagelsen af malonyl-CoA-reguleringssystemet haft en betydning, der rækker langt ud over spørgsmålet om ketogenese. Systemet er aktivt i hypothalamus, hvor det bidrager til reguleringen af fødeindtagelse, i hjertet, hvor fedtsyreoxidation påvirker resultatet af myokardieinfarkt, og i leveren, hvor ikke-alkoholisk steatose kan mindskes ved øget fedtsyreoxidation, og det er relevant i forbindelse med fedme, hvor øget mitokondriefunktion kan medføre vægttab.

Jeg mødte professor Krebs, da han underviste på UT Southwestern i biokemikurset for førsteårsstuderende i flere år. Det var bemærkelsesværdigt og rørende, at han, som opdagede citronsyrecyklussen, lykønskede os med at have løst ketogenese.