Mecanismos moleculares de la contracción del músculo cardíaco

Transcripción

1 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

2 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.

3 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 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. Fig.2

4 Potencial de acción calcio citoplasmático troponina C Formación del complejo Ca+ la actina actina Liberación de la inhibición de Interacción de miosina y Esquema 1 Contracción muscular 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)

5 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 β 1 y β 2. 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 β 1 tienen igual afinidad para cualquiera de los dos neurotransmisores mientras que los B 2 tiene mayor afinidad por la adrenalina. Fig 3

6 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 γ. 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.

7 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+.

8 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 miocardio la isoforma 2ª. en el 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.

9 ESTRUCTURA DE LOS CANALES DE CALCIO Los canales de calcio dependiente de voltaje o canales L macromoleculares que atraviesan la bicapa lipidica. son proteínas 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 α 1 importante con cuatro dominios transmembrana, también tienen otras subunidades α 2,ß y δ. Cada uno de los cuatro dominios transmenbrana de la subunidad α 1 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 α 1, adquiriendo esta subunidad carga positiva. El canal real del poro se encuentra en la subunidad α 1, entre las hélices 5 y 6 donde los iones de calcio transcurren. La subunidad α 1 puede ser fosforilada en varios sitios, especialmente en el extremo carboxilo terminal. Los grupos fosfatos del ATP son transferidos a la subunidad α 1 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 β es la de aumentar el flujo de la subunidad α 1. INTERCAMBIO SODIO/ BASE: PROTON Y EQUILIBRIO ACIDO 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.

10 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 α 1 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 permitiendo que entre masivamente el sodio. del canal 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.

11 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

12 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 Fig. 5

13 BIBLIOGRAFÍA DE ROBERTIS, E Biología Celular y Molecular. El Ateneo. 421 p DOWNET, J.M.; NOBLE, D.; PFEFFER, M.A.; YELLON, D.M. The Cardiovascular System. Module one - Module two. Andromeda Interactive Medio Science Division. UK. (CD-ROM) FUCHS, F AND SMITH, S.H Calcium, Cross-Bridges, and The-starling relationship. En: New in physiological. VOL. 16, N 1, HERAT DISEASE. PART. II HOUSSAY. B. A. Fisiología Humana. 5ta. ed. El Ateneo LEVIN, M. Y GARCIA RIVOLLO, H. Biología Molecular NETTLER, F.H Corazón. En: Colección Ciba de ilustraciones médicas. Tomo V. 292 p ZARCO, P Bases Moleculares de la Cardiología Clínica. Madrid-España. Editorial Médica Panamericana S.A. 374 p.