Ketogeneesi, asetoasetaatin ja β-hydroksibutyraatin tuotanto pitkäketjuisten rasvahappojen hapettumisesta, tapahtuu vain maksassa. Kun glukoosin tuotanto on riittämätöntä, elimistö siirtyy lipidipohjaiseen talouteen. Aivot eivät kuitenkaan pysty hapettamaan rasvahappoja energiaksi, joten ketoaineiden tuotanto on suojaavaa (1, 2).
On varsin merkillistä, kuinka monet ansioituneet tiedemiehet alkoivat tutkia ketogeneesiä jo vuosikymmeniä sitten, heidän joukossaan Nobel-palkitut professorit H. A. Krebs ja Feodor Lynen. Varhaisessa vaiheessa laajalle levinnyt uskomus oli, että oksaloasetaatin puute trikarboksyylihappokierrossa ohjaa rasvahappojen hapettumisesta peräisin olevaa asetyyli-CoA:ta asetoasetaatiksi, kuten professori Krebsin vuonna 1966 julkaisemassa erinomaisessa tätä historiaa käsittelevässä luennossa on kuvattu (3). Nisäkässoluissa asetoasetaatti onkin ensisijainen metabolinen substraatti, joka valitaan glukoosin, rasvahappojen ja muiden substraattien edelle (1, 2). Asetoasetaatin hapettuminen edellyttää kuitenkin entsyymiä suksinyyli-CoA:3-ketohappo-CoA-transferaasi, jota ei ole maksassa; näin ollen maksa ei voi hapettaa ketoaineita, vaan ainoastaan vapauttaa niitä.
Kiinnostuksen hiipuminen oksaloasetaattiteoriaa kohtaan johti seuraavaan ajatukseen, jonka mukaan maksan ketoaineentuotanto riippuisi maksaan toimitettujen pitkäketjuisten rasvahappojen pitoisuudesta veressä. Eristettyä perfusoitua rotanmaksaa hyödyntäen osoitimme kuitenkin, että oleaatti muuntui merkittävästi ketoneiksi vasta kuuden tunnin kuluttua paaston aloittamisesta. Tämä osoitti, että maksassa oli on/off-signaali ketogeneesin käynnistämiseksi ja lopettamiseksi (4).
Kollegani Denis McGarry ja minä tiesimme jo varhain, että rasvahappojen synteesi ja hapettuminen olivat vastavuoroisia, mutta oli epäselvää, miten tätä suhdetta säädellään. Aluksi ajattelimme, että ohjaus oli lipogeenisellä puolella, mutta kun estimme akuutisti rasvahappojen hapettumisen, rasvahappojen ja triglyseridien synteesi käynnistyi välittömästi uudelleen, mikä osoitti, että rasvahappojen hapettumisen estäjän on säädeltävä prosessia. Meillä oli edessämme kaksi haastetta: inhibitiokohdan tunnistaminen ja sen tunnistaminen, mikä sitä kontrolloi. Tämän tutkimiseksi vertasimme seuraavaksi ketogeneesiä oktaanihaposta ja öljyhaposta. Tiesimme, että oktanoaatti voi tunkeutua mitokondrioon vapaasti, ja havaitsimme, että ketogeneesi siitä oli identtinen sekä syötetyssä että paastotilassa. Oktanoaatin hapettuminen on siis β-oksidatiivisen järjestelmän kapasiteetin mittari. Oleaatti sen sijaan täytyy transesteröidä oleyyli-CoA:sta oleyylikarnitiiniksi karnitiinipalmitoyltransferaasi 1 (CPT1) -entsyymin avulla päästäkseen mitokondrioon. Oleaatin hapettumisnopeus kasvoi kuusinkertaiseksi syötetyn ja paastotilan välillä. Näin ollen päättelimme, että säätely tapahtui CPT1:n tasolla (4).
Mikä oli inhibiittori? Tiesimme, että ketogeneesin lisääntymiseen liittyi glykogeenin väheneminen. Testasimme kymmeniä molekyylejä CPT1:een, eikä mikään niistä muuttanut sen aktiivisuutta. Eräänä aamuna McGarry tuli laboratorioon ja sanoi: ”Sen täytyy olla malonyyli-CoA. Se on rasvahapposynteesin substraatti, ja sen täytyy olla myös inhibiittori.” Pystyimmekin testaamaan tämän suoraan, ja tiedot vahvistivat hänen oivaltavan hypoteesinsa (5, 6).
Tiesimme, että glukagoni oli ensisijainen signaali maksan ketogeneesille (7). Kun ketogeneesi on käynnistynyt, ketoaineen tuotantonopeus on riippuvainen maksaan tulevien pitkäketjuisten rasvahappojen määrästä. Glukagonin signalointi käynnistää AMPK:n fosforylaation ja aktivoinnin. AMPK puolestaan fosforyloi kaksi asetyyli-CoA-karboksylaasia, mikä estää malonyyli-CoA:n synteesin. Samalla se tehostaa malonyyli-CoA:n tuhoutumista aktivoimalla malonyyli-CoA:n dekarboksylaasia (Kuva (Kuva1).1). Malonyyli-CoA:n väheneminen pysäyttää rasvahapposynteesin ja aktivoi CPT1:n ja ketogeneesin (8). Osoitimme myös, että malonyyli-CoA-järjestelmä toimii luuranko- ja sydänlihaksessa, vaikka nämä kudokset eivät tuota ketoaineita (9).
Sovitettu luvalla Annals of the New York Academy of Sciences -lehdestä (8).
Mielenkiintoista on, että myöhemmin havaitsimme, että malonyyli-CoA:n ja karnitiinin vuorovaikutus CPT1:n kanssa on erilainen maksassa ja lihaksessa. Maksan CPT1:n estäminen vaatii kymmenkertaisen malonyyli-CoA-pitoisuuden verrattuna CPT1:n estämiseen lihaksessa ja sydämessä. Sitä vastoin karnitiinin Km on paljon pienempi maksassa kuin lihaksessa. Näistä eroista tuli tärkeitä, kun kloonasimme ja sekvensoimme maksan ja lihaksen entsyymit.
Malonyyli-CoA:n konsentraation pieneneminen on hengenpelastavaa yön yli kestävän paaston aikana ja, mikä vielä tärkeämpää, pitkittyneen paaston tai nälänhädän aikana (1, 2). Se voi kuitenkin olla myös tappava kontrolloimattomassa tyypin 1 diabeteksessa, jossa selvästi kohonneet pitkäketjuisten rasvahappojen pitoisuudet siirtävät kemiallisen tilan vaatimattomasta ketoosista täysimittaiseen ketoasidoosiin, jos sitä ei hoideta (10).
Malonyyli-CoA:n ohimenevää alenemista vakavampi ongelma ilmenee henkilöillä, joilla on geneettisiä puutoksia entsyymeissä, jotka säätelevät karnitiinipitoisuuksia ja rasvan hapettumista. Systeeminen karnitiinipuutos, joka johtuu mutaatiosta karnitiinin kuljettajan OCTN2:ssa, oli ensimmäinen tunnistettu syy hypoketoottisen hypoglykemian oireyhtymään, joka voi johtaa lapsen äkkikuolemaan (11). Karnitiinin puute aiheuttaa myös maksan vajaatoimintaa, korkeaa ammoniakkipitoisuutta, aivoturvotusta, sydämen rytmihäiriöitä, kardiomyopatiaa ja lihasheikkoutta, johon liittyy rabdomyolyysi.
Malonyyli-CoA:n säätelyjärjestelmän löytämisellä on ollut jälkikäteen tarkasteltuna vaikutuksia paljon ketogeneesiä laajemminkin. Järjestelmä on aktiivinen hypotalamuksessa, jossa se vaikuttaa osaltaan ravinnonsaannin säätelyyn, sydämessä, jossa rasvahappojen hapettuminen vaikuttaa sydäninfarktin lopputulokseen, ja maksassa, jossa ei-alkoholista steatoosia voidaan vähentää lisäämällä rasvahappojen hapettumista, ja sillä on merkitystä liikalihavuudessa, jossa mitokondrioiden lisääntynyt toiminta voi aiheuttaa painonpudotusta.
Työskentelin professori Krebsin kanssa, kun hän opetti useiden vuosien ajan UT Southwestern -yliopistossa biologisen kemian kurssilla ensimmäisen vuoden opiskelijoille. Oli merkittävää ja liikuttavaa, että hän, sitruunahappokierron löytäjä, onnitteli meitä ketogeneesin ratkaisemisesta.