Efeitos in vitro do ácido 3-hidroxiisobutírico sobre parâmetros bioquímicos do metabolismo energético em cérebro de ratos jovens

Abstract

A acidúria 3-hidróxiisobutírica é uma doença metabólica hereditária causada pela deficiência da atividade da 3-hidroxiisobutiril-Coenzima A desidrogenase. Acúmulo tecidual e alta excreção urinária do ácido 3- hidroxiisobutírico são as características bioquímicas desta desordem. As manifestações clínicas são heterogêneas, geralmente incluindo achados dismórficos, atraso no desenvolvimento motor, retardo mental severo e encefalopatia aguda. A acidemia láctica também ocorre nos pacientes afetados, indicando que uma disfunção mitochondrial pode estar envolvida na fisiopatogenia desta doença. Portanto, o objetivo do presente trabalho foi investigar o efeito in vitro do ácido 3-hidroxiisobutírico (0,1; 0,5 e 1,0 mM) sobre a atividade de enzimas essenciais para o metabolismo energético, tais como os complexos I-V da cadeia respiratória, creatina quinase total, citosólica e mitocondrial e Na+, K+-ATPase em homogeneizados de córtex cerebral de ratos de 30 dias de idade. Também medimos o consumo de oxigênio em preparações mitocondriais de cérebro total na presença de ácido 3-hidroxiisobutírico. O ácido 3-hidroxiisobutírico inibiu significativamente o complexo I-III (20%), sem afetar as outras atividades da cadeia respiratória Além disso, o ácido 3-hidroxiisobutírico não alterou o estado III, estado IV e o índice de controle respiratório na presença de glutamato/malato ou sucinato, sugerindo que seu efeito sobre a respiração celular foi de pequena intensidade. Por outro lado as atividades da creatina quinase total e mitocondrial, mas não citosólica, foram inibidas (30%) pelo ácido 3- hidroxiisobutírico. Também verificamos que a inibição provocada por esse ácido sobre a atividade mitocondrial da creatina quinase foi completamente prevenida por pré-incubação dos homogeneizados com glutationa reduzida, α-tocoferol ou a combinação de superóxido desmutase com catalase, indicando que esta inibição foi mediada por oxidações de grupos tióis essenciais para a enzima e provavelmente pelos radicais superóxido, peróxido de hidrogênio e/ou peroxilas. Também demonstramos que a atividade da Na+, K+-ATPase da membrana plasmática sináptica foi marcadamente reduzida (37%) pelo ácido 3-hidroxiisobutírico e que esse efeito foi prevenido pela co-incubação com α-tocoferol, sugerindo que radicais peroxilas estavam provavelmente envolvidos nesta ação. Considerando a importância das atividades enzimáticas afetadas pelo ácido 3-hidroxiisobutírico para o metabolismo cerebral e para a neurotransmissão, sugerimos que os aumentos teciduais das concentrações desse ácido possam contribuir para a neurodegeneração dos pacientes afetados pela acidúria 3-hidroxiisobutírica, e possivelmente expliquem achados prévios de elevada produção e excreção de lactato.

3-Hydroxyisobutyric aciduria is an inherited metabolic disease caused by 3- hydroxyisobutyryl-CoA dehydrogenase deficiency. Tissue accumulation and high urinary excretion of 3-hydroxyisobutyric acid is the biochemical hallmark of this disorder. Clinical phenotype is heterogeneous and generally includes dysmorphic features, delayed motor development, profound mental impairment, and acute encephalopathy. Lactic acidemia is also found in the affected patients, indicating that mitochondrial dysfunction may be involved in the pathophysiology of this disorder. Therefore, the aim of the present work was to investigate the in vitro effect of 3-hydroxyisobutyric acid (0.1, 0.5 and 1mM) on essential enzymes of energy metabolism, namely the activities of the respiratory chain complexes I-V, total, cytosolic and mitochondrial creatine kinase and Na+, K+-ATPase in cerebral cortex homogenates of 30-day-old rats. We also measured the rate of oxygen consumption in brain mitochondrial preparations in the presence of 3- hydroxyisobutyric acid. 3-Hydroxyisobutyric acid significantly reduced complex I-III (20%), without affecting the other activities of the electron transport chain. Furthermore, 3-hydroxyisobutyric acid did not change state III, state IV and the respiratory control ratio in the presence of glutamate/malate or succinate, suggesting that its effect on cellular respiration was weak. On the other hand, the activities of total and mitochondrial creatine kinase, but not cytosolic creatine kinase, were inhibited (30%) by 3-hydroxyisobutyric acid. We also observed that 3- hydroxyisobutyric acid-induced inhibition of mitochondrial creatine kinase activity was fully prevented by pre-incubation of the homogenates with reduced glutathione, α-tocopherol or the combination of superoxide dismutase plus catalase, suggesting that this inhibition was mediated by oxidation of essential thiol groups of the enzyme probably by superoxide, hydrogen peroxide and/or peroxyl radicals. It was also demonstrated that Na+, K+-ATPase activity from synaptic plasma membranes was markedly suppressed (37 %) by 3-hydroxyisobutyric acid and that this effect was prevented by α-tocopherol co-incubation implying that peroxyl radicals were probably involved in this action. Considering the importance of the affected enzyme activities for brain metabolism homeostasis and neurotransmision, it is suggested that increased tissue levels of 3- hydroxyisobutyric acid may contribute to the neurodegeneration of patients affected by 3-hydroxyisobutyric aciduria and possibly explain previous reports describing elevated production and excretion of lactate.