Os ácidos fitânico (Fit) e pristânico (Prist) são ácidos graxos saturados de cadeia lateral ramificada, cujas concentrações estão aumentadas em diversas doenças peroxissomais. Os pacientes afetados por esses distúrbios apresentam predominantemente manifestações clínicas neurológicas. As concentrações elevadas do Fit e Prist, que podem chegar a 5000 μM e 300 μM, respectivamente, no plasma dos indivíduos afetados, indicam que estes ácidos graxos possam ser neurotóxicos. Considerando que a fisiopatologia dos sintomas neurológicos dessas doenças ainda não está bem estabelecida, o presente trabalho se propôs a investigar os efeitos in vitro dos ácidos Fit e Prist sobre vários parâmetros do metabolismo energético e sobre a Na+,K+-ATPase em cerebelo e cérebro de ratos jovens. Inicialmente, observamos que o Fit diminuiu a atividade dos complexos da cadeia respiratória I, I-III, II e II-III, sem alterar o IV, indicando que o funcionamento da cadeia respiratória está prejudicado por esse ácido graxo. Além disso, o Fit diminuiu o estado 3 da respiração mitocondrial, achados que refletem uma inibição metabólica. Por outro lado, a atividade da enzima creatina quinase (CK), não foi alterada pelo Fit, enquanto a atividade da enzima Na+,K+-ATPase foi diminuída de maneira acentuada, indicando que a neurotransmissão possa estar prejudicada por esse metabólito. Além disso, o Fit aumentou o estado 4 da respiração mitocondrial e diminuiu os valores do índice de controle respiratório (RCR). O Fit também diminuiu o potencial de membrana, que foi atenuado pela adição de NAC, e o conteúdo de equivalentes reduzidos de NAD(P)H na matriz mitocondrial, sugerindo um efeito desacoplador da fosforilação oxidativa. Já o Prist inibiu a produção de 14CO2 a partir de [1-14C] acetato, sugerindo uma redução da atividade do ciclo do ácido cítrico. O Prist também diminuiu acentuadamente a atividade dos complexos I, II e II-III sem interferir na atividade do complexo IV, o que indica que esse ácido graxo interfere no fluxo dos elétrons pela cadeia respiratória, podendo comprometer a geração de ATP. Além disso, o Prist diminuiu o estado 3 da respiração e a razão ADP/O, achados que indicam uma inibição metabólica e também uma diminuição na eficiência da fosforilação oxidativa provocada por esse ácido graxo. Também determinamos as atividades da enzima CK, que não foi alterada pelo Prist, e da enzima Na+,K+-ATPase que foi significativamente reduzida, o que indica que a manutenção do potencial de membrana necessário para o funcionamento da neurotransmissão possa ser comprometida pelo Prist. Além disso, o Prist aumentou o estado 4 da respiração mitocondrial e diminuiu os valores do índice de RCR. O Prist também diminuiu o potencial de membrana e o conteúdo de equivalentes reduzidos (NAD(P)H) da matriz mitocondrial, achados que sugerem um efeito desacoplador da fosforilação oxidativa. O Prist também provocou inchamento mitocondrial que foi prevenido por ciclosporina e por NacetilcisteÍna, sugerindo o envolvimento do PTP nesse efeito, provavelmente através de mecanismos oxidativos. Nossos resultados sugerem que os ácidos graxos Fit e Prist acumulados em algumas doenças peroxissomais comprometem o metabolismo energético, atuando como desacopladores e inibidores da fosforilação oxidativa, bem como a neurotransmissão. É possível que esses mecanismos possam estar envolvidos no dano neurológico apresentado pelos pacientes afetados por essas desordens. / Phytanic acid (Phyt) and pristanic acid (Prist) are branched-chain saturated fatty acids whose concentrations are elevated in various peroxisomal disorders. Patients affected by these disorders present predominant neurological involvement. The elevation of plasma Phyt and Prist concentrations that can reach up to 5000 μM and 300 μM, respectively, indicate that these fatty acids may be neurotoxic. Considering that the pathophysiology of the neurological symptoms of these diseases are not well established, the present work proposed to investigate the in vitro effects of Phyt and Prist on various parameters of energy metabolism and Na+,K+-ATPase in cerebellum and brain of young rats. Initially, we observed that Phyt diminished the activities of complexes I, I-III, II and II-III but not IV of the respiratory chain, indicating that the respiratory chain function is impaired by this fatty acid. In addition, Phyt decreased state 3 of respiration, reflecting a metabolic inhibition. On the other hand, the activity of creatine kinase was not altered by this metabolite, whereas the activity of Na+,K+-ATPase was drastically reduced, indicating that the neurotransmission is probably compromised by this metabolite. Besides, Phyt markedly increased state 4 respiration and reduced the respiratory control ratio. Phyt also diminished the mitochondrial membrane potential, attenuated by NAC, and the matrix NAD(P)H levels, suggesting an uncoupler effect of oxidative phosphorylation. Regarding on Prist effects, this fatty acid decrease 14CO2 production from labeled acetate suggesting an impairment of CAC functioning. Prist also reduced the activities of the respiratory chain complexes and observed that this fatty acid reduced the activity of complexes I, II and II-III without interfering with complex IV, indicating that this fatty acid compromises ATP generation. In addition, Prist decreased state 3 of respiration and ADP/O ratio, indicating a metabolic inhibition provoked by this fatty acid. We also determined the activities of creatine kinase, that was not altered by Prist, and .Na+,K+-ATPase, that was significantly reduced, indicating that the maintenance of membrane potential necessary to a normal neurotransmission may be a compromise by Prist. In addition, Prist increased state 4 respiration and diminished the respiratory control ratio. Prist also diminished the mitochondrial membrane potential, which was not prevented by NAC, and the matrix NAD(P)H levels, suggesting an uncoupler effect of oxidative phosphorylation. Prist also provoked mitochondrial swelling and this effect was prevented by both cyclosporine and NAC, suggesting a PTP involvement on this effect probably through oxidative mechanisms. Taken together, our results suggest that the fatty acids Phyt and Prist accumulated in some peroxisomal diseases compromise energy metabolism, acting as uncouplers and oxidative phosphorylation inhibitors, as well as the neurotransmission. It is feasible that these mechanisms may be involved with the neurological damage presented by patients affected by these disorders.

A deficiência de guanidino acetato metiltransferase (GAMT) é um erro inato do metabolismo da creatina caracterizado por hipotonia muscular, movimentos extrapiramidais involuntários e epilepsia. A doença é, bioquimicamente, evidenciada pelo acúmulo de guanidino acetato (GAA) e deficiência de creatina e fosfocreatina nos tecidos dos pacientes afetados. Os mecanismos da disfunção neurológica que ocorrem nessa doença ainda são desconhecidos. A Na+,K+-ATPase, a creatina quinase (CK) e a acetilcolinesterase (AChE) têm um papel fundamental no sistema nervoso central (SNC), e a alteração dessas enzimas, juntamente com a diminuição do metabolimo energético e a indução do estresse oxidativo têm sido associados com algumas doenças que afetam o SNC, como as doenças de Alzheimer, Parkinson e Huntington e isquemia cerebral. Propriedades neurotóxicas do GAA têm sido atribuídas, principalmente, à excitotoxicidade e ao estresse oxidativo. Dessa forma, esse trabalho tem como propósito ampliar o conhecimento sobre os mecanismos fisiopatológicos da deficiência de GAMT, investigando o efeito in vitro e in vivo (administração intra-estriatal de GAA), sobre as atividades da Na+,K+-ATPase, CK, AChE, metabolismo energético, bem como a recaptação de glutamato e a produção de espécies reativas de oxigênio (EROS) em estriado de ratos. Finalmente, investigamos o efeito da administração intra-estriatal de GAA sobre a memória/aprendizagem em estriado de ratos. Nossos resultados mostraram que a administração intraestriatal de GAA diminui as atividades da Na+,K+-ATPase, CK e complexo II e aumenta o TBARS e a atividade da AChE. Além destes, mostramos que o GAA inibe a recaptação de glutamato e induz estresse oxidativo em estriado de ratos. A administração de GAA, também é capaz de prejudicar a memória de ratos adultos. A inibição das atividades da Na+,K+-ATPase, da CK e do complexo II e o aumento do TBA e da atividade da AChE, causados pela administração intraestriatal de GAA, foram prevenidos pelo pré-tratamento (uma semana) com as vitaminas E e C ou taurina. Considerando os resultados apresentados, propõe-se que a inibição da atividade da Na+,K+-ATPase, da CK, do complexo II, bem como da inibição na recaptação de glutamato e de indução de estresse oxidativo causados pelo GAA possam estar envolvidos na disfunção neuronal observada em pacientes com deficiência de GAMT. / Guanidinoacetate methyltransferase deficiency (GAMT-deficiency) is an inborn error of creatine metabolism characterized by muscular hypotonia, involuntary extrapiramidal movements and epilepsy. The disease is biochemically characterized by accumulation of guanidinoacetate and deficiency of creatine and phosphocreatine in tissues of affected patients. However, the mechanisms underlying the neurological dysfunction of GAMTdeficiency patients are not well understood. Na+,K+-ATPase, creatine kinase (CK) and acetylcholinesterase (AChE) play a fundamental role in central nervous system (CNS). Alterations in these enzymes with reduction of energy metabolism and induction of oxidative stress have been associated to neurological diseases such as Alzheimer’s, Parkinson’s, Huntington’s disease and brain ischemia. Neurotoxic properties of GAA have been mainly related to excitotoxicity and oxidative stress. In this study we investigated possible pathophysiologic mechanisms of GAMT-deficiency. We studied the in vitro effect of GAA and the effect of GAA intrastriatal administration on Na+,K+- ATPase, CK and AChE activities, on brain metabolism, on glutamate uptake and on reactive oxidative species (ROS) production in striatum of adult rats. Finally, we investigated the effect of intraestriatal administration of GAA on inhibitory avoidance in adult rats. Our results showed that the intrastriatal administration inhibits Na+,K+-ATPase, CK and complex II activities and increases TBARS and AChE activity. We also showed that GAA in vitro inhibits glutamate uptake and induces oxidative stress. GAA administration also impairs memory in adult rats. The inhibition of Na+,K+-ATPase, CK and complex II activities and increase of TBARS production caused by intrastriatal administration of GAA was prevented by vitamins E and C or taurine pretreatment (for one week). Our findings indicate that inhibition of Na+,K+- ATPase, CK and complex II activities and alterations in glutamate uptake and oxidative stress caused by GAA may contribute to the neurological dysfunction characteristic of GAMT-deficiency patients.

As deficiências de aprendizado são características comuns em pacientes afetados pela doença do xarope do bordo (DXB) ou pela acidemia metilmalônica. Os sintomas predominantemente neurológicos destas doenças incluem o retardo mental, atraso no desenvolvimento neuropsicomotor, convulsões e alterações neuroradiológicas variadas. Na DXB, a deficiência da atividade do complexo enzimático desidrogenase dos a-cetoácidos de cadeia ramificada acarreta o acúmulo tecidual dos aminoácidos leucina, valina e isoleucina, dos a-cetoácidos correspondentes, ácido a-cetoisocapróico, a-cetoisovalérico e a-ceto-b-metilvalérico, bem como dos a-hidroxiácidos que destes se derivam, ácido a-hidroxiisocapróico, ácido a-hidroxiisovalérico e ácido a-hidroxi-b- metilvalérico. Na acidemia metilmalônica, por sua vez, ocorre um acúmulo tecidual do ácido metilmalônico devido à deficiência da enzima metilmalonil-CoA mutase. Os níveis teciduais destes metabólitos aumentam ainda mais durante crises de descompensação metabólica. No presente trabalho investigamos o efeito da administração intrahipocampal dos metabólitos ácidos acima citados sobre o comportamento de ratos adultos, dez minutos antes ou imediatamente após o treino, em tarefas aversivas (esquiva inibitória) e não aversivas (habituação ao campo aberto). Déficits de aprendizado nas tarefas da esquiva inibitória e da habituação ao campo aberto foram observados para os metabólitos supracitados quando administrados antes do treino, mas não quando foram injetados após o treino. O o ácido metilmalônico injetado dez minutos antes do treino provocou déficit somente no teste de memória espacial, não surtindo efeito sobre a memória quando os animais foram testados na tarefa de esquiva inibitória. O pré-tratamento destes animais com substratos energéticos foi capaz de prevenir o déficit de memória causado por metabólitos acumulados nas doenças estudadas. Quando utilizou-se a creatina monohidratada ou o ácido succínico evidenciou-se prevenção do déficit de memória espacial causado pela administração do ácido a-hidroxiisovalérico no hipocampo de ratos adultos. Por sua vez, apenas o prétratamento com creatina monohidratada foi o único capaz de prevenir o déficit de memória de ratos administrados intrahipocampalmente com o ácido metilmalônico. Os estudos de captação de glutamato por fatias de córtex cerebral de ratos jovens evidenciaram diminuição na captação de L-[3H]glutamato quando as fatias eram incubadas por 23 minutos na presença dos ácidos CIC e HMV (25-50% de diminuição). Em contrapartida, a incubação com o ácido HIV aumentou a captação em 110%, acréscimo que foi prevenido quando ao meio de incubação foi adicionado 1mM de creatina monohidratada. Por último, verificamos que a viabilidade de células de córtex cerebral ou de hipocampo de ratos jovens não foi alterada quando medida através do método do MTT e da determinação da DHL no meio de incubação onde as fatias eram imersas. Em resumo, nossos resultados apontam para alterações importantes no aprendizado de animais tratados intrahipocampalmente com os metabólitos ácidos da DXB em tarefas aversivas e não aversivas, bem como alterações de aprendizado não essencial quando da administração do principal metabólito que se acumula na acidemia metilmalônica (MMA). Além disso, estes déficits comportamentais parecem estar ligados a um comprometimento do metabolismo energético cerebral, visto que o prétratamento com creatina em estudos com metabólitos que se acumulam nas duas doenças (HIV para a DXB e MMA para a acidemia metilmalônica) preveniu o déficit de memória destes animais, bem como o pré-tratamento com succinato evitou o déficit de aprendizado espacial causado pelo HIV nos animais. Por outro lado, antioxidantes ou o antagonista do receptor glutamatérgico NMDA MK-801 não preveniu esses efeitos. Além disso, apresentamos evidências de que o CIC e o HMV ativam o sistema glutamatérgico, bloqueando a captação de glutamato por fatias de córtex cerebral de ratos jovens, levando a um aumento da quantidade dos neurotransmissores na fenda sináptica. / Learning disability is a common feature of patients affected by maple syrup urine disease (MSUD) or methylmalonic acidaemia. The neurological symptoms include mental retardation, delay on neuropsychomotor development, seizures and alteration on neuroradiological images. MSUD is caused by severe deficiency of the branched-chain L-a-keto acid dehydrogenase complex (BCKAD) activity leads to tissue accumulation of aminoacids leucine, valine and isoleucine, the branched chain keto acids, a-ketoisocaproic, a-ketoisovaleric and a-keto-b-methylvaleric, and corresponding a-hydroxyacids, a-hydroxyisocaproic, a-hydroxyisovaleric and a- hydroxy-b-methylvaleric. The tissual accumulation of methylmalonic acid is the biochemical hallmark of the methylmalonic acidaemia because the methylmalonyl-CoA mutase is defective on this disease. The tissual levels of these metabolites are more proeminents in crisis of metabolic decompensation. In the present study we investigated the effect of acute administration of the acid metabolites cited above on the behavior of adult rats in the inhibitory avoidance and open field habituation tasks. The DXB acid metabolites producing learning deficits on aversive and spatial learning when infused 10 minutes before the training session of the tasks but not when infused immediatelly after training. The MMA injected 10 minutes before training provokes deficit only in the spatial task, and do not caused any effect on animals submitted to inhibitory avoidance task. The pretreatment with energetic substrates was the only effective on prevent the memory deficit caused by metabolites accumulating on MSUD or methylmalonic acidaemia. The prevention of the spatial memory deficit caused by a-hydroxyisovaleric acid was achieved by administration of creatine monohydrated or succinic acid. The creatine monohydrated was the only effective on prevention of learning deficit of open field habituation provoked by methylmalonic intrahippocampal administration. The results of cerebral glutamate uptake of 30 day-old rats showed a reduction of 25-50% by 30 min treatments with a-ketoisocaproic acid and a-hydroxy-b-methylvaleric acid, respectively. Differently, the a-hydroxyisovaleric acid elevated by 110% the glutamate uptake and the creatine monohydrated pretreatment (1mM) was effective on prevented this effect. We veryfied that cellular viability of cerebral cortical slices incubated with acid metabolites of MSUD was normal when the studies on cellular viability were performed by MTT method and by mean of the LDH activity in the incubation bath of the cells. The results of cerebral glutamate uptake of 30 day-old rats showed a reduction of 25- 50% by 30 min treatments with a-ketoisocaproic acid and and a-hydroxy-b- methylvaleric acid, respectively. Differently, the a-hydroxyisovaleric acid elevated by 110% the glutamate uptake on cortical slices of yang rats, and the creatine monohydrated pretreatment was effective on the prevention of this effect. In conclusion, our results pointing to strong alterations on learning of animals treated with MSUD acids metabolites on aversive and non aversive tasks., and suggest that non essential alterations occur on learning of animals treated with methylmalonic acid, which may be of value to elucidate some aspects of the neurological dysfuncion occuring on these diseases. The behavioral deficits may be linked to a compromise on cerebral energetic metabolism because the pre treatment with energetic substrates was effective on prevention in memory deficits caused by HIV and MMA. Otherwise, focal effects on glutamatergic system may be the causative of learning deficits provoked by administration of CIC and HMV, it is reasonable because the uptake of glutamate was reduced on rats treated with these metabolites, and it is causative of elevation on neurotransmitter levels in the synaptic cleft.

A deficiência da desidrogenase de acil-CoA de cadeia média (MCAD) é o mais frequente defeito de oxidação de ácidos graxos, caracterizado bioquimicamente pelo acúmulo tecidual predominante dos ácidos graxos de cadeia média octanoato (AO), decanoato (AD) e cis-4-decenoato (AcD). Embora os sinais clínicos dos afetados sejam fundamentalmente neurológicos, os mecanismos fisiopatológicos do dano do sistema nervoso central apresentado pelos pacientes afetados por esse distúrbio ainda não estão esclarecidos. Tem sido, no entanto, levantada a hipótese de que os ácidos graxos acumulados nesta doença possam exercer efeitos tóxicos. Neste cenário, o objetivo do presente trabalho foi investigar os efeitos in vitro dos ácidos AO, AD e AcD sobre parâmetros de função mitocondrial e de estresse oxidativo em cérebro de ratos de 30 dias de vida, uma vez que o metabolismo energético é muito ativo e as defesas antioxidantes estão diminuídas neste tecido. Inicialmente, observamos que todos os ácidos graxos testados dimuíram o potencial de membrana mitocondrial em preparações mitocondriais de cérebro de ratos, sendo que as concentrações mais altas testadas do AD e do AcD exerceram efeitos comparáveis ao de um clássico desacoplador da fosforilação oxidativa, sugerindo que estes ácidos graxos atuem como desacopladores. Os ácidos AO, AD e AcD também aumentaram o estado 4 da respiração mitocondrial e diminuíram os valores do índice de controle respiratório. Além disso, o AD e o AcD diminuíram o estado 3 da respiração tanto com glutamato/malato quanto com succinato como substratos, enquanto que o AO dimiuiu o mesmo parâmetro apenas com o succinato. Também encontramos uma diminuição na razão ADP/O na presença de AD e AcD. O atractilosídeo, inibidor do translocador de nucleotídeos de adenina (ANT), foi capaz de impedir parcialmente o efeito desacoplador do AD, sem alterar os efeitos do AO e do AcD, sugerindo um envolvimento deste translocador no efeito desacoplador do AD. O AO e o AD também diminuíram o consumo de oxigênio em mitocôndrias desacopladas. O AcD também diminuiu a produção de peróxido de hidrogênio, sendo seu efeito maior do que o da rotenona, que inibe o fluxo reverso de elétrons. Os AO e AD diminuíram as atividades dos complexos I-III e IV da cadeia transportadora de elétrons, e o AD também inibiu a atividade do complexo II-III. Todos os três ácidos graxos testados diminuíram o conteúdo de equivalentes reduzidos de NAD(P)H na matriz mitocondrial e a posterior adição de rotenona apenas reverteu o efeito do AO, sugerindo que estes equivalentes estejam sendo perdidos para o meio extramitocondrial. Os ácidos AD e AcD também induziram um maior inchamento mitocondrial, sugerindo que estes ácidos graxos possam atuar como desacopladores provavelmente devido a uma permeabilização nãoseletiva da membrana mitocondrial interna. Também avaliamos o efeito dos mesmos ácidos graxos sobre parâmetros de estresse oxidativo. Observamos que o AO, o AD e o AcD induziram um aumento na peroxidação lipídica em córtex cerebral de ratos, evidenciado por um aumento nos níveis de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBA-RS) e na medida de quimioluminescência espontânea. Os AD e AcD também causaram dano oxidativo proteico, visto que aumentaram o conteúdo de carbonilas e diminuíram o conteúdo de grupamentos sulfidrila. Além disso, todos os ácidos graxos testados diminuíram as defesas antioxidantes não-enzimáticas, evidenciado pela diminuição do potencial antioxidante total do tecido (TRAP). Entretanto apenas o AD e o AcD diminuíram os níveis de glutationa reduzida (GSH), o principal antioxidante não-enzimático presente no cérebro. O AcD não ocasionou um aumento nos níveis de TBA-RS em preparações mitocondriais de cérebro de ratos, sugerindo que outros componenentes celulares sejam essenciais para os efeitos pró-oxidantes deste ácido graxo. Entretanto, não foi observado nenhum efeito do AD sobre níveis de GSH e o conteúdo de grupamentos sulfidrila em preparações citosólicas, sugerindo um papel para a mitocôndria nos efeitos causados por este ácido graxo. Devemos também enfatizar que os efeitos mais pronunciados foram verificados pelo AcD, seguido do AD e por último do AO. Estes resultados, tomados em seu conjunto, indicam que os principais metabólitos acumulados na deficiência de MCAD exercem efeitos neurotóxicos importantes. Dessa forma, é possível que uma disfunção mitocondrial e o estresse oxidativo, possivelmente com outros mecanismos, atuem sinergicamente, colaborando para o dano neurológico apresentado pelos pacientes afetados pela deficiência da MCAD. / Medium-chain acyl-CoA dehydrogenase (MCAD) deficiency (MCADD) is the most frequent fatty acid oxidation disorder, leading to the accumulation of octanoic (AO), decanoic (AD) and cis-4-decenoic (AcD) acids. Considering that the pathophisiology of the neurological damage found in MCAD-deficient patients is not clear yet, and that a role for neurotoxic accumulating metabolites has been considered, the aim of the present work was to investigate the in vitro effect of AO, AD and AcD on mitochondrial function and oxidative stress parameters in 30-dayold rat brain. Initially we investigated the effect of these fatty acids on mitochondrial homeostasis, and we found that all these three metabolites diminished the mitochondrial membrane potential in mitochondrial preparations of rat brain, and the effects of the highest concentration of AD and AcD were similar to the CCCP effect, a classical uncoupler, suggesting that these fatty acids act as uncouplers of oxidative phosphorylation. AO, AD and AcD also increased state 4 respiration and decreased respiratory control ratio. AD and AcD also decreased state 3 respiration with either glutamate/malate or succinate as substrates, while AO only decreased in the presence of succinate. We also observed a decrease in the ADP/O ratio caused by AD and AcD. Atractyloside, an inhibitor of adenine nucleotide transporter (ANT), mildly prevented the uncoupler effect of AD, without any effect of AcD- and AO-induced effects, suggesting a role for ANT on AD-induced effects. AO and AD also diminished uncoupled state (state U) in mitochondrial preparations. AcD also decreased hydrogen peroxide production, and this effect was greater than rotenone effect, which inhibits the reverse electron flow. AO and AD inhibited the activities of the respiratory chain complexes I-III and IV, and AD also inhibited complex II-III activity. All the fatty acids tested decreased mitochondrial matrix NAD(P)H content, and the further addition of rotenone only reverted AO-induced effect, indicating that these reduced equivalents might be lost from the mitochondrial matrix. AD and AcD also induced a mitochondrial swelling, suggesting that these fatty acids act as uncouplers probably due to a non-selective mitochondrial inner-membrane. We also evaluated the effect of the same fatty acids on oxidative stress parameters. We first observed that lipid peroxidation was increased in the presence of AO, AD and AcD, as observed by the increase in the thiobarbituric acid-reactive substances (TBA-RS) levels and spontaneous chemiluminescence. AD and AcD also caused protein oxidative damage, since they increased carbonyl content and decreased sulfhydryl group content. All the fatty acids tested also decreased the non-enzymatic antioxidant defenses, as they decreased the total radical-trapping antioxidant potential (TRAP). However, only AD and AcD decreased reduced glutathione (GSH) levels, the major antioxidant in the cell. AcD did not induce an increase in TBA-RS levels in mitochondrial preparations, suggesting that mitochondria were not involved in AcD-induced effects. Furthermore, AD did not alter GSH levels and sulfhydryl group content in cytosolic preparations, suggesting a role for mitochondria in AD-induced effects. Taken together, these results suggest that the MCADD accumulating fatty acids cause important neurotoxic effects. Thus, it is feasible that a mitochondrial dysfunction and oxidative stress, allied to other possible toxic effects, act synergistically, collaborating to the neurological damage found in MCAD-deficient patients.

As acidúrias 3-hidroxi-3-metilgutárica (HMGA) e 3-metilglutacônica (MGTA) são doenças que afetam o catabolismo da leucina e a cetogênese. Os pacientes afetados pela HMGA apresentam acúmulo e elevada excreção urinária dos ácidos 3-hidroxi-3-metilglutárico (HMG), 3-metilglutárico (MGA), 3- metilglutacônico (MGT) e 3-hidroxiisovalérico (OHIVA), ao passo que a MGTA é bioquimicamente caracterizada pelo acúmulo e aumento na excreção urinária de MGT, MGA e OHIVA. Os indivíduos afetados por MGTA apresentam predominantemente sintomas neurológicos. Já os pacientes acometidos pela HMGA também apresentam hepatomegalia, principalmente em situações de descompensação metabólica, quando ocorrem elevações drásticas nas concentrações dos metabólitos acumulados. Considerando que os mecanismos patogênicos responsáveis pelo dano neurológico encontrado nos pacientes portadores da HMGA e da MGTA são pouco conhecidos, inicialmente investigamos os efeitos in vitro dos ácidos HMG, MGA, MGT e OHIVA sobre importantes parâmetros de estresse oxidativo em córtex cerebral de ratos jovens. Verificamos que os metabólitos testados induziram peroxidação lipídica (aumento de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBA-RS) e da quimioluminescência) e dano oxidativo protéico (formação de carbonilas e oxidação de grupamentos sulfidrila). Além disso, a indução de peroxidação lipídica causada pelo HMG e pelo MGT foi prevenida pela adição de antioxidantes. Também foi demonstrado que o HMG, MGA, MGT e OHIVA diminuíram as defesas antioxidantes não-enzimáticas (diminuição das concentrações de glutationa reduzida (GSH), do potencial antioxidante total e da reatividade antioxidante total) e que a diminuição das concentrações de GSH causada pelo HMG e pelo MGA foi prevenida por antioxidantes. Por outro lado, nenhum dos ácidos orgânicos foi capaz de oxidar grupamentos sulfidrila de uma solução comercial de glutationa e de membranas mitocondriais isoladas de córtex cerebral. Na segunda parte do trabalho, comparamos a vulnerabilidade do estriado cerebral e do fígado ao dano oxidativo causado pelo HMG, MGA, MGT e OHIVA. Verificamos que todos os ácidos orgânicos aumentaram a medida de TBA-RS no estriado, sendo que apenas o HMG, além de apresentar o efeito mais pronunciado, induziu peroxidação lipídica no fígado. Esses metabólitos também diminuíram as concentrações de GSH em estriado. Novamente apenas o HMG reduziu as defesas antioxidantes não-enzimáticas no fígado. Finalmente, nossos resultados demonstraram que o HMG, MGA e o MGT induziram a oxidação de grupamentos sulfidrila em estriado, ao passo que nenhum dos metabólitos alterou esse parâmetro em fígado. Os efeitos detectados no presente estudo demonstram que os ácidos orgânicos acumulados na HMGA e na MGTA induzem estresse oxidativo em córtex cerebral, estriado e fígado de ratos jovens. Também evidencia que os tecidos cerebrais apresentam maior vulnerabilidade que o fígado ao dano oxidativo provocado por esses metabólitos, o que está de acordo com a sintomatologia apresentada pelos pacientes que é predominantemente neurológica. Portanto, presumimos que o estresse oxidativo pode contribuir, ao menos em parte, para a fisiopatologia dos danos teciduais encontrados nos pacientes acometidos pela HMGA e MGTA. / 3-Hydroxy-3-methylglutaric (HMGA) and 3-methylglutaconic (MGTA) acidurias are disorders that affect leucine catabolism and ketogenesis. HMGAaffected patients present tissue accumulation and high urinary excretion of 3- hydroxy-3-methylglutaric (HMG), 3-methylglutaric (MGA), 3-methylglutaconic (MGT) and 3-hydroxyisovaleric (OHIVA) acids, whereas MGTA is biochemically characterized by accumulation of MGT, MGA and OHIVA. MGTA- and HMGAaffected patients predominantly present neurologic symptoms. HMGA patients also present hepatomegaly, especially during metabolic crisis, which is characterized by a dramatic increase of the concentrations of the accumulating organic acids. Considering that the mechanisms of brain damage in HMGA and MGTA are poorly known, we first investigated the in vitro effects of HMG, MGA, MGT and OHIVA on important parameters of oxidative stress in cerebral cortex from young rats. We verified that the organic acids induced lipid peroxidation (thiobarbituric-acid reactive species, TBA-RS, and chemiluminescence increase) and protein oxidative damage (carbonyl formation and sulfhydryl oxidation) in cortical supernatants. The lipid peroxidation induced by HMG and MGT was prevented by the addition of free radical scavengers, suggesting that free radicals are involved in these effects. It was also demonstrated that HMG, MGA, MGT and OHIVA reduced non-enzymatic antioxidant defenses (reduced glutathione, GSH, concentrations, total radical-trapping antioxidant potential and total antioxidant reactivity) and that GSH decrease caused by HMG and MGA was prevented by free radical scavengers. On the other hand, the metabolites did not oxidize sulfhydryl groups from a commercial solution of GSH and from purified membrane protein-bound thiol groups, indicating that the decrease of GSH levels caused by the organic acids was not due to a direct oxidative effect. Next, we evaluated the vulnerability of a central (striatum) and a peripheral (liver) tissue to the oxidative damage caused by HMG, MGA, MGT and OHIVA. It can be observed that HMG, MGA, MGT and OHIVA induced lipid peroxidation (TBA-RS increase) in striatum. Among the various acids, only HMG increased TBA-RS in the liver. Furthermore, HMG induced the highest degree of lipid peroxidation in the striatum. It was also verified that the organic acids diminished GSH concentrations. Again, HMG presented the strongest effect compared to the other metabolites, reducing GSH levels in the striatum and in the liver. Finally, we observed that HMG, MGT and MGA reduced the sulfhydryl content (protein oxidation) in the striatum, whereas the metabolites did not alter this parameter in the liver. The present data indicate the HMG, MGA, MGT and OHIVA induce oxidative stress in cerebral cortex, striatum and liver from young rats. It can be also observed that the brain is more vulnerable than liver to lipid and protein oxidative damage induced by these organic acids, which is in agreement with the fact that the patients present predominantly neurologic symptoms. Therefore, it may be presumed that oxidative stress elicited in vitro by HMG, MGA, MGT and OHIVA contributes, at least in part, to the pathophysiology of the brain and hepatic damage found in HMGA and MGTA.

A deficiência da desidrogenase de hidroxiacil-coa de cadeia longa (LCHAD) é um erro inato do metabolismo de ácidos graxos. Pacientes acometidos apresentam acúmulo de ácidos graxos hidroxilados de cadeia longano sangue e tecidos. A sintomatologia é bastante variada, sendo que os pacientes apresentam hepatopatia e cardiomiopatia severa, assim como retinopatia, hipotonia, neuropatia periférica, atraso no desenvolvimento e na fala, letargia e convulsões. Considerando que a patofisiologia do dano hepático encontrado nos pacientes com deficiência da LCHAD não está esclarecida, o presente trabalho teve como objetivo investigar in vitro os efeitos dos ácidos 3-hidroxitetradecanoico (3HTA) e 3-hidroxipalmítico(3HPA) sobre importantes parâmetros da bioenergética mitocondrial, tais como os parâmentros respiratórios estado 3, estado 4, razão de controle respiratório (RCR) e estado desacoplado (U), bem como o potencial de membrana (ΔΨm), inchamento, capacidade de retenção de Ca2+ mitocondrial e estado redox do NAD(P) em mitocôndrias isoladas de fígado de ratos jovens. Os ácidos monocarboxílicos encontrados em maiores concentrações nos pacientes, 3HTAe 3HPA inibiram a respiração estimulada por ADP (estado 3), a desacoplada, o RCR, diminuíram o ΔΨm e o conteúdo de NAD(P)H e, em contraste, aumentaram a respiração lenta (estado 4) em mitocôndrias utilizando glutamato/malato ou sucinato como substratos. Além disso, o inibidor competitivo do translocador de nucleotídeo adenina (ANT) atractilosídeo atenuou o aumento no estado 4 provocado pelo 3HTA. Esses dados indicam que o 3HTA e o 3HPA atuam como inibidores metabólicos e desacopladores da fosforilação no fígado. Também verificamos que baixas concentrações desses ácidos graxos hidroxilados causam uma diminuição significante no ΔΨm e no conteúdo de NAD(P)H na presença de Ca2+. 3HTA e 3HPA também diminuíram a capacidade de retenção de Ca2+ e induziram inchamento em mitocôndrias. Os efeitos induzidos por 3HTA foram totalmente prevenidos pelos inibidores clássicos do poro de transição de permeabilidade (PTP) ciclosporina A e ADP, assim como pelo rutênio vermelho, um inibidor da captação de Ca2+, indicando abertura do PTP. Ademais, ditiotreitol e N-etilmaleimida não foram capazes de prevenir estes efeitos, descartando a oxidação dos grupamentos tióis do PTP como mecanismo de sua abertura. Finalmente, verificamos que o ácido dicarboxílico 3- hidroxitetradecanodioico (3HTDA), que também se acumula na deficiência da LCHAD e que é um análogo do 3HTA, não alterou os parâmetros de bioenergética mitocondrial. Em conjunto, nossos dados demonstram que os principais ácidos graxos monocarboxílicos hidroxilados de cadeia longa acumulados na deficiência da LCHAD prejudicam a homeostase energética mitocondrial em fígado. Presumimos que esse mecanismo possa explicar, pelo menos em parte, a disfunção hepática caracerística dos pacientes acometidos por essa doença. / Long-chain 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (LCHAD) deficiencie is an inborn error of metabolism of fatty acid oxidation. Affected patients present blood and tissue accumulation of the 3-hydroxy fatty acids.Clinical presentation is characterized by a wide variety of symptoms, including severe hepatopathy and cardiomyopathy, as well as retinopathy, hypotonia, peripheral neuropathy, speech and developmental delay, lethargy and seizures.Considering that the pathophisiology of the hepatic damage found in LCHAD-deficient patients is not yet clear, the aim of the present work was to investigate the in vitro effects of 3-hydroxytetradecanoic (3HTA) and 3- hydroxypalmitic (3HPA)on inportant parameters of mitochondrial bioenergetics, namely the respiratory parameters state 3, state 4, respiratory control ratio (RCR) and state uncoupled (U), as well as mitochondrial membrane potential (ΔΨm), swelling, Ca2+ retention capacity and NAD(P) redox state in isolated liver mitochondria from young rats. The monocarboxylic acids found at higher concentrations in LCHADdeficient patients, 3HTA and 3HPA, inhibited the ADP-stimulated (state 3) and uncoupled respiration, decreased ΔΨm and NAD(P)H content and, in contrast, increased resting (state 4) respiration in mitochondrial preparations supported by glutamate plus malate or succinate.Furthermore, the competitive inhibitor of adenine nucleotide translocase (ANT) atractyloside, attenuated the 3HTA-induced increase of state 4 respiration. These data indicate that 3HTA and 3HPA act as metabolic inhibitors and uncouplers of oxidative phosphorylation in the liver.We also verified that low concentrations of these hydroxyl fatty acids caused a strong decrease of ΔΨm and NAD(P)H content in the presence of Ca2+. 3HTA and 3HPA also reduced Ca2+ retention capacity and induced swelling in mitochondria. The effects induced by 3HTA were totally prevented by the classical mitochondrial permeability transition (MPT) inhibitors cyclosporin A and ADP, as well as by ruthenium red, a Ca2+ uptake blocker, indicating MPT pore opening. Furthermore, dithiothreitol and N-ethylmaleimide were not able to prevent these effects, making unlikely an oxidation of thiol groups of the MPT pore as a mechanism of its opening. Finally, the dicarboxylic 3-hydroxytetradecanodioic acid (3HTDA), which also accumulates in LCHAD deficiency and is an analogue of 3HTA, did not alter mitochondrial bioenergetics parameters. Taken together, our data demonstrate that the major monocarboxylic long chain fatty acids accumulating in LCHAD deficiency disrupt energy mitochondrial homeostasis in the liver. It is proposed that this pathomechanism may explain at least in part the hepatic alterations characteristic of the affected patients.

A fenilcetonúria (PKU) é o erro inato do metabolismo dos aminoácidos mais comum. Ela é uma doença autossômica recessiva causada por mutações no gene da fenilalanina hidroxilase (Pah) que é responsável por converter a fenilalanina (Phe) em tirosina (Tyr), que acaba elevando os níveis de Phe e seus metabólitos no sangue e tecidos. Se não tratada, a PKU pode desenvolver problemas neurológicos como convulsões, distúrbios motores e retardo mental. O objetivo deste estudo é investigar os efeitos da Phe em alguns parâmetros do metabolismo, estresse oxidativo e viabilidade celular em cultura de astrócitos de ratos Wistar. Os astrócitos foram cultivados sob quatro condições: controle (com 0,4 mM de Phe no meio de cultura) e outros três grupos com concentrações finais de Phe de 0,5, 1,0 e 1,5 mM. Após 72 horas, os astrócitos foram coletados para análises bioquímicas. Nós observamos que os teste de brometo de tetrazolium (MTT) e lactato desidrogenase mostraram alterações na viabilidade celular em todas as doses testadas. Também foram notadas alterações em parâmetros de estresse oxidativo, indicando que a Phe pode induzir a produção de radicais livres, mas não encontramos diferenças significaticas nos parâmetros do metabolismo como a creatina-cinase, piruvato-cinase e adenilato-cinase. Estes resultados sugerem que a fenilalanina nas concentrações encontradas na PKU pode induzir estresse oxidativo e consequente morte celular em cultura de astrócitos. Considerando a importâncias dessas células para a manutenção da homeostase cerebral, é possível que estas alterações estejam relacionadas com os problemas neurológicos encontrados em pacientes com PKU. / Phenylketonuria (PKU) is the most common inborn error of amino acid metabolism. It is an autosomal recessive disease caused by mutations in the gene that expresses phenylalanine hydroxylase enzyme (Pah) that converts phenylalanine (Phe) into tyrosine (Tyr), that leads to high levels of Pheand its metabolites in blood and tissues. If left untreated, PKU can develop neurological problems as seizures, motor disturbances and severe mental retardation. The aim of this study is to investigate the effects of Phe on oxidative stress, some metabolic parameters and cell viability in astrocytes culture of Wistar rats.Astrocytes were cultures under four conditions: control (0.4 mMPhe in the medium), and other three groups with final Phe concentration of 0.5, 1.0 and 1.5 mM. After 72 hours, astrocytes were collected for biochemical measurements. We observed that tetrazolium bromide (MTT) and lactate dehydrogenase (LDH) assays indicated that Phedecreased cell viability at all tested doses. Alterations on oxidative stress parameters indicated that Phecould induce free radicals production, but we didn’t find significative differences on metabolic parameters as creatine, pyruvate and adenylate kinases. Those results suggest that phenylalanine at concentrations found in PKU can induce oxidative stress and consequently cell death in astrocytes cultures. Considering the importance of astrocytes in brain homeostasis, it is possible that these changes may be related to neurological problems seen in PKU patients.

A hiperglicinemia não-cetótica (HNC) é um erro inato do metabolismo causado pela deficiência do sistema de clivagem da glicina (Gli), levando ao acúmulo tecidual e plasmático desse aminoácido. Apesar de a fisiopatologia do dano neurológico apresentado pelos pacientes afetados por HNC ainda não estar bem esclarecida, tem sido sugerido que o acúmulo de Gli é neurotóxico. O presente trabalho investigou inicialmente os efeitos ex vivo da administração intracerebroventricular (ICV) de Gli sobre o metabolismo energético e o imunoconteúdo das proteínas cinases dependentes de mitógenos (MAPK) p38, ERK1/2 e JNK, sinaptofisina e proteína Tau em córtex cerebral e estriado de ratos de 30 dias de vida. Verificamos que a injeção ICV de Gli reduziu a produção de CO2 a partir de glicose e inibiu as atividades das enzimas citrato sintase e isocitrato desidrogenase em estriado. A Gli também diminuiu as atividades dos complexos da cadeia transportadora de elétrons I-III em estriado e do IV em córtex cerebral. Além disso, a Gli diminuiu a atividade da enzima creatina cinase (CK) e de sua isoforma mitocondrial em córtex cerebral e estriado. O tratamento com os antioxidantes melatonina (MEL) e creatina e com o antagonista do receptor NMDA (MK-801) preveniu a diminuição das atividades da CK e dos complexos I-III e IV causado pela administração de Gli. Ainda verificamos que a Gli diminuiu o conteúdo de sinaptofisina, e a fosforilação da proteína Tau e das MAPK p38, ERK1/2 e JNK. O tratamento com MK-801 preveniu a diminuição da fosforilação da p38 causada pela Gli O próximo passo foi estudar o efeito ex vivo da injeção ICV de Gli sobre o metabolismo energético, a homeostase redox e parâmetros gliais em córtex cerebral de ratos neonatos. Foi demonstrado que a injeção de Gli em ratos de 1 dia de vida diminuiu a atividade do complexo IV da cadeia transportadora de elétrons e da CK, além de induzir aumento da geração de espécies reativas, diminuir as concentrações de glutationa reduzida (GSH), aumentar os níveis de malondialdeído (MDA) e modular a atividade das enzimas antioxidantes superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT) e glutationa peroxidase (GPx). A injeção de Gli ainda foi capaz de induzir reatividade glial demonstrada pelo aumento da marcação de S100B em córtex cerebral e estriado, e GFAP em corpo caloso. Além disso, o tratamento com MEL preveniu a inibição do complexo IV e da enzima CK, o aumento dos níveis de MDA, a diminuição de GSH e o aumento de S100B causada pela Gli. Na última parte de nossa investigação foi examinado o efeito in vitro da Gli sobre a homeostase energética e redox em cerebelo de ratos de 30 dias de idade A Gli aumentou a produção de espécies reativas, os níveis de MDA e diminuiu as concentrações de GSH, sem alterar o metabolismo energético no cerebelo. Além disso, a adição de MEL, trolox (análogo hidrossolúvel da vitamina E) e MK-801 preveniram os efeitos deletérios da Gli sobre os níveis de MDA e GSH em cerebelo. Como conclusão, o nosso estudo mostra que a Gli causa um prejuízo na homeostase energética e induz estresse oxidativo em cérebro de ratos jovens e neonatos, bem como provoca reatividade glial em cérebro de neonatos. A Gli também altera as vias de sinalização das MAPK e causa dano neuronal em córtex cerebral e estriado, além de induzir estresse oxidativo in vitro em cerebelo. Portanto, alterações na homeostase redox e energética e excitotoxicidade parecem contribuir, ao menos em parte, para a fisiopatologia do dano neurológico apresentado pelos portadores da HNC. / Nonketotic hyperglycinemia (NKH) is an inborn error of metabolism caused by a deficiency of the glycine (GLY) cleavage system, leading to tissue accumulation of this amino acid. Although the pathophysiology of neurological damage presented by patients affected by NKH is not yet well understood, it has been suggested that increased concentrations of GLY are toxic for the central nervous system. Therefore, we initially investigated the ex vivo effect of a single intracerebroventricular (ICV) administration of GLY on energy metabolism and immunocontent of the mitogen-activated protein kinases (MAPK) p38, ERK1/2 and JNK, synaptophysin, and Tau protein in cerebral cortex and striatum of thirty-days-old rats. We verified that the administration of GLY decreased CO2 production using glucose as substrate, and inhibited the activities of citrate synthase and isocitrate dehydrogenase in striatum. GLY also decreased the activities of the respiratory chain complexes I-III in striatum and IV in cerebral cortex. Furthermore, GLY decreased the activity of creatine kinase (CK) and of its mitochondrial isoform in cerebral cortex and striatum The antioxidants melatonin (MEL) and creatine, and the NMDA receptor antagonist MK-801 prevented the GLY-induced decrease of the activities of CK and of the complexes I-III and IV. It was further observed that GLY injection decreased synaptophysin immunocontent and the phosphorylation of Tau protein, p38, ERK1/2 e JNK in rat brain. MK-801 treatment prevented the decreased phosphorylation of p38 caused by GLY. Next, we evaluated the ex vivo effect of GLY ICV administration on energy and redox homeostasis and glial parameters in brain of neonatal rats. GLY injection decreased the activities of respiratory chain complex IV and CK, and also induced the generation of reactive species, decreased reduced glutathione (GSH) concentrations, increased malondialdehyde (MDA) levels and modulated the activities of the antioxidant enzymes superoxide dismutase, catalase and glutathione peroxidase. Moreover, GLY induced glial reactivity, as demonstrated by the increase in GFAP in corpus callosum and S100B in cerebral cortex and striatum MEL treatment prevented GLY-induced inhibition of complex IV and CK activities, decrease of GSH, and increase of MDA levels and S100B staining. In the last part of our study we assessed the in vitro effects of GLY on energy and redox homeostasis in cerebellum of thirty-day-old rats. We verified that GLY increased reactive species generation and MDA levels, and decreased GSH concentrations in rat cerebellum. Furthermore, the addition of MEL, trolox (hydrosoluble analogue of vitamin E) and MK-801 prevented MDA levels increase and GSH concentrations decrease caused by GLY. In conclusion, the present study demonstrated that GLY alters the energy metabolism and induces oxidative stress in brain of thirty-day-old and neonatal rats, and provokes glial reactivity in neonatal rat brain. GLY also alters MAPK signaling pathways and causes neuronal damage in rat cerebral cortex and striatum, besides inducing oxidative stress in cerebellum. Therefore, it may be presumed that bioenergetics dysfunction, oxidative stress and excitotoxicity contribute to the pathophysiology of brain damage observed in patients affected by NKH.

A síndrome hiperornitinemia-hiperamonemia-homocitrulinúria (HHH) é um erro inato do metabolismo do ciclo da ureia, de caráter autossômico recessivo e caracterizada por um defeito no transporte mitocondrial de ornitina (Orn), levando a um acúmulo citosólico desse aminoácido, além do acúmulo de homocitrulina (Hcit) e amônia. Os sinais e sintomas clínicos são variáveis, dentre eles podemos citar coagulopatia, coma, letargia, retardo mental, atrofia cortical e ataxia cerebelar. Embora os sintomas neurológicos sejam frequentes, a fisiopatogenia dessa doença ainda é desconhecida. Nesse trabalho investigamos os efeitos in vitro e ex vivo da Orn e Hcit sobre importantes parâmetros de homeostase redox e energética em cerebelo de ratos de 30 dias de vida. Além disso, também investigamos os efeitos desses metabólitos sobre alguns parâmetros em astrócitos cultivados de córtex cerebral. Primeiramente investigamos os efeitos in vitro da Orn e Hcit sobre importantes parâmetros de homeostase redox e energética em cerebelo de ratos jovens. Ambos metabólitos aumentaram significativamente os níveis de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBA-RS). Além disso, esses níveis foram totalmente prevenidos pela melatonina e pela glutationa reduzida (GSH). Observamos também que os níveis da produção de nitratos e nitritos não foi alterada por nenhum dos metabólitos utilizados, por outro lado, a Hcit aumentou a produção de peróxido de hidrogênio Ao investigarmos os níves de GSH observamos que tanto a Orn quanto a Hcit reduziram esse parâmetro e que a Orn reduziu o conteúdo de grupamentos sulfidrila, indicando uma dimunioção nas defeas antioxidantes não enzimáticas. Com relação ao metabolism energetic, a Orn e Hcit diminuíram a atividade da enzima aconitase, porém não alteraram outros parâmetros estudados. Além disso, a redução causada pela Orn foi prevenida pela GSH, indicando que essa enzima é suscetível a oxidação causada por exxe aminoácido. Também investigamos os efeitos ex vivo da injeção intracerebelar de Orn e Hcit sobre importantes parâmetros de estresse oxidativo e sobre a ativdade da Na+, K+ ATPase. A Orn aumentou significativamente os níveis de TBA-RS e atividade da superóxido dismutase, catalase, glutationa peroxidase, glutationa redutase e glucose 6-fosfato desidrogenase e diminuiu a ativdade da Na+,K+-ATPase. Por outro lado, as concentrações de GSH não foram alteradas pelo tratamento com ornitina. Por fim, a Hcit não foi capaz de alterar nenhum dos parâmetros avaliados. Os efeitos da Orn e Hcit foram também investigados em astrócitos cultivados a partir de córtex cerebral de ratos neonatos. Observamos que Orn e Hcit diminuíram a viabilidade celular, a função mitocondrial e os níveis de GSH, porém não alteraram a produção de citocinas. Nossos resultados demonstram um prejuízo moderado na homeostase energética, porém, quando observamos a homeostase redox, observamos um dano mais pronunciado. Dessa forma, concluímos que alterações na homeostase energética, mas principalmente na homeostase redox podem estar envolvidos na fisiopatogenia do dano neurológico observado nos pacientes com a síndrome HHH. / Hyperornithinemia-hyperammonemia-homocitrullinuria (HHH) syndrome is an autosomal recessive disorder of urea cycle characterized by a defect in the transport of ornithine (Orn) into mitochondrial matrix leading to accumulation of Orn, homocitrulline (Hcit) and ammonia. The clinical signs and symptoms are variable, ranging from coagulopathy, coma, lethargy, mental retardation, cortical atrophy and cerebellar ataxia. Although neurological symptoms are frequent, the pathophysyology of this disorder is poorly known. In the present study, we investigated the in vitro and ex vivo effects of Orn and Hcit on important parameters of redox and energy homeostasis in cerebellum of 30-day-old rats. Besides that, we also investigated the effects of these metabolites on some parameters in cultured cortical astrocytes. We first studied the in vitro effects of Orn and Hcit on important parameters of redox and energy homeostasis in cerebellum of young rats. Orn and Hcit significantly increased thiobarbituric acid reative species (TBA-RS) levels that was totally prevented by melatonin and reduced glutathione (GSH). We also found that nitrate and nitrite production was not altered by any of the metabolites, in contrast to hydrogen peroxide production, which was significantly enhanced by Hcit. These results suggest that probably reactive nitrogen species were not involved on the observed results Furthermore, GSH concentrations were significantly reduced by Orn and Hcit and sulfhydryl content by Orn, implying an impairment of antioxidant defenses. As regards to energy metabolism, Orn and Hcit provoked a significant reduction of aconitase activity, without altering other parameters of energy metabolism. Furthermore, Orn-elicited reduction of aconitase activity was totally prevented by GSH, indicating that critical groups of this enzyme were susceptible to oxidation caused by this amino acid. We also investigated the ex vivo effects of intracerebellar administration of Orn and Hcit on important parameters of oxidative stress and on Na+, K+ ATPase activity. Similarly with our in vitro results, Orn significantly increased TBA-RS levels and the activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), glutathione peroxidase (GPx), glutathione reductase (GR) and glucose 6-phosphate dehydrogenase (G6PDH), and reduced Na+,K+-ATPase activity. In contrast, GSH concentrations were not changed by Orn treatment. Furthermore, intracerebellar administration of Hcit was not able to alter any of these parameters. The effects of Orn and Hcit were also investigated in cultured cortical astrocytes. We observed that Orn and Hcit diminished cellular viability, mitochondrial function, GSH levels, without altering cytokine production. Our results demonstrate a mild impairment in energy metabolism, but mostly in redox homeostasis in cerebellum and cortical cultured astrocytes. Therefore, we conclude that alterations of energy metabolism and especially redox homeostasis may be involved in the pathophysiology of the neurological damage observed in patients with HHH syndrome.

A doença do xarope do bordo (DXB) é um distúrbio neurometabólico causada pela deficiência na atividade do complexo da desidrogenase dos α-cetoácidos de cadeia ramificada. Os pacientes afetados apresentam sintomas neurológicos severos, tais como coma e convulsões, bem como edema e atrofia cerebral. Os compostos que se acumulam em maiores concentrações na DXB são o ácido α-cetoisocapróico (CIC), o ácido α- hidroxiisovalérico (HIV) e a leucina (Leu). Considerando que os mecanismos neurotóxicos na DXB não estão completamente esclarecidos, o objetivo do presente estudo foi investigar o efeito in vitro do CIC, HIV e Leu sobre diferentes parâmetros da função em cérebro de ratos jovens, no intuito de verificar alterações que possam esclarecer os mecanismos responsáveis pelo dano cerebral apresentados pelos pacientes. Foram analisados os parâmetros respiratórios estados 3 e 4, a razão de controle respiratório (RCR) e a razão ADP/O medidos pelo consumo do oxigênio, o potencial de membrana mitocondrial (ΔΨm), o conteúdo de NAD(P)H na matriz mitocondrial, o inchamento mitocondrial, além da atividade das enzimas do ciclo do ácido cítrico α-cetoglutarato desidrogenase, citrato sintase, isocitrato desidrogenase, malato desidrogenase e succinato desidrogenase. Os experimentos realizaram-se na presença de 1 mM e 5 mM de CIC, HIV ou Leu e os substratos respiratórios utilizados foram glutamato/malato (2,5 mM cada), succinato (5 mM) e α-cetoglutarato (5 mM). Observamos que o CIC aumentou o estado 4 da respiração mitocondrial e diminuiu o RCR com todos os substratos utilizados. Foi também observado que o CIC e a Leu diminuíram o estado 3 da respiração mitocondrial quando foi utilizado α-cetoglutarato como substrato, enquanto que o HIV não modificou nenhum parâmetro respiratório testado. Além disso, o CIC provocou uma redução na razão ADP/O e uma diminuição nos níveis de NAD(P)H mitocondrial utilizando os substratos ligados ao NADH glutamato/malato e α-cetoglutarato. O CIC e a Leu também causaram uma leve redução no ΔΨm quando α-cetoglutarato foi o substrato. Foi também observada uma inibição da atividade da α-cetoglutarato desidrogenase provocada pelo CIC, enquanto que o HIV e a Leu não alteraram a atividade de nenhuma das enzimas estudadas. Por último, os metabólitos testados não foram capazes de induzir o inchamento mitocondrial. Nossos resultados indicam que o CIC, seguido da Leu, sendo estes os compostos que mais se acumulam na DXB, atingindo concentrações plasmáticas de 5 mM, prejudicam a homeostase mitocondrial em cérebro de ratos. Caso os presentes resultados possam ser extrapolados para a condição humana, presume-se que a disfunção mitocondrial pode estar envolvida no dano cerebral observado em pacientes portadores da DXB. / Maple syrup urine disease (MSUD) is a neurometabolic disorder caused by a deficiency of the mitochondrial enzyme complex branched-chain L-2-keto acid dehydrogenase activity. The affected patients present severe neurological symptoms, such as coma and seizures, as well as edema and cerebral atrophy. The compounds that accumulate in higher concentrations in MSUD are α-ketoisocaproic (KIC), α- hydroxyisovaleric (HIV) e leucine (Leu). Considering that the neurotoxic mechanisms in MSUD are not well established, the purpose of the present study was to investigate the in vitro effect of KIC, HIV and Leu on various parameters of the mitochondrial bioenergetics in brain of young rats, in order to verify alterations that could explain the responsible mechanisms by the brain damage found in MSUD patients. It was analysed the respiratory parameters states 3 and 4, the respiratory control ratio (RCR) and the ADP/O ratio measured by oxygen consumption, the mitochondrial membrane potential (ΔΨm), the mitochondrial matrix content of NAD(P)H, the mitochondrial swelling, besides the citric acid cycle enzymes activity α-ketoglutarate dehydrogenase, citrate sinthase, isocitrate dehydrogenase, malate dehydrogenase e succinate dehydrogenase. The experiments were performed in the presence of 1 mM and 5 mM of CIC, HIV and Leu and the respiratory substrates used were glutamate/malate (2,5 mM each), succinate (5 mM) e α-ketoglutarate (5 mM). We observed that KIC increased state 4 respiration and decreased RCR with all the substrates used. It was also observed that KIC and Leu decreased state 3 respiration using α-ketoglutarate as substrate, whereas HIV did not modify any respiratory parameter tested. Furthermore, KIC provoked a reduction in the ADP/O ratio and a decrease in NAD(P)H mitochondrial levels using the NADH-linked substrates glutamate/malate and α- ketoglutarate. KIC and Leu also caused a mild reduction in the ΔΨm when α-ketoglutarate was the substrate. It was also observed an inhibition of α-ketoglutarate dehydrogenase activity provoked by KIC, whereas HIV and Leu did not alter any enzymatic activities studied. Finally, the metabolites tested were not able to inducing mitochondrial swelling. Our results indicate that KIC, followed by Leu, the compounds that most accumulate in DXB, reaching plasma concentrations of 5 mM, impaired the mitochondrial homeostasis in brain of rats. In the case of the present data be extrapolated to human conditions, it may be presumed that the mitochondrial dysfunction might be involved in the brain damage observed in MSUD patients.