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Reappraisal of the toxicology of ethylene glycol. III. Mitochondrial effects

1971; Elsevier BV; Volume: 9; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/s0015-6264(71)80115-3

1878-6049

E. Bachmann, L. Golberg,

Alcoholism and Thiamine Deficiency

The effects of ethylene glycol (EG) and some of its major metabolites were studied in vitro, using mitochondria isolated from liver, kidney and brain of rats, dogs and monkeys (Macaca mulatta). Respiration, oxidative phosphorylation and citric-acid cycle activities were unaffected by EG, while substrate-level phosphorylation was inhibited only at 10 mm and higher concentrations. In mitochondria from liver, brain and kidney of female rats, respiration was inhibited by 1 mm glyoxylic acid, regardless of the substrate employed (succinate, α-ketoglutarate or β-hydroxybutyrate), but oxidative phosphorylation was only affected when α-ketoglutarate was the substrate. In parallel experiments with liver mitochondria from male rats, additional uncoupling of oxidative phosphorylation occurred when succinate was the energy source. Mitochondria from dog liver or brain were also susceptible to inhibition by glyoxylic acid with α-ketoglutarate as substrate. Brain mitochondria from monkeys, when exposed to concentrations of glyoxylic acid at or above 1 mm had reduced respiration rates irrespective of the substrate, and oxidative phosphorylation was affected when either succinate or α-ketoglutarate was used. Liver mitochondria from onkeys showed only a slight reduction in respiration rate with glyoxylic acid and no uncoupling of oxidative phosphorylation when α-ketoglutarate was used as substrate. Liver mitochondria isolated from monkeys inhaling EG mist (0.6 mg/litre of air) for periods up to 5 months manifested reduced respiration and uncoupled oxidative phosphorylation with all three substrates referred to above. Liver mitochondria from monkeys exposed for 6 and 7 months had unimpaired P/O ratios, however, and respiration rates likewise reflected a trend back to normality. Citric-acid cycle activities were investigated, again showing no effect with EG except for inhibition of substrate-level phosphorylation at 10 mm and higher concentrations. Glyoxylate, however, exercised strong inhibition of isocitrate and α-ketoglutarate dehydrogenases, and of substrate-level phosphorylation. With equimolar glyoxylate and oxalacetate an inhibitory effect, greater than for either compound alone, was observed on mitochondrial respiration supported by succinate, on isocitrate dehydrogenase and on substrate-level phosphorylation. It thus seems likely that at low levels of exposure, adverse effects of EG are attributable to the formation of glyoxylate and interaction of this metabolite with citric-acid cycle intermediates such as oxalacetate. The possibility is discussed of adaptive shifts in the metabolism of EG taking place in the course of prolonged exposure. L'action toxique de l'éthylène-glycol (EG) et de certains de ses principaux métabolites a été étudiée in vitro sur des mitochondries isolées de foie, de rein et de cerveau de rat, de chien et de singe (Macaca mulatta). L'éthylène-glycol n'influe d'aucune faćon sur la respiration, sur la phosphorylation oxydative et sur le cycle de l'acide citrique, tandis que la phosphorylation au niveau du substrat n'est inhibée que lorsque le taux d'EG atteint ou dépasse 10 mm. La respiration des mitochondries du foie, du cerveau et des reins de rats femelles est inhibée par 1 mm d'acide glyoxalique, quel que soit le substrat utilisé (succinate, α-cétoglutarate ou β-hydroxybutyrate), mais la phosphorylation oxydative n'est affectée que lorsque l'α-cétoglutarate constitue le substrat. Ce découplage de la phosphorylation oxydative se produit en outre avec les mitochondries du foie des rats mâles quand le succinate constitue la source d'énergie. L'acide glyoxalique, avec l' α-cétoglutarate comme substrat, exerce aussi un effet inhibiteur sur les mitochondries du foie ou du cerveau de chien. L'intensité de la respiration des mitochondries du cerveau de singe diminue quand on expose ces mitochondries à des concentrations de 1 mm ou plus d'acide glyoxalique, quel que soit le substrat, la phosphorylation oxydative étant aussi affectée en présence de succinate ou d'α-cétoglutarate. L'intensité de la respiration des mitochondries du foie de singe ne diminue que légèrement sous l'effet de l'acide glyoxalique et aucun découplage de la phosphorylation oxydative ne se produit avec l'α-cétoglutarate comme substrat. L'inhalation d'un brouillard d'EG (0,6 mg par litre d'air) pendant des périodes allant jusqu'à 5 mois fait diminuer la respiration des mitochondries extraites du foie de singe et découple la phosphorylation oxydative en présence de chacun des trois substrats précités. Les mitochondries de foie provenant de singes exposés pendant 6 et 7 mois à ce brouillard présentaient cependant des rapports P/O inchangés, tandis que leurs intensités respiratoires tendaient à redevenir normales. L'étude de l'activité du cycle de l'acide citrique ne révèle pas non plus d'action de l'EG, si l'on excepte une inhibition de la phosphorylation au niveau du substrat par des concentrations égales ou supérieures à 10 mm. Le glyoxalate inhibe toutefois fortement les déshydrogénases de l'isocitrate et de l'α-cétoglutarate et la phosphorylation au niveau du substrat. L'effet inhibiteur de doses équimolaires de glyoxalate et d'oxalacétate est plus prononcé que celui de chaque produit séparé sur la respiration des mitochondries avec le succinate comme substrat, sur la déshydrogénase de l'isocitrate et sur la phosphorylation au niveau du substrat. Il semble donc probable que les effets néfastes de l'EG, observés à de faibles degrés d'exposition, découlent de la formation de glyoxalate et de l'interaction de ce métabolite avec les intermédiaires du cycle de l'acide citrique, par exemple l'oxalacétate. L'article commente la possibilité de changements adaptatifs, qui se produiraient dans le métabolisme de l'éthylèneglycol au cours d'expositions prolongées. Die Wirkungen von Äthylenglycol (EG) und einigen seiner Hauptstoffwechselprodukte wurden in vitro unter Verwendung von Mitochondrien untersucht, die aus Leber, Niere und Gehirn von Ratten, Hunden und Affen (Macaca mulatta) isoliert worden waren. Respiration, oxydative Phosphorylierung und die Schritte des Zitronensäurezyklus wurden von EG nicht beeinflusst, während die Phosphorylierung auf Substratebene nur bei 10 mm und höheren Konzentrationen inhibiert wurde. In Mitochondrien der Leber, des Gehirns und der Nieren weiblicher Ratten wurde die Respiration durch 1 mm Glyoxylsäure ungeachtet des verwendeten Substrats (Succinat, α-Ketoglutarat oder β-Hydroxybutyrat) inhibiert, aber die oxydative Phosphorylierung wurde nur beeinflusst, wenn das Substrat α-Ketoglutarat war. In Parallelversuchen mit Lebermitochondrien von männlichen Ratten erfolgte zusätzliche Entkopplung oxydativer Phosphorylierung, wenn Succinat die Energiequelle war. Mitochondrien aus Hundeleber oder -gehirn waren auch gegen Inhibierung durch Glyoxylsäure mit α-Ketoglutarat als Substrat empfindlich. Gehirnmitochondrien von Affen wiesen verminderte Respirationszahlen unabhängig vom Substrat auf, wenn sie Gloxylsäurekonzentrationen von 1 mm oder darüber ausgesetzt waren, und die oxydative Phosphorylierung wurde beeinflusst, wenn Succinat oder α-Ketoglutarat benutzt wurden. Lebermitochondrien von Affen zeigten mit Glyoxylsäure nur eine geringe Verminderung der Respirationszahl und keine Entkopplung oxydativer Phosphorylierung, wenn α-Ketoglutarat als Substrat verwendet wurde. Lebermitochondrien, die aus Affen isoliert wurden, die EG-Nebel (0,6 mg/Liter Luft) bis zu 5 Monate lang inhaliert hatten, zeigten verminderte Respiration und entkoppelte oxydative Phosphorylierung mit allen drei oben erwähnten Substraten. Lebermitochondrien von Affen, die 6 und 7 Monate exponiert waren, wiesen jedoch unbeeinträchtigte P/O-Verhältnisse auf, und auch die Respirationszahlen zeigten einen Rückbildungstrend zur Normalität. Die Schritte des Zitronensäurezyklus wurden untersucht, und wieder zeigte sich kein Einfluss von EG ausser der Hemmung der Phosphorylierung auf Substratebene bei Konzentrationen von 10 mm und höher. Glyoxylat übte jedoch eine starke Inhibiterung bei Isocitrat- und α-Ketoglutarathydrogenasen und auf die Phosphorylierung auf Substratebene aus. Mit äquimolaren Mengen von Glyoxylat und Oxalacetat wurde ein inhibitorischer Effekt, der grösser als mit jeder Verbindung allein war, auf die mitochondrische Respiration auf Succinat als Substrat, auf Isocitratdehydrogenase und auf die Phosphorylierung auf Substratebene beobachtet. Es ist somit wahrscheinlich, dass bei der Einwirkung in niedrigen Konzentrationen die nachteiligen Wirkungen von EG der Bildung von Glyoxylat und der Wechselwirkung dieses Stoffwechselprodukts mit Zwischenprodukten des Zitronensäurezyklus wie Oxalacetat zuzuschreiben sind. Es wird die Möglichkeit besprochen, dass im Verlauf längerer Einwirkung Anpassungsverschiebungen im Stoffwechsel von EG erfolgen.