Ketogeneza, produkcja acetooctanu i β-hydroksymaślanu z utleniania długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, występuje tylko w wątrobie. Gdy produkcja glukozy jest niewystarczająca, organizm przestawia się na gospodarkę opartą na lipidach. Jednak mózg nie może utleniać kwasów tłuszczowych na energię, więc produkcja ketonów jest ochronne (1, 2).

Jest to dość niezwykłe, jak wielu wybitnych naukowców rozpoczął badania ketogenezy dekad temu, wśród nich laureatów Nagrody Nobla profesorów H.A. Krebs i Feodor Lynen. Wcześnie, powszechne było przekonanie, że niedobór oksalooctanu w cyklu kwasu trójkarboksylowego powoduje przesunięcie acetylo-CoA pochodzącego z utleniania kwasów tłuszczowych do acetoacetatu, jak opisano w doskonałym wykładzie na temat tej historii opublikowanym przez profesora Krebsa w 1966 roku (3). Istotnie, acetooctan jest preferowanym substratem metabolicznym w komórkach ssaków, wybieranym ponad glukozę, kwasy tłuszczowe i inne substraty (1, 2). Jednak utlenianie octanu wymaga enzymu transferazy bursztynylo-CoA:3-ketoacid-CoA, który nie jest obecny w wątrobie; w ten sposób wątroba nie może utleniać ketonów, tylko je release.

Gasnące zainteresowanie teorią oxaloacetate doprowadziło do następnej myśli, że produkcja ketonów przez wątrobę była zależna od stężenia długołańcuchowych kwasów tłuszczowych we krwi dostarczanej do wątroby. Jednakże, wykorzystując izolowaną perfuzji wątroby szczura, wykazaliśmy, że oleinian nie został znacząco przekształcony w ketony aż do sześciu godzin po rozpoczęciu postu. To pokazało, że nie było on / off sygnał w wątrobie, aby rozpocząć i zakończyć ketogenezę (4).

Mój kolega Denis McGarry i wiedziałem wcześnie, że synteza kwasów tłuszczowych i utlenianie były wzajemne, ale to było niejasne, jak ten związek był regulowany. Początkowo myśleliśmy, że kontrola była po stronie lipogenicznej, ale kiedy ostro zablokowaliśmy utlenianie kwasów tłuszczowych, nastąpiło natychmiastowe wznowienie syntezy kwasów tłuszczowych i triglicerydów, wskazując, że inhibitor utleniania kwasów tłuszczowych musi regulować ten proces. Stanęliśmy przed dwoma wyzwaniami: zidentyfikowaniem punktu hamowania i określeniem, co go kontroluje. Aby to zbadać, porównaliśmy ketogenezę z kwasów oktanowego i oleinowego. Wiedzieliśmy, że oktanian może swobodnie przenikać do mitochondrium i stwierdziliśmy, że ketogeneza z niego była identyczna zarówno w stanach odżywiania, jak i postu. Utlenianie oktanianu jest zatem miarą pojemności systemu β-oksydacyjnego. Oleinian, w przeciwieństwie do niego, musi być transestryfikowany z oleil-CoA do oleilokarnityny przez enzym palmitoilotransferazę karnitynową 1 (CPT1), aby dostać się do mitochondriów. Tempo utleniania oleinianu wzrosło sześciokrotnie pomiędzy stanem odżywiania a postem. Tak więc doszliśmy do wniosku, że regulacja zachodzi na poziomie CPT1 (4).

Co to był za inhibitor? Wiedzieliśmy, że nastąpił spadek glikogenu, który towarzyszył wzrostowi ketogenezy. Przetestowaliśmy dziesiątki cząsteczek na CPT1 i żadna z nich nie zmieniła jego aktywności. Pewnego ranka McGarry przyszedł do laboratorium i powiedział: „To musi być malonylo-CoA. Jest on substratem do syntezy kwasów tłuszczowych i musi być również inhibitorem.” Rzeczywiście, byliśmy w stanie przetestować to bezpośrednio, a dane wróżyły jego wnikliwą hipotezę (5, 6).

Wiedzieliśmy, że glukagon był głównym na sygnał dla ketogenezy wątrobowej (7). Po zainicjowaniu, tempo produkcji ketonu zależy od poziomu długołańcuchowych kwasów tłuszczowych docierających do wątroby. Sygnalizacja glukagonu wyzwala fosforylację i aktywację AMPK. Z kolei AMPK fosforyluje dwie karboksylazy acetylo-CoA, blokując w ten sposób syntezę malonylo-CoA. Jednocześnie nasila niszczenie malonylo-CoA poprzez aktywację dekarboksylazy malonylo-CoA (rysunek (rysunek1).1). Spadek malonylo-CoA zatrzymuje syntezę kwasów tłuszczowych i aktywuje CPT1 i ketogenezę (8). Wykazaliśmy również, że system malonylo-CoA funkcjonuje w mięśniach szkieletowych i sercowych, chociaż tkanki te nie wytwarzają ketonów (9).

Co ciekawe, następnie odkryliśmy, że interakcje malonyl-CoA i karnityny z CPT1 są różne w wątrobie i mięśniach. Inhibicja wątroby CPT1 wymaga dziesięć razy stężenie malonyl-CoA jak hamowanie CPT1 w mięśniach i sercu. I odwrotnie, Km dla karnityny jest znacznie niższe w wątrobie niż w mięśniach. Różnice te stały się ważne, gdy klonowane i sekwencjonowane wątroby i enzymów mięśni.

Zmniejszenie stężenia malonylo-CoA jest ratowanie życia podczas nocnego postu i, co ważniejsze, podczas przedłużonego postu lub głodu (1, 2). Jednak może to być również śmiertelne w niekontrolowanej cukrzycy typu 1, gdzie znacznie zwiększone stężenie długołańcuchowych kwasów tłuszczowych przenieść stan chemiczny z umiarkowanej ketozy do pełnej kwasicy ketonowej, jeśli nie leczone (10).

Poważniejszy problem niż przejściowe obniżenie malonylo-CoA występuje u osób, które harbor genetyczne braki w enzymach, które kontrolują poziom karnityny i utlenianie tłuszczu. Układowy niedobór karnityny spowodowany mutacją w transporterze karnityny OCTN2 był pierwszą zidentyfikowaną przyczyną zespołu hipoglikemii hipoketotycznej, która może prowadzić do nagłej śmierci niemowląt (11). Niedobór karnityny powoduje również niewydolność wątroby, wysoki poziom amoniaku, obrzęk mózgu, zaburzenia rytmu serca, kardiomiopatię i osłabienie mięśni z rabdomiolizą.

W retrospektywie, odkrycie systemu regulacyjnego malonylo-CoA miało wpływ daleko poza kwestią ketogenezy. System jest aktywny w podwzgórzu, gdzie przyczynia się do regulacji spożycia żywności, w sercu, gdzie utlenianie kwasów tłuszczowych wpływa na wynik zawału mięśnia sercowego, a w wątrobie, gdzie niealkoholowe stłuszczenie wątroby może być zmniejszona przez zwiększenie utleniania kwasów tłuszczowych, a to jest istotne w otyłości, gdzie zwiększona funkcja mitochondriów może spowodować weight loss.

Poznałem profesora Krebsa, kiedy uczył w UT Southwestern w kursie biochemii dla studentów pierwszego roku przez kilka lat. To było niezwykłe i poruszające, że on, odkrywca cyklu kwasu cytrynowego, pogratulował nam za rozwiązanie ketogenezy.

.