Defeitos da ß-oxidação mitocondrial

Descreve-se um caso fatal de deficiência em 3-hidroxil-acil-CoA desidrogenase de cadeia longa (LCHAD), que participa da reação de desidorgenação associada a NAD, atuando sobre subastratos de cadeia média e longa.

A maioria dos defeitos da beta-oxidação  mitocondrial dos acidos graxos manifesta-se nos primeiros meses de vida em episodios recorrentes de hipoglicémia não cetótica, miopatia, disfunção hepática severa e cardiomiopatia.

Foram feitas exames em um paciente, onde a análise dos ácidos orgânicos urinários  revelou a presença de acidúria discarboxílica compatível com a deficiência em LCHAD. E a análise dos ácidos monocarboxílicos, os quais são quase todos retidos na corrente sanguínea, devido á polaridade que a sua estrutur química lhe confere. Confirmando a acumulação dos ácidos 3-hidroxi-monocarboxílicos provenientes do bloqueio ao nível da  LCHAD. Sendo iniciada a terapia com carnitina na tentativa de incrementar a excreção dos metabolitos tóxicos. A capacidade de oxidação global foi testada, sendo detectado uma oxidação anómala do ácido palmitico ( por ser um ácido graxo, sofre ß-oxidação, na qual ocorre sete reações oxidativas, perdendo em cada uma delas dois átomos de carbono na forma de acetil-CoA). A atividade defieciente da LCHAD foi confirmada por estudos enzimátcios fibroblastos.

Alterações metabólicas associadas a ß-oxidação mitocondrial dos ácidos graxos levam á diminuição da pool de radicais acetil CoA e consequentemente á produção deficitária de corpos cetónicos provocando desiquilíbrio na homeostase energética. Crises de hipoglicémia foram observados na maioria dos casos descritos. As crises são recorrentes quando o portador da doença fica um longo período de jejum. Mas na paciente do estudo a instituição da dieta fracionada não evitou a repetição das crises.

Todos os defeitos da ß oxidação foram associadas à presença de acidúria dicarboxílica. Sendo a presença de acidúria 3-hidroxi-dicarboxília associada à deficiência em 3-hidroxil-acil-CoA desidrogenase. 

Os defeitos do metabolismo da glucose e do glicogénio foram considerados mas os estudos, na paciente, não reveleram alterações. A detecção de acidose lática tem sido referida em alguns casos, mas não é um dado típico dos defeitos da ß-oxidação. O mecanismo envolvido não é ainda conhecido, mas estudos indicam que os intermediários da oxidação dos ácidos graxos que se acumulam nos déficits das acil-CoA desidrogenases de cadeia longa inibem o sistema da fosforilação oxidativa o que pode explicar a inibição da oxidação do piruvato nesses doentes.

Na paciente, quando em jejum, foi notado o apareciemento de hipoglicémia e de acidúria 3-hidroxi-dicarboxílicos superior à dos dicarboxílicos não substituidos. Como também foi detectada a diminuição do teor de carnitina (responsáveis pela oxidação lipídica, sem carnitina suficiente a gordura não entra na mitocôndria e pode retornar ao sangue como forma de triglicerídeos, e a interrupção das suas funções leva a hepatite, ao aumento da gordura muscular e afeta os sintomas neurológicos)  total plasmática.

A paciente não sobreviveu, tendo uma insuficiência cardiaca refractária. Provavelmente a eficácia da terapia depende do estado do doente. Assim a suspeita da alteração da oxidação dos ácidos graxos deve ser colocada quando obseravdos distúrbios na homeostase energética.

Fontes: http://repositorio.chlc.min-saude.pt/bitstream/10400.17/2186/1/Acta%20Pediatr%20Port%201997_28_361.pdf

https://pt.wikipedia.org/wiki/Carnitina

https://books.google.com.br/books?id=8fdzDancvKMC&pg=PA144&lpg=PA144&dq=3-hidroxiacil-CoA+desidrogenase+rea%C3%A7%C3%A3o&source=bl&ots=RkHhPWDvPm&sig=LMkEe0X1oMer-lyr5Trm3-8z-to&hl=pt-BR&sa=X&ved=0ahUKEwj4s_eVjLjJAhUBoJAKHQx-CXwQ6AEIMzAD#v=onepage&q=3-hidroxiacil-CoA%20desidrogenase%20rea%C3%A7%C3%A3o&f=false

Doença de Alexander

A doença de Alexander é um distúrbio raro provocado por uma mutação no gene que codifica o NADH: ubiquinona oxirredutase flavoproeteína-1. A transmissão da doença é autossômica dominante. A maioria dos neonatos afetados representa novas mutações.  A doença pertence ao grupo das leucodistrofias, ou seja, é uma doença que afeta a substância branca cerebral que é composta, entre outras estruturas, por células designadas de astrócitos. É nestas últimas que decorre o processo patológico que leva à doença.

No passado, o diagnóstico dependia de autópsia. As características clínicas foram expandidas com a precisão do diagnóstico ante mortem.  São identificadas formas infantis, juvenis e adultas. A forma infantil é a mais comum. (Piña Garza, J.Eric. 2000, p.130).  

O início se dá a qualquer momento desde o nascimento até o início da infância. Em média, nas formas infantis, a idade de início da doença é aos seis meses e a sobrevivência, após o diagnóstico, é em média de 2 anos e 4 meses. Os lactentes afetados exibem interrupção e regressão do desenvolvimento psicomotor, aumento do crânio secundário à megalencefalia, espasticidade e convulsões. A megalencefalia pode ser a característica inicial.

Diagnóstico: Anomalias extensivas da substância branca cerebral com preponderância frontal, uma borda periventricular com redução da intensidade do sinal nas imagens ponderadas em T2 e intensidade de sinal elevada nas imagens ponderadas em T1 (que traduzem a hiperplasia e hipertrofia dos astrócitos e a deposição de elevado número de fibras de Rosenthal), anomalias dos gânglios basais e do tálamo, anomalias do tronco encefálico, particularmente as que envolvem o bulbo e o mesencéfalo e a intensificação do contraste em um ou mais dos seguintes: revestimento ventricular, margem periventricular, substância branca frontal, quiasma óptico, fórnice, gânglios da base, tálamo, núcleo denteado, tronco encefálico. Não existe tratamento para esta doença. 
Faz se necessário o acompanhamento do enfermo ao neurologista e o tratamento é de suporte.

Cérebro de um menino de 4 anos de idade com doença Alexander mostrando macroencefalia e leucomalácia periventricular (note descoloração acastanhada ao redor dos ventrículos cerebrais)

Fontes: 

Piña Garza, J.Eric. Fenichel Neurologia pediátrica. Sinais e sintomas. 3ª ed. Rio de Janeiro: Revinter; 2000.

Levy Gomes, Teresa Moreno, Sofia Quintas. Doença de Alexander. A Propósito de um caso. Acta Pediatr. Port., 2004; Nº 3; Vol. 35: 291-294. Disponível em <http://actapediatrica.spp.pt/issue/view/338>. Acesso em 29/11/2015.

http://lr.rarissimas.pt/pt/doencas_raras/118/alexander-doenca

Síndrome de Pearson

A síndrome de Pearson é uma citopatia mitocondrial, rara, causada por uma anomalia na fosforilação oxidativa, que envolve o sistema hematopoiético, habitualmente fatal na infância. Foi descrita pela primeira vez em 1979, como anemia macrocítica refratária, vacuolização dos precursores da medula óssea e disfunção do pâncreas exócrino, sendo posteriormente publicados vários casos com envolvimento do fígado e dos rins, sendo considerada uma doença multissistémica.

As manifestações clínicas podem surgir durante o primeiro ano de vida e na maioria dos casos a morte ocorre antes dos 3 anos de idade.

A anemia macrocítica com vacuolização das células precursoras do sistema hematopoiético da medula óssea constitui um importante achado para o diagnóstico, porém estas alterações podem não estar presentes. Alguns doentes podem ter uma anemia macrocítica grave que os torna dependentes de transfusões frequentes. Podem apresentar neutropénia e trambocitopénia de gravidade variável. Insuficiência pancreática exócrina, dismotilidade, vômitos, gastroparésia e a pseudo-obstrução são manifestações gastrointestinais características da doença. Manifestações endócrinas de diabetes insulino-dependente são descritas também. Alguns doentes têm manifestações hepáticas, com esteatose microvesicular, hemossiderose, cirrose e insuficiência hepática.

Pela diversidade das manifestações clínicas e envolvimento de vários órgãos o diagnóstico da doença é difícil. A sua confirmação é feita pelo estudo molecular do DNA mitocondrial na biópsia muscular ou em qualquer outro órgão envolvido. A gravidade clínica dos sintomas não tem relação com a proporção nem com a taxa das deleções do DNA mitocondrial. O tratamento é de suporte e não altera a evolução da doença. 

Fonte:

Almeida, E; Loureiro, H; Almeida, HI; Machado, MC; Cabral, A; Vilarinho, L. Síndrome de Person. Caso Clínico. Acta Pediátrica Portuguesa 2007; 38(2): 79-81. Disponível em < http://repositorio.hff.min-saude.pt/handle/10400.10/80>.  Acesso em 29/11/2015.

Danos à mitocôndria por Espécies Reativas de Oxigênio e mecanismos de morte celular que possuem intermédio da mitocôndria

Doenças mitocôndrias em sua maioria das vezes são causadas por mutações, delações ou problemas no DNA mitocondrial, mas não são somente fatores genéticos que podem nos causar problemas, outros fatores de diversas naturezas, podem causar danos às mitocôndrias e danos na própria célula podendo ocasionar sua morte.

As mitocôndrias além de serem fornecedoras de energia para a célula na forma de ATP, são componentes muito importantes no processo de lesão e morte celular. Essas organelas podem sofrer danos por diversos fatores: espécies reativas de Oxigênio, aumento de cálcio no citoplasma, privação de oxigênio, hipóxia, isquemia-reperfusão, exposição a toxinas e a radiação, entre outros. (KUMAR, V. et al. 2008, Patologia básica, Capitulo 1, p.16)

Danos mitocondriais podem causar a abertura na membrana mitocondrial um canal de alta condutância, esse canal, chamado de poro de transição de permeabilidade mitocondrial, faz com que haja a perda do potencial de membrana da mitocôndria e alterações no pH, interferindo assim no processo de fosforilação oxidava, danificando a produção de ATP da organela podendo ocasionar a necrose. Outra causa dos danos mitocondriais podem ser o extravasamento ou escape de algumas proteínas que sinalizam a apoptose, um exemplo dessas proteínas é o citocromo C, proteína que possui um papel muito importante no processo de transferência de elétrons e geração de energia na mitocôndria, Caso o citocromo C extravase para o citoplasma ele pode ativar as caspases e dar início ao processo de apoptose. Outro fatores que podem causar danos à mitocôndria e a seu DNA são as espécies reativas de oxigênio.  

Espécies reativas de Oxigênio (em inglês: ROS), são moléculas que possuem um número ímpar de elétrons não emparelhados em sua camada eletrônica mais externa, são moléculas muito instáveis e podem provocar muitos danos, reagindo com enzimas, lipídeos, membranas e em ácidos nucleicos, podendo causar nesse último danos que podem causar mutações. São exemplos de ROS: Ânion-radical superóxido, Peróxido de hidrogênio, Radical hidroxila entre, outros.

As ROS são normalmente produzidas no processo de fosforilação oxidativa, a respiração celular, mas nós possuímos diversas enzimas e algumas moléculas convertem essas espécies reativas em outras moléculas que não causam danos celulares. São exemplos de antioxidantes: superóxido dismutase, glutationa peroxidase, catalase, entre outras. Quando a produção de ROS ou quando os sistemas antioxidantes apresentam problemas ou são ineficientes, há o acumulo de ROS essa condição é chamada estrese oxidativo.

Devido a sua instabilidade, e capacidade de reagir com diversas moléculas, enzimas e até ácidos nucleicos. O DNA mitocondrial mostrou-se através de estudos de diversos autores, um alvo das ROS. Autores como Yakes e Van Houten mostraram que danos gerados por estresse oxidativo, gerado por peróxido de oxigênio (H₂O₂), foram maiores, mais extensos e persistiram por mais tempo em DNA mitocondrial do que em DNA nuclear de fibroblastos humanos.

Diversos fatores, desde exposição a toxinas e radiação à espécies reativas de oxigênio podem danificar e causar danos em material genético, danos e até morte em células e mitocôndrias.

Fonte:

KUMAR, V.; ABBAS, A. K.; FAUSTO, N.; MITCHELL, R. N. Robbins. Patologia básica. 8. ed. Capítulo 1: Lesão Celular, Morte celular e Adaptações p.1-33 Rio de Janeiro: Elsevier, 2008.

FERREIRA, A.L.A.; MATSUBARA, L.S.. Radicais livres: conceitos, doenças relacionadas, sistema de defesa e estresse oxidativo. Rev. Assoc. Med. Bras.,  São Paulo ,  v. 43, n. 1, p. 61-68, Mar.  1997 . 

ONUKI, Janice et al . Danos ao DNA promovidos por ácido 5-aminolevulínico: possível associação com o desenvolvimento de carcinoma hepatocelular em portadores de porfiria aguda intermitente. Quím. Nova,  São Paulo ,  v. 25, n. 4, p. 594-608, July  2002 ..

NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2011.

Caracterização de miopatias mitocondriais pela avaliação das atividades enzimáticas

Defeitos na cadeia respiratória, são causas importantes nas doenças mitocondriais. Deficiências múltiplas, assim como as deficiências isoladas dos complexos I-IV tem sido descritas. A caracterização das miopatias mitocondriais por critério morfológico não é apropriado, por alguns motivos:  anomalidades morfológicas não distinguem as diferentes miopatias mitocondriais, anomalidades morfológicas das mitondriais não são restritas á síndromes resultantes de erros primários no metabolismo mitocondrial e alterações morfológicas mitocondriais são escassas em paciente com erros definidos no metabolismo mitondrial, como a deficiência em carnitina pailmitol-trasnferase ou deficiência em desidrogenase piruvica. Um diagnóstico mais preciso pode ser feito, como a determinação das atividades enzimáticas mitocondriais no muscúlo esquelético, por meio da biópsia, além de permitir caracterizar os complexos enzimáticos deficientes (Pedroso, F C. Campello, A P. Werneck, L C, Kluppel M L W. Caracterização de miopatias mitocondriais através da avaliação das atividades enzimáticas envolvidas no metabolismo energético. Arq Neuropsiquiatr 1997;55(2):249-257).

Neste estudo foram determinadas as atvidades enzimáticas ligadas a cadeia respiratória: NADH desidrogenase, NADH citocromo c redutase, succinato citocromo c redutase, citocromo c oxidase, e as enzimas citrato sintase e succinato desidrogenase, do ciclo do ácido cítrico.

Foram feitos testes com um grupo de pacientes em que havia suspeita de doença mitocondrial e com um grupo controle. Os dois grupos não apresentaram diferenças significativas nas atividades enzimaticas em função do sexo, idade e origem do musculo esquelético avaliado.

O metabolismo de cada paciente foi examinado com base em sua atividade enzimática.

Paciente EML, apresentou diminuição das enzimas NADH desidrogenase, NADH citocromo  e redutase, succinato desidrogenase, succinato citocromo c redutase e citrato sintase, sendo normal a atividade do citocromo oxidase, comparada ao grupo controle. O que permite concluir deficiencia na cadeia respiratoria, nos complexos I e II. E a deficiência na atividade da enzima citrato sintase indica possiveis anormalidades no metabolismo oxidativo do ciclo do ácido cítrico.

Paciente EST, apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas. O que sugere múltiplas deficiências da cadeia respiratória nos complexos I, II e IV. Sendo o grau de anormalidade nos complexos II e IV maior do que na I.

Paciente GFT, apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas. Sendo a atividade da NADH citrocomo c redutase (complexo I e III) menor que a atividade da NADH desidrogenase (parte do complexo I), o que indica deficiência no complexo III. Os resultados também sugerem deficiência nos complexos I e IV.

Paciente JAS, apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas. O que indicou sério comprometimento no metabolismo energético. E também um comprometimento nos complexos I, II e IV.

Paciente JNN, apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas, menos na citocromo c oxidase. O que permite sugerir deficiências no complexo I e II.

Paciente JS, apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas, a partir dos resultados ficou evidente um sério comprometimento da função mitocondrial desse paciente. O que permite sugerir comprometimento nos complexos I, II, III e IV.

Paciente LOL, apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas. O que sugere deficiências mútiplas na cadeia respiratória, a nível dos complexos I, II, III, IV.

Paciente PPN, apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas, a partir dos resultados ficou evidente um sério comprometimento da função mitocondrial desse paciente. O que permite sugerir comprometimento nos complexos I, II, III e IV.

Paciente RF apresentou atividade enzimática diminuida em todas as enzimas testadas, Sendo a atividade da NADH citrocomo c redutase (complexo I e III) menor que a atividade da NADH desidrogenase (parte do complexo I), o que indica deficiência no complexo III. Os resultados também sugerem deficiência nos complexos I, II e IV.

Paciente ZS, apresentou atividade diminuida nas enzimas: succinato desidrogenase e succinato citocromo c redutase, o que permite caracterizar  deficiência isolada na cadeia respirátoria, a nível do complexo II. Sendo o único paciente em que a deficência se manteve restrita a um complexo respiratório, no qual anormalidades são menos frequentes.

O diagnóstico foi feito de acordo com a porcetagem da atividade enzimática diminuida em cada enzima, comparada com o grupo controle. Nos pacientes em que houve diminuição da atividade enzimática de todas as enzimas, a diferença na porcentagem dessa atividade enzimatica  explica a diferença dos diagnósticos.

Fonte: http://www.scielo.br/pdf/anp/v55n2/13.pdf

A Coenzima Q10 como um tratamento às doenças mitocondriais

Quando um paciente recebe o diagnóstico de que possui alguma doença mitocondrial, é muito comum que o tratamento prescrito pelo médico seja a suplementação de Coenzima Q10, também conhecida com Ubiquinona. A relação dessa coenzima com o metabolismo e a produção de ATP, através da cadeia transportadora de elétrons, explica o porquê da Q10 ser um tipo de tratamento viável no caso de doenças relacionadas às mitocôndrias.

A Ubiquinona é uma coenzima (coenzima é qualquer molécula não proteica cuja associação com uma enzima é indispensável à sua atividade catalítica) de característica hidrofóbica, ou seja, solúvel em lipídeos, e muito pequena, o que torna possível a livre difusão na bicamada lipídica da membrana interna da mitocôndria.

Outra característica indispensável à CoQ é a capacidade de receber de um a dois elétrons ou prótons e transferi-los para outras moléculas, por isso a mesma desempenha um papel central em acoplar o fluxo de elétrons ao movimento de prótons durante a cadeia respiratória.

A ubiquinona pode aceitar um elétron para se tornar o radical semiquinona (*QH) ou dois elétrons para formar o ubiquinol (QH2), isso ocorre durante na cadeia transportadora de elétrons. A coenzima Q trabalha transferindo os elétrons dos complexos I e II para o III, durante esse transporte de elétrons ocorre uma transferência de prótons para o espaço intramembranar, o que aumenta o gradiente químico e elétrico que provoca ativação do complexo ATPsintase, produzindo energia. No vídeo abaixo temos uma melhor explicação para como ocorre o processo da cadeia respiratória (cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa).

*Observação: lembramos a vocês que o complexo II da cadeia transportadora de elétrons não é um complexo transmembrana!

Qualquer alteração, seja ela oriunda de aparecimento esporádico, por herança materna ou por herança mendeliana, que provoque alterações no bom funcionamento da mitocôndria, em geral parece interferir direta ou indiretamente nesse processo de produção de energia, e é por isso que os tecidos mais atingidos por doenças mitocôndrias são aqueles que possuem maior demanda energética, como por exemplo: cérebro, músculos, aparelho auditivo e aparelho ocular.

Em alguns casos o aparecimento de doenças mitocondriais tem relação direta com uma deficiência de ubiquinona, portanto, a suplementação dessa coenzima têm-se mostrado muito benéfica nessas condições, além de amenizar algumas outras doenças mitocondriais não provocadas diretamente pela deficiência de Q10. Mas ainda são necessários estudos mais aprofundados sobre a relação dessa coenzima e o tratamento dessas doenças, de modo a oferecer um maior conforto e longevidade àqueles que possuem essa enfermidade.

Fontes:

Trabalho de Conclusão no Curso de Habilitação em Medicina Biomolecular, por Rogério Leal Santos. 30 de Janeiro de 2012.

E. Nasseh, Ibrahim et al. Doenças Mitocondriais. Rev. Neurociências 9(2): 60-69, 2001.

wikipedia.org/wiki/Coenzyme_Q10

Diabetes mitocondrial

Diabetes é caracterizada por ser uma doença que causa o aumento de concentração de glicose no sangue pela falta ou má absorção de insulina, hormônio produzido pelo pâncreas e cuja função é transportar a glicose para o interior da célula. Por conta dessas alterações causadas pela doença, não é difícil relacioná-la com disfunções mitocondriais, pelo fato da mitocôndria ser um dos principais locais de produção de energia.

“Diabetes mitocondriais” é um caso raro da doença que é causada por uma mutação no DNA da mitocôndria de células beta pancreáticas, e é transmitido maternalmente. Geralmente esse tipo de diabetes está associado com a perda auditiva e é semelhante à diabetes tipo 2. Apesar de serem parecidas, é contra-indicado tratar diabetes mitocondrial com metformina (medicamento utilizado para tratamento de diabetes tipo 2) pelo risco de desenvolver acidose lática.

Uma das causas da Diabetes é a resistência à insulina, isso acontece quando ocorre a produção do hormônio no entanto sua capacidade de transportar as moléculas de glicose para dentro da célula é diminuída. Diabetes Mitocondrial não é caracterizada pela resistência e sim pela diminuição da produção de insulina que é induzida pelo consumo de glicose. Inicialmente a síndrome é apresentada de maneira mais leve, agravada com o passar dos anos (geralmente entre os 35 e 40 anos), sendo que pode desenvolver intolerância oral à glicose antes 70 anos. Uma possível razão que a síndrome seja agravada com a idade deve-se pela disfunção mitocondrial que ocorre hiperglicemia induzida por radicais livres (ROS) e danos oxidativos. As células beta pancreáticas podem ser propensas a danos oxidativos, quando expostas a hiperglicemia, e consequente causando o aumento do cálcio intracelular. Assim, os níveis de equivalentes redutores e consumo de ADP, se tornam elevados resultando no aumento do potencial de membrana o que ocasiona na produção de espécies reativas a oxigênio (SIVITZ, 2004). A quantidade de radicais livres contribui para a apoptose e, provavelmente, também para o estado de diferenciação das células beta pancreáticas.

Outras razões como diminuição das células beta pancreáticas pode ser considerada em relação a progressão da diabetes mitocondrial, pois com essa diminuição das células consequentemente a resposta de liberação de insulina ao ingerir glicose também diminui, fazendo com que ocorra o aumento da glicemia.

A figura apresenta de forma resumida a cadeia respiratória e os passos que contribuem para a formação dos radicais livres, quando o potencial de membrana fica elevado, o gradiente de prótons pode diminuir a taxa de transporte de elétrons através da cadeia, potencializando a produção de radicais livres, que induz hiperglicemia, caracterizando assim a Diabetes.

FONTE:

MAASSEN, J. Mitochondrial Diabetes Molecular Mechanisms and Clinical Presentation. American Diabetes Association, 2003.

Disponível em: <http://diabetes.diabetesjournals.org/content/53/suppl_1/S103.long> Acesso em: 19/11/2015

SIVITZ, W. Mitochondrial Dysfunction in Diabetes: From Molecular Mechanisms to Functional Significance and Therapeutic Opportunities. Antioxidants & Redox Signaling, 2004.

Disponível em: <http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2824521/>. Acesso em: 19/11/2015