Doenças hereditárias dos metabolismos da frutose e galactose

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1 Doenças hereditárias dos metabolismos da frutose e galactose Índice 1 - Metabolismo da frutose e Intolerância Hereditária à Frutose Metabolismo da frutose Intoxicação aguda causada pela infusão intravenosa de frutose em indivíduos normais A Intolerância Hereditária à Frutose (HFI) Metabolismo da galactose e galactosemia clássica Metabolismo da galactose As galactosemias e a galactosemia clássica (défice de uridiltransférase da galactose-1-fosfato) Metabolismo da frutose e Intolerância Hereditária à Frutose 1.1 Metabolismo da frutose Nos mamíferos, a síntese endógena de frutose só tem relevância nos indivíduos do sexo masculino porque é nas vesículas seminais que há síntese de frutose a partir da glicose (via ação sequenciada da redútase das aldoses e da desidrogénase do sorbitol). A importância da frutose advém do seu papel como nutriente e existe uma via metabólica específica para a sua conversão no organismo. Esta via metabólica inclui 3 enzimas: a cínase da frutose, a aldolase B e a cínase do gliceraldeído. Estas enzimas catalisam sequencialmente a fosforilação da frutose em frutose-1-fosfato (cínase da frutose), a cisão da frutose-1-fosfato em dihidroxiacetona-fosfato e gliceraldeído (aldolase B) e a fosforilação do gliceraldeído em gliceraldeído-3-fosfato (cínase do gliceraldeído) e só existem no fígado, rim e intestino. O fígado é, devido ao seu volume, o principal órgão do metabolismo normal da frutose. Na sua via metabólica específica, a frutose acaba por se converter em duas triosesfosfato (gliceraldeído-3-fosfato e dihidroxiacetona-fosfato) que são intermediários quer da glicólise, quer da gliconeogénese. As diversas hexocínases que, de forma eficaz, catalisam a fosforilação da glicose no carbono 6 têm, normalmente, um papel menor no metabolismo da frutose. Ou seja, a maior parte da frutose converte-se em frutose-1-fosfato e não em frutose-6-fosfato. A exceção ocorre quando há défice de cínase de frutose: neste caso, 90% da frutose é metabolizada por fosforilação da frutose a frutose-6-fosfato sendo que, embora a condição se designe por frutosúria essencial, apenas 10% da frutose ingerida é perdida na urina. Os destinos dos metabolitos derivados da frutose (as trioses-fosfato acima referidas) são, essencialmente, a formação de glicose e glicogénio (via ação de enzimas da gliconeogénese e da glicogénese) ou a sua conversão em lactato ou acetil-coa (e a posterior oxidação desta ou a sua conversão em ácidos gordos). 1.2 Intoxicação aguda causada pela infusão intravenosa de frutose em indivíduos normais A ingestão oral de frutose não está, nos indivíduos normais, associada a sintomas de intoxicação. A infusão intravenosa de frutose era uma prática corrente há algumas décadas e às vezes observavam-se sintomas agudos consequentes a essas infusões nomeadamente vómitos, dor abdominal e sudação causada por hipoglicemia. Esses sintomas são, pelo menos em parte, uma consequência de alterações da concentração intracelular de metabolitos induzidos pela entrada rápida de frutose e sua fosforilação nos hepatócitos, células tubulares renais e enterócitos. A fosforilação da frutose leva à subida da concentração intrahepatocitária de frutose-1-fosfato: a 1 de 5

2 atividade normal da aldólase B é menor que a da cínase da frutose o que explica esta acumulação da frutose-1-fosfato. Quando a concentração intracelular de frutose-1-fosfato aumenta, o fosfato das células que existe, maioritariamente, ligado ao ATP e na forma de fosfato inorgânico (Pi), passa a estar sequestrado por ligação à frutose, na forma de frutose-1-fosfato. A descida da concentração de ATP leva a aumento na concentração de Mg 2+ livre: este ião está normalmente ligado ao ATP e, quando a concentração de ATP desce, a concentração do ião Mg 2+ livre (não ligado) aumenta. A sequência de eventos que ocorre aquando da infusão intravenosa de frutose é complexa e, a par da diminuição das concentrações de Pi e de ATP, assim como da subida de concentração de Mg 2+ nos hepatócitos ocorrem fenómenos de transporte transmembranar que provocam variações nas concentrações plasmáticas do Pi e do Mg 2+ que são paralelas às que ocorrem nos hepatócitos. Como consequência da diminuição intracelular do Pi também ocorre aumento da síntese de urato: uma enzima envolvida na conversão de ATP e outros nucleotídeos de adenina em urato (a desamínase do AMP) é inibida pelo Pi e, consequentemente, fica ativada quando a concentração de Pi desce. Se, como acontece aquando da ingestão de frutose por via oral, a entrada de frutose nos hepatócitos ocorre mais lentamente, a concentração intracelular de frutose-1-fosfato aumenta, mas de forma muito menos marcada. A concentração de frutose-1-fosfato mantém-se num nível baixo porque rapidamente se converte em compostos não fosforilados como o lactato, o CO 2, a glicose e o glicogénio. Nestas circunstâncias não há modificação apreciável nas concentrações de ATP, Pi ou Mg A Intolerância Hereditária à Frutose (HFI) A Intolerância Hereditária à Frutose (HFI) é causada por mutações no gene da aldólase B que provocam diminuição marcada da atividade aldolítica da enzima relativamente à frutose-1-fosfato. Curiosamente, a atividade aldolítica sobre a frutose-1,6-bisfosfato (ou a inversa: a de síntese deste composto a partir de gliceraldeído-3-fosfato e de dihidroxiacetonafosfato) não está deficiente nos indivíduos com HFI. Aparentemente, a aldolase A (uma isoenzima que também existe no fígado e noutros tecidos) é suficiente para manter as atividades aldolíticas pertinentes da glicólise e da gliconeogénese. Por isso, os indivíduos com HFI suportam de forma normal o jejum prolongado. A injeção intravenosa de frutose provoca efeitos semelhantes nos doentes com défice de aldolase B (HFI) e nos indivíduos normais, mas o efeito é muitíssimo mais prolongado no caso dos doentes com HFI. Em resposta à frutose, as concentrações intracelulares de ATP, de Pi e de frutose-1-fosfato mantêm-se alteradas durante horas nos doentes com HFI enquanto nos controles sem doença estas modificações só eram observadas durante alguns minutos (cerca de 20). Quando ingerem frutose ou sacarose, os doentes com HFI têm episódios agudos de dor abdominal e vómitos e também pode haver hipoglicemia. Presume-se que na origem destes sintomas e da hipoglicemia estejam as alterações nas concentrações intracelulares de frutose-1- fosfato, de Pi e de ATP já referidas. No caso da hipoglicemia podem estar envolvidas quer o aumento da concentração intracelular de frutose-1-fosfato, quer a diminuição da concentração de Pi. O Pi e a frutose-1-fosfato são, respetivamente, um substrato e um inibidor da fosforílase do glicogénio, uma enzima chave no processo de conversão do glicogénio em glicose. Além disso a frutose-1-fosfato também é inibidor competitivo da aldólase o que pode prejudicar a gliconeogénese. Assim, a ocorrência de episódios agudos de hipoglicemia nos doentes com HFI aquando da ingestão de frutose serão causados por diminuição quer da glicogenólise quer da gliconeogénese. A frutose-1-fosfato também inibe a cínase da frutose: isto explica que, após a ingestão de frutose, a subida da concentração de frutose no plasma seja mais marcada nos doentes com HFI que nos indivíduos normais e possa ocorrer frutosúria (perda de frutose na urina). A ocorrência desta sintomatologia só aparece quando é introduzida a sacarose (que origina frutose na digestão) e a fruta na dieta dos bebés. 2 de 5

3 Se a frutose não for retirada da dieta, os episódios repetidos de crise aguda podem levar a que surjam lesões no fígado (cirrose hepática) e nos túbulos renais (incapacidade de reabsorver substâncias) que podem, por vezes, acabar na morte do doente. Felizmente, muitos doentes com HFI, mesmo na ausência de aconselhamento, deixam de ingerir sacarose e frutose porque acabam por ter aversão a alimentos doces. A terapêutica consiste exatamente numa dieta sem frutose (e sacarose) e é eficaz impedindo a evolução para as lesões crónicas que poem em risco a vida. A doença é autossómica recessiva e, atualmente, o diagnóstico é feito usando técnicas que identificam mutações no gene da aldólase B. No ano de 2012 estavam descritas 56 mutações diferentes que provocam defeitos na atividade da aldólase B. Estima-se que a incidência da HFI seja de cerca de 1/20000 nascimentos. 2 - Metabolismo da galactose e galactosemia clássica Metabolismo da galactose A galactose e a N-acetil-galactosamina são, a par com a glicose e outras oses um importante constituinte dos glicolipídeos, das glicoproteínas e dos proteoglicanos. A UDP-galactose (e a UDP-N-acetil-galactosamina) é a substância dadora de galactose (ou de N-acetilgalactosamina) na síntese de glicoproteínas, proteoglicanos, glicolipídeos e lactose (na mama da mulher que amamenta). Os resíduos de galactose e de N-acetilgalactosamina presentes na UDP-galactose e na UDP-N-acetilgalactosamina são sintetizados endogenamente a partir da glicose. No processo de síntese de glicolipídeos, glicoproteínas e proteoglicanos que contêm resíduos de galactose intervêm galactosil-transférases em que o dador de galactose é a UDPgalactose. Após o nascimento de um bebé produz-se na mama da mãe uma proteína (lactalbumina) que se liga à galactosil-transférase e que lhe modifica a especificidade: o substrato aceitador passa a ser a glicose e começa a formar-se lactose. A síntese de UDP-galactose (e de N-acetil-galactosamina) a partir de glicose, a contínua síntese de glicoproteínas, proteoglicanos e glicolipídeos assim como a contínua hidrólise destas substâncias nos lisossomas explica a formação endógena de galactose livre (cerca de 1 a 2 g/dia) 1. A síntese de UDP-galactose a partir de glicose envolve a conversão de glicose em glicose-1-fosfato (ação sequenciada de hexocínases e da fosfoglicomútase), a formação de UDP-glicose (ação da pirofosforílase da UDP-glicose) e, por último, a isomerização deste composto a UDP-galactose (ação da epimérase da UDP-glicose). A via de síntese da UDP-Nacetil-galactosamina tem alguns aspetos comuns mas, neste caso, ocorre consumo de glutamina (na conversão de frutose-6-fosfato em glicosamina-6-fosfato) e de acetil-coa (na conversão de glicosamina-6-fosfato em N-acetil-glicosamina-6-fosfato); as outras reações são semelhantes às apontadas acima para o caso da síntese da síntese de UDP-galactose. A hidrólise lisossómica dos compostos que contêm resíduos de N-acetil-galactosamina também gera galactose porque a N-acetil-galactosamina gera galactose por ação de hidrólases. O destino metabólico maioritário da galactose, quer a que é produzida endogenamente nos lisossomas, quer a que é ingerida (na forma de lactose), é o de contribuir, como substrato, para a formação endógena de glicose e glicogénio assim como a formação de lactato e a oxidação a CO 2 via acetil-coa. As enzimas que permitem a conversão da galactose em glicose- 1-fosfato e, por essa via, em glicogénio (ou a sua conversão em lactato e/ou em CO 2 ) existem em todos os tecidos, mas são mais ativas no fígado. A conversão da galactose em glicose-1- fosfato envolve a ação da cínase da galactose (a galactose é fosforilada no carbono 1), a ação da uridiltransférase da galactose-1-fosfato (transferência de uridilato do UDP-glicose para a galactose-1-fosfato com formação de UDP-galactose e glicose-1-fosfato) e isomerização da UDP-galactose a UDP-glicose por ação de epimérase da UDP-glicose. O resíduo de galactose 1 Notar que este valor é cerca de 100 vezes mais baixo que a produção endógena de glicose. No período pós-absortivo (jejum de horas) a produção endógena de glicose (via glicogenólise hepática e gliconeogénese hepática e renal) é de cerca de 8g/hora. 3 de 5

4 presente na UDP-galactose formada por ação da uridiltransférase da galactose-1-fosfato provém da galactose enquanto o resíduo de glicose da glicose-1-fosfato formada pela ação da mesma enzima provém da UDP-glicose. No entanto, há que ter em conta que os derivados UDP-açúcar se interconvertem por ação da epimérase e que, por isso, a UDP-glicose se pode formar a partir da UDP-galactose. O somatório da atividade da cínase da galactose, da uridiltransférase da galactose-1-fosfato e da epimérase da UDP-glicose mostra que a galactose que entra nas células se converte em glicose-1-fosfato. A glicose-1-fosfato pode converter-se em glicose-6-fosfato por ação da fosfoglicomútase. Assim, nos tecidos onde existe glicose-6-fosfátase, a galactose pode converter-se em glicose e aumentar a glicemia. Por outro lado, a glicose-1-fosfato pode converter-se em UDP-glicose e um dos papéis metabólicos deste intermediário do metabolismo é servir de substrato na síntese de glicogénio. Uma via metabólica da galactose normalmente irrelevante, mas que passa a ter importância quando a concentração de galactose está, em condições patológicas, muito aumentada nas células e no sangue (galactosemias) é a redução a galactitol (o poliálcool correspondente à galactose) por ação da redútase das aldoses. Na ação desta enzima o agente redutor é o NADPH As galactosemias e a galactosemia clássica (défice de uridiltransférase da galactose-1-fosfato) Quando há défice de atividade de uma das três enzimas envolvidas na conversão da galactose em glicose-1-fosfato (cínase da galactose, uridiltransférase da galactose-1-fosfato e epimérase) há aumento da galactose no plasma (galactosemias) que se agrava sempre que o indivíduo bebe leite. A forma mais grave e mais conhecida é o défice de uridiltransférase da galactose-1-fosfato também designada de galactosemia clássica. A galactosemia clássica é uma doença autossómica recessiva estando descritas quase duas centenas de mutações distintas no gene da uridiltransférase da galactose-1-fosfato. Algumas dessas mutações não provocam diminuição marcada da atividade do produto (a enzima) e podem adequadamente serem designadas por polimorfismos (variantes sem consequências patológicas), mas a maior parte são causadoras de doença. A incidência da galactosemia é de cerca de 1/50000 nascimentos. Atualmente, o diagnóstico é feito usando técnicas que identificam mutações no gene da uridiltransférase da galactose-1-fosfato. Podemos dividir a sintomatologia associada a esta doença hereditária em 3 grupos: (i) crise tóxica neonatal que ocorre no bebé recém-nascido doente que começa a ingerir leite (e lactose), (ii) cataratas, e (iii) alterações que persistem ao longo da vida. (i) A patogenia dos sinais e sintomas agudos ( crise tóxica neonatal : vómitos, recusa alimentar, diarreia, letargia, insuficiência hepática, falência tubular renal e, eventualmente, sepsis e morte) é desconhecida. A crise tóxica neonatal é provocada pela ingestão de leite (o único alimento normalmente ingerido pelo bebé) e trata-se eficazmente quando o leite normal é substituído por preparações comerciais isentas de lactose (e, obviamente, galactose). Seria lógico pensar que, o défice de uridiltransférase da galactose-1-fosfato levaria à acumulação de galactose-1-fosfato e que, à semelhança do que acontece na HFI, esta acumulação provocaria depleção de ATP e alterações semelhantes às relatadas para aquela doença. Contudo os estudos feitos em modelos animais não confirmam esta hipótese 2. O aparecimento de galactose e de 2 No défice de uridiltransférase de galactose-1-fosfato o que é distintivo é a acumulação de galactose-1- fosfato nas células. Pensou-se por isso que na origem, quer do quadro tóxico agudo (que pode por em causa a vida do bebé), quer nas alterações permanentes que caracterizam os doentes que sobrevivem, estaria a acumulação de galactose-1-fosfato no fígado e noutros tecidos. Essa ideia ainda não está descartada, mas foi posta em dúvida quando foi possível obter um ratinho transgénico com défice da enzima em causa: surpreendentemente não era doente e só manifestou sinais e sintomas quando se transfetou cumulativamente com o gene da redútase das aldoses que no ratinho é muito pouco ativa. Pelo menos no caso do ratinho, para haver doença é preciso acumular galactose-1-fosfato e converter o excesso de galactose em galactitol. 4 de 5

5 galactitol na urina (causadas pela acumulação de galactose nas células e no plasma) poderão ajudar a suspeitar de galactosemia. (ii) As cataratas (opacificação do cristalino) são uma consequência da conversão da galactose em galactitol. O seu desenvolvimento é prevenido pela dieta isenta de galactose. Admite-se que as cataratas sejam provocadas pelo galactitol formado por redução da galactose na ação da redútase das aldoses 3. O galactitol acumula-se no cristalino e, tendo efeito osmótico, provoca entrada de água que, em excesso, romperia a estrutura do cristalino. Outra possibilidade é que o aumento de consumo de NADPH na ação da redútase das aldoses leve à diminuição do glutatião (GSH) e que o consequente stress oxidativo provoque as lesões no cristalino. (iii) As alterações que persistem ao longo da vida (alterações da fala, baixo QI, disfunção ovárica nas mulheres) são independentes da terapêutica e as suas causas são ainda desconhecidas. No entanto demonstrou-se que nos doentes com galactosemia existem alterações da glicosilação das glicoproteínas e dos glicolipídeos e baixos níveis de fosfolipídeos contendo inositol (inositídeos). É possível que na base destas alterações esteja o aumento da concentração intracelular da galactose-1-fosfato. Mesmo quando se usam dietas restritivas em galactose, a concentração de galactose-1-fosfato está sempre aumentada no citoplasma das células e a galactose-1-fosfato tem ação inibidora nas galactosil-transférases (enzimas importantes do processo de glicosilação) e também numa enzima (fosfátase do inositol-1-fosfato) do metabolismo do inositol. Bibliografia consultada 1. Steinmann, B., Gitzemann, R. & van den Berghe, G. (2008) Disorders of fructose metabolism in The online metabolic and molecular bases of inherited disease OMMBID. (Valle, D., Beaudet, A. L., Vogelstein, B., Kinzler, K. W., Antonarakis, S. E. & Ballabio, A., eds), McGraw-Hill, Inc, New York. 2. Steinmann, B., Santer, R. & van den Bertghe, G. (2006) Disorders of Fructose Metabolism in Inborn Metabolic Diseases (Fernandes, J., Saudubray, J.-M., van den Berghe, G. & Walter, J. H., eds) pp , Springer Medizin Verlag, Berlin. 3. Bouteldja, N. & Timson, D. J. (2010) The biochemical basis of hereditary fructose intolerance, J Inherit Metab Dis. 33, Ferri, L., Caciotti, A., Cavicchi, C., Rigoldi, M., Parini, R., Caserta, M., Chibbaro, G., Gasperini, S., Procopio, E., Donati, M. A., Guerrini, R. & Morrone, A. (2012) Integration of PCR-Sequencing Analysis with Multiplex Ligation- Dependent Probe Amplification for Diagnosis of Hereditary Fructose Intolerance, JIMD Rep. 6, Ali, M., Rellos, P. & Cox, T. M. (1998) Hereditary fructose intolerance, J Med Genet. 35, Berry, G. T. (2006) Disorders of Galactose Metabolism in Inborn Metabolic Diseases (Fernandes, J., Saudubray, J.-M., van den Berghe, G. & Walter, J. H., eds) pp , Springer Medizin Verlag, Berlin. 7. Bosch, A. M. (2006) Classical galactosaemia revisited, J Inherit Metab Dis. 29, Leslie, N. D. (2003) Insights into the pathogenesis of galactosemia, Annu Rev Nutr. 23, Yasawy, M. I., Folsch, U. R., Schmidt, W. E. & Schwend, M. (2009) Adult hereditary fructose intolerance, World J Gastroenterol. 15, Fridovich-Keil, J. L. (2006) Galactosemia: the good, the bad, and the unknown, J Cell Physiol. 209, Berry, G. T. (2011) Is prenatal myo-inositol deficiency a mechanism of CNS injury in galactosemia?, J Inherit Metab Dis. 34, Na galactosemia causada por défice de cínase da galactose há acumulação de galactose e galactitol mas, neste caso, o único sinal clínico comum é a ocorrência de cataratas. Assim a ideia de que a produção de galactitol está na patogenia das cataratas está razoavelmente assente. 5 de 5