Metabólitos acumulados na acidemia propiônica comprometem a bioenergética mitocondrial e a homeostase do cálcio em coração e rins de ratos

Abstract

A acidemia propiônica é um erro inato do metabolismo causado pela deficiência na atividade da enzima mitocondrial propionil-CoA-carboxilase (PCC). A doença é bioquimicamente caracterizada por predominante acúmulo de ácido propiônico (PA) no plasma e clinicamente por severa encefalopatia, além de cardiomiopatia e doença renal crônica. Alta excreção urinária dos ácidos 3-hidroxipropiônico (3OHPA), 2-metilcítrico (2MCA) e maleico (MA) também é reportada nos pacientes. Considerando que os mecanismos patogênicos das alterações cardíacas e renais são praticamente desconhecidos nessa doença, a presente tese investigou os efeitos do PA, 3OHPA, MA e 2MCA (0,05 – 5 mM) sobre críticos parâmetros da homeostase mitocondrial bioenergética e do Ca2+ em preparações mitocondriais e homogeneizados obtidos de coração e rim de ratos Wistar jovens (30 dias de vida), bem como em cultura de células cardíacas (H9c2) e renais (HEK-293). Foram determinados os parâmetros respiratórios estado 3 (estimulado por ADP), estado 4 (estimulado por oligomicina), estado desacoplado (estimulado por CCCP) e razão do controle respiratório (RCR), o potencial de membrana (ΔΨm), o conteúdo de NAD(P)H, a capacidade de retenção de Ca2+ e o inchamento mitocondrial. Além disso, foram avaliados a produção de ATP, a atividade de enzimas do ciclo do ácido cítrico e dos complexos da cadeia respiratória. A viabilidade celular também foi investigada após 24 horas de pré-incubação com o PA e MA. Observou-se que o MA inibiu os estados 3, 4 e desacoplado em preparações mitocondriais de coração e rim utilizando principalmente substratos precursores de NADH (glutamato mais malato, piruvato mais malato, glutamato ou α-cetoglutarato) em comparação ao FADH2 (succinato), que foram associados a uma diminuição na produção de ATP. Por outro lado, o PA e o 3OHPA provocaram efeitos inibitórios sobre a respiração mitocondrial mais moderados, enquanto o 2MCA não causou alterações. Os efeitos marcantes causados pelo MA podem estar em parte relacionados à inibição da α-cetoglutarato desidrogenase e glutamato desidrogenase, além de depleção de CoA pois a inibição da respiração mitocondrial causada pelo MA foi parcialmente revertida por suplementação dessa coenzima. Resultados similares foram obtidos em homogeneizados e cultura de células permeabilizadas desses tecidos, corroborando os achados obtidos em mitocôndrias isoladas. Somando-se a isso, o MA, e o PA em menor extensão, reduziram o ΔΨm, o conteúdo de NAD(P)H e a capacidade de retenção de Ca2+, bem como induziram inchamento em preparações mitocondriais de coração e rim na presença de Ca2+. Esses efeitos foram parcial ou totalmente prevenidos por ciclosporina A e ADP, sugerindo que a abertura do poro de transição de permeabilidade (PTP) mitocondrial possa estar envolvido. Finalmente, o MA reduziu a viabilidade e induziu morte em células renais. Analisando em conjunto, os resultados indicam que o MA, além do PA e 3OHPA de forma mais branda, atuam como inibidores metabólicos, bem como o MA e o PA induzem a abertura PTP, em coração e rins, comprometendo dessa forma a homeostase mitocondrial bioenergética e do Ca2+. Portanto, presume-se que uma disfunção mitocondrial causada pelos metabólitos acumulados na acidemia propiônica possa contribuir para a cardiomiopatia e insuficiência renal crônica que se manifestam nos pacientes acometidos por essa doença.

Propionic acidemia is an inborn error of metabolism caused by a deficiency in the mitochondrial enzyme propionyl-CoA-carboxylase (PCC) activity. The disease is biochemically characterized by predominant propionic acid (PA) accumulation in plasma and clinically by severe encephalopathy, besides cardiomyopathy and chronic kidney disease. High urinary excretion of 3-hydroxypropionic (3OHPA), 2-methylcitric (2MCA), and maleic (MA) acids is also reported in patients. The pathogenic mechanisms of cardiac and renal alterations are practically unknown in this disease, the present thesis investigated the effects of PA, 3OHPA, MA, and 2MCA (0.05 – 5 mM) on critical parameters of mitochondrial bioenergetics and Ca2+ homeostasis in isolated mitochondria and homogenates obtained from heart and kidney of young Wistar rats (30 days old), as well as from cardiac (H9c2) and renal (HEK-293) cell cultures. The respiratory parameters state 3 (ADP-stimulated), state 4 (oligomycin- stimulated), uncoupled state (CCCP- stimulated) and respiratory control ratio (RCR), membrane potential (ΔΨm), NAD(P)H content, Ca2+ retention capacity, and mitochondrial swelling were determined. In addition, ATP production, citric acid cycle enzymes, and respiratory chain complexes activities were evaluated. Cellular viability was also investigated after 24 hours of pre-incubation with PA and MA. It was observed that MA inhibited states 3, 4 and uncoupled respiration in heart and kidney mitochondria using primarily NADH-linked substrates (glutamate plus malate, pyruvate plus malate, glutamate or α-ketoglutarate) as compared to FADH2 (succinate), which were associated with a decrease in ATP production. PA and 3OHPA caused milder inhibitory effects on mitochondrial respiration, and 2MCA did not cause any changes. The marked effects caused by MA may be related to the inhibition of α-ketoglutarate dehydrogenase and glutamate dehydrogenase, and CoA depletion since the inhibition of mitochondrial respiration caused by MA was partially reversed by supplementation of this coenzyme. Similar results were obtained in tissue homogenates and permeabilized cell cultures, corroborating the findings obtained in isolated mitochondria. In addition, MA, and PA, to a lesser extent, reduced the ΔΨm, NAD(P)H content, Ca2+ retention capacity, and induced swelling in Ca2+-loaded heart and kidney mitochondrial preparations. These effects were partial or totally prevented by cyclosporine A and ADP, suggesting mitochondrial permeability transition (MPT) pore opening may be involved. Finally, MA reduced viability and induced kidney cells death. Taken together, the data indicate that MA, and PA and 3OHPA, to a lesser degree, acts as metabolic inhibitors, as well as MA and PA induce MPT in the heart and kidney, thus compromising mitochondrial energy and Ca2+ homeostasis. Therefore, it is presumed that mitochondrial dysfunction caused by the metabolites accumulated in propionic acidemia may contribute to the cardiomyopathy and chronic renal failure that manifest in patients affected by this disease.