La chetogenesi, la produzione di acetoacetato e β-idrossibutirrato dall’ossidazione degli acidi grassi a catena lunga, avviene solo nel fegato. Quando la produzione di glucosio è insufficiente, il corpo passa a un’economia basata sui lipidi. Tuttavia, il cervello non può ossidare gli acidi grassi per l’energia, quindi la produzione di chetoni è protettiva (1, 2).
È abbastanza notevole come molti scienziati illustri hanno iniziato a studiare la chetogenesi decenni fa, tra cui i premi Nobel professori H.A. Krebs e Feodor Lynen. All’inizio, una convinzione diffusa era che una carenza di ossalacetato nel ciclo degli acidi tricarbossilici spostasse l’acetil-CoA derivato dall’ossidazione degli acidi grassi in acetoacetato, come descritto in un’eccellente conferenza su questa storia pubblicata dal professor Krebs nel 1966 (3). In effetti, l’acetoacetato è il substrato metabolico preferito nelle cellule dei mammiferi, scelto sopra il glucosio, gli acidi grassi e altri substrati (1, 2). Tuttavia, l’ossidazione dell’acetoacetato richiede l’enzima succinil-CoA:3-chetoacido-CoA transferasi, che non è presente nel fegato; quindi, il fegato non può ossidare i chetoni, ma solo rilasciarli.
L’interesse scemato nella teoria dell’ossalacetato ha portato al pensiero successivo, che la produzione di chetoni da parte del fegato dipendesse dalla concentrazione di acidi grassi a catena lunga nel sangue consegnato al fegato. Tuttavia, utilizzando il fegato di ratto isolato e perfuso, abbiamo dimostrato che l’oleato non era significativamente convertito in chetoni fino a sei ore dopo l’inizio del digiuno. Questo ha dimostrato che c’era un segnale on/off nel fegato per iniziare e terminare la chetogenesi (4).
Il mio collega Denis McGarry e io sapevamo presto che la sintesi degli acidi grassi e l’ossidazione erano reciproche, ma non era chiaro come questo rapporto fosse regolato. Inizialmente pensavamo che il controllo fosse sul lato lipogenico, ma quando abbiamo bloccato acutamente l’ossidazione degli acidi grassi, c’era una ripresa immediata della sintesi degli acidi grassi e dei trigliceridi, indicando che un inibitore dell’ossidazione degli acidi grassi doveva regolare il processo. Ci siamo trovati di fronte a due sfide: identificare il punto di inibizione e identificare ciò che lo controllava. Per indagare su questo, abbiamo confrontato la chetogenesi dagli acidi ottanoico e oleico. Sapevamo che l’ottanoato poteva penetrare liberamente nel mitocondrio e abbiamo scoperto che la chetogenesi da esso era identica sia negli stati di alimentazione che di digiuno. L’ossidazione dell’ottanoato, quindi, è una misura della capacità del sistema β-ossidativo. L’oleato, al contrario, deve essere transesterificato da oleil-CoA a oleilcarnitina dall’enzima carnitina palmitoiltransferasi 1 (CPT1) per entrare nei mitocondri. Il tasso di ossidazione dell’oleato è aumentato di sei volte tra gli stati di alimentazione e digiuno. Così, abbiamo concluso che la regolazione avveniva a livello di CPT1 (4).
Qual era l’inibitore? Sapevamo che c’era una diminuzione del glicogeno che accompagnava l’aumento della chetogenesi. Abbiamo testato decine di molecole su CPT1, e nessuna di esse alterava la sua attività. Una mattina McGarry venne in laboratorio e disse: “Deve essere il malonil-CoA. È il substrato per la sintesi degli acidi grassi, e deve essere anche l’inibitore”. In effetti, siamo stati in grado di testare questo direttamente, e i dati hanno confermato la sua ipotesi perspicace (5, 6).
Sapevamo che il glucagone era il principale segnale per la chetogenesi epatica (7). Una volta iniziato, il tasso di produzione di chetoni dipende dal livello di acidi grassi a catena lunga che raggiungono il fegato. La segnalazione del glucagone innesca la fosforilazione e l’attivazione di AMPK. A sua volta, AMPK fosforila le due carbossilasi dell’acetil-CoA, bloccando così la sintesi del malonil-CoA. Contemporaneamente aumenta la distruzione di malonil-CoA attivando la malonil-CoA decarbossilasi (Figura (Figura1).1). La caduta del malonil-CoA blocca la sintesi degli acidi grassi e attiva la CPT1 e la chetogenesi (8). Abbiamo anche dimostrato che il sistema malonyl-CoA funziona nel muscolo scheletrico e cardiaco, anche se questi tessuti non producono chetoni (9).
Adattato con il permesso degli Annals of the New York Academy of Sciences (8).
Interessante, abbiamo poi scoperto che l’interazione di malonil-CoA e carnitina con CPT1 sono diverse nel fegato e nel muscolo. L’inibizione di CPT1 nel fegato richiede dieci volte la concentrazione di malonil-CoA come l’inibizione di CPT1 nel muscolo e nel cuore. Al contrario, il Km per la carnitina è molto più basso nel fegato che nel muscolo. Queste differenze sono diventate importanti quando abbiamo clonato e sequenziato gli enzimi epatici e muscolari.
La diminuzione della concentrazione di malonil-CoA è salvavita durante il digiuno notturno e, soprattutto, durante il digiuno prolungato o la fame (1, 2). Tuttavia, può anche essere mortale nel diabete di tipo 1 non controllato, dove le concentrazioni marcatamente aumentate di acidi grassi a catena lunga spostano lo stato chimico da una chetosi modesta a una chetoacidosi completa se non viene trattata (10).
Un problema più serio dell’abbassamento transitorio della malonil-CoA si verifica in individui che hanno carenze genetiche negli enzimi che controllano i livelli di carnitina e l’ossidazione dei grassi. La carenza sistemica di carnitina dovuta a una mutazione nel trasportatore di carnitina OCTN2 è stata la prima causa identificata della sindrome di ipoglicemia ipoketotica, che può portare a morte improvvisa del bambino (11). La carenza di carnitina causa anche insufficienza epatica, ammoniaca elevata, edema cerebrale, aritmie cardiache, cardiomiopatia e debolezza muscolare con rabdomiolisi.
In retrospettiva, la scoperta del sistema di regolazione del malonil-CoA ha avuto un impatto ben oltre la questione della chetogenesi. Il sistema è attivo nell’ipotalamo, dove contribuisce alla regolazione dell’assunzione di cibo, nel cuore, dove l’ossidazione degli acidi grassi influenza l’esito dell’infarto miocardico, e nel fegato, dove la steatosi non alcolica può essere diminuita da una maggiore ossidazione degli acidi grassi, ed è rilevante nell’obesità, dove una maggiore funzione mitocondriale può causare la perdita di peso.
Ho conosciuto il professor Krebs quando ha insegnato alla UT Southwestern nel corso di biochimica per studenti del primo anno per diversi anni. Fu notevole e commovente che lui, lo scopritore del ciclo dell’acido citrico, si sia congratulato con noi per aver risolto la chetogenesi.