Cetogeneza, producerea de acetoacetat și β-hidroxibutirat din oxidarea acizilor grași cu lanț lung, are loc numai în ficat. Atunci când producția de glucoză este insuficientă, organismul trece la o economie bazată pe lipide. Cu toate acestea, creierul nu poate oxida acizii grași pentru energie, astfel încât producția de cetone este protectoare (1, 2).
Este destul de remarcabil modul în care mulți oameni de știință distinși au început să studieze cetogeneza cu zeci de ani în urmă, printre care profesorii H.A. Krebs și Feodor Lynen, laureați ai Premiului Nobel. La început, o credință larg răspândită a fost aceea că o deficiență de oxaloacetat în ciclul acidului tricarboxilic a redirecționat acetil-CoA derivat din oxidarea acizilor grași în acetoacetat, așa cum a fost descris într-o excelentă prelegere despre această istorie publicată de profesorul Krebs în 1966 (3). Într-adevăr, acetoacetatul este substratul metabolic preferat în celulele mamiferelor, fiind ales mai presus de glucoză, acizi grași și alte substraturi (1, 2). Cu toate acestea, oxidarea acetoacetatului necesită enzima succinil-CoA:3-cetoacid-CoA transferaza, care nu este prezentă în ficat; astfel, ficatul nu poate oxida cetonele, ci doar le eliberează.
Dispariția interesului pentru teoria oxaloacetatului a dus la următorul gând, acela că producția de cetone de către ficat depinde de concentrația de acizi grași cu lanț lung din sânge livrată ficatului. Cu toate acestea, utilizând ficatul izolat de șobolan perfuzat, am arătat că oleatul nu a fost transformat în mod semnificativ în cetone până la șase ore de la începerea postului. Acest lucru a arătat că a existat un semnal pornit/oprit în ficat pentru a iniția și a încheia cetogeneza (4).
Colegul meu Denis McGarry și cu mine am știut de timpuriu că sinteza și oxidarea acizilor grași erau reciproce, dar nu era clar cum era reglată această relație. Inițial am crezut că controlul era pe partea lipogenică, dar atunci când am blocat acut oxidarea acizilor grași, a avut loc o reluare imediată a sintezei acizilor grași și a trigliceridelor, ceea ce indică faptul că un inhibitor al oxidării acizilor grași trebuie să reglementeze procesul. Ne-am confruntat cu două provocări: identificarea punctului de inhibiție și identificarea a ceea ce îl controla. Pentru a investiga acest lucru, am comparat în continuare cetogeneza din acizii octanoic și oleic. Știam că octanoatul poate pătrunde liber în mitocondrie și am constatat că cetogeneza din acesta a fost identică atât în starea de hrană, cât și în cea de post. Prin urmare, oxidarea octanoatului este o măsură a capacității sistemului β-oxidativ. Oleatul, în schimb, trebuie să fie transesterificat din oleil-CoA în oleilcarnitină de către enzima carnitină palmitoiltransferază 1 (CPT1) pentru a intra în mitocondrie. Rata de oxidare a oleatului a crescut de șase ori între starea de alimentație și cea de post. Astfel, am concluzionat că reglarea a avut loc la nivelul CPT1 (4).
Ce a fost inhibitorul? Știam că a existat o scădere a glicogenului care a însoțit creșterea cetogenezei. Am testat zeci de molecule pe CPT1 și niciuna dintre ele nu i-a alterat activitatea. Într-o dimineață, McGarry a venit în laborator și a spus: „Trebuie să fie malonil-CoA. Acesta este substratul pentru sinteza acizilor grași și trebuie să fie și inhibitorul”. Într-adevăr, am reușit să testăm acest lucru în mod direct, iar datele au confirmat ipoteza sa perspicace (5, 6).
Știam că glucagonul era principalul semnal on pentru cetogeneza hepatică (7). Odată inițiată, rata de producere a cetonelor depinde de nivelul de acizi grași cu lanț lung care ajung în ficat. Semnalarea glucagonului declanșează fosforilarea și activarea AMPK. La rândul său, AMPK fosforilează cele două acetil-CoA carboxilaze, blocând astfel sinteza de malonil-CoA. În același timp, sporește distrugerea malonil-CoA prin activarea malonil-CoA decarboxilazei (Figura (Figura1).1). Scăderea numărului de malonil-CoA oprește sinteza acizilor grași și activează CPT1 și cetogeneza (8). Am arătat, de asemenea, că sistemul malonil-CoA funcționează în mușchiul scheletic și cardiac, deși aceste țesuturi nu produc cetone (9).
Adaptat cu permisiunea Annals of the New York Academy of Sciences (8).
În mod interesant, am descoperit ulterior că interacțiunea malonil-CoA și a carnitinei cu CPT1 sunt diferite în ficat și în mușchi. Inhibarea CPT1 din ficat necesită o concentrație de zece ori mai mare de malonil-CoA decât inhibarea CPT1 din mușchi și inimă. În schimb, Km pentru carnitină este mult mai mic în ficat decât în mușchi. Aceste diferențe au devenit importante atunci când am clonat și secvențiat enzimele hepatice și musculare.
Diminuarea concentrației de malonil-CoA salvează vieți în timpul postului de peste zi și, mai important, în timpul postului prelungit sau al înfometării (1, 2). Cu toate acestea, ea poate fi, de asemenea, mortală în cazul diabetului de tip 1 necontrolat, în care concentrațiile marcat crescute de acizi grași cu lanț lung mută starea chimică de la cetoza modestă la cetoacidoza în toată regula, dacă nu este tratată (10).
O problemă mai gravă decât scăderea tranzitorie a malonil-CoA apare la persoanele care adăpostesc deficiențe genetice în enzimele care controlează nivelurile de carnitină și oxidarea grăsimilor. Deficitul sistemic de carnitină datorat unei mutații în transportatorul de carnitină OCTN2 a fost prima cauză identificată a sindromului de hipoglicemie hipocetonică, care poate duce la moartea subită a sugarului (11). Deficitul de carnitină provoacă, de asemenea, insuficiență hepatică, amoniac ridicat, edem cerebral, aritmii cardiace, cardiomiopatie și slăbiciune musculară cu rabdomioliză.
În retrospectivă, descoperirea sistemului de reglare a malonil-CoA a avut un impact mult dincolo de problema cetogenezei. Sistemul este activ în hipotalamus, unde contribuie la reglarea aportului alimentar, în inimă, unde oxidarea acizilor grași influențează rezultatul infarctului miocardic, și în ficat, unde steatoza non-alcoolică poate fi diminuată prin oxidarea crescută a acizilor grași, și este relevant în obezitate, unde creșterea funcției mitocondriale poate cauza pierderea în greutate.
L-am cunoscut pe profesorul Krebs când a predat la UT Southwestern la cursul de biochimie pentru studenții din primul an, timp de mai mulți ani. A fost remarcabil și emoționant faptul că el, descoperitorul ciclului acidului citric, ne-a felicitat pentru rezolvarea cetogenezei.
.