A ketogenezis, az acetoacetát és a β-hidroxibutirát előállítása a hosszú láncú zsírsavak oxidációjából csak a májban történik. Ha a glükóztermelés nem elegendő, a szervezet áttér a lipidalapú gazdaságra. Az agy azonban nem képes a zsírsavakat energiaként oxidálni, ezért a ketonok termelése védelmet nyújt (1, 2).
Ez igen figyelemre méltó, hogy évtizedekkel ezelőtt milyen sok kiváló tudós kezdett el foglalkozni a ketogenezissel, köztük a Nobel-díjas H. A. Krebs és Feodor Lynen professzorok. Korán elterjedt nézet volt, hogy a trikarbonsavciklusban az oxalacetát hiánya a zsírsavak oxidációjából származó acetil-CoA-t acetoacetátba tereli, amint azt Krebs professzor 1966-ban megjelent, e történetről szóló kiváló előadásában leírta (3). Valójában az acetoacetát az emlősök sejtjeiben az anyagcsere preferált szubsztrátja, amelyet a glükóz, a zsírsavak és más szubsztrátok helyett választanak (1, 2). Az acetoacetát oxidációjához azonban a szukcinil-CoA:3-ketoacid-CoA-transzferáz enzimre van szükség, amely nincs jelen a májban; így a máj nem tudja oxidálni a ketonokat, csak felszabadítani őket.
Az oxaloacetát-elmélet iránti érdeklődés elhalványulása vezetett a következő gondolathoz, miszerint a máj ketontermelése a májba szállított hosszú láncú zsírsavak koncentrációjától függ a vérben. Izolált, perfundált patkánymájat felhasználva azonban kimutattuk, hogy az oleát csak hat órával a koplalás megkezdése után alakul át szignifikánsan ketonokká. Ez azt mutatta, hogy a májban van egy be/ki jelzés a ketogenezis elindítására és befejezésére (4).
Kollégám, Denis McGarry és én már korán tudtuk, hogy a zsírsavszintézis és az oxidáció kölcsönös, de nem volt világos, hogyan szabályozzák ezt a kapcsolatot. Kezdetben azt gondoltuk, hogy a szabályozás a lipogén oldalon van, de amikor akut módon blokkoltuk a zsírsav-oxidációt, azonnal újraindult a zsírsav- és trigliceridszintézis, ami azt jelezte, hogy a zsírsav-oxidáció gátlójának kell szabályoznia a folyamatot. Két kihívással kellett szembenéznünk: azonosítani a gátlási pontot és azonosítani, hogy mi szabályozza azt. Ennek vizsgálatára a következőkben összehasonlítottuk az oktánsavból és az olajsavból történő ketogenezist. Tudtuk, hogy az oktanoát szabadon behatolhat a mitokondriumba, és azt találtuk, hogy a belőle származó ketogenezis azonos volt táplált és éheztetett állapotban egyaránt. Az oktanoát-oxidáció tehát a β-oxidatív rendszer kapacitásának mérőszáma. Az oleátot ezzel szemben a karnitin-palmitoiltranszferáz 1 (CPT1) enzimnek oleil-CoA-ból oleilkarnitinné kell átésztereznie ahhoz, hogy a mitokondriumba kerüljön. Az oleát oxidáció sebessége hatszorosára nőtt a táplált és az éheztetett állapot között. Így arra következtettünk, hogy a szabályozás a CPT1 szintjén zajlik (4).
Mi volt az inhibitor? Tudtuk, hogy a glikogén csökkenése a ketogenezis növekedését kísérte. Tucatnyi molekulát teszteltünk a CPT1-en, de egyik sem változtatta meg az aktivitását. Egy reggel McGarry bejött a laborba, és azt mondta: “Ez csakis a malonyl-CoA lehet. Ez a zsírsavszintézis szubsztrátja, és ennek kell lennie az inhibitornak is”. Valóban, ezt közvetlenül tudtuk tesztelni, és az adatok igazolták az ő éleslátó hipotézisét (5, 6).
Tudtuk, hogy a glükagon a máj ketogenezis elsődleges on-szignálja (7). Miután beindult, a ketontermelés sebessége a májba jutó hosszú szénláncú zsírsavak szintjétől függ. A glükagon jelátvitel kiváltja az AMPK foszforilációját és aktiválását. Az AMPK viszont foszforilálja a két acetil-CoA-karboxilázt, ezáltal blokkolja a malonyl-CoA szintézisét. Ezzel egyidejűleg fokozza a malonyl-CoA megsemmisítését a malonyl-CoA dekarboxiláz aktiválásával (ábra (1. ábra1).1). A malonyl-CoA csökkenése leállítja a zsírsavszintézist, és aktiválja a CPT1-et és a ketogenezist (8). Azt is kimutattuk, hogy a malonyl-CoA-rendszer a váz- és szívizomban is működik, bár ezek a szövetek nem termelnek ketonokat (9).
Adapted with permission from the Annals of the New York Academy of Sciences (8).
Érdekes módon később felfedeztük, hogy a malonyl-CoA és a karnitin kölcsönhatása a CPT1-gyel eltérő a májban és az izomban. A máj CPT1 gátlásához tízszer akkora malonyl-CoA-koncentrációra van szükség, mint az izomban és a szívben lévő CPT1 gátlásához. Ezzel szemben a karnitin Km értéke sokkal alacsonyabb a májban, mint az izomban. Ezek a különbségek akkor váltak fontossá, amikor klónoztuk és szekvenáltuk a máj- és izomenzimeket.
A malonyl-CoA koncentráció csökkenése életmentő az éjszakai koplalás során, és ami még fontosabb, a hosszan tartó koplalás vagy éhezés során (1, 2). Ez azonban halálos is lehet a nem kontrollált 1-es típusú cukorbetegségben, ahol a hosszú láncú zsírsavak jelentősen megnövekedett koncentrációja a kémiai állapotot a szerény ketózisból a teljes ketoacidózisba helyezi át, ha nem kezelik (10).
A malonyl-CoA átmeneti csökkenésénél súlyosabb probléma lép fel azoknál az egyéneknél, akik genetikai hiányosságokat hordoznak a karnitinszintet és a zsír oxidációját szabályozó enzimekben. Az OCTN2 karnitin-transzporter mutációjából eredő szisztémás karnitinhiány volt az első azonosított oka a hipoketotikus hipoglikémia szindrómának, amely hirtelen csecsemőhalálhoz vezethet (11). A karnitinhiány emellett májelégtelenséget, magas ammóniatartalmat, agyödémát, szívritmuszavarokat, kardiomiopátiát és rabdomiolízissel járó izomgyengeséget okoz.
A malonyl-CoA szabályozó rendszer felfedezésének visszatekintve a ketogenezis kérdésén messze túlmutató hatása volt. A rendszer aktív a hipotalamuszban, ahol hozzájárul a táplálékfelvétel szabályozásához, a szívben, ahol a zsírsav-oxidáció befolyásolja a szívinfarktus kimenetelét, és a májban, ahol a nem alkoholos steatosis csökkenthető a fokozott zsírsav-oxidációval, és fontos az elhízásban, ahol a mitokondriumok fokozott működése fogyást okozhat.
Krebs professzorral akkor találkoztam, amikor az UT Southwesternben több évig tanított az elsőéves hallgatók biokémia kurzusán. Figyelemre méltó és megható volt, hogy ő, a citromsavciklus felfedezője gratulált nekünk a ketogenezis megoldásához.