( PDF ) Estudos sobre os mecanismos das alterações do metabolismo energético e das atividades de ecto-nucleotidases em animais submetidos à hiperarginemia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESTUDOS SOBRE OS MECANISMOS DAS ALTERAÇÕES DO METABOLISMO

ENERGÉTICO E DAS ATIVIDADES DE ECTO-NUCLEOTIDASES EM ANIMAIS

SUBMETIDOS À HIPERARGININEMIA

DÉBORA DELWING

ORIENTADORA

Profª. Drª. Angela Terezinha de Souza Wyse

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas –

Bioquímica, ICBS da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como requisito

parcial à obtenção do grau de Doutor em Bioquímica

Porto Alegre, 2007

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Dedico este trabalho à minha família, pelo

incentivo constante, amor e compreensão.

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III

"O poder nasce do querer. Sempre

que o homem aplicar a veemência e

perseverante energia de sua alma a um

fim, vencerá os obstáculos, e, se não

atingir o alvo fará, pelo menos, coisas

admiráveis."

Dale Carnegie

AGRADECIMENTOS

À minha orientadora e amiga, Profa. Dra. Angela T. S. Wyse pela oportunidade,

presença constante, paciência, incentivo, compreensão, ensinamentos, exemplo

profissional, conselhos e pelo carinho com que orientou este trabalho.

Aos professores do grupo dos Erros Inatos do Metabolismo: Clóvis, Moacir e

Dutra, pela convivência e pelos ensinamentos.

Aos bolsistas e colegas alunos de pós-graduação: Daniela, Fábria, Caren,

Francieli, Cristiane Matté, Siomara, Andréa Kurek, Cristiane Mattos, Emilene,

Alexandra e Emílio, Bárbara, Vanize, Janaina, Thiago, Andréa Cornélio, Juliana,

Virginia, Manuela, Ana Elisa e Renan pela amizade, apoio, colaboração na realização

deste trabalho e também pela alegria e companheirismo sempre manifestados.

Aos meus pais, Ciro e Dalila, pelo amor, compreensão, carinho, incentivo, por

tudo que me ensinaram e por serem sempre o meu porto seguro.

À minha irmã Daniela por estar sempre presente; pelo incentivo, confidências,

amizade, companheirismo e vontade de vencer.

Ao meu irmão Fábio pelo apoio constante e carinho; e, sobretudo, por ter sido o

intercessor na realização deste sonho.

Ao meu marido Luciano, pela compreensão, incentivo, amor e paciência.

A todos os funcionários e professores deste Departamento pela atenção e

auxílio.

Àqueles que de uma forma ou de outra estiveram ao meu lado durante a

execução deste trabalho.

Ao CNPq, CAPES, FAPERGS, PROPESQ e UFRGS.

A Deus, pela vida e por ter me mostrado o caminho pelo qual eu deveria seguir.

RESUMO

A hiperargininemia é um erro inato do ciclo da uréia causado pela deficiência na

atividade da arginase hepática, a qual catalisa a conversão de arginina (Arg) em uréia

e ornitina. Esta doença é caracterizada bioquimicamente pelo acúmulo tecidual de Arg.

Retardo mental e outras alterações neurológicas, cujos mecanismos são ainda

desconhecidos, são sintomas comuns em pacientes hiperargininêmicos.

Considerando que a disfunção neurológica característica da hiperargininemia é

pouco conhecida e que o metabolismo energético está associado com a fisiopatologia

de muitas doenças que afetam o sistema nervoso central, o objetivo geral do nosso

estudo foi investigar o efeito da administração aguda de Arg sobre alguns parâmetros

importantes de metabolismo energético, tais como a captação de glicose, liberação de

lactato, produção de CO

a partir de glicose, atividade de enzimas da cadeia

respiratória (CR) e atividades da creatinaquinase (CK) e Na

-ATPase em cérebro

de ratos. Também verificamos o efeito da Arg sobre a hidrólise de nucleotídeos em

sinaptossomas obtidos de hipocampo de ratos e em soro de ratos, bem como o efeito

da administração intracerebroventricular de Arg sobre alguns parâmetros de estresse

oxidativo. Em adição, também investigamos a influência dos antioxidantes, α-tocoferol

e ácido ascórbico e do N

-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME), um potente inibidor

da enzima óxido nítrico sintase, sobre os efeitos causados pela Arg.

Os resultados do presente trabalho mostraram que a Arg reduziu o metabolismo

energético cerebral, uma vez que houve redução na captação de glicose, aumento da

liberação de lactato, diminuição na atividade do complexo II e da succinato

desidrogenase (SDH) da CR, redução na produção de CO

a partir de glicose e

redução nas atividades das enzimas CK e Na

-ATPase, provavelmente através da

geração de óxido nítrico e/ou peroxinitrito e/ou outros radicais livres, visto que

antioxidantes importantes como o α-tocoferol e ácido ascórbico e o L-NAME

preveniram esses efeitos. Verificamos também que a Arg induziu o estresse oxidativo,

visto que a infusão intracerebroventricular de Arg acarretou em aumento da formação

de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBA-RS) e diminuição da capacidade

antioxidante total não-enzimática (TRAP), corroborando assim, com nossos resultados

prévios. Em adição, também mostramos que a administração aguda de Arg alterou a

hidrólise de nucleotídeos adenínicos em sinaptossomas de hipocampo de ratos, bem

como em soro de ratos. Esses resultados em conjunto, poderão auxiliar no

entendimento dos sintomas e distúrbios neurológicos observados em pacientes

hiperargininêmicos. Além disso, se confirmados em humanos, esses resultados podem

sugerir que a suplementação com antioxidantes possa ser utilizada como uma

estratégia no tratamento da hiperargininemia.

VII

ABSTRACT

Hyperargininemia is an inherited metabolic disease caused by severe deficiency

of liver arginase activity, an enzyme of the urea cycle which catalyses the conversion of

arginine (Arg) to urea and ornithine. This disease is biochemically characterized by

tissue accumulation of Arg. Mental retardation and other neurological features, whose

mechanisms are still obscure, are common symptoms in hyperargininemic patients.

Considering that the neurological disfunction characteristic of hyperargininemia is

not yet well established and that energy metabolism is associated with the

pathophysiology of several diseases that affect the central nervous system, the geral

objective of the present study was to investigate the effect of acute Arg administration

on some important parameters of energy metabolism, such as glucose uptake, lactate

release, CO

production from glucose, activities of enzymes of the respiratory chain

and activities of creatine kinase (CK) and Na

-ATPase in rat brain. We also tested

the effect of Arg on the hydrolysis of nucleotides in synaptosomes from hippocampus

of rats and in serum of rats, as well as the effect of intracerebroventricular injection of

Arg on some parameters of oxidative stress. In addition, we also evaluated the

influence of antioxidants, namely α-tocopherol plus ascorbic acid and N

-nitro-L-

arginine methyl ester (L-NAME), a potent nitric oxide sinthase inhibitor, on the effects

elicited by Arg.

The results of the present study showed that Arg impairs brain energy

metabolism, since decreased glucose uptake, increased lactate release, diminished

the activities of complex II and succinate dehydrogenase (SDH) of the respiratory

VIII

chain, inhibited CO

production from glucose and decreased the activities of the

enzymes CK and Na

-ATPase, probably through the generation of nitric oxide and

/or its derivates peroxynitrite and/or other free radicals, since important antioxidants

such as α-tocopherol plus ascorbic acid and the L-NAME prevented these effects. We

also verified that Arg induced oxidative stress, since intracerebroventricular infusion of

Arg increased the production of thiobarbituric acid-reactive substances (TBA-RS) and

reduced total radical-trapping parameter (TRAP). These results are in agreement with

our previous findings. In addition, we also showed that acute Arg administration altered

adenine nucleotide hydrolysis in synaptosomes from hippocampus of rats, as well as in

serum of rats. This group´s results may be helpful in the understanding of the

symptoms and brain disfunction showed by hyperargininemic patients. Besides, if

these findings also occur in humans, we can suggest that the supplementation with

antioxidants should be used as a strategy to the treatment of hyperargininemia.

SUMÁRIO

I INTRODUÇÃO...........................................................................................................01

1.1 Erros Inatos do Metabolismo..............................................................................01

1.2 Ciclo da uréia........................................................................................................02

1.2.1 Argininemia ou hiperargininemia...................................................................05

1.3 Modelo animal de hiperargininemia................................................................. .10

1.4 Radicais livres e estresse oxidativo...................................................................11

1.5 Óxido nítrico.........................................................................................................12

1.6 Metabolismo energético......................................................................................14

1.6.1 Glicólise e ciclo do ácido cítrico..........................................................................15

1.6.2 Cadeia Respiratória Mitocondrial........................................................................17

1.7 Na

, K

-ATPase.....................................................................................................19

1.8 Creatinaquinase...................................................................................................22

1.9 Ectonucleotidases................................................................................................24

II OBJETIVOS..............................................................................................................27

Objetivo Geral...........................................................................................................27

Objetivos específicos

Capítulo I .................................................................................................................28

Capítulo II.................................................................................................................29

Capítulo III ................................................................................................................30

Capítulo IV.................................................................................................................31

Capítulo V ................................................................

.................................................32

Capítulo VI......................................................................................................

...........33

III RESULTADOS E METODOLOGIAS.......................................................................34

Capítulo I ...................................................................................................................34

Capítulo II...................................................................................................................48

Capítulo III ....................................

.............................................................................60

Capítulo IV..................................................................................................................72

Capítulo V ................................................................................................................104

pítulo VI................................................................................................................113

IV DISCUSSÃO...........................................................................................................120

V CONCLUSÕES........................................................................................................138

VI PERSPECTIVAS....................................................................................................143

VII REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.....................................................................144

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. Representação esquemática do ciclo da uréia (Berg et al.,

2004)...............................................................................................................................3

FIGURA 2. Conversão de arginina em uréia e ornitina...................................................5

FIGURA 3. Vias catabólicas para arginina em pacientes hiperargininêmicos (Adaptado

de Marescau et al., 1990)................................................................................................7

FIGURA 4. Reação entre óxido nítrico e ânion superóxido, formando ânion

peroxinitrito, ácido peroxinítrico e nitrato (Adaptado de Dawson e Dawson,

1996).............................................................................................................................13

FIGURA 5. Ciclo do ácido cítrico (Adaptado de Berg et al., 2004)................................16

FIGURA 6. Fluxo de elétrons através dos quatro complexos da cadeia respiratória

(Adaptado de Smith et al., 2005)...................................................................................19

FIGURA 7. Estrutura da Na

, K

-ATPase (Adaptado de Voet et al., 2006)...................21

FIGURA 8. Reação de transfosforilação catalizada pela enzima creatinaquinase.......22

XII

LISTA DE ABREVEATURAS

AcetilCoA: acetil coenzima A

ADP: adenosina 5’-difosfato

AL: arginossuccinato liase

AMP: adenosina 5’-monofosfato

Arg: arginina

ArgA: ácido arginínico

AS: arginossuccinato sintase

ATP: adenosina 5’- trifosfato

CK: creatinaquinase

CoQ: coenzima Q

COX: citocromo c oxidase

: gás carbônico

CP: carbamil fosfato

CPS: carbamil fosfato sintase

CR: cadeia respiratória

Cr: creatina

EI: erros inatos

EIM: erros inatos do metabolismo

FAD: flavina adenina dinucleotídeo (forma oxidada)

FADH

: flavina adenina dinucleotídeo (forma reduzida)

FMN: flavina mononucleotídeo

GAA: ácido guanidinoacético

GBA: ácido γ-guanidinobutírico

GTP: guanosina trifosfato

GVA: ácidos α-ceto-γ-guanidinovalérico

L-NAME: N

-nitro-L-arginine methyl ester

NAArg: N-α-acetilarginina

NAD

: nicotinamida adenina dinucleotídeo (forma oxidada)

XIII

NADH. H

: nicotinamida adenina dinucleotídeo (forma reduzida)

NO: óxido nítrico

NOS: óxido nítrico sintase

ONOO

: ânion peroxinitrito

OTC: ornitina transcarbamilase

FO: fosforilação oxidativa

oxigênio molecular

: ânion superóxido

PCr: fosfocreatina

PPi: pirofosfato inorgânico

SDH: succinato desidrogenase

SNC: sistema nervoso central

TBA-RS : substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico

TRAP: capacidade antioxidante total não-enzimática

I. INTRODUÇÃO

1.1 Erros inatos do metabolismo

Em 1908, o inglês Archibald Garrod introduziu na literatura médica o termo erros

inatos do metabolismo (EIM), iniciando seus estudos em indivíduos afetados com

alcaptonúria, albinismo, pentosúria e cistinúria. Garrod sugeriu um modelo de herança

autossômica recessiva para essas doenças, pois elas geralmente ocorriam em irmãos

e filhos de pais consangüíneos (Scriver et al., 2001).

De acordo com Bickel (1987), EIM são alterações genéticas que se manifestam

pela síntese de uma proteína anômala, geralmente uma enzima, ou por uma

diminuição ou mesmo ausência de sua síntese. Estas alterações resultam em

deficiência da atividade da enzima envolvida, ocasionando bloqueio de rotas

metabólicas. Como conseqüência, pode ocorrer tanto o acúmulo de metabólitos tóxicos

como a falta de produtos essenciais, ambos com doença subseqüente.

Foram descritos até o momento mais de 500 EIM (Scriver et al., 2001), a maioria

deles envolvendo processos de síntese, degradação, transporte e armazenamento de

moléculas no organismo (Benson e Fensom, 1985).

A classificação mais utilizada para os EIM é realizada de acordo com a área do

metabolismo afetada (Scriver et al., 2001) e subdivide-se em: EIM de aminoácidos,

ácidos orgânicos, glicídios, lipídios, glicosaminoglicanos, glicoproteínas, purinas e

pirimidinas, enzimas eritrocitárias, lipoproteínas, hormônios e proteínas plasmáticas.

Os EIM mais comuns são os EIM de aminoácidos. Citam-se como exemplos a

fenilcetonúria, a homocistinúria e a hiperargininemia, os quais apresentam acúmulo

tecidual de fenilalanina, homocisteína e arginina (Arg), respectivamente. Este trabalho

enfoca um EIM de aminoácidos denominado hiperargininemia, o qual corresponde a

um erro inato (EI) do ciclo da uréia.

1.2 Ciclo da uréia

As vias de degradação dos aminoácidos são muito similares na maioria dos

organismos. Os esqueletos carbônicos dos aminoácidos, em geral, seguem para o

ciclo do ácido cítrico, para a gliconeogênese ou para a síntese de corpos cetônicos

(Berg et al., 2004ª; Lehninger et al., 2007). Já o grupamento amino, liberado na forma

de amônia, é em parte consumido na biossíntese de compostos nitrogenados e o

excesso é convertido em uréia pelo ciclo da uréia (Berg et al., 2004a). Essa é levada

através da circulação sangüínea para os rins onde é facilmente excretada através da

urina (Lehninger et al., 2007).

Em 1932, Hans Krebs e Kurt Henseleit elucidaram uma série de reações, as

quais compunham o ciclo da uréia. O ciclo da uréia foi a primeira via metabólica cíclica

a ser caracterizada (Berg et al., 2004a).

O ciclo da uréia consiste de cinco reações enzimáticas. As etapas do ciclo são

descritas a seguir. A carbamil fosfato sintase (CPS), uma enzima de matriz

mitocondrial, catalisa a biossíntese de carbamil fosfato (CP), a partir da condensação

e ativação de amônio e bicarbonato e subseqüente hidrólise de duas moléculas de

adenosina 5’-trifosfato (ATP). N-acetilglutamato é um cofator alostérico da CPS e um

importante regulador da ureagênese. A ornitina transcarbamilase (OTC), também uma

enzima de matriz mitocondrial, catalisa a biossíntese de citrulina a partir de ornitina e

CP. A citrulina é transportada para o citosol, onde é condensada com aspartato via

arginossuccinato sintase (AS) para formar arginossuccinato, reação impelida pela

clivagem de ATP a AMP e pirofosfato inorgânico (PPi) e subseqüente hidrólise do PPi.

O arginossuccinato é clivado em Arg e fumarato pela arginossuccinato liase (AL). Por

fim, a Arg é hidrolisada pela arginase em uréia e ornitina, que, por sua vez, é

transportada para o interior da mitocôndria via sistema de transporte específico, para

novamente ser transcarbamilada a citrulina (Brusilow e Horwich, 2001; Berg et al.,

2004a; Voet e Voet, 2006) e a uréia é excretada na urina (Fig. 1).

Figura 1. Representação esquemática do ciclo da uréia (Berg et al., 2004)

As doenças conhecidas como EI do ciclo da uréia eram consideradas, há

algumas décadas atrás, doenças raras e que ocorriam principalmente em neonatos.

Contudo, após vinte anos de pesquisas realizadas em centros de referência, verificou-

se que estas doenças também podem ocorrer em idades mais avançadas e de forma

mais comum do que previamente se imaginava (Brusilow e Horwich, 2001).

Os EI do ciclo da uréia estão geralmente associados à deficiência de uma enzima

particular do ciclo. Foram descritas cinco doenças ocasionadas pela deficiência na

biossíntese das enzimas do ciclo da uréia (deficiência de CPS, OTC, AS, AL e

arginase), sendo a prevalência total estimada em 1 caso para cada 30.000 nascidos

vivos (Msall et al., 1984).

Os EI do ciclo da uréia são caracterizados por sinais e sintomas tais como:

hiperamoninemia, encefalopatia e alcalose respiratória. Acredita-se que esses

sintomas são induzidos pelo acúmulo de precursores de uréia, principalmente amônia

e glutamina. Quatro destas cinco doenças – deficiência de CPS, OTC, AS e AL –

apresentam manifestações clínicas praticamente idênticas e são caracterizadas por

sinais e sintomas que parecem ser induzidos pelo acúmulo de amônia (Brusilow e

Horwich, 2001).

A deficiência de arginase é caracterizada por um quadro clínico que consiste de

espasticidade progressiva, retardo mental e hiperamonemia sintomática, a qual pode

ser tratada. A hiperamonemia decorrente da deficiência de arginase é menos comum e

severa do que a hiperamonemia presente na deficiência das demais enzimas do ciclo

da uréia (Brusilow e Horwich, 2001).

1.2.1 Argininemia ou Hiperargininemia

Hiperargininemia é um EI do ciclo da uréia causado pela deficiência na atividade

da arginase hepática, a qual catalisa a conversão de Arg em uréia e ornitina (Fig. 2). A

herança é autossômica recessiva (Snyderman et al., 1977).

Figura 2. Conversão de arginina em uréia e ornitina.

A principal via de formação e degradação da Arg é o ciclo da uréia. Na

hiperargininemia, ocorre deficiência na atividade da arginase, o que compromete a

metabolização e eliminação do nitrogênio proveniente da degradação protéica.

A arginase está presente em altas concentrações no fígado, mas encontra-se

também em outros tecidos. O fígado é o único órgão que contém todas as enzimas do

ciclo da uréia e caracteriza-se por ser o órgão em que ocorre a ureagênese (Jenkinson

et al., 1996; Brusilow e Horwich, 2001).

Em 1983, foi demonstrada a existência de duas isoenzimas da arginase: a

arginase A I, que é citosólica, presente no fígado e também em eritrócitos, e que

possui atividade catabólica e ureagênica; e a arginase A II, que é substancialmente

mitocondrial, presente em tecidos extra-hepáticos, como o rim, trato gastrointestinal,

cérebro e próstata, e que é considerada uma enzima biossintética, a qual tem, como

principal produto, a ornitina (Jenkinson et al., 1996; Gotoh et al., 1997).

ARGININA

arginase

URÉIA + ORNITINA

A principal conseqüência da deficiência de arginase é a elevação de Arg no

plasma e no fluído cérebro-espinhal, o que se comprova em todos os pacientes com

hiperargininemia. A concentração plasmática de Arg pode atingir 1,5 mM e há dados

mostrando que no fluído cérebro-espinhal, os valores podem ser até 10 vezes

superiores ao valor normal (Snyderman et al., 1977).

A Arg acumulada na hiperargininemia poderá ser metabolizada por uma série de

reações enzimáticas secundárias, formando uma quantidade significativa de seus

metabólitos, os compostos guanidínicos. Dessa forma, a Arg pode ser catabolizada

por transaminação a ácido α-ceto-γ-guanidinovalérico (GVA); por descarboxilação

oxidativa a GVA e ácido γ-guanidinobutírico (GBA); por redução a GVA e por ação de

uma desidrogenase à ácido arginínico (ArgA) (Marescau et al., 1982). Como

alternativa, a transamidinação da Arg pode formar ácido guanidinoacético (GAA)

(Dubnoff e Borsook, 1941) e GBA (Pisano e Underfriend, 1963) e sua acetilação

resultar em N-α-acetilarginina (NAArg). A via metabólica secundária mais favorecida é

a de formação de GVA por transaminação. A atividade de hidrogenação de GVA a

ArgA é também bastante pronunciada. Já o aumento na atividade de transamidinação

envolvida na biossíntese de GAA, GBA e ácido β-guanidinopropiônico (GPA) é bem

menos evidente (Natelson e Sherwin, 1979) (Fig. 3).

ARG

GVA

ArgA

GAA

ARG

GPA

GBA

ARG

NAArg

Figura 3. Vias catabólicas para arginina em pacientes hiperargininêmicos. 1-

Transaminação; 2- Hidrogenação; 3- Transamidinação; 4- Acetilação (Adaptado de

Marescau et al., 1990).

A Arg também é o substrato para a síntese de óxido nítrico (NO). Esse é gerado

em todas as células do sistema nervoso central (SNC) por ação da enzima óxido

nítrico sintase (NOS), a qual, na presença de oxigênio molecular (O

tetraidrobiopterina, flavina adenina dinucleotídeo (FAD) e flavina mononucleotídeo

(FMN), catalisa a conversão de Arg em NO e citrulina (Lincoln et al., 1997; Lohse et

al., 1998; Law et al., 2001). A Arg parece ser o único substrato fisiológico para a

síntese de NO em células eucarióticas. Por outro lado, análogos da Arg são inibidores

potentes da NOS (Grant et al., 1998).

Pacientes hiperargininêmicos apresentam uma síndrome neurológica que

consiste de um grau variado de retardo mental e psicomotor, epilepsia, severa

espasticidade (com os membros inferiores afetados mais severamente que os

membros superiores), hiperatividade e perda progressiva da capacidade motora e

mental (Snyderman et al., 1977; Cederbaum et al., 1979; Marescau et al., 1992; De

Deyn et al., 1997). Os pacientes podem apresentar episódios intermitentes de vômito,

irritabilidade, letargia e coma. Ressalta-se que esses sintomas poderão também ser

observados em outros EI do ciclo da uréia (Colombo, 1992). Porém, um sinal bastante

peculiar desta doença é a espasticidade progressiva, que não é observada nas demais

doenças do ciclo da uréia, sendo, portanto, característica da hiperargininemia

(Marescau et al., 1990).

A patogênese do quadro clínico característico apresentado por pacientes

hiperargininêmicos é ainda desconhecida (Cederbaum et al., 1977).

A hiperamonemia parece ser a causa do dano causado ao SNC de pacientes

com enzimopatias do ciclo da uréia. No entanto, em pacientes hiperargininêmicos, a

hiperamonemia observada é intermitente, ao contrário das demais enzimopatias do

ciclo da uréia. Portanto, o acúmulo de amônia, não é o único fator responsável pelo

dano cerebral observado nesses pacientes. Supõe-se que outros fatores devam

contribuir com os sintomas neurológicos característicos de pacientes

hiperargininêmicos (Mizutani et al., 1987). Nesse contexto, Marescau e colaboradores

(1990), propuseram a hipótese de que a Arg, ao invés da amônia, seria neurotóxica

nestas condições. Este fato levou diversos pesquisadores a investigarem o papel da

Arg e de seus metabólitos, os compostos guanidínicos, na patogênese dessa doença

(Marescau et al., 1990, 1992; De Deyn et al., 1997; Silva et al., 1999).

Também foi sugerido que o excesso de Arg presente na hiperargininemia poderia

servir de substrato para a síntese de NO, e que o excesso de produção desse poderia

ter um papel na fisiopatologia dessa doença (Mori et al., 1998). Entretanto, o(s)

mecanismo(s) pelo(s) qual(is) esse composto e os compostos guanidínicos atuariam

no SNC e o quão responsáveis eles seriam pelo dano neurológico presente na

hiperargininemia ainda permanecem desconhecidos.

Em relação ao diagnóstico, primeiramente, a hiperargininemia pode ser

bioquimicamente diagnosticada pela dosagem dos altos níveis de Arg existentes nos

fluídos biológicos dos pacientes (Cederbaum et al., 1977). Pode-se também, utilizar

como parâmetro bioquímico, a dosagem dos compostos guanidínicos, os quais são

catabólitos da Arg, na urina, plasma e líquor. No entanto, a confirmação do

diagnóstico, deve ser obtida através da determinação da atividade da arginase em

eritrócitos (Marescau et al., 1992).

Após o diagnóstico, inicia-se o tratamento da hiperargininemia. A restrição

protéica foi a primeira medida adotada por pacientes hiperargininêmicos, uma vez que

redução da ingesta de nitrogênio reduz o seu fluxo através do ciclo da uréia,

diminuindo assim, a biossíntese de Arg (Brusilow e Horwich, 2001).

Os primeiros trabalhos publicados, que descreviam apenas o uso de terapia

dietética em pacientes com deficiência de arginase, sugeriam que uma aplicação

rigorosa desse tratamento poderia reduzir os níveis plasmáticos de Arg para normais

ou próximos ao normal, além de diminuir os níveis anormais de aminoácidos no fluído

cérebro-espinhal (Snyderman et al., 1979; Cederbaum et al., 1982; De Deyn et al.,

1997). No entanto, estudos mais recentes demonstraram que somente o uso de

restrição protéica não é suficiente para normalizar a hiperargininemia (Marescau et al.,

1990; Iyer et al., 1998). Esses estudos sugerem que uma combinação de terapia de

restrição protéica juntamente com um suplemento de aminoácidos essenciais com ou

sem a administração de benzoato de sódio parece ser eficaz em diminuir os níveis de

Arg nos fluídos biológicos (Marescau et al., 1990).

No tratamento da hiperargininemia, pode-se utilizar como estratégia a

estimulação de rotas alternativas para excreção de amônia. A administração de

benzoato de sódio e/ou ácido fenilacético é efetiva em aumentar a excreção de

metabólitos nitrogenados não uréicos em pacientes com EI do ciclo da uréia. A

administração oral de benzoato de sódio e ácido fenilacético reduz a amônia

plasmática por aumentar a excreção de ácido hipúrico e fenil acetil glutamina,

respectivamente (Batshaw et al., 1981; Mizutani et al., 1983; Brusilow e Horwich, 2001;

Berg et al., 2004a).

Contudo, apesar do sucesso obtido no manejo de alguns pacientes, não há

tratamento definitivo para a hiperargininemia, uma vez que todas as medidas

terapêuticas encontradas até o momento são temporárias e devem ser mantidas por

toda a vida do indivíduo.

1.3 Modelo animal de hiperargininemia

O modelo animal de hiperargininemia utilizado nesse trabalho foi o mesmo

empregado em outros trabalhos do nosso grupo de pesquisa e baseia-se no modelo

experimental desenvolvido por Buchmann e colaboradores (1996). O modelo tem

como objetivo reproduzir, em ratos, níveis de Arg semelhantes aos encontrados em

pacientes hiperargininêmicos. A dose de Arg administrada aos ratos é de 0,8 g/Kg de

peso corporal, dose em que Buchmann e colaboradores (1996) encontraram níveis de

Arg plasmáticos e concentrações cerebrais de aproximadamente 1,3 mM e 0,3

nmol/Kg, respectivamente. Esses dados foram confirmados em nosso grupo de

pesquisa.

1.4 Radicais livres e estresse oxidativo

Um radical livre é definido como qualquer espécie capaz de uma existência

independente, por mais breve que seja e que contenha um ou mais elétrons não

pareados (Halliwell e Gutteridge, 1984). Os principais exemplos de radicais livres de

oxigênio são os radicais superóxido, hidroxil, peroxil, alcoxil e hidroperoxil; e como

exemplos de radicais livres de nitrogênio citam-se o NO e o dióxido de nitrogênio

(Evans e Halliwell, 2001). As espécies reativas de oxigênio são formadas em grande

quantidade pela respiração celular, na mitocôndria, principalmente nos complexos I e

III da cadeia respiratória (CR), onde ocorre redução incompleta (2-5%) do O

(Lenaz,

2001). Depois de formados, estes compostos produzem uma reação de oxidação em

cadeia resultando na destruição, modificação ou inativação de inúmeras moléculas. As

espécies reativas de oxigênio podem atuar sobre diversos alvos celulares, entre estes

estão os lipídios, as proteínas e o DNA (Halliwell e Whiteman, 2004).

O estresse oxidativo é conceituado como um desequilíbrio entre a produção de

espécies reativas e defesas antioxidantes (Halliwell e Whiteman, 2004). As defesas

antioxidantes podem ser divididas em enzimáticas e não-enzimáticas. Entre as

enzimas antioxidantes, as principais são superóxido dismutase, catalase, glutationa

peroxidade e glutationa redutase (Halliwell, 2001; Salvador e Henriques, 2004).

Quanto às defesas antioxidantes não-enzimáticas, as principais são as vitaminas,

como as vitaminas A, C, E, riboflavina e tiamina, os polifenóis e os compostos de baixo

peso molecular, que incluem bilirrubina, α-cetoácidos, melatonina, urato, ácido lipóico,

estrógenos e glutationa (Salvador e Henriques, 2004)

O estresse oxidativo é um importante processo que vem sendo relatado na

patogênese de algumas condições que afetam o SNC, tais como epilepsia, esclerose

múltipla, demência e doenças neurodegenerativas como Alzheimer e Parkinson

(Reznick e Packer, 1993; Halliwell, 2001; Salvador e Henriques, 2004). Esse fato

torna-se facilmente compreensível, visto que o SNC é particularmente vulnerável ao

estresse oxidativo, em face ao alto consumo de O

; ao alto conteúdo lipídico,

principalmente de ácidos graxos poliinsaturados; aos altos níveis de ferro, os quais

favorecem a lipoperoxidação; e à baixa defesa antioxidante (Butterfield e Stadtman,

1997; Halliwell, 2006).

1.5 Óxido nítrico

O NO é sintetizado endogenamente pela ação da enzima NOS em tecidos

especializados tendo como precursora a L-Arg (Moncada e Higgs, 1993; Law et al.,

2001). Nesse contexto, especula-se que os altos níveis de Arg, encontrados em

pacientes hiperargininêmicos, possam resultar em aumento dos níveis cerebrais de

NO. Essa suposição foi apoiada pelos achados de Buchmann e colaboradores (1996),

onde se verificou aumento nas concentrações de citrulina no cérebro de ratos após a

administração aguda de Arg.

O NO desempenha importante papel fisiológico no SNC em condições normais,

como, por exemplo, liberação de neurotransmissores, expressão gênica, percepção da

dor, plasticidade sináptica e aprendizado (Dawson e Dawson, 1996; Lincoln et al.,

1997; Prast e Philippu, 2001). No entanto, quando há formação excessiva, o NO torna-

se um importante mediador de neurotoxicidade (Dawson e Dawson, 1996).

O NO é um radical livre e em muitos sistemas biológicos tem meia vida curta,

devido a sua reatividade com outros constituintes intracelulares, como o ânion

superóxido (O

)

(Beckman et al., 1993; McCord, 2000). A reação entre o NO e O

resulta na formação do ânion peroxinitrito (ONOO

), o qual é citotóxico (Lipton et al.,

1993). Essa reação é extremamente favorável, pois o NO pode efetivamente competir

com a enzima superóxido dismutase pelo O

(Beckman et al., 1993). Em meio ácido,

o ONOO

é transformado em ácido peroxinítrico, o qual leva à formação espontânea de

radical hidroxila. Os nitratos são os produtos finais dessas reações (Fig. 4) (Bergendi

et al.,1999).

.NO + O

ONOO

+ H

ONOOH

ONOOH .OH + .NO

+ H

Figura 4. Reação entre óxido nítrico e ânion superóxido, formando ânion

peroxinitrito, ácido peroxinítrico e nitrato (Adaptado de Dawson e Dawson, 1996).

Estudos realizados em nosso laboratório mostraram que a administração aguda

de Arg aumenta a lipoperoxidação (quimiluminescência), diminui a capacidade

antioxidante total não-enzimática (TRAP) e reduz a atividade da enzima catalase em

cérebro de ratos e que a administração de N

-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME),

um inibidor competitivo da NOS, previne esses efeitos (Wyse et al., 2001; Delwing et

al., 2002). Esses resultados sugerem que a administração de Arg induz o estresse

oxidativo como conseqüência do aumento na formação de NO e/ou ONOO

1.6 Metabolismo energético

A glicólise e a fosforilação oxidativa (FO) são particularmente importantes no

cérebro para a produção de energia, uma vez que a glicose é o principal composto

energético utilizado pelo SNC e, no cérebro, a FO fornece mais de 95% do ATP

sintetizado (Siesjo, 1978). Durante o jejum prolongado os corpos cetônicos substituem

parcialmente a glicose como substrato energético para o cérebro (Nelson e Cox, 2000;

Berg et al., 2004b). O transporte da glicose através da barreira hemato-encefálica,

bem como através das membranas neuronais e das células gliais é muito rápido.

Sendo assim, o metabolismo cerebral da glicose é regulado principalmente por sua

fosforilação do que por seu transporte (Lund-Andersen, 1979). A reserva energética

cerebral (glicogênio) é extremamente pequena em relação à elevada atividade

metabólica desse órgão, de modo que a função normal do SNC requer o suprimento

contínuo de glicose a partir da circulação (Erecinska e Silver, 1994). O glicogênio está

localizado principalmente, mas não exclusivamente, nos astrócitos (Cataldo e

Broadwell, 1986). No cérebro mais de 95% da glicose é convertida em CO

e água

O) enquanto uma pequena fração é convertida em lactato ou segue outras rotas

metabólicas (Hawkins et al, 1974; Siesjo, 1978).

Tendo em vista que a FO é responsável pela quase totalidade do ATP produzido

no SNC, a regulação da respiração mitocondrial é central para o metabolismo e

funções cerebrais.

1.6.1 Glicólise e ciclo do ácido cítrico

A degradação da glicose para produção de energia ocorre em todos os seres

vivos, desde a mais antiga e simples bactéria até os complexos organismos

multicelulares. A glicólise, também conhecida como via de Ebden-Meyerhof, é a rota

metabólica pela qual a glicose é convertida, via frutose-1,6-bifosfato, a piruvato, com a

geração de 2 moles de ATP/mol de glicose. Essa seqüência de 10 reações

enzimáticas tem papel fundamental no metabolismo energético por fornecer parte da

energia utilizada pela maioria dos organismos. Em condições anaeróbicas, o piruvato

é prontamente convertido a um produto final reduzido, o lactato. As enzimas da via

glicolítica estão localizadas no citosol (Berg et al., 2004b; Voet e Voet, 2006).

Entretanto, sob condições aeróbicas, a etapa seguinte na produção de energia a partir

de glicose é a descarboxilação oxidativa do piruvato para formar acetil coenzima A

(acetil CoA). A acetil CoA é conseqüentemente completamente oxidada a CO

pelo

ciclo do ácido cítrico, através de uma série de reações também conhecida como ciclo

dos ácidos tricarboxílicos ou ciclo de Krebs. Em contraste à glicólise, as reações do

ciclo do ácido cítrico ocorrem no interior da mitocôndria. O ciclo do ácido cítrico opera

somente em condições aeróbicas, porque requer um suprimento de NAD

e FAD. Em

cada volta do ciclo, são formadas três moléculas de NADH. H

, uma molécula de

FADH

, duas de CO

e uma de GTP (Fig. 5). Os carreadores, NAD

e FAD, são

regenerados quando o NADH. H

e o FADH

transferem seus elétrons ao O

através

da cadeia de transporte de elétrons, com a concomitante produção de ATP (Nelson e

Cox, 2000; Berg et al., 2004c). Cabe salientar, que a acetil CoA, também é obtida pela

oxidação de outras biomoléculas, como aminoácidos e ácidos graxos (Berg et al.,

2004b).

Figura 5. Ciclo do ácido cítrico (Adaptado de Berg et al., 2004).

xaloacetato

citrato

isocitrato

2-cetoglutarato

succinil-CoA

succinato

fumarato

malato

NADH

GTP

acetil-CoA

NADH

FADH

NADH

1.6.2 Cadeia Respiratória Mitocondrial

A energia necessária para produção de ATP é gerada através da FO. A FO é

um processo que requer a ação orquestrada de cinco complexos enzimáticos

distribuídos de forma especial na membrana mitocondrial interna, os quais constituem

a chamada cadeia respiratória (CR). Os elétrons oriundos do NADH. H

e FADH

provenientes do ciclo de Krebs e de outras reações catalisadas por desidrogenases,

são transferidos para a CR, tendo o O

como aceptor final. O processo de

transferência de elétrons é acoplado à translocação de prótons através da membrana

mitocondrial interna e à síntese endoergônica de ATP, tendo como força motriz a

energia armazenada primariamente como gradiente eletroquímico de prótons

(Babcock e Wikstöon, 1992; Voet e Voet, 2006). Os complexos enzimáticos da CR

compreendem a maior parte das proteínas embebidas na membrana mitocondrial

interna. Cada complexo é constituído de vários componentes protéicos que são

associados com uma variedade de grupamentos prostéticos com potencial de oxi-

redução sucessivamente maiores (Di Donato, 2000; Voet e Voet, 2006).

Os componentes da CR são os seguintes: NADH:Q oxidorredutase (complexo I),

succinato:Q oxidorredutase (complexo II), citocromo c oxidorredutase (complexo III) e

citocromo c oxidase (COX) (complexo IV). Além destes complexos, a CR possui dois

transportadores móveis de elétrons, que são a coenzima Q, entre os complexos I e III,

e o citocromo c, entre os complexos III e IV (Berg et al., 2004c; Lehninger et al., 2007).

A síntese de ATP a partir de adenosina 5’-difosfato (ADP) é realizada pelo complexo

V, também conhecido como ATP sintase (Fig. 6).

O gradiente eletroquímico gerado na CR durante a transferência de elétrons para

o O

cria uma polarização na membrana mitocondrial interna, que pode ser revertida

pelo fluxo de prótons através do canal de prótons presente no componente F

da ATP

sintase. Este fluxo de prótons leva à condensação do ADP e fosfato inorgânico em

ATP (Saraste, 1999; Wallace, 1999). A ATP sintase é uma enzima reversível, uma vez

que pode catalisar, não apenas a síntese de ATP, usando a força próton motriz

através da membrana mitocondrial interna, como também a hidrólise do ATP (Saraste,

1999).

Devido ao papel fundamental que a CR desempenha no metabolismo energético,

o dano a um ou mais complexos da cadeia poderá ocasionar queda na síntese de ATP

celular (Davey e Clark, 1996). Com base nesse contexto, O NO pode atuar como um

importante regulador da respiração celular, uma vez que esse pode reagir com

constituintes celulares, tais como o O

e peróxido de hidrogênio, produzindo ONOO

, o

qual é extremamente citotóxico (Henry e Guissani, 1999; McCord, 2000). Trabalhos

têm mostrado que o ONOO

danifica ou inibe os complexos I e II, as enzimas ATP

sintase, aconitase, creatinaquinase, superóxido dismutase, o DNA mitocondrial e induz

o desacoplamento mitocondrial (Konorev et al., 1998; Sharpe e Cooper, 1998; Radi et.,

2002). Corroborando com esses dados, alguns pesquisadores relataram que o NO é

um potente, rápido e reversível inibidor da COX (Brown e Cooper, 1994; Radi et al.,

2002; Antunes et al., 2004).

Figura 6. Fluxo de elétrons através dos quatro complexos da cadeia respiratória

(Adaptado de Smith et al., 2005).

1.7 Na

, K

- ATPase

A Na

-ATPase é uma proteína integral de membrana, encontrada na maioria

das células de eucariotos, que transloca íons Na

e K

contra seus gradientes de

concentração através da membrana plasmática, utilizando a energia proveniente da

hidrólise do ATP como força motriz.

O fluxo de íons, ou seja, o transporte de três íons Na

para o meio extracelular e

de dois íons K

para o meio intracelular mantém um gradiente eletroquímico através

da membrana celular (Lingrel e Kuntzweiler, 1994; Erecinska et al., 2004). Este

gradiente é utilizado como fonte energética para a manutenção do potencial de

repouso e da excitabilidade das células, regulação do volume celular, pH intracelular e

para o transporte de moléculas ligadas ao co-transporte de Na

, como glicose,

aminoácidos e neurotransmissores (Geering, 1990). Além disso, a Na

-ATPase

consome o ATP produzido pelas células, sendo este consumo de 40 a 60% nas

células neuronais (Erecinska e Silver, 1994).

A Na

-ATPase é uma proteína oligomérica com duas subunidades α

transmembrana, que contém os sítios de ligação para Na

, K

, ATP e glicosídeos

cardíacos, duas subunidades β regulatórias, na forma de glicoproteínas, e uma

subunidade γ (Fig. 7). A subunidade α é formada por 1012 aminoácidos, tem massa de

aproximadamente 100 kD e é responsável pelas propriedades catalíticas da enzima. A

subunidade β contém em torno de 300 aminoácidos e uma massa de 60 kD. Embora

não existam sítios catalíticos nesta subunidade, não é possível separá-la da

subunidade α sem perda da atividade enzimática (Geering, 1990; Skou e Esmann,

1992; Erecinska et al., 2004). A subunidade γ tem peso molecular de

aproximadamente 12 kDa, sendo encontrada somente nos rins. Sua função não está

completamente elucidada, mas há evidências sugerindo que essa subunidade modula

a atividade da Na

-ATPase, além de pertencer a uma família de pequenas

proteínas de membrana envolvidas na passagem de íons pela membrana (Therien et

al., 1997; Blanco e Mercer, 1998; Kaplan, 2002).

Figura 7. Estrutura da Na

-ATPase (Adaptado de Voet e Voet, 2006).

Durante o ciclo catalítico da Na

-ATPase a subunidade α é fosforilada e

desfosforilada em um resíduo de ácido aspártico, estabilizando sua estrutura em duas

formas, E

e E

(Vasilets e Schwarz, 1993; Kaplan, 2002; Devlin, 2003). A forma E

estabilizada pela ligação de três íons Na

. A fosforilação da enzima promove a perda

da afinidade pelos íons Na

e liberação dos mesmos no meio extracelular. A enzima

passa para a forma E

, com alta afinidade por íons K

, ligando assim dois íons K

, o

que provoca a desfosforilação da enzima, seguida pela perda da afinidade pelos íons

, que são liberados no meio intracelular. Finalmente, a enzima volta à forma E

, que

tem alta afinidade por Na

, completando o ciclo. Esta enzima tem sua atividade inibida

por glicosídeos cardíacos, como a digoxina e a ouabaína (Vasilets e Schwarz, 1993;

Kaplan, 2002; Devlin, 2003; Jorgensen et al., 2003).

Dados da literatura mostram que a atividade da Na

-ATPase está reduzida na

isquemia cerebral (Wyse et al., 2000), na epilepsia (Grisar, 1984), em crises

convulsivas (Renkawek et al., 1992) e em determinadas doenças neurodegenerativas

(Lees, 1993; Hattori et al., 1998, Yu, 2003), como por exemplo na doença de Alzheimer

(Liguri et al., 1990; Hattori et al., 1998).

1.8 Creatinaquinase

A enzima creatinaquinase (CK; ATP: creatina N-phosphoryl-transferase) catalisa

a transferência metabolicamente reversível do grupo N-fosforil da fosfocreatina (PCr)

para o ADP, regenerando desta forma o ATP (Fig. 8). A CK exerce um papel essencial

na homeostasia energética de células com necessidades energéticas variáveis e

intermitentes, como por exemplo, músculos esquelético e cardíaco e tecidos

neuronais, como cérebro e retina (Wallimann et al., 1998).

Figura 8. Reação de transfosforilação catalisada pela enzima creatinaquinase.

As células contêm isoformas diferentes de CK: 2 isoformas citosólicas, M-CK

(músculo) e B-CK (cérebro), as quais formam moléculas diméricas; e duas isoformas

mitocondriais: Mi

-CK (ubíqua) e Mi

-CK (sarcomérica), as quais são expressas

predominantemente no cérebro e no músculo estriado, respectivamente, formando

moléculas diméricas e octaédricas (Wallimann et al., 1992).

As isoenzimas da CK citosólica (MM-, MB- e BB-CK) são sempre co-expressadas

juntamente com a isoforma mitocondrial (Mi-CK). Usando fracionamento bioquímico e

localização in situ, foi demonstrado que as isoenzimas da CK são solúveis,

subcelularmente compartimentalizadas e unidas funcionalmente e/ou estruturalmente

PCr + Mg

ADP + H

Cr + Mg

ATP

com sítios de liberação de energia (glicólise e mitocôndria) ou consumo de energia

(ATPases celulares, como ATPase actinomiosina e ATPase retículo sarcoplasmático),

formando um sistema de distribuição de energia altamente complexo e regulado

(Wallimann et al., 1992).

No tecido nervoso, a CK encontra-se em duas isoformas, uma mitocondrial (Mi

CK) e outra citosólica (BB-CK), acoplada funcionalmente à Na

, K

- ATPase (Blum et

al., 1991). O cérebro tem capacidade de sintetizar parte da Cr de que necessita

(Defalco e Davis, 1961), sendo o restante captado através de um sistema de co-

transporte Na

/Cr (Guimbal e Kilimann, 1993).

Uma vez que a energia é fundamental para o desenvolvimento e a regulação das

funções cerebrais, foi postulado que o prejuízo na função da CK possa ter um papel

crítico no processo neurodegenerativo que leva à perda neuronal (Tomimoto et al.,

1993). A atividade da CK está reduzida em várias doenças neurodegenerativas, como

doença de Alzheimer, doença de Pick e em modelos animais de esclerose lateral

amiotrófica (David et al., 1998; Aksenov et al., 2000; Wendt et al., 2002; Burklen et al.,

2006). Também uma leve diminuição na atividade da CK foi observada no cérebro de

pacientes com epilepsia, esquizofrenia e psicose maníaco-depresiva (Burbaeva et al.,

1987, 1990). Ressalta-se que a redução observada na atividade da CK pode, nestas

doenças, refletir um distúrbio no metabolismo energético cerebral. Além disso, devido

a sua importante participação nos processos de manutenção de energia necessária

para a mielogênese nos oligodendrócitos e para transporte iônico de

neurotransmissores e mediadores entre astrócitos e neurônios, danos à sua função

podem levar a distúrbios na transdução de sinal cerebral (Wallimann et al, 1985;

Kuzhikandathil e Molly, 1994; Roth et al, 1995; Zilles et al, 1995).

1.9 Ectonucleotidases

Nucleotídeos extracelulares podem ser hidrolisados por uma variedade de

enzimas que estão localizadas na superfície celular ou podem ser solúveis nos meios

intra e extracelulares. Nos últimos anos, consideráveis progressos têm sido feitos na

caracterização de uma família de enzimas responsáveis pela degradação de

nucleotídeos, conhecida como família das E-NTPDases (Zimmermann, 2001, 2006;

Oses et al., 2004).

Até o momento, oito membros da família das NTPDases têm sido identificados.

NTPDase 1, NTPDase 2, NTPDase 3 e NTPDase 8 são proteínas transmembrana,

ancoradas à membrana plasmática pelos terminais N-terminal e C-terminal e com sítio

catalítico voltado para o espaço extracelular. Essas enzimas hidrolisam tanto os

nucleotídeos das purinas como das pirimidinas. As atividades catalíticas dessas

enzimas estão adaptadas ao ambiente extracelular e requerem a presença de cátions

divalentes como Ca

ou Mg

e pH próximo da neutralidade (Zimmermann, 2001;

Bigonesse et al., 2004).

A especificidade pelo substrato é a principal diferença entre essas enzimas.

Assim, a NTPDase 1, também conhecida como CD39, ecto-apirase ou ecto-ATP

difosfoidrolase, hidrolisa ATP e ADP igualmente bem, sendo a proporção de hidrólise

de 1:1 (Zimmermann, 2001, 2006). A NTPDase 2 (CD39L1, ecto-ATPase) tem uma

alta preferência pelo ATP, cerca de 30:1, agindo como um produtor extracelular de

ADP. A NTPDase 3 (CD39L3) e a NTPDase 8 tem propriedades funcionais

intermediárias, a NTPDase 3 hidrolisando o ATP com cerca de três vezes mais

eficiência do que o ADP (Smith e Kirley, 1998; Zimmermann, 2001, 2006) e a

NTPDase 8 hidrolisando o ATP com cerca de duas vezes mais eficiência do que o

ADP (Bigonesse et al., 2004). Até o presente momento, as diferenças funcionais na

especificidade pelo substrato e suas conseqüências nas células ou tecidos não estão

completamente compreendidas (Zimmermann, 2001).

As NTPDases 4,5,6 e 7 estão ancoradas em membranas de organelas intracelulares

por um ou dois domínios transmembrana e com o sítio catalítico voltado para o lúmem

das organelas (Braun et al., 2000; Shi et al., 2001; Zimmermann, 2001). Dentre essas, as

NTPDases 5 e 6 também podem se localizar na membrana plasmática por somente um

domínio transmembrana na porção N-terminal, o que possibilita que sejam clivadas

proteoliticamente e liberadas para o meio extracelular (Mulero et al., 1999).

Apesar das diferenças catalíticas e de distribuição dessas enzimas, todas as

NTPDases apresentam cinco domínios com seqüências altamente conservadas,

denominadas “regiões conservadas da apirase”, que possivelmente participam da

formação do sítio catalítico dessas enzimas (Zimmermann, 2001).

Juntamente com as NTPDases, uma outra enzima responsável pela degradação

de nucleotídeos extracelulares é a ecto-5’-nucleotidase ou CD73. Essa enzima possui

uma ampla distribuição tecidual e é classificada em quatro grupos de acordo com a

localização celular e as propriedades bioquímicas: uma ecto-5’-nucleotidase ancorada

à membrana plasmática, uma forma solúvel derivada da ecto-5’-nucleotidase, e duas

formas citoplasmáticas. A atividade catalítica da ecto-5’-nucleotidase controla os níveis

intra e extracelulares de AMP e outros nucleosídeos monofosfatados (Kawashima et

al., 2000; Robson et al., 2006). Assim, a associação dessas enzimas (NTPDase e

ecto-5’-nucleotidase) constitui uma via altamente sofisticada, desenvolvida com o

objetivo de controlar os níveis extracelulares de ATP e adenosina, capazes de modular

uma série de processos fundamentais a nível celular em muitos órgãos e tecidos,

principalmente no SNC e periférico.

De acordo com a literatura, a adenosina é um nucleosídeo envolvido em muitas

situações fisiológicas, possuindo um importante papel na modulação da atividade

neuronal no SNC. Devido aos seus efeitos modulatórios, a adenosina é descrita como

uma substância neuroprotetora e neuromoduladora em muitas áreas do SNC de

mamíferos (Dunwiddie e Masino, 2001; Latini e Pedata, 2001). Apesar de seus efeitos

modulatórios, a adenosina não é considerada um neurotransmissor por não ser

armazenada em vesículas sinápticas e não ser liberada da mesma forma que os

neurotransmissores clássicos conhecidos (Brundege e Dunwidie, 1997). Além disso, a

adenosina promove vasodilatação coronariana e atua inibindo a agregação plaquetária

(Oliveira et al., 1997; Marshall, 2000).

II. OBJETIVOS

Objetivo geral

Considerando que: (1) a administração aguda de arginina reduz as atividades da

-ATPase e da acetilcolinesterase em cérebro de ratos, (2) induz estresse

oxidativo, (3) provoca déficit de memória em ratos, (3) reduz o metabolismo energético

em hipocampo de ratos, (4) e que os mecanismos envolvidos na disfunção neurológica

característica da hiperargininemia são pouco conhecidos, o objetivo geral do nosso

estudo foi investigar o efeito da Arg sobre alguns parâmetros importantes do

metabolismo energético (atividade de enzimas da CR, creatina quinase e Na

ATPase) e estresse oxidativo em cérebro de ratos, bem como o efeito desse

aminoácido sobre a hidrólise de nucleotídeos em sinaptossomas obtidos de

hipocampo de ratos e em soro de ratos. A influência dos antioxidantes, α-tocoferol e

ácido ascórbico, e do L-NAME, um potente inibidor da NOS, sobre os efeitos causados

pela Arg, também foram avaliados.

Este trabalho será dividido em seis capítulos como segue:

Capítulo I

Objetivos específicos

1. Investigar o efeito da administração aguda de Arg sobre alguns parâmetros de

metabolismo energético, tais como: captação de glicose, produção de lactato e

atividades de complexos da CR (succinato desidrogenase, complexo II e

complexo IV) em cerebelo de ratos.

2. Verificar o efeito do pré-tratamento com α-tocoferol e ácido ascórbico sobre os

efeitos causados pela Arg sobre o metabolismo energético em hipocampo e

cerebelo de ratos.

Capítulo II

Objetivos específicos

1. Investigar o efeito da Arg sobre a produção de CO

a partir de glicose em

meios com diferentes concentrações extracelulares de K

2. Investigar o efeito da Arg sobre a atividade da Na

-ATPase em membrana

plasmática sináptica de fatias de hipocampo de ratos.

3. Avaliar a influência do L-NAME sobre os efeitos causados pela Arg nos

parâmetros analisados a fim de investigar o possível envolvimento do NO e ou

de seu derivado ONOO

Capítulo III

Objetivos específicos

1. Verificar o efeito da administração aguda de Arg sobre a atividade da enzima

creatina quinase em homogeneizado total e nas frações citosólica e

mitocondrial de cerebelo de ratos.

2. Investigar a influência do pré-tratamento com α-tocoferol e ácido ascórbico,

bem como do L-NAME, sobre os efeitos causados pela administração aguda de

Arg sobre a atividade da creatina quinase.

Capítulo IV

Objetivos específicos

1. Verificar o efeito in vivo da administração intracerebroventricular de Arg sobre

a atividade da enzima Na

-ATPase em membrana plasmática sináptica de

hipocampo de ratos.

2. Verificar o efeito in vivo da administração intracerebroventricular de Arg sobre

alguns parâmetros de estresse oxidativo, denominados formação de

substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBARS) e capacidade

antioxidante total não-enzimática (TRAP) em hipocampo de ratos.

3. Verificar o efeito do pré-tratamento com α-tocoferol e ácido ascórbico sobre os

efeitos causados pela administração intracerebroventricular de Arg.

4. Verificar a influência do L-NAME sobre os efeitos causados pela

administração intracerebroventricular de Arg.

Capítulo V

Objetivos específicos

1. Verificar o efeito da administração intraperitoneal de Arg sobre a atividade das

enzimas NTPDase e ecto-5’-nucleotidase em sinaptossomas obtidos de

hipocampo de ratos.

2. Verificar o efeito da administração intracerebroventricular de Arg sobre a

atividade das enzimas NTPDase e ecto-5’-nucleotidase em sinaptossomas

obtidos de hipocampo de ratos.

3. Investigar o efeito in vitro de diferentes concentrações de Arg sobre a atividade

das enzimas NTPDase e ecto-5’-nucleotidase em sinaptossomas obtidos de

hipocampo de ratos.

4. Realizar estudos cinéticos da atividade da NTPDase e ecto-5’-nucleotidase na

presença de Arg, quando adicionada ao ensaio enzimático (in vitro) em

sinaptossomas de hipocampo de ratos.

Capítulo VI

Objetivos específicos

1. Investigar o efeito da administração aguda de Arg sobre a hidrólise dos

nucleotídeos ATP, ADP e AMP em soro de ratos.

2. Verificar o efeito in vitro de diferentes concentrações de Arg sobre a hidrólise

dos nucleotídeos em soro de ratos.

3. Verificar a influência do L-NAME sobre os efeitos causados pela Arg sobre a

hidrólise dos nucleotídeos.

OBS: todos os capítulos serão apresentados na forma de artigos científicos.

III. RESULTADOS E METODOLOGIAS

CAPÍTULO I – ARTIGO 01

αα

α-tocopherol and ascorbic acid administration prevents the impairment of brain

energy metabolism of hyperargininemic rats

Débora Delwing, Bárbara Tagliari, Fábria Chiarani, Clovis M.D. Wannmacher, Moacir

Wajner and Angela Terezinha de Souza Wyse

Periódico: Cellular and Molecular Neurobiology

Status: Publicado

CAPÍTULO II – ARTIGO 02

Inhibition of CO

production from glucose by arginine in brain slices of rats

Débora Delwing, Francieli M. Stefanello, Moacir Wajner, Marcos L.S. Perry and Angela

T.S. Wyse

Periódico: Metabolic Brain Disease

Status: Publicado

CAPÍTULO III – ARTIGO 03

Arginine Administration Reduces Creatine Kinase Activity in Rat Cerebellum

Débora Delwing, Andrea R. Cornélio, Moacir Wajner, Clóvis M.D. Wannmacher and

Angela T.S. Wyse

Periódico: Metabolic Brain Disease

Status: Publicado

CAPÍTULO IV– ARTIGO 04

Protective effect of antioxidants on brain oxidative damage caused by

intracerebroventricular arginine administration

Débora Delwing, Daniela Delwing, Caren S. Bavaresco and Angela T.S. Wyse

Periódico: Brain Research

Status: Enviado

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CAPÍTULO V – ARTIGO 05

NTPDase and 5’-nucleotidase activities of synaptosomes from hippocampus of

rats subjected to hyperargininemia

Débora Delwing

, Daniela Delwing

, Manuela C.F. Gonçalves

, João J.F. Sarkis

and

Angela T.S. Wyse

1,2

Periódico: Neurochemical Research

Status: Publicado

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CAPÍTULO VI – ARTIGO 06

L-NAME administration prevent the inhibition of nucleotide hydrolysis by rat

blood serum subjected to hyperargininemia

Débora Delwing

, Manuela C.F. Gonçalves

, João J.F. Sarkis and Angela T.S. Wyse

Periódico: Amino Acid

Status:

Publicado

114

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119

120

IV. DISCUSSÃO

Os EIM do ciclo da uréia compreendem desordens metabólicas nas quais há uma

deficiência enzimática em qualquer uma das etapas da rota ureagênica, tendo como

conseqüência o acúmulo de átomos de nitrogênio numa variedade de moléculas, cujo

padrão varia conforme o ponto de bloqueio enzimático. Uma característica entre as

desordens do ciclo da uréia é o aumento dos níveis plasmáticos de amônia (Brusilow e

Horwich, 2001).

A hiperargininemia é um EI do ciclo da uréia, causada pela deficiência de

arginase, a qual é a quinta enzima do ciclo da uréia e que hidrolisa Arg em uréia e

ornitina. Pacientes afetados por essa doença apresentam acúmulo de Arg e seus

derivados (compostos guanidínicos) nos tecidos e fluídos biológicos. De forma diversa

às demais desordens que alteram a rota ureagênica, as concentrações plasmáticas de

amônia encontram-se normais ou levemente aumentadas (Cederbaum, 1977;

Snyderman, 1977).

Pacientes hiperargininêmicos apresentam sintomas clínicos que incluem vômitos,

irritabilidade, letargia, retardo mental, espasticidade, convulsões e coma. A severa

espasticidade é característica de pacientes hiperargininêmicos, não estando presente

nas demais enzimopatias do ciclo da uréia. Todavia, estes sintomas neurológicos não

são explicados unicamente pela hiperamonemia ou hiperargininemia, sugerindo-se

que outros fatores devam contribuir com o aparecimento dos mesmos, tais como o

aumento dos níveis de compostos guanidínicos e/ou NO (Mizutani et al., 1987).

121

Estudos realizados no nosso grupo de pesquisa mostraram que a administração

aguda de Arg provocou redução significativa na atividade das enzimas Na

-ATPase

(Wyse et al., 2001) e catalase (Delwing et al., 2002), aumentou significativamente a

peroxidação lipídica (quimiluminescência) e diminuiu a capacidade antioxidante total

não-enzimática (TRAP) em cérebro de ratos (Wyse et al., 2001). Também mostramos

que a administração aguda de Arg provocou redução no metabolismo energético

hipocampal (Delwing et al., 2003) e diminuição de memória em ratos (Reis et al.,

2002). Estes efeitos foram prevenidos pela administração simultânea de Arg e L-

NAME, sugerindo que a Arg afeta esses parâmetros através da produção de NO e /ou

ONOO

No presente trabalho, utilizamos o modelo experimental animal de

hiperargininemia descrito por Buchmann e colaboradores (1996), os quais relataram

que os níveis sangüíneos de Arg aumentam sete vezes após a administração de Arg,

enquanto que a concentração cerebral de Arg aumenta 2,3 vezes comparada aos

ratos tratados com salina. Os mesmos autores relataram um aumento da

concentração de citrulina no cérebro de ratos após a administração de Arg, o que

sugere aumento na formação de NO.

Primeiramente, investigamos o efeito da administração aguda de Arg sobre

alguns parâmetros do metabolismo energético, entre eles, a captação de glicose,

liberação de lactato e atividade de enzimas chave da CR em cerebelo de ratos. O

cerebelo foi utilizado nesses experimentos por ser uma estrutura cerebral essencial

para a atividade motora, a qual se encontra comprometida em pacientes

hiperargininêmicos (Blouin et al., 2004; Debaere et al., 2004). Nossos resultados

122

mostraram que a administração aguda de Arg reduziu significativamente a captação

de glicose e aumentou a produção de lactato em cerebelo de ratos, sugerindo que a

administração desse aminoácido provavelmente comprometeu a glicólise aeróbica e

aumentou a glicólise anaeróbica. Esta inversão na utilização do metabolismo aeróbico

pelo anaeróbico poderá ocasionar diminuição na produção de energia celular,

provavelmente através da redução da produção de ATP. Esses resultados estão de

acordo com nossos estudos anteriores, onde mostramos que a administração aguda

de Arg comprometeu os mesmos parâmetros em hipocampo de ratos (Delwing et al.,

2003).

Com o propósito de esclarecer a redução energética cerebelar provocada pela

administração de Arg, avaliamos a função da CR medindo as atividades de complexos

cruciais para a função normal da CR: a SDH, o complexo II e a COX (complexo IV), os

quais são considerados marcadores de função neural. Nós observamos que a Arg não

alterou a atividade da COX, mas inibiu significativamente as atividades da SDH e do

complexo II. Portanto, é possível que a redução nas atividades dessas enzimas

causada por altos níveis de Arg, possa explicar a redução da captação de glicose,

bem como o aumento da produção de lactato. Resultado similar foi verificado em

hipocampo de ratos (Delwing et al., 2003).

Dados da literatura sugerem que distúrbios secundários do metabolismo

energético desempenham papel importante nos distúrbios fisiopatológicos de doenças

neurodegenerativas, incluindo as doenças de Alzheimer e Parkinson (Cassarino e

Bennet, 1999; Chinta e Andersen, 2006; Onyango e Khan, 2006).

123

Considerando que a proteção antioxidante do α-tocoferol é crucial para uma

respiração mitocondrial cerebral eficiente e que o cerebelo possui baixa concentração

desta vitamina (Vatassery, 1998, 2004), neste trabalho nós também verificamos se o

pré-tratamento com os antioxidantes α-tocoferol e ácido ascórbico seria capaz de

prevenir o comprometimento do metabolismo energético causado pela Arg em

cerebelo e também em hipocampo de ratos. O hipocampo é uma estrutura cerebral

essencial para o aprendizado, o qual se encontra comprometido em pacientes

hiperargininêmicos (Squire, 2004). Nossos resultados mostraram que esses

antioxidantes foram capazes de prevenir o aumento da liberação de lactato, bem como

a diminuição da captação de glicose e das atividades da SDH e do complexo II

provocados pela Arg, em ambas as estruturas cerebrais. Esses dados sugerem que

radicais livres removidos por α-tocoferol e ácido ascórbico estão provavelmente

envolvidos nos efeitos causados pela Arg sobre os vários parâmetros de metabolismo

energético testados.

Nossos resultados estão de acordo com outros estudos, os quais mostram os

efeitos protetores do α-tocoferol contra o dano oxidativo tecidual, com ênfase no SNC

(Anderson et al., 1988; Hara et al., 1990; Vatassery et al., 2004). Nesse contexto, o α-

tocoferol é considerado o principal antioxidante lipofílico em humanos, sendo essencial

para uma função cerebral normal (Vatassery, 1998). Essa vitamina é capaz de impedir

a propagação da peroxidação lipídica por radicais livres (Burton et al., 1990),

produzindo o radical tocoferil. O ácido ascórbico é um antioxidante ativo contra

radicais livres (Halliwell e Gutteridge, 2000) sendo um doador de elétrons, um agente

124

redutor, prevenindo a oxidação de outros compostos. Essa vitamina é hidrossolúvel e

possui um papel importante na regeneração do α-tocoferol. Durante o processo, o α-

tocoferol é convertido à radical tocoferil, necessitando de ácido ascórbico para sua

regeneração à forma reduzida (α-tocoferol) (Frei et al., 1990; Buettner, 1993; Carr and

Frei, 1999).

Considerando que a Arg inibiu significativamente a atividade do complexo II, cuja

atividade enzimática é fundamental para o funcionamento da CR e que um bloqueio da

CR pode acarretar outras alterações mitocondriais, como inibição do ciclo do ácido

cítrico, nosso próximo objetivo foi investigar os efeitos in vivo da Arg sobre a produção

de CO

a partir de glicose em fatias de hipocampo de ratos adultos incubadas em

meio com concentrações fisiológica (2,7 mM) e elevada (50,0 mM) de K

extracelular.

A glicose é o principal composto energético utilizado pelo SNC, sendo quase

completamente oxidada a CO

e H

O no metabolismo aeróbico (Berg et al., 2004b).

Nossos experimentos mostraram que na presença de uma concentração extracelular

fisiológica de K

, a Arg inibiu significaticamente a produção de CO

a partir de glicose

em fatias de hipocampo de ratos, não alterando a produção de CO

a partir de glicose

em meio com alta concentração extracelular de K

. Tem sido demonstrado que a

estimulação do metabolismo por ativação funcional é dependente da atividade da

-ATPase, a qual contribui para a manutenção dos níveis basais de K

, os quais

in vivo são em torno de 3 mM. Em condições patológicas, como convulsão ou

depressão, tais níveis podem aumentar atingindo valores em torno de 50-80 mM

(Erecinska and Silver, 1994). Nesse contexto, em nosso estudo verificamos um

125

aumento significativo na produção de CO

a partir de glicose no meio com alta

concentração extracelular de K

em comparação ao meio com concentração fisiológica

de K

extracelular.

Com o propósito de estudar um possível mecanismo pelo qual a Arg inibiu a

produção de CO

a partir de glicose em meio de incubação com concentração

extracelular fisiológica de K

, nós também investigamos os efeitos in vitro de diferentes

concentrações de Arg (0,1-1,5 mM) sobre a produção de CO

a partir de glicose em

fatias de hipocampo. Ao contrário dos estudos in vivo, não observamos alterações

significativas na produção de CO

a partir de glicose in vitro, o que sugere que a

inibição da produção de CO

a partir de glicose observada in vivo é provavelmente

induzida por efeitos indiretos da Arg, através de seus metabólitos e não pelo próprio

aminoácido. De acordo com estes resultados e sabendo que altos níveis de Arg,

encontrados em pacientes hiperargininêmicos, resultam em aumento dos níveis

cerebrais de NO, nós avaliamos a influência do L-NAME, um potente inibidor da NOS,

sobre o efeito inibidor da Arg sobre a produção de CO

a partir de glicose, a fim de

verificar o possível envolvimento do NO e/ou seu derivado ONOO

em tal efeito. Nós

verificamos que a administração de L-NAME, por si só não alterou a produção de CO

a partir de glicose, mas preveniu o efeito inibidor da Arg, indicando que o NO e/ou seu

derivado ONOO

está(ão) envolvido(s) no efeito inibidor da Arg sobre a produção de

a partir de glicose em fatias de hipocampo.

Tendo conhecimento de que a Na

-ATPase, proteína integral de membrana,

contribui para a manutenção dos níveis basais de K

(Erecinska and Silver, 1994) e

que essa enzima pode ser inibida por NO e seus derivados (Wyse et al., 2001; Yousef

126

et al., 2002), nós também investigamos o efeito da Arg sobre a atvidade da Na

ATPase em membrana plasmática sináptica de fatias de hipocampo de ratos. Nossos

resultados mostraram que a Arg inibiu significativamente a atividade da Na

ATPase. Em concordância com esse resultado, estudos prévios do nosso laboratório

mostraram que a Arg reduziu significativamente a atividade da Na

-ATPase em

membrana plasmática sináptica de hipocampo de ratos e que esse efeito foi prevenido

pela administração de L-NAME (Reis et al., 2002), sugerindo que o efeito protetor do

inibidor da NOS pode ser mediado por sua habilidade em prevenir o desenvolvimento

do estresse oxidativo (Avrova et al., 1999). De fato, estudos relatam que a Arg

aumenta a produção de NO em fatias de cérebro de ratos e têm relacionado altas

concentrações de NO com neurotoxicidade, possivelmente através de atividade

excitotóxica (Bruneli et al., 1997; Sarti et al., 1999). Além disso, Sato e colaboradores

(1995) propõem que o NO e seus derivados, como o ONOO

, podem inibir a atividade

da Na

-ATPase por interagir com grupos SH no sítio ativo da enzima.

Nossos resultados indicam que a Arg leva à produção de radicais livres, os quais

possivelmente são responsáveis pela inibição da atividade da Na

-ATPase induzida

pela Arg e estão de acordo com estudos anteriores realizados em nosso laboratório,

onde mostramos que a Arg induz o estresse oxidativo cerebral (Wyse et al., 2001;

Delwing et al., 2002). Nesse cenário, nossos resultados sugerem que a redução da

produção de CO

causada pela Arg foi provavelmente mediada pelo NO e/ou seus

derivados, os quais podem agir inibindo a atividade da Na

-ATPase.

Dando continuidade aos nossos estudos e considerando que a Arg compromete

o metabolismo energético cerebral e que a enzima CK desempenha um papel

127

importante na manutenção da homeostasia energética cerebral, investigamos os

efeitos in vivo da hiperargininemia quimicamente induzida sobre a atividade da CK em

homogeneizado total, bem como nas frações citosólica e mitocondrial preparadas a

partir de cérebro de ratos. Nossos resultados mostraram que a administração aguda

de Arg reduziu significativamente a atividade da CK em homogeneizado total e na

fração citosólica em cerebelo de ratos. No entanto, a Arg não alterou a atividade da

CK na fração mitocondrial. Tendo conhecimento através de estudos prévios de que a

Arg induz o estresse oxidativo (Wyse et al., 2001; Delwing et al., 2002), nós também

verificamos o possível envolvimento do NO ou de outros radicais livres sobre os

efeitos causados pela Arg, uma vez que a CK possui resíduos de cisteína em sua

estrutura, que podem ser alvo para o NO e outros radicais livres, os quais inativam a

enzima (Yuan et al., 1992; Mekhfi et al., 1996; Wolosker et al., 1996; Konorev et al.,

1998; Stachowiak et al., 1998). Com esse propósito, nós investigamos a influência dos

antioxidantes α-tocoferol e ácido ascórbico e do L-NAME sobre os efeitos causados

pela Arg sobre a atividade da CK. Nós observamos que a injeção de uma alta dose de

L-NAME (20.0 mg/Kg), um potente inibidor da NOS, foi capaz de prevenir o efeito

inibidor da Arg, sugerindo que o NO e/ou seu derivado ONOO

está(ão) envolvido(s)

na redução causada pela Arg na atividade da CK cerebelar. Além disso, o pré-

tratamento com os antioxidantes α-tocoferol (o qual remove radical peroxil e é capaz

de interromper o processo de lipoperoxidação) e ácido ascórbico (o qual remove

radicais hidroxil e superóxido) também preveniu a inibição da CK causada pela Arg em

homogeneizado total e na fração citosólica de cerebelo de ratos. Esses resultados

128

indicam, mais uma vez, que a Arg induz a produção de radicais livres, os quais são

provavelmente responsáveis pela inibição da CK provocada por esse aminoácido e

novamente corroboram com nossos resultados anteriores, onde mostramos que a

administração aguda de Arg induz o estresse oxidativo (Wyse et al., 2001) e diminui a

atividade da catalase (Delwing et al., 2002) em cérebro de ratos.

Tem sido relatado que a atividade da CK diminui após a exposição cerebral a

agentes que promovem a geração de radicais livres (Wolosker et al., 1996; Arstall et

al., 1998; Konorev et al., 1998; Stachowiak et al., 1998) e a reagentes que reagem

com grupos tióis (Gross et al., 1996; Wolosker et al., 1996) provavelmente por

oxidação dos grupamentos sulfidrila localizados na enzima. A CK possui 8

grupamentos sulfidrila por monômero. Um resíduo altamente conservado de cisteína

(Cys-283 na isoforma citosólica e Cys-278 na isoforma mitocondrial) está localizado

próximo ao sítio catalítico da CK e é importante para a plena atividade enzimática.

Acredita-se que este resíduo interage com os grupamentos guanidino da Cr sendo

responsável pela orientação correta do substrato no sítio ativo. Esses grupamentos

sulfidrila têm sido apontados como os principais alvos para a inativação química da CK

por várias substâncias, não somente através de reações de oxidação como também

por outras modificações pós-translacionais, como ocorre com o NO, via reações de S-

nitrosilação, ONOO

pela formação de ácido sulfênico ou acrilamida por alquilação.

Além disso, foi relatado que o NO, ONOO

e outros radicais livres inativam a enzima

em músculo esquelético (Wolosker et al., 1996) e cardíaco (Yuan et al., 1992; Mekhfi

et al., 1996; Stachowiak et al., 1998). Dessa forma, várias estratégias têm sido

desenvolvidas para bloquear diferentes etapas da cascata de eventos que leva à

129

injúria tecidual decorrente do estresse oxidativo. Entre elas, a prevenção da geração

de espécies reativas do oxigênio e sua neutralização por antioxidantes têm despertado

especial interesse (Choi, 1990), tanto para a compreensão dos mecanismos protetores

fisiológicos como para fins terapêuticos.

A redução da atividade da CK tem sido relacionada ao desenvolvimento de

diversos estados patológicos envolvendo os tecidos que apresentam alta necessidade

energética, como o cérebro, o músculo esquelético e o músculo cardíaco. Diminuição

na atividade da CK tem sido encontrada em diversas doenças neurodegenerativas,

incluindo a Doença de Alzheymer, a Doença de Pick, epilepsia, esquizofrenia e

psicose maníaco-depressiva. Nossos resultados mostraram que a Arg reduz a

atividade da CK em cerebelo de ratos, provavelmente através da geração de NO e/ou

ONOO

e/ou outros radicais livres, prejudicando assim a homeostasia energética

cerebral, o que possilvelmente contribui para o dano cerebral encontrado em pacientes

hiperargininêmicos. Além disso, trabalhos realizados em nosso laboratório mostraram

que alguns aminoácidos acumulados em certas doenças genéticas, tais como,

fenilalanina (Costabeber et al., 2003), leucina (Pilla et al., 2003), prolina (Kessler et al.,

2003), triptofano (Cornelio et al., 2004) e cistina (Fleck et al., 2005) inibem a atividade

da CK em cérebro de ratos.

Tendo em vista que a administração intraperitoneal de Arg induz o estresse

oxidativo e compromete o metabolismo energético cerebral, decidimos estender nosso

estudo, usando outro modelo experimental. Assim, primeiramente investigamos o

efeito da infusão intracerebroventricular de Arg [solução a 0,1 (valor indivíduos

normais), 0,5 e 1,5 mM (valores encontrados na doença)] sobre a atividade da Na

130

ATPase em membrana plasmática sináptica de hipocampo de ratos sacrificados 30

min, 1 h e 4 hs após a administração. Nossos resultados mostraram que a infusão de

Arg (1,5 mM) inibiu significativamente a atividade da enzima 1 h após a sua

administração, não alterando a mesma nos demais intervalos de tempo testados.

Embora não tenhamos medido as concentrações hipocampais de Arg e de seus

metabólitos nestes períodos após a administração de Arg, supomos que este efeito

transitório ocorreu no momento em que havia altas concentrações de Arg ou de seus

metabólitos no hipocampo do animal.

Na etapa seguinte de nosso estudo, verificamos o efeito da infusão

intracerebroventricular de Arg (solução a 0,1, 0,5 e 1,5 mM)

sobre alguns parâmetros

de estresse oxidativo, denominados formação de substâncias reativas ao ácido

tiobarbitúrico (TBA-RS), o qual é usado como um índice de dano a lipídeos e

capacidade antioxidante total não-enzimática (TRAP) em hipocampo de ratos 30 min,

1 h e 4 hs após a administração de Arg. Nós verificamos que a Arg (1,5 mM)

aumentou significativamente os níveis de TBA-RS, o que indica que esse aminoácido

induz a lipoperoxidação e reduziu significativamente o TRAP, o que sugere um

prejuízo na defesa antioxidante total não-enzimática tecidual. Ambos os resultados

foram observados 1 h após a infusão de Arg. Uma vez que o estresse oxidativo é

conceituado como um desequilíbrio entre a produção de espécies

reativas e defesas

antioxidantes (Halliwell e Whiteman, 2004), nossos resultados sugerem que a Arg

induz o estresse oxidativo cerebral. Nexto contexto, cabe enfatizar que o cérebro é

altamente suscetível ao estresse oxidativo, uma vez que este possui baixa defesa

antioxidante quando comparado aos demais tecidos, grande consumo de O

por

131

unidade de massa de tecido, alto conteúdo lipídico das membranas neuronais (ácidos

graxos de cadeia lateral poliinsaturada) que sofrem peroxidação por radicais livres e

áreas com altas concentrações de ferro que estimulam a reação de Fenton com a

subseqüente produção de radical hidroxila (Reznick and Packer, 1993; Halliwell, 1996;

Floyd, 1999).

Esses resultados corroboram com nossos estudos prévios, onde mostramos que

a administração intraperitoneal de Arg aumentou a quimiluminescência e reduziu o

TRAP (Wyse et al., 2001). Tendo conhecimento de que as altas concentrações de Arg

aumentam a produção de NO e que as espécies reativas NO e O

são instáveis e

reagem avidamente formando um radical livre mais danoso, o ONOO

(Rubbo et al.,

1994; Nelson et al., 2003), que promove lipoperoxidação (Darley-Usmar et al., 1995) e

inibe a atividade da Na

-ATPase por reagir com grupos sulfidrilas essenciais para

sua atividade catalítica (Radi et al., 1991; Kurella et al., 1999; Wang et al., 2003),

podemos sugerir que a inibição da Na

-ATPase provocada pela Arg provavelmente

ocorreu através da geração de NO e/ou ONOO

e/ou outros radicais livres. Todas as

alterações foram constatadas 1 h após a infusão de Arg, tempo em que possivelmente

os níveis dessas espécies reativas e radicais estavam elevados. Nesse contexto,

verificamos também a influência dos antioxidantes α-tocoferol e ácido ascórbico e do

L-NAME sobre os efeitos causados pela Arg sobre a atividade da Na

-ATPase,

TBA-RS e TRAP. Nossos resultados mostraram que essas substâncias por si só não

alteraram a atividade da enzima, mas preveniram a inibição causada pela Arg sobre a

atividade da Na

-ATPase. Embora não se conheça o mecanismo exato pelo qual a

132

Arg inibe a atividade dessa enzima, nossos dados corroboram com nossa hipótese

inicial, onde sugerimos que a inibição da enzima provocada pela Arg provavelmente

ocorra através da geração de NO e/ou ONOO

e/ou outros radicais livres,

possivelmente através da oxidação dos grupos SH da enzima e/ou por peroxidação

dos lipídeos da membrana, na qual a enzima está embebida. Também verificamos que

os antioxidantes α-tocoferol e ácido ascórbico preveniram completamente os efeitos

da Arg sobre o TBA-RS e o TRAP. Por outro lado, o L-NAME preveniu completamente

o aumento do TBA-RS, mas não a redução do TRAP causada pela Arg, sugerindo que

as espécies reativas de oxigênio envolvidas neste efeito provavelmente sejam aquelas

removidas pelo α-tocoferol e ácido ascórbico.

A fim de dar continuidade aos nossos estudos e ampliar nosso campo de

pesquisa, decidimos investigar o efeito da administração de Arg sobre a hidrólise dos

nucleotídeos adenínicos ATP, ADP e AMP em sinaptossomas de hipocampo de ratos.

Nucleotídeos extracelulares podem ser hidrolisados por uma variedade de enzimas

que estão localizadas na superfície celular ou que podem ser solúveis nos meios intra

e extracelulares. Nos últimos anos, consideráveis progressos têm sido feitos na

caracterização de uma família de enzimas responsáveis pela degradação de

nucleotídeos, conhecida como família das E-NTPDases (Zimmermann, 2001, 2006).

Os nucleotídeos adenínicos são rapidamente hidrolisados e convertidos a

adenosina no espaço extracelular (Dunwiddie et al., 1997). NTPDase é a

denominação utilizada para as enzimas que hidrolisam ATP, ADP e outros trifosfo- e

difosfo-nucleosídeos a monofosfonucleosídeos e fosfato inorgânico na presença de

133

íons Ca

ou Mg

(Zimmermann, 2001, 2006). O AMP formado, por ação da

NTPDase, é metabolizado à adenosina por ação da enzima ecto-5’-nucleotidase

(Zimmermann, 1996). Assim, a associação dessas enzimas pode controlar as

concentrações extracelulares de ATP, ADP e AMP através do aumento ou diminuição

de suas hidrólises com um conseqüente aumento ou diminuição nos níveis de

adenosina, um metabólito protetor natural (Bruno et al., 2002), o qual apresenta

propriedades anticonvulsivante e neuroprotetora (Dunwiddie e Masino, 2001).

Nós verificamos que a administração intraperitoneal de Arg (uma ou três injeções)

não alterou a hidrólise dos nucleotídeos. Por outro lado, a infusão

intracerebroventricular de Arg (solução a 1,5 mM) reduziu significativamente a hidrólise

do ATP (32%), ADP (30%) e AMP (21%) em sinaptossomas de hipocampo de ratos. É

provável que quando administrada intraperitonealmente, a Arg não atinja no cérebro a

concentração necessária para reduzir a atividade da NTPDase e da ecto-5’-

nucleotidase. Interessantemente, estudos prévios do nosso laboratório mostraram que

a administração intraperitoneal de Arg inibiu a atividade das enzimas Na

-ATPase e

acetilcolinesterase em cérebro de ratos (Wyse et al., 2001, 2004). Esse fato sugere

que as enzimas NTPDase e ecto-5’-nucleotidase são relativamente mais resistentes

aos efeitos da administração de Arg, quando comparadas a outras enzimas.

Na etapa seguinte, verificamos os efeitos in vitro de diferentes concentrações de

Arg (0,1-1,5 mM) sobre a atividade das enzimas NTPDase e ecto-5’-nucleotidase em

sinaptossomas de hipocampo de ratos. Nossos resultados mostraram que a adição de

Arg 1,5 mM ao meio de incubação reduziu significativamente a hidrólise do ATP

(19%), ADP (17%) e AMP (23%) em sinaptossomas de hipocampo de ratos, sugerindo

134

assim, um efeito inibitório direto da Arg sobre as enzimas NTPDase e ecto-5’-

nucleotidase. Considerando nossos resultados, nós também realizamos estudos

cinéticos de inibição da atividade das enzimas NTPDase e ecto-5’-nucleotidase.

Nossos resultados mostraram que a Arg inibe a atividade dessas enzimas de forma

acompetitiva em relação aos substratos ATP, ADP e AMP.

Esses dados sugerem que

a Arg não altera a atividade da NTPDase e ecto-5’-nucleotidase por interagir

diretamente com o sítio de ligação do ATP, ADP (NTPDase) e AMP (ecto-5’-

nucleotidase), mas por se ligar a outro centro de ligação presente em tais enzimas.

Em resumo, nossos resultados mostraram que a administração

intracerebroventricular de Arg e a adição desse aminoácido ao ensaio enzimático

(estudos in vitro) afetou a cascata enzimática responsável pela hidrólise de ATP a

adenosina em sinaptossomas de hipocampo de ratos, interferindo assim, na produção

de adenosina, provavelmente reduzindo os níveis desse composto e aumentando os

níveis extracelulares de ATP no SNC. Uma vez que o ATP é um importante

neurotransmissor excitatório no SNC, a inibição da hidrólise do ATP causada pela Arg

poderá desencadear uma série de processos relacionados a excitabilidade cerebral.

Esses resultados sugerem que alterações na hidrólise dos nucleotídeos possam estar

envolvidas na disfunção cerebral causada pela hiperargininemia. Dados da literatura

também mostram que altas concentrações de ATP extracelular podem induzir morte

celular em diferentes tipos celulares, incluindo timócitos, hepatócitos, células

microgliais e mielóides (Tinton et al., 1993; Chvatchko et al., 1996; Ferrari et al., 1997,

1999; Di Virgilio, 2000). Além disso, a análise cinética revelou que o efeito inibitório da

Arg foi do tipo não competitivo em relação ao ATP, ADP e AMP. O conhecimento do

135

tipo de inibição é importante, uma vez que pode ser útil para o desenvolvimento de

drogas que impeçam os efeitos deletérios da hiperargininemia.

Tendo conhecimento de que a Arg alterou a cascata enzimática responsável pela

hidrólise de ATP à adenosina em sinaptossomas de hipocampo de ratos e sabendo-se

que a NTPDase possui diferentes papéis fisiológicos dependendo do tecido em que se

encontra, nosso próximo objetivo foi verificar os efeitos in vivo e in vitro da Arg sobre a

hidrólise do ATP, ADP e AMP em soro de ratos. Nas células endoteliais, seu principal

efeito está relacionado com a hidrólise do ADP, uma vez que este é um conhecido

agente indutor de agregação plaquetária. Desta forma a NTPDase desempenha um

importante papel na hemostasia e tromborregulação (Kaczmarek et al., 1996;

Burnstock e Williams, 2000).

Nossos resultados mostraram que a administração aguda de Arg (três injeções)

reduziu significativamente a hidrólise do ATP (34%), ADP (28%) e AMP (29%). Por

outro lado, a adição da Arg ao meio de incubação (estudos in vitro) não alterou a

hidrólise desses nucleotídeos, sugerindo um efeito indireto desse aminoácido sobre a

hidrólise dos nucleotídeos, promovido por metabólitos da Arg.

Tendo em vista, através de nossos estudos, que a Arg induz o estresse oxidativo

e considerando o fato de que altos níveis de Arg aumentam a produção de NO, nós

também investigamos a influência do L-NAME sobre os efeitos produzidos pela

administração de Arg sobre a hidrólise dos nucleotídeos com o objetivo de analisar o

possível envolvimento do NO e/ou seu derivado, ONOO

, sobre tais efeitos. Nós

observamos que a injeção de uma alta dose de L-NAME (20.0 mg/Kg) por si só não

alterou a hidrólise do ATP, ADP e AMP, mas quando administrada simultaneamente

136

com a Arg preveniu a inibição da hidrólise dos nucleotídeos em soro de ratos,

indicando que essa inibição causada pela administração de Arg foi provavelmente

mediada via formação do NO. Neste contexto, cabe salientar que a formação

excessiva do NO torna-o um importante mediador de neurotoxicidade (Dawson e

Dawson, 1996). Além disso, os efeitos neurotóxicos do NO têm sido relatados em uma

série de doenças neurodegenerativas, como as doenças de Parkinson e Alzheimer

(Law et al., 2001).

Por fim, considerando que o bom funcionamento da “cadeia enzimática”

(NTPDase e ecto-5’-nucleotidase) representa um mecanismo crítico para o controle da

homeostasia vascular, contribuindo para a inibição de eventos trombogênicos,

podemos propor que o aumento nos níveis do nucleotídeo ADP sérico, decorrente da

inibição da hidrólise do ATP, ADP e AMP causada pela Arg via formação de NO,

poderá causar agregação plaquetária em pacientes hiperargininêmicos.

Assim, considerando nossos resultados anteriores em que mostramos que a

administração aguda de Arg diminui a atividade das enzimas NTPDase e ecto-5’-

nucleotidase em sinaptossomas de hipocampo de ratos e os resultados acima citados,

podemos propor que a determinação da atividade da NTPDase e ecto-5’-nucleotidase

em soro possa ser utilizada como um marcador periférico para os efeitos neurotóxicos

da Arg na hiperargininemia.

Embora pouco se conheça sobre os mecanismos responsáveis pelo dano

cerebral apresentado por pacientes hiperargininêmicos, nosso trabalho mostrou que a

Arg reduziu o metabolismo energético cerebral, uma vez que houve redução na

captação de glicose, aumento da liberação de lactato, diminuição na atividade do

137

complexo II e da SDH da CR, redução na produção de CO

a partir de glicose e

redução na atividade das enzimas CK e Na

-ATPase. Esses efeitos provavelmente

ocorreram através da geração de NO e/ou ONOO

e/ou outros radicais livres, visto que

antioxidantes importantes como o α-tocoferol e ácido ascórbico e o L-NAME

preveniram tais efeitos. Verificamos também que a Arg induziu o estresse oxidativo,

visto que a infusão intracerebroventricular de Arg acarretou em aumento do TBA-RS e

diminuição do TRAP, corroborando assim, com nossos prévios resultados (Wyse et al.,

2001). Em adição, também mostramos que a Arg altera a hidrólise de nucleotídeos

adenínicos em sinaptossomas de hipocampo de ratos, bem como em soro de ratos.

Nossos resultados em conjunto, poderão auxiliar no entendimento dos sintomas e

distúrbios neurológicos observados em pacientes hiperargininêmicos. Além disso, se

esses resultados forem confirmados em humanos, poderíamos sugerir que a

suplementação com antioxidantes possa ser utilizada como uma estratégia terapêutica

no tratamento da hiperargininemia.

138

V. CONCLUSÕES

A administração aguda de Arg:

• Reduziu significativamente a captação de glicose e aumentou a produção de lactato

em cerebelo de ratos

• Não alterou a atividade da COX em cerebelo de ratos

• Inibiu significativamente as atividades da SDH e do complexo II em cerebelo de ratos

• Inibiu a produção de CO

a partir de glicose em fatias de hipocampo de ratos na

presença de uma concentração extracelular fisiológica de K

, não alterando a

produção de CO

a partir de glicose em meio com alta concentração extracelular de K

• Inibiu significativamente a atividade da Na

-ATPase em membrana plasmática

sináptica de fatias de hipocampo de ratos

• Reduziu significativamente a atividade da CK em homogeneizado total e na fração

citosólica em cerebelo de ratos

• Não alterou a hidrólise dos nucleotídeos em sinaptossomas de hipocampo de ratos

• Reduziu significativamente a hidrólise do ATP, ADP e AMP em soro de ratos

A administração intracerebroventricular de Arg (solução a 1,5 mM):

• Inibiu significativamente a atividade da Na

-ATPase em membrana plasmática

sináptica de hipocampo de ratos

• Aumentou significativamente os níveis de TBA-RS em hipocampo de ratos

• Reduziu significativamente o TRAP em hipocampo de ratos

139

• Reduziu significativamente a hidrólise do ATP (32%), ADP (30%) e AMP (21%) em

sinaptossomas de hipocampo de ratos

A adição de Arg ao ensaio enzimático:

• Não alterou a produção de CO

a partir de glicose em fatias de hipocampo de ratos

• Reduziu significativamente a hidrólise do ATP (19%), ADP (17%) e AMP (23%) em

sinaptossomas de hipocampo de ratos

• Não alterou a hidrólise dos nucleotídeos adenínicos (ATP, ADP e AMP) em soro de

ratos

A administração simultânea de Arg e L-NAME:

• Preveniu a redução da produção de CO

a partir de glicose causada pela Arg em

fatias de hipocampo de ratos

• Previniu a inibição da CK causada pela Arg em homogeneizado total e na fração

citosólica de cerebelo de ratos

• Preveniu a inibição causada pela Arg administrada intracerebroventricularmente

sobre a atividade da Na

-ATPase em membrana plasmática sináptica de

hipocampo de ratos

• Preveniu o aumento do TBA-RS causado pela administração intracerebroventricular

de Arg em hipocampo de ratos

• Preveniu a inibição da hidrólise dos nucleotídeos em soro de ratos

140

O pré-tratamento com α

αα

α-tocoferol e ácido ascórbico:

• Preveniu o aumento da liberação de lactato, bem como, a diminuição da captação de

glicose e das atividades da SDH e do complexo II provocados pela Arg em hipocampo

e cerebelo de ratos

• Preveniu a inibição da CK causada pela Arg em homogeneizado total e na fração

citosólica de cerebelo de ratos

• Preveniu a inibição causada pela Arg administrada intracerebroventricularmente

sobre a atividade da Na

-ATPase em membrana plasmática sináptica de

hipocampo de ratos

• Preveniu o aumento do TBA-RS e a redução do TRAP causada pela administração

intracerebroventricular de Arg em hipocampo de ratos

Estudos cinéticos de inibição:

• Arg inibe a atividade das enzimas NTPDase e 5’-nucleotidase de forma não

competitiva em relação aos substratos ATP, ADP e AMP

Os resultados do presente trabalho em conjunto, poderão auxiliar no

entendimento dos sintomas e distúrbios neurológicos observados em pacientes

hiperargininêmicos. Além disso, se esses resultados forem confirmados em humanos,

poderíamos sugerir que a suplementação com antioxidantes possa ser utilizada como

uma estratégia terapêutica no tratamento da hiperargininemia.

141

ESQUEMA RESUMIDO DOS RESULTADOS OBTIDOS

1. Administração in vitro e in vivo [intraperitoneal (I.P.) e intracerebroventricular (I.C.V)] da

arginina sobre alguns parâmetros bioquímicos.

IN VITRO I.P. I.C.V

Captação de glicose

Liberação de lactato

SDH

Complexo II

Citocromo C oxidase -

Produção de CO

a partir glicose -

-ATPase

CK (HT e Cit)

TBA

TRAP

Hidrólise de nucleotídeos (ATP,ADP,AMP) (ATP,ADP,AMP)

(sinaptossomas de hipocampo)

Hidrólise de nucleotídeos - (ATP,ADP,AMP)

(soro)

142

2. Utilização de antioxidantes e L-NAME sobre as alterações causadas pela arginina em

alguns parâmetros bioquímicos.

PRÉ- TRATAMENTO L-NAME

(VIT. E e C)

Captação de glicose preveniu

Liberação de lactato preveniu

SDH preveniu

Complexo II preveniu

Produção de CO

a partir glicose preveniu

-ATPase preveniu preveniu

CK preveniu preveniu

TBA preveniu preveniu

TRAP preveniu -------

Hidrólise de nucleotídeos preveniu

(soro)

143

VI. PERSPECTIVAS

1) Investigar o efeito da administração intracerebroventricular de arginina sobre a

memória espacial e a memória de trabalho no labirinto aquático de Morris.

2) Investigar o efeito do tratamento com os antioxidantes, vitaminas E e C e L-

NAME sobre a performance cognitiva de ratos submetidos à administração

intracerebroventricular de arginina através da memória espacial e memória de trabalho

no labirinto aquático de Morris.

3) Investigar o efeito in vitro de diferentes concentrações de arginina sobre a

captação do glutamato em fatias de hipocampo de ratos.

4) Verificar o efeito da administração intracerebroventricular de arginina sobre a

captação do glutamato em fatias de hipocampo de ratos.

5) Verificar a influência do pré-tratamento com vitaminas E e C e do L-NAME sobre

o efeito causado pela administração intracerebroventricular de arginina na captação de

glutamato em fatias de hipocampo de ratos.

144

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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