Die Ketogenese, die Produktion von Acetoacetat und β-Hydroxybutyrat aus der Oxidation langkettiger Fettsäuren, findet nur in der Leber statt. Wenn die Glukoseproduktion unzureichend ist, schaltet der Körper auf eine Wirtschaft auf Lipidbasis um. Das Gehirn kann jedoch keine Fettsäuren zur Energiegewinnung oxidieren, so dass die Produktion von Ketonen einen Schutz darstellt (1, 2).
Es ist bemerkenswert, wie viele bedeutende Wissenschaftler schon vor Jahrzehnten begannen, die Ketogenese zu untersuchen, darunter die Nobelpreisträger Professor H.A. Krebs und Feodor Lynen. Schon früh war der Glaube weit verbreitet, dass ein Mangel an Oxalacetat im Tricarbonsäurezyklus Acetyl-CoA aus der Oxidation von Fettsäuren in Acetoacetat umwandelt, wie in einem hervorragenden Vortrag von Professor Krebs aus dem Jahr 1966 beschrieben (3). In der Tat ist Acetoacetat das bevorzugte Stoffwechselsubstrat in Säugetierzellen, das vor Glukose, Fettsäuren und anderen Substraten ausgewählt wird (1, 2). Für die Oxidation von Acetoacetat ist jedoch das Enzym Succinyl-CoA:3-Ketosäure-CoA-Transferase erforderlich, das in der Leber nicht vorhanden ist; daher kann die Leber Ketone nicht oxidieren, sondern nur freisetzen.
Das schwindende Interesse an der Oxalacetat-Theorie führte zu dem nächsten Gedanken, dass die Ketonproduktion durch die Leber von der Konzentration der langkettigen Fettsäuren im Blut, die der Leber zugeführt werden, abhängig ist. Anhand der isolierten, perfundierten Rattenleber konnten wir jedoch zeigen, dass Oleat erst sechs Stunden nach Beginn des Fastens signifikant in Ketone umgewandelt wird. Dies zeigte, dass es in der Leber ein Ein- und Ausschaltsignal für die Einleitung und Beendigung der Ketogenese gibt (4).
Mein Kollege Denis McGarry und ich wussten schon früh, dass Fettsäuresynthese und Oxidation sich gegenseitig bedingen, aber es war unklar, wie diese Beziehung reguliert wird. Wir dachten zunächst, dass die Kontrolle auf der lipogenen Seite liegt, aber als wir die Fettsäureoxidation akut blockierten, kam es zu einer sofortigen Wiederaufnahme der Fettsäure- und Triglyceridsynthese, was darauf hindeutet, dass ein Hemmstoff der Fettsäureoxidation den Prozess regulieren muss. Wir sahen uns mit zwei Herausforderungen konfrontiert: den Hemmungspunkt zu identifizieren und herauszufinden, wodurch er gesteuert wird. Um dies zu untersuchen, verglichen wir als Nächstes die Ketogenese von Octansäure und Ölsäure. Wir wussten, dass Octanoat ungehindert in das Mitochondrium eindringen kann, und wir stellten fest, dass die Ketogenese aus Octanoat sowohl im ernährten als auch im nüchternen Zustand identisch war. Die Octanoat-Oxidation ist daher ein Maß für die Kapazität des β-oxidativen Systems. Oleat hingegen muss durch das Enzym Carnitin-Palmitoyltransferase 1 (CPT1) von Oleyl-CoA zu Oleylcarnitin umgeestert werden, um in die Mitochondrien zu gelangen. Die Rate der Oleat-Oxidation stieg zwischen dem nüchternen und dem fetten Zustand um das Sechsfache. Daraus schlossen wir, dass die Regulierung auf der Ebene von CPT1 stattfand (4).
Was war der Hemmstoff? Wir wussten, dass mit dem Anstieg der Ketogenese ein Rückgang des Glykogens einherging. Wir testeten Dutzende von Molekülen an CPT1, aber keines von ihnen veränderte seine Aktivität. Eines Morgens kam McGarry ins Labor und sagte: „Es muss Malonyl-CoA sein. Es ist das Substrat für die Fettsäuresynthese, und es muss auch der Inhibitor sein.“ Tatsächlich konnten wir dies direkt testen, und die Daten bestätigten seine aufschlussreiche Hypothese (5, 6).
Wir wussten, dass Glucagon das primäre Signal für die hepatische Ketogenese ist (7). Sobald die Ketogenese eingeleitet ist, hängt die Geschwindigkeit der Ketonproduktion von der Menge der langkettigen Fettsäuren ab, die die Leber erreichen. Die Glucagon-Signalisierung löst die Phosphorylierung und Aktivierung von AMPK aus. AMPK wiederum phosphoryliert die beiden Acetyl-CoA-Carboxylasen und blockiert dadurch die Synthese von Malonyl-CoA. Gleichzeitig wird der Abbau von Malonyl-CoA durch Aktivierung der Malonyl-CoA-Decarboxylase gefördert (Abbildung 1.1). Der Rückgang von Malonyl-CoA stoppt die Fettsäuresynthese und aktiviert CPT1 und die Ketogenese (8). Wir haben auch gezeigt, dass das Malonyl-CoA-System im Skelett- und Herzmuskel funktioniert, obwohl diese Gewebe keine Ketone herstellen (9).
Mit Genehmigung der Annals of the New York Academy of Sciences (8).
Interessanterweise entdeckten wir anschließend, dass die Interaktion von Malonyl-CoA und Carnitin mit CPT1 in Leber und Muskel unterschiedlich ist. Die Hemmung von CPT1 in der Leber erfordert eine zehnmal höhere Konzentration von Malonyl-CoA als die Hemmung von CPT1 im Muskel und im Herzen. Umgekehrt ist der Km für Carnitin in der Leber viel niedriger als im Muskel. Diese Unterschiede wurden wichtig, als wir die Leber- und Muskelenzyme klonierten und sequenzierten.
Die Abnahme der Malonyl-CoA-Konzentration ist lebensrettend während des nächtlichen Fastens und, was noch wichtiger ist, bei längerem Fasten oder Verhungern (1, 2). Sie kann jedoch auch bei unkontrolliertem Typ-1-Diabetes tödlich sein, wo deutlich erhöhte Konzentrationen langkettiger Fettsäuren den chemischen Zustand von einer mäßigen Ketose in eine ausgewachsene Ketoazidose verwandeln, wenn sie nicht behandelt wird (10).
Ein noch schwerwiegenderes Problem als die vorübergehende Senkung der Malonyl-CoA-Konzentration tritt bei Personen auf, die einen genetischen Mangel an den Enzymen aufweisen, die den Carnitinspiegel und die Fettoxidation kontrollieren. Ein systemischer Carnitinmangel aufgrund einer Mutation im Carnitintransporter OCTN2 war die erste identifizierte Ursache für das Syndrom der hypoketotischen Hypoglykämie, das zum plötzlichen Kindstod führen kann (11). Carnitinmangel verursacht auch Leberversagen, hohe Ammoniakwerte, Hirnödeme, Herzrhythmusstörungen, Kardiomyopathie und Muskelschwäche mit Rhabdomyolyse.
Rückblickend hat die Entdeckung des Malonyl-CoA-Regulationssystems eine Bedeutung, die weit über die Ketogenese hinausgeht. Das System ist im Hypothalamus aktiv, wo es zur Regulierung der Nahrungsaufnahme beiträgt, im Herzen, wo die Fettsäureoxidation das Ergebnis eines Herzinfarkts beeinflusst, und in der Leber, wo die nichtalkoholische Steatose durch eine erhöhte Fettsäureoxidation vermindert werden kann, und es ist bei Fettleibigkeit von Bedeutung, wo eine erhöhte Mitochondrienfunktion zu einer Gewichtsabnahme führen kann.
Ich lernte Professor Krebs kennen, als er mehrere Jahre lang an der UT Southwestern im Biochemiekurs für Erstsemester unterrichtete. Es war bemerkenswert und bewegend, dass er, der Entdecker des Zitronensäurezyklus, uns zur Lösung der Ketogenese gratulierte.