Notas sobre doenças congénitas da oxidação em β

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Notas sobre doenças congénitas da oxidação em β
Índice
1 Introdução .................................................................................................................................................. 1
2
Patogenia nas deficiências congénitas da oxidação em β .......................................................................... 1
2.1
O sistema da carnitina. Défices primário e secundário de carnitina. ................................................. 1
2.2
O défice de carnitina-palmitil transférase II ...................................................................................... 2
2.3
As desidrogénases de acil-CoA e o défice de MCAD ....................................................................... 2
2.4
A conversão de ∆2-trans-enoil-CoA em acetil-CoA.......................................................................... 4
3 Sintomas e sinais clínicos associados às deficiências da oxidação em β; sua prevenção e tratamento. .... 4
1 Introdução
A oxidação em beta é uma via metabólica que
tem particular relevância durante o jejum. Consiste
na oxidação dos ácidos gordos que se convertem em
acetil-CoA. Ocorre quer nas mitocôndrias, quer nos
peroxissomas mas o processo é mais ativo nas
mitocôndrias. Com exceção dos eritrócitos existe em
praticamente todos os órgãos e células; no caso do
cérebro, contudo, o processo é demasiado diminuto
para ter relevância do ponto de vista energético.
Nos músculos, o destino metabólico da acetilCoA formada é a oxidação completa a CO2 no ciclo
de Krebs mas, no fígado, para além deste, um outro
destino é possível: a conversão em corpos cetónicos
no ciclo de Lynen. O acetoacetato e o βhidroxibutirato formados no fígado podem, nos
tecidos extra-hepáticos (cérebro incluído), ser
reconvertidos em acetil-CoA e este ser oxidado no
ciclo de Krebs.
A importância da oxidação em β (e da
formação/oxidação dos corpos cetónicos) no
metabolismo energético fica evidente em situações
patológicas em que há défices enzimáticos ou de
transportadores que a comprometem. Todas estas
deficiências são doenças autossómicas recessivas em
que ocorrem mutações nos dois alelos dos genes
pertinentes.
Os sintomas e sinais clínicos associados a estes
défices podem ser uma consequência da deficiência
de síntese de ATP na situação nutricional em que
esta síntese está dependente da oxidação dos ácidos
gordos (jejum) ou da acumulação de intermediários
que podem ter efeitos tóxicos.
Sendo a oxidação em β mais relevante quando a
insulina e a glicemia estão diminuídas durante o
jejum não será surpreendente a observação de que os
sintomas e sinais clínicos associados às deficiências
da oxidação em β possam frequentemente revelar-se
apenas (ou sofrer agravamentos) neste estado
nutricional. O facto de o consumo de ATP estar
aumentado em situações de infeção (nomeadamente
com febre) ou em situações em que aumenta a
atividade física ajuda a explicar que as crises
ocorram mais frequentemente quando estas
condições também se verificam.
Durante o jejum a insulina baixa o que provoca
aumento da hidrólise de triacilgliceróis no tecido
adiposo com libertação aumentada de ácidos gordos
para o plasma. Este fenómeno que se acompanha de
diminuição da glicemia leva ao aumento dos ácidos
gordos livres plasmáticos. Os ácidos gordos vão
entrar para as células e, por ação da sintétase de acilCoA, vão originar acis-CoA. A esmagadora maioria
dos ácidos gordos têm 16 ou 18 carbonos e as
sintétases de acil-CoA que atuam nestes ácidos
situam-se fora da mitocôndria. Contudo, as enzimas
da oxidação em β capazes de interagir com os acisCoA formados são intramitocondriais o que implica
a entrada destes para dentro da mitocôndria.
2 Patogenia nas deficiências
congénitas da oxidação em β
2.1 O sistema da carnitina. Défices
primário e secundário de
carnitina.
O processo de entrada dos acis-CoA para a
mitocôndria envolve a ação de duas transférases
(carnitina-palmitil transférase I e II), de uma
translocase (trocador carnitina/acil-carnitina) e
depende da presença de carnitina (β-hidroxitrimetilamino-butirato), um aminoácido que (embora
não faça parte da proteínas) está normalmente
presente na dieta e que também pode ser sintetizado
endogenamente.
A entrada de carnitina do plasma para as fibras
musculares assim como a sua recaptação do filtrado
glomerular para as células tubulares renais é um
processo de transporte ativo secundário dependente
do Na+ e o transportador denomina-se OCTN2
(organic cation/carnitine transporter 2). Quando
existem mutações no gene codificador da OCTN2 há
défice de recaptação renal da carnitina: a carnitina
que é filtrada no glomérulo renal acaba por se perder
na urina e as concentrações plasmáticas e celulares
de carnitina descem. Esta condição designa-se de
défice primário de carnitina e é uma das causas
possíveis de deficiência na oxidação em β. O seu
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tratamento consiste na administração de carnitina em
doses farmacológicas e é eficaz.
Para além do défice de OCTN2 outras causas que
podem comprometer a entrada de acis-CoA para a
mitocôndria e, consequentemente, a oxidação em
beta são os défices da carnitina-palmitil transférase
I, da carnitina-palmitil transférase II e da translocase
da carnitina/acil-carnitina.
A carnitina-palmitil transférase I é uma enzima
situada na membrana externa da mitocôndria que
catalisa a transferência do resíduo acilo de acis-CoA
para a carnitina formando-se acil-carnitina. Quando,
por mutação no seu gene, há défice nesta enzima um
dos sinais analíticos que podem ajudar ao
diagnóstico é o aumento na concentração da
carnitina livre plasmática com diminuição das acilcarnitinas. A carnitina total (somatório de carnitina
livre e esterificada) também está aumentada nesta
condição patológica.
Em todas as outras patologias congénitas da
oxidação em β em que estão comprometidos passos
situados a jusante da ação da carnitina-palmitil
transférase I pode haver acumulação de acilcarnitinas. Porque as acil-carnitinas são inibidoras da
OCTN2, uma das consequências desta acumulação é
a inibição da recaptação tubular renal de carnitina.
Assim, um dos sinais que pode estar presente nos
défices da oxidação em β em passos situados a
jusante da ação da carnitina-palmitil transférase I é a
diminuição da concentração plasmática quer da
carnitina livre quer da carnitina total. Este défice de
carnitina diz-se secundária porque resulta do
aumento das acil-carnitinas que bloqueiam a
recaptação de carnitina no rim. Quando o défice
enzimático (ou da translocase) leva à acumulação de
acil-carnitinas contendo resíduos de ácidos gordos
de cadeia longa uma das consequências pode ser a
ocorrência de arritmias no coração porque estas acilcarnitinas alteram a função de canais iónicos
situados na membrana sarcoplasmática das células
do miocárdio.
Depois de formada, a acil-carnitina entra para
dentro da mitocôndria por ação da translocase
carnitina/acil-carnitina que se situa na membrana
mitocondrial interna: o processo envolve a saída de
carnitina livre para fora da mitocôndria. Dentro da
mitocôndria, por ação catalítica da carnitina-palmitil
transférase II (situada na membrana mitocondrial
interna) a acil-carnitina transfere o seu resíduo acilo
para a coenzima A formando-se acil-CoA e carnitina
livre. Défices da translocase são muito raros, mas os
défices da carnitina-palmitil transférase II são, a par
com o défice de desidrogénase de acil-CoA de
cadeia média (MCAD), um dos défices enzimáticos
hereditários mais frequentes.
2.2 O défice de carnitina-palmitil
transférase II
Numa das formas clínicas de apresentação do
défice de carnitina-palmitil transférase II (a forma
mais benigna) os doentes tem uma vida normal
exceto se, em jejum, fizerem exercício físico. Nesse
caso, a incapacidade para oxidar de forma adequada
os ácidos gordos plasmáticos e sintetizar ATP num
quadro hormonal e nutricional em que a oxidação
dos glicídeos está prejudicada, leva a incapacidade
muscular associada a dor que podem ser sintomas de
lesão
das
fibras
musculares
esqueléticas
(rabdomiólise). Evitar o exercício físico é uma
medida preventiva que deve ser aconselhada a estes
doentes. Nesta condição a doença pode ser
silenciosa.
A forma de apresentação referida acima
corresponde muitas vezes a mutações em que o
produto formado (a enzima) ainda tem alguma
atividade enzimática residual. Nas mutações que
resultam na anulação da atividade da carnitinapalmitil transférase II a apresentação clínica pode ser
mais grave. Na chamada forma neonatal severa o
recém-nascido pode ter insuficiência cardíaca,
arritmias, fraqueza muscular, convulsões, alterações
de consciência e pode ter também malformações
congénitas cerebrais e renais. É uma situação de
muito mau prognóstico com uma sobrevida que, em
geral, é curta (poucos anos).
2.3 As desidrogénases de acil-CoA e o
défice de MCAD
O primeiro passo da oxidação em beta
propriamente dita é catalisado por desidrogénases de
acil-CoA. As desidrogénases de acil-CoA são
enzimas que têm como grupo prostético o FAD e
que catalisam a conversão dos acis-CoA em ∆2trans-enoil-CoA. Os eletrões aceites pelo FAD
levam à redução deste a FADH2. Seguidamente os
eletrões serão captados sequencialmente pela ETF
(flavoproteína de transferência de eletrões – uma
oxiredútase da matriz) e pela oxiredútase da ETF-Q.
Quer a ETF quer a oxiredútase da ETF-Q têm, tal
como a desidrogénase de acil-CoA, o FAD como
grupo prostético. A oxiredútase da ETF-Q é uma
enzima da membrana interna da mitocôndria que
catalisa a transferência dos eletrões entre a ETF e a
ubiquinona (coenzima Q). A subsequente oxidação
do ubiquinol pelo oxigénio envolve a ação dos
complexos III e IV da cadeia respiratória.
Apesar de a expressão “desidrogénase de acilCoA” poder ser usada no singular, a atividade de
conversão de acil-CoA em ∆2-trans-enoil-CoA é, no
homem, catalisada por 4 desidrogénases de acil-CoA
(isoenzimas) com especificidades diferentes
relativamente ao tamanho da cadeia carbonada dos
resíduos dos ácidos gordos ligados ao CoA. Há
algum grau de sobreposição entre as especificidades
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destas diferentes desidrogénases, mas as suas
designações derivam do tamanho da cadeia
carbonada dos substratos sobre os quais têm
preferência. A desidrogénase de acil-CoA de cadeia
muito longa (VLCAD; da expressão inglesa “Very
Long Chain Acyl-CoA Dehydrogenase”) tem maior
atividade quando a cadeia tem entre cerca de 24 e 14
carbonos e existe na membrana mitocondrial interna.
As restantes 3 desidrogénases de acil-CoA são
enzimas da matriz mitocondrial. A desidrogénase de
acil-CoA de cadeia média (MCAD; da expressão
inglesa “Medium Chain Acyl-CoA Dehydrogenase”)
atua preferencialmente em acis-CoA em que o
resíduo acilo tem entre 12 e 4 carbonos e a
desidrogénase de acil-CoA de cadeia curta (SCAD;
da expressão inglesa “Short Chain Acyl-CoA
Dehydrogenase”) entre 6 e 4 carbonos. Existem
dúvidas acerca da real atividade da 4ª desidrogénase
de acil-CoA; designa-se por desidrogénase de acilCoA de cadeia longa (LCAD; da expressão inglesa
“Long Chain Acyl-CoA Dehydrogenase”), mas é
possível que os seus substratos naturais sejam ácidos
gordos ramificados.
Neste grupo de enzimas o defeito enzimático
mais frequente é o défice de MCAD. Como já
referido é uma das doenças genéticas mais
frequentes que se conhecem e tem uma incidência
que foi estimada em 1/10000 nascimentos.
De facto, a esmagadora maioria dos doentes só
tem sintomas e sinais clínicos quando as condições
metabólicas implicam lipólise aumentada e
diminuição da oxidação dos glicídeos (jejum).
Seriam condições que, normalmente, envolveriam
aumento da oxidação em β e da síntese de corpos
cetónicos mas que, neste caso, estão comprometidas.
No fígado, o défice de oxidação em β leva a
diminuição da produção de ATP e de acetil-CoA o
que compromete a gliconeogénese: a gliconeogénese
usa o ATP formado na oxidação em β como fonte de
energia para a síntese de glicose e o acetil-CoA é
ativador
alostérico
de
uma
enzima
da
gliconeogénese, a carboxílase do piruvato. O défice
de formação de acetil-CoA também compromete a
síntese de corpos cetónicos pois o acetil-CoA
formado na oxidação em β é o substrato do ciclo de
Lynen.
A
hipoglicemia
(resultante
do
comprometimento da gliconeogénese) sem um
aumento compensador dos corpos cetónicos são uma
combinação que pode pôr em causa a função
cerebral. Estas crises de hipoglicemia hipocetótica
são frequentemente provocadas pelo jejum que pode
ser uma consequência da recusa alimentar que
ocorre, por falta de apetite, durante infeções virais.
Estas infeções são banais numa criança normal, mas
podem pôr em risco a vida dos doentes com défice
de MCAD. Evitar as situações de jejum e
administrar uma dieta rica em hidratos de carbono
sobretudo em caso de infeções intercorrentes ou
mesmo recorrer à infusão intravenosa de soro
glicosado são medidas que, normalmente, previnem
a instalação do coma e eventuais lesões cerebrais
irreversíveis. No entanto, estão descritos casos de
morte súbita nestes doentes e o défice de MCAD é
uma das possíveis causas do Síndrome de Morte
Súbita do Recém-nascido (SIDS; da expressão
inglesa “Sudden Infant Death Syndrome”).
Nesta condição patológica, o bloqueio no
processo oxidativo ocorre quando os acis-CoA
formados atingem, após alguns “ciclos de
encurtamento”, um tamanho de cadeia que os faria
substratos da MCAD. Estando esta enzima
deficiente, os acis-CoA de cadeia média acumulamse na mitocôndria. O octanoil-CoA é um exemplo e
quando este composto se acumula na mitocôndria
pode ter várias “vias de escape”.
Uma destas “vias de escape” é a sua hidrólise
com libertação de ácido octanóico não esterificado.
O ácido octanóico pode sair da mitocôndria de
forma independente do sistema da carnitina e passar
para o sangue. A hipoglicemia hipocetótica
característica das crises que ocorrem nesta patologia
pode contribuir para a obnibulação da consciência e
o coma. No entanto, nos doentes com défice de
MCAD, estas alterações cerebrais podem também
ser, em parte, causadas pelos efeitos narcóticos do
ácido octanóico.
O ácido octanóico e outros ácidos gordos não
esterificados que escapam para o citoplasma são
substratos de oxigénases do retículo endoplasmático
do fígado e rim. Por ação de uma enzima da família
dos citocromos P450, os ácidos gordos sofrem
oxidação em ómega (o último carbono) sendo, num
primeiro passo, hidroxilados nesse carbono. As
reações subsequentes envolvem a ação da
desidrogénase alcoólica e da desidrogénase de
aldeídos que levam à formação de ácidos
dicarboxílicos. O ácido dicarboxílico com 8
carbonos designa-se de ácido subérico. Quando há
défice de MCAD a excreção urinária aumentada de
ácido subérico pode indicar o diagnóstico.
O octanoil-CoA que se acumulou pode ter uma
“segunda via de escape”. O octanoil-CoA
acumulado pode reagir com carnitina livre (por
ação da carnitina-palmitil transférase II a catalisar a
reação inversa da que normalmente opera)
formando-se
octanoil-carnitina
que
acaba
aparecendo no plasma onde, quando detetada, pode
ser útil no diagnóstico. Também pode ser útil para o
diagnóstico o défice secundário de carnitina (não
esterificada e total) que, como já referido, é causado
pela inibição da OCTN2 pelas acil-carnitinas. O
facto de os doentes com défice de MCAD não terem
arritmias cardíacas faz supor que, ao contrário das
acil-carnitinas de cadeia longa, as acil-carnitinas de
cadeia média não alteram a atividade dos canais
iónicos das membranas. Uma “terceira via de
escape” é a transferência do resíduo de ácido
octanóico do octanoil-CoA (ou de ácido hexanoico
do hexanoil-CoA) para a glicina formando
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octanoil-glicina (ou hexanoil-glicina) que acaba por
passar para o plasma e ser excretada na urina. A sua
deteção na urina pode ser um dado importante para o
diagnóstico do défice de MCAD.
2.4 A conversão de ∆2-trans-enoil-CoA
em acetil-CoA
O ∆2-trans-enoil-CoA é substrato da hidrátase e
também aqui, à semelhança da desidrogénase de
acil-CoA,
existem
duas
isoenzimas
com
especificidades que dependem do tamanho da
cadeia: uma isoenzima designa-se hidrátase de
cadeias longas e a outra crotónase. Em ambos os
casos o produto da reação é um β-hidroxiacil-CoA
que é substrato da desidrogénase do β-hidroxiacilCoA.
Tal como no caso da hidrátase também existem
duas desidrogénases do β-hidroxiacil-CoA: uma
designa-se desidrogénase do β-hidroxiacil-CoA de
cadeias longas (LCHAD; da expressão inglesa
“Long Chain Hydroxy-Acyl-CoA Dehydrogenase”)
e outra desidrogénase do β-hidroxiacil-CoA de
cadeias curtas (SCHAD; da expressão inglesa “Short
Chain Hydroxy-Acyl-CoA Dehydrogenase”). Na
atividade das desidrogénases do β-hidroxiacil-CoA o
agente oxidante é o NAD+. A reoxidação do NADH
formado no processo depende da ação dos
complexos I, III e IV da cadeia respiratória sendo,
como sempre, o oxigénio o oxidante último.
Em cada ciclo de encurtamento o último passo é
a ação de uma tiólase: uma transférase em que o
CoA funciona como substrato aceitador do resíduo
acilo encurtado de dois carbonos e em que também
se liberta acetil-CoA. Neste passo existem 3
isoenzimas: tiólase de cadeias longas, de cadeias
médias e de cadeias curtas.
Na realidade, a hidrátase de cadeias longas, a
LCHAD e a tiólase de cadeias longas são 3
atividades de uma mesma proteína que se situa na
membrana mitocondrial interna e se designa por
proteína mitocondrial trifuncional (MTP; da
expressão inglesa “Mitochondrial Trifunctional
protein”).
Como causas de deficiência congénita na
oxidação em β foram apontados neste texto apenas
alguns exemplos mas, na literatura científica, estão
descritos défices enzimáticos em quase todas as
enzimas/isoenzimas da oxidação em β.
3 Sintomas e sinais clínicos
associados às deficiências da
oxidação em β; sua prevenção e
tratamento.
A propósito da deficiência de MCAD, já foi
referido que uma das apresentações clínicas dos
défices enzimáticos da oxidação em β são crises de
hipoglicemia hipocetótica e também foi referida a
importância da prevenção do jejum e da dieta
hiperglicídica nestes doentes.
Também foi referido que o tratamento do défice
primário de carnitina consiste na administração de
carnitina e que a prevenção das crises de
rabdomiólise consiste em evitar o exercício físico.
A ETF e as oxiredútase de ETF-Q são enzimas
que têm como grupo prostético o FAD que é um
derivado da vitamina B2 (riboflavina). Alguns casos
de défice de ETF ou da oxiredútase de ETF-Q
respondem ao tratamento com doses elevadas desta
vitamina.
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