Ketogenese, de productie van acetoacetaat en β-hydroxybutyraat uit de oxidatie van vetzuren met een lange keten, vindt alleen in de lever plaats. Wanneer de glucoseproductie ontoereikend is, schakelt het lichaam over op een op vetten gebaseerde economie. De hersenen kunnen echter geen vetzuren oxideren voor energie, zodat de productie van ketonen beschermend werkt (1, 2).

Het is zeer opmerkelijk hoeveel vooraanstaande wetenschappers tientallen jaren geleden begonnen zijn met het bestuderen van ketogenese, waaronder de Nobelprijswinnaars Professoren H.A. Krebs en Feodor Lynen. Al vroeg was een wijdverbreide overtuiging dat een tekort aan oxaloacetaat in de tricarboxylzuurcyclus acetyl-CoA afkomstig van vetzuuroxidatie rangschikte naar acetoacetaat, zoals beschreven in een uitstekende lezing over deze geschiedenis gepubliceerd door professor Krebs in 1966 (3). Acetoacetaat is inderdaad het favoriete metabolische substraat in zoogdiercellen, verkozen boven glucose, vetzuren, en andere substraten (1, 2). Voor de oxidatie van acetoacetaat is echter het enzym succinyl-CoA:3-ketoacid-CoA transferase nodig, dat niet in de lever aanwezig is; de lever kan dus geen ketonen oxideren, maar alleen afgeven.

De tanende belangstelling voor de oxaloacetaat theorie leidde tot de volgende gedachte, dat de productie van ketonen door de lever afhankelijk was van de concentratie van lange-keten vetzuren in het bloed dat aan de lever werd geleverd. Met behulp van de geïsoleerde geperfundeerde rattenlever toonden wij echter aan dat oleaat niet significant werd omgezet in ketonen tot zes uur na het begin van het vasten. Dit toonde aan dat er een aan/uit signaal in de lever was om ketogenese te starten en te beëindigen (4).

Mijn collega Denis McGarry en ik wisten al vroeg dat vetzuursynthese en oxidatie wederkerig waren, maar het was onduidelijk hoe deze relatie werd gereguleerd. Aanvankelijk dachten we dat de controle aan de lipogene kant lag, maar toen we de vetzuuroxidatie acuut blokkeerden, was er een onmiddellijke hervatting van de vetzuur- en triglyceridesynthese, wat erop wijst dat een remmer van de vetzuuroxidatie het proces moet reguleren. Wij stonden voor twee uitdagingen: het remmingspunt identificeren en vaststellen wat het controleerde. Om dit te onderzoeken vergeleken wij vervolgens de ketogenese van octaanzuur en oliezuur. Wij wisten dat octanoaat vrij in de mitochondrion kon doordringen, en wij ontdekten dat de ketogenese uit octanoaat identiek was in zowel de gevoede als de nuchtere toestand. De oxidatie van octanoaat is dus een maat voor de capaciteit van het β-oxidatieve systeem. Oleaat daarentegen moet door het enzym carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1) van oleyl-CoA naar oleylcarnitine worden getranssesteriseerd om de mitochondriën binnen te komen. De oxidatiesnelheid van oleaat verzesvoudigde tussen de gevoede en de nuchtere toestand. Wij concludeerden dus dat de regulatie plaatsvond op het niveau van CPT1 (4).

Wat was de remmer? We wisten dat er een afname van glycogeen was die gepaard ging met de toename van ketogenese. We testten tientallen moleculen op CPT1, maar geen van hen veranderde de activiteit. Op een ochtend kwam McGarry het lab binnen en zei: “Het moet malonyl-CoA zijn. Het is het substraat voor de vetzuursynthese, en het moet ook de remmer zijn.” Inderdaad, we waren in staat om dit direct te testen, en de gegevens bevestigden zijn inzichtelijke hypothese (5, 6).

We wisten dat glucagon het primaire startsignaal was voor leverketogenese (7). Eenmaal op gang is de ketonenproductie afhankelijk van het niveau van lange-keten vetzuren dat de lever bereikt. Glucagon signalering triggert de fosforylering en activering van AMPK. Op zijn beurt fosforyleert AMPK de twee acetyl-CoA-carboxylases, waardoor de synthese van malonyl-CoA wordt geblokkeerd. Tegelijkertijd wordt de afbraak van malonyl-CoA bevorderd door de activering van malonyl-CoA-decarboxylase (figuur1).1). De daling van malonyl-CoA stopt de vetzuursynthese en activeert CPT1 en ketogenese (8). We hebben ook aangetoond dat het malonyl-CoA-systeem functioneert in skelet- en hartspier, hoewel deze weefsels geen ketonen maken (9).

Interessant is dat we vervolgens ontdekten dat de interactie van malonyl-CoA en carnitine met CPT1 verschillend zijn in lever en spier. Voor remming van CPT1 in de lever is een tien keer zo hoge concentratie malonyl-CoA nodig als voor remming van CPT1 in de spieren en het hart. Omgekeerd is de Km voor carnitine in de lever veel lager dan in de spieren. Deze verschillen werden belangrijk toen we de lever- en spierenzymen gingen klonen en sequencen.

De daling van de malonyl-CoA concentratie is levensreddend tijdens de nachtelijke vastenperiode en, nog belangrijker, tijdens langdurig vasten of verhongeren (1, 2). Het kan echter ook dodelijk zijn bij ongecontroleerde diabetes type 1, waarbij duidelijk verhoogde concentraties van langeketenvetzuren de chemische toestand van bescheiden ketose naar volledige ketoacidose verplaatsen als het niet wordt behandeld (10).

Een ernstiger probleem dan voorbijgaande verlaging van malonyl-CoA doet zich voor bij mensen die genetische tekorten hebben in de enzymen die het carnitinegehalte en de vetoxidatie regelen. Systemische carnitinedeficiëntie als gevolg van een mutatie in de carnitinetransporter OCTN2 was de eerste oorzaak van het syndroom van hypoketotische hypoglykemie, dat kan leiden tot plotselinge kinderdood (11). Carnitinedeficiëntie veroorzaakt ook leverfalen, hoge ammoniakwaarden, hersenoedeem, hartritmestoornissen, cardiomyopathie en spierzwakte met rhabdomyolysis.

In retrospectief heeft de ontdekking van het malonyl-CoA regulatiesysteem een impact gehad die veel verder reikt dan de kwestie van ketogenese. Het systeem is actief in de hypothalamus, waar het bijdraagt aan de regulatie van voedselinname, in het hart, waar vetzuuroxidatie de uitkomst van myocardinfarct beïnvloedt, en in de lever, waar niet-alcoholische steatose kan worden verminderd door verhoogde vetzuuroxidatie, en het is relevant bij obesitas, waar verhoogde mitochondriale functie gewichtsverlies kan veroorzaken.

Ik ontmoette professor Krebs toen hij aan UT Southwestern gedurende een aantal jaren lesgaf in de biochemiecursus voor eerstejaars studenten. Het was opmerkelijk en ontroerend dat hij, de ontdekker van de citroenzuurcyclus, ons feliciteerde met het oplossen van ketogenese.