Ketogenesis, a produção de acetoacetato e β-hydroxybutyrate a partir da oxidação de ácidos graxos de cadeia longa, ocorre apenas no fígado. Quando a produção de glicose é insuficiente, o corpo muda para uma economia baseada em lipídios. No entanto, o cérebro não consegue oxidar os ácidos gordos por energia, pelo que a produção de cetonas é protectora (1, 2).

É bastante notável a quantidade de cientistas distintos que começaram a estudar a cetogénese há décadas, entre eles os Professores laureados com o Nobel H.A. Krebs e Feodor Lynen. No início, uma crença generalizada era que uma deficiência de oxaloacetato no ciclo do ácido tricarboxílico desviou a acetil-CoA derivada da oxidação dos ácidos gordos para o acetoacetato, como descrito numa excelente palestra sobre esta história publicada pelo Professor Krebs em 1966 (3). De fato, o acetoacetato é o substrato metabólico preferido nas células de mamíferos, escolhido acima da glicose, ácidos graxos e outros substratos (1, 2). Contudo, a oxidação do acetoacetato requer a enzima succinil-CoA:3-ketoacid-CoA transferase, que não está presente no fígado; assim, o fígado não pode oxidar cetonas, apenas libertá-las.

O interesse em desvanecimento da teoria do oxaloacetato levou ao pensamento seguinte, que a produção de cetonas pelo fígado dependia da concentração de ácidos gordos de cadeia longa no sangue entregue ao fígado. No entanto, utilizando o fígado de rato perfurado isolado, mostramos que o oleato não foi convertido significativamente em cetonas até seis horas após o início do jejum. Isto mostrou que havia um sinal on/off no fígado para iniciar e terminar a cetogénese (4).

O meu colega Denis McGarry e eu sabíamos cedo que a síntese e oxidação dos ácidos gordos eram recíprocas, mas não estava claro como esta relação era regulada. Inicialmente pensámos que o controlo estava no lado lipogénico, mas quando bloqueámos agudamente a oxidação dos ácidos gordos, houve uma retoma imediata da síntese de ácidos gordos e triglicéridos, indicando que um inibidor da oxidação dos ácidos gordos deve estar a regular o processo. Fomos confrontados com dois desafios: identificar o ponto de inibição e identificar o que o controlava. Para investigar isso, comparamos a cetogênese dos ácidos octanóico e oléico. Sabíamos que o octanoato poderia penetrar livremente na mitocôndria, e descobrimos que a cetogênese a partir dela era idêntica tanto em estados alimentados como em jejum. A oxidação do octanoato, portanto, é uma medida da capacidade do sistema oxidativo β. O oleato, em contraste, tem que ser transesterificado de oleil-CoA a oleylcarnitina pela enzima carnitina palmitoyltransferase 1 (CPT1) para entrar na mitocôndria. A taxa de oxidação do oleato aumentou seis vezes entre os estados de alimentação e jejum. Assim, concluímos que a regulação estava ocorrendo ao nível da CPT1 (4).

O que era o inibidor? Sabíamos que havia uma diminuição no glicogênio que acompanhava o aumento da cetogênese. Testamos dezenas de moléculas no CPT1, e nenhuma delas alterou a sua actividade. Uma manhã McGarry chegou ao laboratório e disse: “Tem que ser malonil-CoA. É o substrato para a síntese de ácidos gordos, e também deve ser o inibidor”. De fato, nós fomos capazes de testar isto diretamente, e os dados tiraram sua hipótese perspicaz (5, 6).

Sabíamos que o glucagon era o principal sinal de cetogênese hepática (7). Uma vez iniciada, a taxa de produção de cetonas depende do nível de ácidos gordos de cadeia longa que chega ao fígado. A sinalização do glucagon desencadeia a fosforilação e ativação do AMPK. Por sua vez, o AMPK fosforilatos as duas carboxilases de acetil-CoA, bloqueando assim a síntese de malonil-CoA. Ele aumenta simultaneamente a destruição da malonil-CoA ao ativar a descarboxilase de malonil-CoA (Figura 1).1). A queda da malonil-CoA interrompe a síntese de ácidos graxos e ativa a CPT1 e a cetogênese (8). Também mostramos que o sistema malonil-CoA funciona no músculo esquelético e cardíaco, embora esses tecidos não façam cetonas (9).

Interessantemente, descobrimos posteriormente que a interacção da malonil-CoA e da carnitina com a CPT1 são diferentes no fígado e no músculo. A inibição da CPT1 no fígado requer dez vezes a concentração de malonil-CoA, assim como a inibição da CPT1 no músculo e no coração. Por outro lado, o Km de carnitina é muito mais baixo no fígado do que no músculo. Estas diferenças tornaram-se importantes quando clonamos e sequenciamos as enzimas hepáticas e musculares.

A diminuição da concentração de malonil-CoA é salva-vidas durante o jejum noturno e, mais importante, durante o jejum prolongado ou inanição (1, 2). Entretanto, também pode ser mortal na diabetes tipo 1 descontrolada, onde concentrações acentuadamente aumentadas de ácidos graxos de cadeia longa movem o estado químico de cetose modesta para cetoacidose completa se não tratada (10).

Um problema mais sério do que a diminuição transitória da malonil-CoA ocorre em indivíduos que abrigam deficiências genéticas nas enzimas que controlam os níveis de carnitina e oxidação de gordura. A deficiência sistêmica de carnitina devido a uma mutação no transportador de carnitina OCTN2 foi a primeira causa identificada da síndrome de hipoglicemia hipocesótica, que pode levar à morte súbita infantil (11). A deficiência de carnitina também causa insuficiência hepática, amônia alta, edema cerebral, arritmias cardíacas, cardiomiopatia e fraqueza muscular com rabdomiólise.

Em retrospectiva, a descoberta do sistema regulatório malonil-CoA teve um impacto muito além da questão da cetogênese. O sistema é ativo no hipotálamo, onde contribui para a regulação da ingestão alimentar, no coração, onde a oxidação dos ácidos graxos influencia o resultado do enfarte do miocárdio, e no fígado, onde a esteatose não alcoólica pode ser diminuída pelo aumento da oxidação dos ácidos graxos, e é relevante na obesidade, onde o aumento da função mitocondrial pode causar perda de peso.

Conheci o Professor Krebs quando ele lecionou na UT Southwestern no curso de bioquímica para alunos do primeiro ano por vários anos. Foi notável e comovente que ele, o descobridor do ciclo do ácido cítrico, nos parabenizou por resolver a cetogênese.