Mecanismos
moleculares de la contracción del
músculo cardíaco
Disertantes: BERECOCHEA, Carlos;
BETIGER, Diego Luis; LOMBANA,
Marina Eugenia
La función cardiaca esta centralizada en la
capacidad del corazón de bombear sangre oxigenada hacia los tejidos
periféricos, pero si estudiamos al
corazón de esta forma tan amplia es difícil determinar donde se encuentra la anomalía responsable
de la falla cardiaca. Por ello es
conveniente estudiar al corazón como
músculo y no como una bomba y aplicar los principios de la fisiología cardiaca.
Las células musculares cardíacas constituyen el 75% del volumen total del corazón,
siendo los componentes principales de los miocitos las miofibrillas y en
un menor porcentaje las mitocondrias. El resto de los componentes
son: el sistema T, el
retículo sarcoplásmico, el núcleo, el sarcoplasma, el sarcolema y los lisosomas.
El sarcolema es la
membrana celular de la fibra muscular. Ella se invagina en el interior celular para tomar más contacto
con las miofibrillas, formando una red de paredes gruesas que recibe el nombre
de túbulos T. En
sectores del túbulo T muy dilatados que toman estrecha relación
con el retículo endoplásmatico penetra el potencial de acción que provocará la liberación de calcio necesaria para la contracción
muscular. Estos túbulos también
mediarán la recolección del mismo para
provocar la relajación.
En el músculo cardíaco se puede distinguir uniones entre
las células (los discos intercalares) que unen los miocitos
por sus extremos haciendo que el corazón funcione en forma sincronizada como un sincitio.
La función del miocito es la contracción y detallaremos como se produce
la misma a nivel molecular.
La maquinaria contráctil esta representada por la miofibrillas. Las mismas están compuestas por unidades contráctiles
denominadas sarcómeras
de 2,2 um de longitud y un ancho equivalente a la miofibrilla. Con microscopio electrónico se puede ver una
estructura electro densa denominada disco Z que
separa una sarcómera de otra.
Este disco se encuentra ubicado en una
región poco densa llamada la banda I (por isotrópica) en donde solamente hay filamentos finos.
Estas bandas alternan con otras
denominadas bandas A (por anisotrópica) donde se hallan
filamentos gruesos y finos. En la parte media
de las bandas A se encuentra la banda H de
menor densidad aun (donde solo hay filamentos gruesos). Fig. 1. Estas distintas bandas sufren variaciones
periódicas que se deben a la superposición de las proteínas cito esqueléticas.
En la
sarcómera
pueden distinguirse los filamentos de actina (filamento fino) que nacen de los discos Z, donde existe la
a actinina que es la proteína que une la actina y la titina, esta ultima es una proteína elástica (la más grande del organismo).
La titina posee dos funciones:
mantiene a la
miosina en su posición y, debido a que tiene una parte
elástica,
actúa como resorte recuperando la longitud de
la miofibrilla después de la
contracción muscular. Fig. 2
La
miosina, proteína que forma el filamento grueso, esta formada por dos cadenas ligeras (muy parecidas a la
calmodulina y troponina c pero que han perdido la afinidad por el calcio) , que
forman la cola y dos cadenas pesadas que formas la cabeza. Cada cadena pesada esta compuesta por tres
dominios: uno el terminal NH2, el segmento central y el extremo terminal COOH,
estos dos últimos son los que interaccionan con la actina. La ATP asa que proporciona la energía necesaria a
partir de la hidrólisis del ATP se encuentra en un sitio diferente al de la unión a la actina. Fig. 1
El filamento fino esta formado
por actina G proteína
globular la cual se va polimerizando para formar un filamento de actina
F que luego se combinara con otro para formar el filamento
de actina. Fig. 2
Cada siete pares de actina
G encontramos un complejo de proteínas
reguladoras formado por la troponina T que
se une a la tropomiosina, la troponina C que es la que tiene afinidad
por el calcio y la Troponina I que tiene función inhibidora. Todas estas proteínas
tienen forma globular.
Fig. 1
A su vez este complejo esta unido al filamento fino por
la proteína tropomiosina, de forma alargada y acintada que se ubica entre los filamentos de actina
cada siete pares de actina G.
En estado de reposo la unión
de la tropomiosina con la troponinaT mantienen un estado inhibitorio que evita
la interacción de la actina y la miosina.
Cuando ingresa el Ca+ este se
une a la troponina C formando un
complejo Ca+ troponina C que provoca
un cambio de posición en la tropomiosina.
Este cambio deja libre el sitio del filamento de actina para que se una
con la cabeza de miosima. Así, la contracción muscular consiste en la unión
y desunión cíclica de la cabeza de miosina con el filamento de actina con la
concomitante hidrólisis de una molécula de APT por la ATPasa presente en la
cabeza de la miosina.
Mecanismo de la contracción
propiamente dicho:
Ante la llegada del estimulo
apropiado la tropomiosina deja libre el sitio de la actina para que interactúe
con la miosina, formando fuertes puentes transversales que actúan
a modo de remo, desplazando
cíclicamente los filamentos de actina.
La cabeza de la miosina se
adhiere al filamento de actina
arrastrando el disco Z hacia el centro de la sarcómera. Luego la miosina se desconecta del filamento de actina y recupera su posición de reposo momento en que
encontramos a los puentes cruzados débilmente unidos. A continuación el
filamento de miosina se une nuevamente al filamento de actina pero en un punto
más cercano al disco Z, con lo cual el filamento de actina se corre un poco más hacia el centro de la
sarcómera. Estos episodios se suceden varias veces, lo que provoca que
Fig.2
Potencial
de acción calcio
citoplasmático
Formación del complejo Ca+ troponina C
Liberación de la inhibición de la actina
Interacción de miosina y actina
Contracción
muscular
Esquema
1
los filamentos de actina se
acerquen mutuamente y la sarcómera acorta su longitud durante la contracción
como resultado del deslizamiento intersección
de los filamentos de actina sobre la
miosina. Las bandas I y H se
acortan mientras que la banda A permanece sin modificaciones.
Se ha comprobado que en miocardios defectuosos está
presente una regulación anómala del calcio que hace fracasar la función
contráctil. Recientes investigaciones han encontrado fármacos( Vetmedin)
que incrementan la afinidad de los
filamentos de troponina por el Ca+
mejorando la contractilidad cardiaca (
no requiriendo más energía si no aumentando su eficiencia)
SISTEMA NERVIOSO AUTÓNOMO;
El corazón esta regulado por el sistema nervioso
autónomo. El simpático lo modula positivamente y el parasimpático ejerce una modulación
negativa.
Los neurotransmisores del
sistema adrenérgico adrenalina y a
noradrenalina, van a actuar en
distintos receptores: los α y los β1 y β2. Aunque los mismos tienen mecanismos
intrínsecos diferentes pero van regular la función del músculo cardiaco en solo
sentido.
Los receptores α tienen mayor afinidad por la adrenalina y los
receptores b1 tienen igual afinidad
para cualquiera de los dos
neurotransmisores mientras que los B2 tiene mayor afinidad por la
adrenalina.
Fig 3
Esquema 2
El receptor β tanto el subtipo 1
como 2,cuando se unen al agonista adrenérgico, estimula a la proteína Gs que es un hetero trímero de membrana formado por tres
subunidades la α, β y g. A su
vez, esta proteína estimula a la adenil
ciclasa produciendo el segundo mensajero AMP cíclico a partir de ATP. El aumento
de la concentración de este segundo mensajero activa a la proteína quinasa
A que fosforila varias proteínas del
miocito .
Sus acciones son las
siguientes:
fosforilación de la fosfolamban , proteína que
estimula la Ca+ ATPasa para que
introduzca el Ca+ al retículo sarcoplásmico,
fosforilación de los canales de Ca+ permitiendo que ingrese más Ca+ (lo que aumentara la actividad enzimática de
la cabeza de la miosina),
fosforilación de los canales de Na+ para
cerrarlos cuando la célula este despolarizada. ( ver esquema 2)
Las acciones β
agonista aumentarán la fuerza y la velocidad de contracción, pero también
facilitarán la relajación, acción mediada por la fosfolamban.
El receptor α cuando es estimulado por la noradrenalina, activa a la proteína Gs de membrana que a su vez estimula positivamente la proteína fosfolipasa c que va a actuar sobre el fosfatidilinositol bifosfato originando inositol trifosfato
(IP3) y diacil glicerol (DAG).
El (IP3) provoca liberación de
calcio del retículo sarcoplásmico y el
DAG activa a la proteína quinasa c la cual produce:
un
preacondicionamiento de los canales de K+,
interviene en la contractilidad y
pone
en marcha factores de crecimiento celular que podrían estar relacionados con la
hipertrofia cardíaca en aquellos pacientes con sobre estimulación adrenérgica.
En conclusión el sistema
simpático provocará:
un
aumento de la frecuencia,
aumento de la contractilidad y
un aumento de la conducción en las aurículas y
los ventrículos, aumentando el automatismo con posibilidad de aparición de marcapasos ectópicos
El parasimpático tiene como
neurotransmisor la acetil colina la que va a actuar sobre los receptores
colinérgicos. Los que se encuentran en
el corazón son los receptores M2 un
subtipo de los receptores muscarínicos. La activación de los mismos provoca la
activación de la proteína Gi que
inhibe a la adenil ciclasa con lo que disminuyen las concentraciones de
AMP. Esta disminución provoca el cierre
de los canales de Ca+ y la apertura de los canales de K+ produciendo una hiperpolarización en el
nódulo sinoauricular y auriculo ventricular (efecto inotrópico negativo).
TEORIA DE LA LIBERACIÓN DE
CALCIO INDUCIDA POR CALCIO:
La concentración de Ca+
ionizado en el medio extracelular es de 10-3 nM. La del medio intracelular estando la célula relajada es de 10-7
nM. Estos valores se elevan cuando la célula toma el estado de contracción alcanzando un valor de 10-5 nM.
Al elevarse las
concentraciones de Ca+ , aumenta la
interacción entre el Ca+ y la troponina C
lo que gatilla el proceso contráctil.
En cada onda de
despolarización ingresan pequeñas concentraciones de Ca+ del medio extracelular a través de canales
de calcio voltaje dependiente, que activan la liberación del
Ca+ del retículo sarcoplasmático.
Esta teoría tiene una correlación molecular demostrada
por la existencia de un receptor en retículo sarcoplasmático que libera calcio
hacia los túbulos T. La liberación del calcio esta en relación con la duración
del potencial de acción.
Cada canal de calcio voltaje dependiente del sarcolema controla a un grupo de canales
de liberación de calcio del retículo sarcoplasmático. Fig. 4. Esto se debe a la
proximidad anatómica de los canales de
calcio del sarcolema ubicados en los túbulos T y los canales de liberación de
calcio del retículo sarcoplasmático(RS).
Los canales de liberación de
calcio del retículo sarcoplasmático son
parte de una compleja estructura proteica
llamado receptor Ryanodine ( RR) cuya densidad es de 800 receptores
por micrómetro cuadrado de RS. Este receptor se extiende de la membrana del RS
hasta los túbulos T (TT) contribuyendo una región llamada pie o canal de unión.
Este receptor tiene
dos porciones:
la más
grande es el pie que liga los túbulos T con el RS y
una
más pequeña en la región C terminal que
constituye el canal poro que puede ser activado por fosforilación ante estímulos ß adrenérgicos o
cambios de voltajes.
En la contracción, la onda de despolarización activa los
canales L de calcio de los TT lo que
permite la entrada de pequeñas cantidades de calcio al citosol. Este Ca+
interactúa con el pie del RR, y provoca un cambio conformacional en dicho
receptor que abre los canales de calcio
del RS saliendo el Ca+ hacia el citosol.
En el miocito debe existir un balance de Ca*. es decir que la
misma cantidad de este ion que ingresa debe salir. Esto se logra por dos mecanismos: 1) por intercambio Na+/Ca+; 2) por la regulación de la bomba deCa+.
Fig. 4
INCREMENTO
DEL CALCIO EN EL RETÍCULO SARCOPLASMATICO POR LA BOMBA DE Ca++/ATPasa
Los iones de Ca+ ingresan al
RS por la acción de la bomba Ca++/ATPasa (también llamada SERCA), Esta bomba es
una proteína de membrana que representa mas del 90% de las proteínas del
RS.
Existen tres genes que
codifican cinco isoformas de la misma ,predominando en el miocardio la isoforma 2ª.
Por cada mol de ATP
hidrolizado por la enzima dos moles de calcio son traídos al RS.
La fosfolamban ( FL) llamada
así por ser receptor de fosfatos es el principal regulador de la bomba
Ca++/ATPasa, y se encuentra en la misma
relación molar con dicha bomba.
La fosfolamban
es una proteína pentamérica que se
encuentra en la membrana del RS y cuya activación depende de su estado de fosforilación. Normalmente inhibe la bomba
Ca++/ATPasa cuando no esta fosforilado. Cada
una de las cinco subunidades de la
fosfolamban puede ser fosforilada en dos sitios diferentes por dos o tres
proteínas quinasas (PK). Una de las más importantes es la activada por el AMPc
en respuesta a la estimulación ß adrenérgica del miocito, incrementando el
calcio en el RS.
El calcio incorporado al RS por la bomba de Ca++/ ATP asa
es almacenado ligado a la proteína calsecuestrina que
se encuentra cerca de los túbulos T. El calcio almacenado por la calcecuestrina
esta disponible para el proceso de liberación.
Existe otra proteína de
almacenamiento que es la calrectulina .
Durante la relajación la bomba de calcio y el intercambiador
Na+/Ca+ del RS compiten para retirar el calcio citosólico.
El equilibrio del balance de calcio se lleva a cabo por
una serie de intercambiadores iónicos principalmente por el Na+/Ca+.
La actividad de este
intercambiador depende del potencial de membrana y de la concentración de Na* y
Ca+ a ambos lados de la membrana.
ESTRUCTURA DE LOS CANALES
DE CALCIO
Los canales de calcio
dependiente de voltaje o canales L son proteínas macromoleculares
que atraviesan la bicapa
lipidica .
Todos los modelos de acople
electro- mecánico atribuyen un papel crucial a la apertura de
estos canales, para el inicio de
la contracción muscular cardíaca. Los canales
iónicos tienen dos propiedades: bloqueo y permeabilidad y protegiendo a cada canal existen dos o más
puertas hipotéticas.
Los iones pueden pasar
solamente cuando ambas puertas están abiertas.
En el potencial de reposo la puerta de activación esta cerrada y la de
inactivación esta abierta y en la despolarización la puerta de activación se abre permitiendo el pasaje ionico.
Existe una semejanza
estructural entre los canales de Na+ y Ca+ operados por voltajes. Ambos canales
tienen una subunidad a1 importante con
cuatro dominios transmembrana, también tienen otras subunidades a2 ,ß y d.
Cada uno de los cuatro
dominios transmenbrana de la subunidad a1 se compone de seis hélices existiendo en cada dominio un segmento helicoidal
especifico cargado positivamente que constituye el sensor de voltaje.
La activación de la compuerta se debe a un cambio de carga en la subunidad a1, adquiriendo esta subunidad carga positiva.
El canal real del poro se
encuentra en la subunidad a1,
entre las hélices 5 y 6 donde los iones de calcio transcurren.
La subunidad a1 puede ser
fosforilada en varios sitios, especialmente en el extremo carboxilo terminal. Los grupos fosfatos del ATP son
transferidos a la subunidad a1
y en esta misma subunidad se produce una alteración de las cargas lo
que provoca una mayor probabilidad de
apertura del canal.
La función de las
subunidad b es la de aumentar el flujo de la subunidad a1.
INTERCAMBIO SODIO/ PROTON Y EQUILIBRIO ACIDO BASE:
El pH intracelular es el
resultado del equilibrio entre los cambiadores alcalinizantes , acidificantes y
de la producción metabólica de ácidos .
Si el interior la célular tiene un pH ácido debido al aumento de la concentración de protones se pone en
marcha el intercambiador Na/ H sacando el protón de la célula y provocando el ingreso de Na+, (1-1). Como
resultado aumenta el pH intracelular y
la concentración de sodio, este ultimo se equilibra por la acción de el
intercambiador Na/ Ca++ o por la bomba Na+/K+.
Esta bomba también puede
funcionar para extraer Na+ a expensas de un aumento de la concentración de
protón disminuyendo la actividad del intercambiador COOH-/Cl-.
El cotransportador Na+/COOH-
sirve también para corregir la acidosis
debido al transporte interno del bicarbonato.
El intercambiador COOH-/Cl-
acidifica el medio cuando el mismo se encuentra con un pH elevado.
REGULACIÓN MEDIADA POR
TRIFOSFATO DE INOSITOL(IP3):
Es un sistema totalmente
diferente implicado en la regulación
del calcio, estimulando el intercambio sodio calcio directamente. Existe un
receptor para el IP3, que tiene un alto grado de homología con el RR.
El ( IP3) es un mensajero
intracelular que se forma, como dijimos anteriormente, luego de la activación
de la fosfolipasa C, mecanismo que se desencadena luego de la activación del receptor α adrenérgico. Una vez
formado se une a el receptor de (IP3) y media la liberación de Ca+ del retículo
sarcoplasmático
El IP3 también participa en la transducción de
señales inducida por angiotensina II, endotelina y a1 agonista.
Tiene un papel importante en
el paro cardiaco, ya que aumenta su regulación para ayudar a mantener la
liberación de Calcio del RS.
BOMBA DE NA++/K ATPasa
Todo el Na+ que ingresó, ya
sea por la despolarización temprana o
por el intercambiador Na/ Ca+
debe salir del interior celular por la bomba Na+ / K ATPasa.
Por cada molécula de ATP que
se consume se eliminan 3 moléculas de Na+ y 2 de K+ ingresan al
interior celular. Por lo tanto se pierde una carga positiva y esta es una bomba
electrogénica contribuyendo en – 10 mV al potencial de reposo.
CAMBIOS IÓNICOS NECESARIOS
PARA LA CONTRACCIÓN MUSCULAR:
La actividad eléctrica de los miocitos se relaciona con la difusión
de iones a través de la membrana.
Durante el estado de reposo se detecta en la célula un potencial de negativo de 80 a
90 mV que se llama potencial de reposo, atribuido a la difusión de K+ y
a la bomba de Na+./ K+ ATPasa que saca tres moléculas de Na+ al exterior y
envía dos moléculas de K+ al interior.
En una célula ventricular típica podemos describir
distintas corrientes iónicas que van a determinar las fases que van a llevar a
la despolarización celular.
La fase 0 del potencial de acción de
respuesta rápida, característico de las fibras musculares y del sistema de
conducción, es bien empinada, se debe a la apertura de los canales de sodio operados por voltaje.
Estos canales están
constituidos por subunidades α y β, a su vez cada subunidad
α esta constituido por cuatro
dominios, cada dominio consta de seis hélices y en este ultimo se localiza el
sensor de voltaje.
Durante esta fase se abren la
compuerta de activación y de inactivación
del canal permitiendo que entre
masivamente el sodio.
Este cambio lleva a que
el interior se vuelva más positivo y al cierre de la compuerta de
inactivación con lo que el sodio ingresa pero en pequeñas concentraciones.
La fase 1 se
caracteriza por que se activa una corriente de K+, llamada
corriente transitoria de K+, que
vuelve menos positivo al interior celular.
La fase que continua se
caracteriza por tener una alta resistencia a los iones. Está representada
fundamentalmente por una corriente de entrada de
calcio y en esta fase
también aparecen: una corriente
de entrada de Na+ y una corriente sostenida de K+ , la
cual necesita de la entrada de calcio para activarse y finalmente la corriente rectificadora
tardía de K+. La fase 2 se
representa en la curva como la meseta.
La fase 3 esta dada por las corrientes
de K+, que como todas las corrientes son de salida de K+, llamadas
corriente rectificadora y corriente rectificadora anómala.
En la fase 4 se
evidencia la actividad de la bomba de Na+/K+, la de Na+/ Ca+ y la aparición
de una corriente de K+.
En el Nódulo sinusal y el Nódulo aurículo
Ventricular que son células marcapasos
estas fases no son tan delimitadas y se
caracterizan por tener en la fase 4 la llamada corriente marcapaso que es una corriente de entrada
de Na+ acompañada de una menor
permeabilidad para el K+
lo que facilita alcanzar rápidamente en
valor umbral y disparar el potencial de acción. Fig. 5
¿ CÓMO SE PRODUCE EL ACOPLE
ELECTRO MECANICO?
Con el potencial de acción ingresa calcio a la célula
fundamentalmente en la fase 2, esta cantidad de calcio no es suficiente para
que se produzca el proceso contráctil, si no que esta pequeña concentración
induce a su vez a la liberación de calcio inducida por calcio.
El calcio que ingresa se une a
la troponina C liberando la inhibición de la actina y se produce la contracción muscular.
Todo este mecanismo desde que
llega el potencial de acción hasta que se produce la contracción muscular se
llama acople
electromecánico.
MECANISMO DE FRANK STARLING:
No se puede hablar de
contracción del músculo cardíaco y no mencionar a Frank Starling, quien se
dedicó a estudiar los factores que rigen el volumen de sangre impulsado por el
corazón .
La ley de Frank Starling
afirma que cuanto más se llene el corazón durante la diástole más será
el volumen expulsado durante la sístole, y
dentro de los limites fisiológicos expulsara toda la sangre que le
llegue .
Cuando el retorno venoso aumenta ,el músculo cardiaco se estira y
aumenta su longitud, lo que hace que el corazón se contraiga con más fuerza y
expulse automáticamente toda la sangre.
Esta capacidad de
estiramiento muscular hacia una
longitud optima para contraer con mayor fuerza es característica de los
músculos cardíacos y esqueléticos.
Básicamente lo que propone
esta ley es que a mayor precarga( retorno venoso) la fibra muscular aumentara su longitud lo que provocara una mayor fuerza de
contracción muscular
MECANISMO DE LA INSUFICIENCIA CARDIACA:
Se ha comprobado que en los
miocardiocitos anormales no se cumple la Ley de Frank Starling en períodos
avanzados de la enfermedad.
En preparaciones de tiras
musculares de pacientes con insuficiencia cardíaca las curvas de longitud
tensión se encontraban alteradas.
La falta de respuesta en la
insuficiencia cardíaca se debe a que la sensibilidad al Ca+ ya es máxima y no
aumenta con la elongación, auque otros
estudios atribuyen a alteraciones de las proteínas reguladoras de la
actina.
En la insuficiencia cardíaca
se han encontrado diversas alteraciones del calcio relacionadas con
alteraciones de la función sistólica y diastólica.
A pesar de la aparente
incapacidad de movilización del calcio, la concentración pico durante la
sístole es la misma que la del miocito normal lo que significaría que en la mayoría
de los casos la alteración no se debe a una disponibilidad disminuida de calcio
sino una baja sensibilidad a este ion por los filamentos de actina, lo que
llevaría a un retraso en la activación y disminución de la fuerza contráctil.
Sin embargo está demostrado un
muy importante aumento del calcio citosólico en reposo, aumento debido
a una regulación en baja de los genes de la ATPasa del calcio del
retículo sarcoplásmico (SERCA) y del fosfolambán que activa al SERCA. Ambos
genes están disminuidos en la insuficiencia cardíaca.
En resumen se puede afirmar
que en el miocardio insuficiente el potencial para generar fuerza es comparable
al miocardio normal y no hay disminución del calcio citosólico. En cambio, las
propiedades diastólicas alteradas en la insuficiencia cardíaca podrían deberse a un aumento del calcio citosólico
