Es bastante. . . Es imposible explicar el rápido desarrollo de la actividad completa en una contracción [del músculo esquelético] suponiendo que se establece por la llegada a cualquier punto de alguna sustancia que se difunde desde la superficie: la difusión es demasiado lenta. O bien debemos suponer que [el músculo es estimulado por] excitación (natural o artificial) en todo el interior, no sólo en la superficie; o debemos buscar algún proceso físico o físico-químico que se libera por excitación en la superficie y luego se propaga hacia adentro.
—A. V. Hill, 1949
Hill (1949), escribiendo antes de que se descubriera que el calcio activaba las proteínas contráctiles, señaló que la difusión de un activador desde la superficie de un músculo sartorio de rana es demasiado lenta para explicar el rápido inicio del estado activo en estos músculos grandes que se contraen rápidamente. Esto lo llevó a postular que el acoplamiento excitación-contracción, el mecanismo por el cual la despolarización de la membrana plasmática inicia la contracción, depende de un proceso más rápido que la difusión a través de la membrana plasmática, o de la liberación de un activador difusible de las estructuras dentro de los miocitos. La identificación del papel del calcio en la activación de las proteínas contráctiles llevó al descubrimiento de que los dos mecanismos postulados por Hill superan las limitaciones causadas por la lentitud de la difusión.
El acoplamiento excitación-contracción en los miocitos pequeños y de contracción lenta de los corazones primitivos y embrionarios se efectúa mediante un ciclo de calcio extracelular en el que el calcio activador se difunde en el citosol desde el líquido extracelular (Fig. 1). Sin embargo, el acoplamiento de excitación-contracción en los miocitos más grandes de los corazones de los mamíferos adultos, que están llenos de miofilamentos, se contraen más rápidamente y desarrollan niveles más altos de tensión, requiere un ciclo adicional de calcio intracelular. En este último, la despolarización de las extensiones de la membrana plasmática llamadas túbulos transversales (t-túbulos) propaga una señal hacia el interior de la célula que desencadena la liberación de calcio de las reservas intracelulares en el retículo sarcoplásmico (Fig. 2).
El retículo sarcoplásmico y los túbulos transversos
La primera pista de que el calcio almacenado dentro del retículo sarcoplásmico activa la contracción se obtuvo en la década de 1950, cuando se descubrió que los sobrenadantes obtenidos después de la centrifugación a baja velocidad de los picades musculares relajaban las preparaciones de actomiosina in vitro. Inicialmente se creyó que este efecto, que requería la presencia de ATP y podía ser abolido por el calcio, era causado por un «factor relajante soluble» (Gergely, 1959). Sin embargo, Hasselbach y Makinose (1961) y Ebashi y Lipmann (1962) descubrieron independientemente que el efecto relajante de estas fracciones sobrenadantes dependía de diminutas vesículas de membrana derivadas del retículo sarcoplásmico, llamadas microsomas, que utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para bombear calcio a su interior. El descubrimiento simultáneo de que las interacciones actina-miosina se activan en condiciones fisiológicas por concentraciones de calcio ionizado micromolar (Weber y Winicur, 1961) dejó claro que la relajación muscular no es causada por un factor soluble, sino que ocurre cuando el calcio es secuestrado por el retículo sarcoplásmico. En pocos años fue posible demostrar que el retículo sarcoplásmico cardíaco contiene una bomba de calcio con suficiente capacidad y afinidad al calcio para relajar el corazón (Katz y Repke, 1967; Harigaya y Schwartz, 1969).
La respuesta a la segunda parte de la pregunta de Hill, cómo una señal generada por la activación en la superficie celular llega al interior de los miocitos, se proporcionó cuando se descubrió que los túbulos t son extensiones de la membrana plasmática cuyos lúmenes se abren al espacio extracelular, y que las membranas tubulares t pueden propagar potenciales de acción en el interior de las células musculares. En uno de los experimentos clásicos de fisiología del músculo esquelético, Huxley y Taylor (1958) demostraron que estímulos eléctricos muy pequeños aplicados a través de microelectrodos colocados cerca de la boca de un túbulo en T pueden inducir contracciones que se limitan a los sarcómeros adyacentes al punto de estimulación. Se obtuvieron pruebas adicionales de que los túbulos t desempeñan un papel crítico en el acoplamiento excitación-contracción cuando se descubrió que la interrupción de las conexiones entre los túbulos t y la membrana plasmática imposibilitaba la activación de la contracción (Eisenberg y Eisenberg, 1968). Esta y otras evidencias de que la transmisión de una onda de despolarización por los túbulos t al interior de la célula, que es mucho más rápida que la difusión de una sustancia activadora, completó la respuesta a la pregunta de Hill.
Ciclos del calcio extracelular e intracelular
Los músculos pueden utilizar dos posibles fuentes de calcio para activar la contracción. Como se señaló anteriormente, la mayor parte del calcio que activa los miocitos pequeños que se contraen lentamente de los corazones embrionarios ingresa al citosol desde el líquido extracelular (el ciclo del calcio extracelular), mientras que los miocitos más grandes y de contracción más rápida del corazón de los mamíferos adultos dependen principalmente del calcio derivado de las reservas intracelulares (el ciclo del calcio intracelular). En ambos casos, los flujos de calcio activador en el citosol son pasivos (cuesta abajo) porque las concentraciones de calcio ionizado en el líquido extracelular y dentro del retículo sarcoplásmico son mucho más altas que la concentración de calcio citosólico en el músculo en reposo.
Existen diferencias importantes entre estos ciclos de calcio. Una es que tanto la entrada de calcio como la salida de calcio a través de la membrana plasmática en el ciclo del calcio extracelular van acompañadas de corrientes despolarizantes. Por el contrario, los flujos de calcio dentro y fuera del retículo sarcoplásmico en el ciclo del calcio intracelular no influyen en el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática. Además, el gradiente electroquímico que impulsa el calcio hacia el citosol a través de la membrana plasmática en el ciclo del calcio extracelular se incrementa por la electronegatividad dentro de los miocitos cardíacos en reposo.
Las cantidades relativas de calcio entregadas a las proteínas contráctiles por los ciclos de calcio extracelular e intracelular varían entre los diferentes músculos. En el músculo esquelético, prácticamente todo el calcio que activa la contracción se deriva del retículo sarcoplásmico, mientras que la mayor parte del calcio activador en el músculo liso y los corazones embrionarios ingresa al citosol desde el espacio extracelular. También hay diferencias en las fuentes de calcio activador en el corazón de las diferentes especies de mamíferos; En los ventrículos humanos, alrededor de dos tercios se derivan del retículo sarcoplásmico y un tercio del espacio extracelular.
En la mayoría de los espasmos del músculo esquelético de los mamíferos, se libera suficiente calcio del retículo sarcoplásmico para unirse a prácticamente toda la troponina C; Como resultado, el estado activo normalmente alcanza su máximo. Sin embargo, en los miocitos cardíacos de mamíferos adultos que se contraen en condiciones basales, el retículo sarcoplásmico proporciona suficiente calcio para unirse a solo el 40% de la troponina C. Esto permite modificar la intensidad de la respuesta contráctil por variaciones en la liberación de calcio del retículo sarcoplásmico, la afluencia de calcio a través de la membrana plasmática y la afinidad cálcica de la troponina C. Estas variaciones permiten que el rendimiento cardíaco sea regulado por las numerosas estructuras que regulan los flujos de calcio que entran y salen del citosol (Tabla 1).
El ciclo del calcio extracelular
Afluencia de calcio a través de la membrana plasmática
La afluencia de calcio a través de los canales de calcio dependientes de voltaje participa en la señalización eléctrica y química (Tabla 2). Los más importantes son los canales de calcio de tipo L, llamados así por sus aberturas relativamente largas (L de larga duración); Estos canales también se denominan receptores de dihidropiridina porque se unen con alta afinidad a esta clase de fármacos bloqueadores de los canales de calcio. En las aurículas, los ventrículos y el sistema de His-Purkinje, donde la corriente de despolarización inicial que causa el aumento del potencial de acción es transportada por el sodio, la apertura posterior de estos canales contribuye a la meseta del potencial de acción al permitir que los iones de calcio cargados positivamente atraviesen la membrana plasmática. Las corrientes de calcio despolarizantes análogas en los nódulos SA y AV participan en la actividad del marcapasos y la propagación del impulso. La entrada de calcio a través de los canales de calcio de tipo L desencadena la liberación de una mayor cantidad de calcio de las reservas intracelulares en el retículo sarcoplásmico (ver más abajo) y, debido a que parte del calcio que ingresa al citosol desde el espacio extracelular es absorbido y almacenado por el retículo sarcoplásmico donde puede agregarse al calcio liberado en contracciones posteriores, Esta afluencia de calcio ayuda a determinar la fuerza de los latidos del corazón.
Eflujo de calcio a través de la membrana plasmática
En cualquier estado estacionario, el calcio que ingresa al citosol a través de los canales de calcio de tipo L durante cada potencial de acción debe ser bombeado fuera de la célula durante la diástole. En el corazón, dos mecanismos efectúan este transporte cuesta arriba: una bomba de calcio en la membrana plasmática y un intercambiador de sodio/calcio. Esta última tiene una capacidad mayor que la bomba de calcio de la membrana plasmática y es responsable de más del 80% de este flujo de calcio en los ventrículos humanos.
Bombas de iones de tipo P: la bomba de calcio de membrana plasmática ATPasa (PMCA)
La bomba de calcio de membrana plasmática ATPasa (PMCA) pertenece a una familia de bombas de iones de tipo P que acoplan la energía derivada de la hidrólisis del ATP al transporte activo de cationes; otros miembros de esta familia incluyen la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico, la bomba de sodio y las bombas de protones (Fig. 3). El transporte cuesta arriba de iones por bombas de iones de tipo P se asemeja a un barco que se mueve aguas arriba a través de una serie de esclusas (Fig. 4). A medida que un ion se mueve a través de la bicapa de la membrana, se «ocluye», lo que significa que se vuelve incapaz de intercambiar con los iones en las soluciones acuosas a ambos lados de la membrana, esto es análogo al bote en una esclusa cerrada. La transferencia de energía química del ATP a los iones ocluidos aumenta su actividad, al igual que el bombeo de agua a la esclusa eleva el barco.
La renovación de la bomba de calcio de la membrana plasmática se activa cuando el calcio se une a un sitio de transporte en su lado citosólico. El aumento del calcio citosólico también estimula la bomba indirectamente porque en su estado basal, cuando el calcio citosólico es bajo, la bomba es inhibida por una porción de su región C-terminal que se encuentra dentro del citosol (Fig. 5). La reversión de esta inhibición cuando un complejo calcio-calmodulina se une a esta región C-terminal de la bomba ayuda a los miocitos cardíacos a evitar la sobrecarga de calcio al reconocer el aumento de la concentración de calcio citosólico como una señal para acelerar el flujo de calcio de estas células.
La bomba de calcio de la membrana plasmática también desempeña un papel importante en la señalización celular. Esto ocurre cuando la proteína de la bomba se incorpora a los caveoli, lo que le permite interactuar con proteínas de señalización que incluyen proteínas quinasas, calcineurina, RASSF1 (factor 1 asociado a Ras), nNOS (óxido nítrico sintasa neuronal), proteínas que contienen dominio PDZ y sintrofinas que median las respuestas proliferativas.
El intercambiador de sodio/calcio
El intercambiador de sodio/calcio (Na/Ca) (NCX), el mecanismo más importante que transporta el calcio desde el citosol de los miocitos cardíacos al líquido extracelular, es un antipuerto que utiliza el gradiente de sodio a través de la membrana plasmática, en lugar de ATP, para energizar el flujo de calcio cuesta arriba. El descubrimiento de este intercambiador tiene una historia complicada. Una relación directa entre el calcio extracelular y la fuerza de la contracción cardíaca fue descubierta por Ringer a finales del siglo XIX. Sin embargo, en la década de 1940, se encontró que los cambios en el calcio extracelular no modificaban la fuerza de la contracción cardíaca cuando la concentración de sodio también variaba para mantener una relación constante entre las concentraciones de calcio extracelular y sodio (Wilbrandt y Koller, 1948). Esta observación inesperada sugirió que el calcio y el sodio compiten por unirse a un intercambiador que puede transportar cualquiera de los iones en ambas direcciones a través de la membrana plasmática (Lüttgau y Niedergerke, 1958). De acuerdo con este mecanismo, la unión del calcio al lado extracelular del intercambiador aumenta la entrada de calcio, lo que hace que el corazón se contraiga más fuertemente, mientras que el aumento del sodio extracelular debilita la contracción al hacer que el intercambiador se una al sodio, en lugar de calcio, para su transporte a la célula. También se obtuvo evidencia de que el eflujo de calcio está determinado por las concentraciones relativas de sodio y calcio en el lado intracelular del intercambiador. La importancia del intercambio Na/Ca fue establecida por Reuter y Seitz (1968), quienes encontraron que el intercambiador representa el 80% del flujo de calcio del miocardio de los mamíferos.
Una forma sencilla de entender el intercambio Na/Ca es ver el intercambiador como un portador que, después de unirse al sodio o al calcio tanto dentro como fuera de la célula, transporta estos iones en direcciones opuestas a través de la bicapa lipídica (Fig. 6). El intercambio es reversible y su dirección depende de las actividades electroquímicas del sodio y el calcio a ambos lados de la membrana. Aunque la fuerza impulsora para el transporte ascendente de calcio fuera del citosol es el gradiente de sodio a través de la membrana plasmática, la fuente última de esta energía es el ATP utilizado por la bomba de sodio para establecer el gradiente de sodio.
Las NCX son proteínas de membrana intrínsecas que incluyen 10 hélices que abarcan la membrana y un dominio citosólico grande (Fig. 7). Una α-hélice es un péptido señal que se elimina del intercambiador funcional en algunos miembros de esta familia. Las nueve α-hélices restantes, junto con las secuencias de aminoácidos intermedias, están organizadas en dos grupos hidrofóbicos de cinco y cuatro α-hélices, que juntos participan en el intercambio catiónico a través de la membrana plasmática. El dominio intracelular contiene sitios que modifican la actividad del intercambiador en respuesta a las fosforilaciones catalizadas por proteínas quinasas, cambios en el calcio citosólico y un efecto alostérico del ATP.
Aunque el intercambio de Na/Ca no requiere hidrólisis de ATP, su recambio es estimulado por altas concentraciones de ATP. Este efecto alostérico es un ejemplo de la capacidad general del ATP para acelerar los flujos de iones que son mediados por intercambiadores, canales y bombas. Un corolario de este efecto es que el intercambio de Na/Ca se inhibe cuando la concentración de ATP disminuye, lo que, al reducir el flujo de calcio, puede exacerbar la sobrecarga de calcio en los corazones hambrientos de energía. El intercambiador se activa cuando es fosforilado por las proteínas quinasas A y C, y por la proteína quinasa dependiente de calcio-calmodulina (CAM quinasa). Además, el calcio intracelular elevado aumenta el recambio del intercambiador por un efecto regulador que, al igual que la fosforilación por la quinasa CAM, ayuda a aliviar la sobrecarga de calcio.
El NCX es electrogénico porque intercambia tres iones de sodio a cambio de un ion de calcio; también se ha descrito una proporción de 4:1 (Dong et al., 2002). Esto genera una corriente iónica, definida como el flujo de carga positiva, que fluye en la misma dirección que el flujo de sodio y es opuesta al movimiento del calcio (Fig. 6) (esto puede recordarse como «la corriente sigue al sodio»). Las corrientes generadas por el intercambiador son normalmente pequeñas y contribuyen solo unos pocos milivoltios al potencial de membrana. Sin embargo, pueden causar arritmias peligrosas en pacientes con corazones sobrecargados de calcio, donde el flujo de calcio a través de la membrana plasmática aumenta.
La electrogenicidad del intercambio Na/Ca también permite que el potencial de membrana influya en la dirección del transporte de iones por el intercambiador. En el corazón en reposo, el potencial intracelular negativo favorece la entrada de iones de sodio cargados positivamente y, por lo tanto, promueve el flujo de calcio. La inversión del potencial de membrana durante la sístole, cuando el interior de la célula se carga positivamente, tiene el efecto contrario, aumentar la afluencia de calcio al favorecer el flujo de sodio. Estos efectos del potencial de membrana ayudan al NCX a operar de una manera que favorece el flujo de calcio en cualquier dirección que mantenga el estado mecánico existente: el flujo de calcio, que relaja el corazón, se ve favorecido por la negatividad intracelular durante la diástole, y el flujo de calcio, que aumenta la contractilidad, se ve favorecido durante la sístole.
El descubrimiento del intercambio Na/Ca proporcionó la clave para comprender el efecto inotrópico positivo de los glucósidos cardíacos, que en la década de 1950 se había descubierto que inhibían el transporte de sodio fuera de las células (Schätzmann, 1953). Estos fármacos aumentan la contractilidad miocárdica porque el aumento del sodio intracelular causado por la inhibición de la bomba de sodio favorece el eflujo de sodio por el intercambiador, lo que reduce el eflujo de calcio. Al retener el calcio dentro de los miocitos, esta respuesta aumenta la contractilidad al aumentar la cantidad de calcio disponible para su liberación durante el acoplamiento excitación-contracción (Repke, 1964).
Otros flujos iónicos a través de la membrana plasmática
La bomba de sodio
La bomba de sodio (también llamada ATPasa de sodio-potasio o Na-K-ATPasa porque su capacidad para hidrolizar ATP se estimula cuando el sodio y el potasio están presentes juntos) transporta el sodio fuera del citosol a cambio del potasio que ingresa a la célula. Este intercambio de cationes de sodio y potasio reduce el trabajo electroquímico de la bomba de sodio. Sin embargo, tanto el flujo de sodio como la afluencia de potasio son procesos cuesta arriba, por lo que la bomba de sodio requiere energía derivada de la hidrólisis de ATP. El impacto de la bomba de sodio en el gasto energético celular es alto, como lo demuestra el hecho de que la bomba de sodio representa entre el 20% y el 30% del ATP consumido por los tejidos no móviles como los riñones.
La función principal de la bomba de sodio en el trabajo de los miocitos cardíacos es intercambiar la pequeña cantidad de sodio que entra en el citosol durante cada potencial de acción con parte del potasio que sale del citosol durante la repolarización. Los gradientes electroquímicos establecidos por la bomba de sodio también contribuyen a la fuerza motriz de las corrientes de sodio que despolarizan los miocitos funcionales de las aurículas y los ventrículos, y las fibras de Purkinje, y de las corrientes de potasio que repolarizan todas las regiones del corazón. El gradiente de sodio a través de la membrana plasmática energiza el flujo de calcio por el NCX, el flujo de protones por el NHE, y el transporte activo de varios sustratos y metabolitos a través de la membrana plasmática.
La bomba de sodio incluye tres subunidades (Fig. 8). La más grande es la subunidad α, una bomba de iones ATPasa de tipo P (ver Fig. 3) que contiene 10 α-hélices que se extienden por la membrana y un gran dominio intracelular. Los sitios que se unen al potasio para su transporte al citosol se encuentran en el lado extracelular de la subunidad α, mientras que el sodio se une en el lado citosólico. La subunidad β más pequeña, que es una glicoproteína que incluye un solo dominio que abarca la membrana, participa en el tráfico de la bomba de sodio a la membrana plasmática y regula la afinidad de unión catiónica. La subunidad γ (fosfoleman) es un sustrato para las fosforilaciones por las proteínas quinasas A y C que estimulan la bomba de sodio. La actividad de la bomba también está regulada por la acilación de la subunidad α, la glicosilación de la subunidad β y una concentración alostérica de ATP que estimula la bomba. Los cambios a largo plazo en la actividad de la bomba, observados en corazones enfermos, son el resultado de cambios en las isoformas y cambios en la concentración de la bomba en la membrana plasmática.
La bomba de sodio es electrogénica porque transporta tres iones de sodio fuera de la célula a cambio de dos iones de potasio que entran en el citosol (Fig. 9). Esto genera una corriente de repolarización que, al igual que la generada por el intercambio de Na/Ca (Fig. 8), está en la misma dirección que el flujo de sodio. La contribución de esta corriente al potencial de membrana es pequeña, generalmente <10 mV. En algunas circunstancias, esta corriente de repolarización puede ser de importancia funcional; Por ejemplo, la corriente de salida generada por la bomba de sodio ayuda a mantener la electronegatividad intracelular en los miocitos isquémicos, donde se reduce el potencial de reposo y se aumenta la «fuga» de sodio a la célula. Por el contrario, la inhibición de la bomba de sodio disminuye la concentración de potasio intracelular, lo que causa arritmias al reducir el gradiente electroquímico responsable del potencial de reposo.
Los glucósidos cardíacos, que se descubrió que eran útiles en el tratamiento de la insuficiencia cardíaca hace más de 200 años, tienen cuatro acciones principales, todas debidas a la inhibición de la bomba de sodio. Su capacidad para aumentar la contractilidad miocárdica, que tradicionalmente se considera el efecto deseado, se produce cuando la inhibición de la bomba de sodio aumenta la concentración de sodio intracelular cerca de una región de la membrana plasmática rica en moléculas NCX. Debido a que la mayor concentración de sodio en el lado citosólico de la membrana inhibe el flujo de calcio a través del NCX, menos calcio sale de la célula, lo que, al aumentar las reservas de calcio intracelular, explica el efecto inotrópico positivo. La segunda acción, la despolarización de la membrana en reposo, causada cuando la reducción del flujo de potasio disminuye el gradiente electroquímico del potasio a través de la membrana plasmática, es responsable de muchos de los efectos arritmogénicos de estos fármacos. Este efecto despolarizante se incrementa con la tercera acción, la reducción de la pequeña corriente de repolarización generada por la bomba de sodio. Sin embargo, muchos de los efectos beneficiosos de los glucósidos cardíacos en la insuficiencia cardíaca son el resultado de la inhibición de la bomba de sodio en el tronco encefálico, lo que aumenta la actividad vagal y reduce el tono simpático. Estas respuestas centrales disminuyen la frecuencia cardíaca, la contractilidad y la resistencia periférica, que tienen efectos de ahorro de energía que benefician a los corazones que fallan; La reducción del flujo de salida simpático y el aumento del tono vagal también tienen efectos antiproliferativos beneficiosos.
Los glucósidos cardíacos inhiben la bomba de sodio cuando se unen a un sitio formado por varias α-hélices que se extienden por la membrana en las proximidades del sitio de unión al potasio (Fig. 8) (Ogawa et al., 2009). La capacidad del potasio para desplazar a los glucósidos cardíacos de este sitio de unión explica por qué el aumento de potasio extracelular reduce la sensibilidad de la bomba de sodio a la inhibición por estos fármacos y, a la inversa, la peligrosa potenciación de los efectos de los glucósidos cardíacos por hipopotasemia.
La bomba de sodio forma varios intermediarios entre la proteína (designada E en la siguiente discusión) y sus sustratos (Fig. 10). Dos intermediarios no fosforilados, E1 y E2, tienen diferentes reactividades al ATP y se unen de manera diferente a los cationes: el sodio se une al lado intracelular de E1, mientras que el potasio se une al lado extracelular de E2. También hay 2 intermedios fosforilados, E1P y E2-P. Ambos contienen enlaces de acilo fosfato, pero estos enlaces tienen diferentes energías: E1P es un intermediario de alta energía, mientras que un intermedio de baja energía, E2-P, se forma cuando se gasta energía durante el transporte activo de sodio y potasio. Estos intermedios fosforilados se asemejan a los que se forman durante el ciclo de puentes cruzados, pero a diferencia de las proteínas contráctiles, donde la energía química liberada del ATP cambia el ángulo de los puentes cruzados para causar el desarrollo de tensión y el acortamiento, la bomba de sodio utiliza esta energía para realizar trabajos osmóticos.
La reacción que se muestra en la Figura 10, que requiere magnesio, comienza cuando tres iones de sodio se unen al lado intracelular (citosólico) de la bomba de sodio (E), que se encuentra en un estado de alta energía:
E1 • ATP + 3 Na+i ↔️ E1 •ATP • 3 Na+i
La liberación de ADP luego transfiere energía al sodio unido, que se ocluye (indicado por paréntesis). Esto eleva la actividad del sodio ocluido a una mayor actividad en el líquido extracelular (Na+o).
E1 • ATP • 3 Na+i ↔️ E1~P • 3{Na+o} + ADP
El sodio se libera en el líquido extracelular y la bomba vuelve al estado de baja energía, E2-P. (La liberación de sodio ocurre en dos pasos que, para simplificar, se tratan como uno solo en la Figura 10)
E1~P • 3{Na+o} ↔️ E2-P + 3 Na+o
Los siguientes pasos en esta reacción, que transportan el potasio al citosol, comienzan cuando el potasio en su baja actividad en el espacio extracelular (K+o) se une al E2-P.
E2-P + 2 K+o ↔️ E2-P • 2 K+o
Este es el paso en el que los glucósidos cardíacos inhiben la bomba de sodio al unirse al lado extracelular de la enzima. La liberación de fosfato inorgánico hace que el potasio unido, aún en su baja actividad en el líquido extracelular, se ocluya.
E2-P • 2 K+o ↔️ E2 • 2{K+o} + Pi
La unión del ATP al complejo E2 • 2{K+o} inicia la transferencia de energía que eleva la actividad del potasio ocluido a la del citosol. Sin embargo, la mayor parte de la energía química del ATP permanece inicialmente en el nucleótido, por lo que la actividad del potasio unido a la enzima sigue siendo baja.
E2 • 2{K+o} + ATP ↔️ E2 • ATP •{2 K+o}
La transferencia de energía del ATP al complejo E2 • ATP • 2{K+o} lleva la bomba a un estado de alta energía (E2) y aumenta la actividad del potasio ocluido al nivel superior dentro del citosol (Ki).
E2 •ATP •2{K+o} ↔️ E1 • ATP • 2 K+i
Una mayor transferencia de energía a la bomba completa la reacción liberando potasio en el citosol.
E1 • ATP • 2 K+i ↔️ E1 • ATP + 2 K+i
La reacción general de la bomba de sodio (véase también la Fig. 10) se puede escribir como:
3 Na+i + 2 K+o + ATP ↔️ 3 Na+o + 2 K+i + ADP + Pi
Esta reacción puede ejecutarse a la inversa en una secuencia de pasos que acoplan los flujos de sodio y potasio cuesta abajo para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi; sin embargo, la inversión de la bomba no ocurre en condiciones fisiológicas porque está fuertemente inhibida por el ATP.
El intercambiador de sodio/hidrógeno
Debido a que la producción de energía va acompañada de la generación de protones, se necesitan mecanismos para prevenir la acidosis intracelular, que tiene varios efectos deletéreos en el corazón. Estos incluyen la inhibición de las enzimas involucradas en la producción de energía, un efecto inotrópico negativo causado cuando los protones compiten con el calcio para unirse al complejo troponina, y la inhibición de los flujos de calcio que relajan el corazón. El pH intracelular normal en el corazón es de aproximadamente 7,2, que es más alcalino de lo que se esperaría si los protones se distribuyeran simplemente de acuerdo con su gradiente electroquímico. El transporte de protones fuera de la célula, que mantiene esta alcalinidad intracelular, depende de un simpuerto, el transportador de sodio/bicarbonato, y de tres antipuertos. Estos últimos son un intercambiador de cloruro/bicarbonato, un intercambiador de cloruro/hidroxilo y, lo que es más importante, un intercambiador de sodio/hidrógeno (Na/H) (NHE) que utiliza la energía derivada del gradiente de sodio a través de la membrana plasmática para transportar protones cuesta arriba, fuera del citosol. Debido a que la estequiometría entre el flujo de protones y la entrada de sodio por NHE1 es 1:1, el intercambio Na/H es eléctricamente neutro.
Los NHE son miembros de una gran y antigua superfamilia de transportadores que se encuentran tanto en procariotas como en eucariotas que incluye unipuertos (un ion que se mueve en una dirección), simpuertos (dos iones que se mueven en una dirección) y antipuertos (dos iones que se mueven en direcciones opuestas). NHE1, la principal isoforma de NHE en el corazón, es una glicoproteína grande que contiene 12 α-hélices que se extienden por la membrana, un dominio N-terminal intracelular que participa en la reacción de intercambio iónico y un gran dominio C-terminal intracelular que contiene varios sitios reguladores (Fig. 11). El dominio C-terminal también une NHE1 con el citoesqueleto de actina a través de un «organizador» del citoesqueleto llamado ezrina, que es una de una familia de proteínas ezrina-radixina-moesina (ERM) que conectan las proteínas de la membrana y el citoesqueleto y permiten que el intercambiador participe en la señalización proliferativa (Bretscher et al., 2002).
La acidosis intracelular estimula el intercambio Na/H de dos maneras: una respuesta directa al aumento de la concentración de protones y un efecto indirecto que se produce cuando los protones se unen a un «sensor» de pH intracelular que aumenta el recambio del antipuerto. Ambos aumentan la contractilidad porque el aumento del eflujo de protones se acopla a la afluencia de sodio que, al aumentar el sodio intracelular, reduce el eflujo de calcio por el NCX. NHE1 también se activa por un efecto alostérico del ATP y la fosforilación por una proteína quinasa activada por calcio-calmodulina; proteínas quinasas adicionales fosforilan el intercambiador en respuesta a la unión de agonistas a los receptores acoplados a proteínas G y a los receptores tirosina quinasas, y mediante señales mediadas por citoesqueleto. La fosforilación oxidativa alterada acelera la glucólisis anaeróbica en corazones hambrientos de energía; Esto aumenta la producción de lactato y libera protones. El intercambio de estos protones por sodio por el NHE1 aumenta el sodio citosólico, que, al disminuir el flujo de calcio por el NCX, puede iniciar un círculo vicioso en el que el aumento de la sobrecarga de calcio empeora la inanición de energía al aumentar la utilización de energía.
El ciclo del calcio intracelular
Debido a que la concentración de calcio ionizado dentro del retículo sarcoplásmico es varios órdenes de magnitud más alta que en el citosol, la liberación de calcio es un flujo pasivo cuesta abajo, y la absorción de calcio en este sistema de membrana interna requiere el gasto de energía. A diferencia de los flujos de calcio a través del sarcolema, que generan corrientes iónicas (ver arriba), los movimientos de iones de calcio cargados positivamente dentro y fuera del retículo sarcoplásmico no generan corrientes eléctricas. Esto se debe a que estas membranas internas contienen canales aniónicos inespecíficos que permiten que los aniones cloruro y fosfato cargados negativamente acompañen a los iones de calcio (Beil et al., 1977), y canales de cationes intracelulares triméricos (TRIC) que permiten que otros cationes neutralicen los movimientos de carga.
El retículo sarcoplásmico incluye dos regiones: las cisternas subsarcolemales, que contienen los canales de liberación de calcio que controlan el flujo de calcio cuesta abajo que inicia la sístole, y una extensa red sarcotubular que contiene una densa gama de proteínas ATPasa de la bomba de calcio que relajan el corazón. Las cisternas subsarcolemales forman estructuras compuestas con la membrana plasmática y los túbulos T, llamadas díadas, que median la capacidad de la despolarización de la membrana plasmática para iniciar la liberación de calcio del retículo sarcoplásmico. Esto ocurre cuando la entrada de calcio desde el líquido extracelular al citosol a través de los canales de calcio de tipo L en la membrana plasmática y los túbulos T abre canales de liberación de calcio en las cisternas subsarcolemales que activan la contracción al permitir que el calcio fluya desde el retículo sarcoplásmico hacia el citosol. Durante la diástole, este calcio es eliminado del citosol por una bomba de calcio que transporta este catión de vuelta a la red sarcotubular.
Liberación de calcio del retículo sarcoplasmático
Inicialmente se propusieron dos mecanismos diferentes para explicar cómo la despolarización de la membrana plasmática inicia la liberación de calcio del retículo sarcoplásmico (Fig. 12). El primero es un acoplamiento mecánico en el que la despolarización del túbulo t abre un canal de calcio en las cisternas subsarcolemales adyacentes mediante la eliminación de un «tapón» (Fig. 12A). (Este mecanismo se llamó inicialmente el «modelo del ayudante del plomero» porque el tapón se representaba como similar a los dispositivos utilizados para abrir desagües bloqueados). En el segundo mecanismo, una pequeña cantidad de calcio que atraviesa la membrana plasmática desde el líquido extracelular induce la liberación de una cantidad mucho mayor de calcio activador desde el interior del retículo sarcoplásmico (Fig. 12B). Llamado «liberación de calcio desencadenada por el calcio» (Fabiato, 1983), este mecanismo es análogo a un mosquete de chispa, donde la pequeña carga del cebador explota cuando el pedernal golpea la bandeja del cebador, como la entrada de calcio a través de la membrana plasmática, enciende la mayor cantidad de pólvora dentro del cañón del mosquete, que es análoga a la mayor liberación de calcio desde el interior del retículo sarcoplásmico.
En ambos mecanismos representados en la Figura 12, la señal iniciada por la despolarización de la membrana plasmática provoca un cambio conformacional dependiente del voltaje en una proteína relacionada con un canal de calcio de tipo L. En los músculos esqueléticos, el cambio conformacional en la proteína de la membrana plasmática cambia la posición de un péptido intracelular que desconecta el canal intracelular (Fig. 12A). En el corazón, un cambio conformacional similar dependiente del voltaje en una proteína de canal de tipo L diferente permite una pequeña afluencia de calcio «desencadenante» que se une y abre el canal de calcio intracelular (Fig. 12B). Esta capacidad de los diferentes canales de calcio de tipo L para activar la contracción mediante la eliminación de un tapón o el suministro de una pequeña cantidad de calcio desencadenante es uno de los muchos ejemplos de la forma en que las estructuras homólogas pueden utilizar diferentes mecanismos para provocar respuestas similares.
Cuplones y chispas de calcio
Lo que parece ser un simple aumento en el nivel promedio de calcio ionizado dentro de los miocitos activados durante el acoplamiento de excitación-contracción es, de hecho, el promedio de un gran número de aumentos localizados en el calcio citosólico. Estas últimas, llamadas chispas de calcio, aparecen cuando el calcio se libera en pequeñas ráfagas de grupos macromoleculares que incluyen canales de calcio de tipo L, canales de liberación de calcio intracelular y varias proteínas reguladoras. Las ráfagas de liberación de calcio de estos grupos, a menudo llamadas cuplones, causan la aparición de las chispas de calcio.
El cierre de los canales de liberación de calcio después de una chispa de calcio puede verse como paradójico porque se podría esperar que el aumento del calcio citosólico reabra estos canales. Sin embargo, los canales de liberación de calcio son mucho menos sensibles a un aumento del calcio intracelular «global» que al aumento altamente localizado del calcio ionizado dentro del cupón, y la señal de calcio generada por el cuplón es muy breve (esto se evidencia por la corta duración de las chispas de calcio). Juntas, estas características restringen la liberación de calcio a una serie de breves aberturas de cuplones individuales.
Canales de liberación de calcio
Los «pies» densos en electrones que se encuentran entre la membrana plasmática y la membrana de las cisternas subsarcolemales en la díada son los canales de liberación de calcio intracelular que a menudo se denominan receptores de rianodina (RyR) porque se unen a este alcaloide vegetal. Estas grandes proteínas de membrana están formadas por cuatro subunidades, cada una de las cuales incluye varios segmentos de α-hélices que abarcan la membrana y un gran dominio citosólico (Fig. 13). Las α-hélices que atraviesan la membrana de las cuatro subunidades rodean un solo poro central, mientras que cada uno de los cuatro dominios citosólicos que componen el pie contiene un poro ubicado lateralmente; Estos últimos no están conectados al poro central cuando el canal está en su estado cerrado. La unión al calcio «desencadenante» que ingresa al citosol a través de canales de calcio de tipo L provoca un cambio conformacional que alinea los poros en las cuatro subunidades con el poro en el dominio de extensión de membrana (Fig. 14C). Esto abre el canal de liberación de calcio y permite que el calcio fluya fuera del retículo sarcoplásmico.
Los canales de liberación de calcio cardíaco están altamente regulados. Pueden ser fosforilados por varias proteínas quinasas, incluida una quinasa CAM que inhibe la apertura de canales a altas concentraciones de calcio citosólico; Esto ejerce un efecto protector que reduce la liberación de calcio del retículo sarcoplásmico en los miocitos sobrecargados de calcio. La fosforilación de estos canales por la proteína quinasa A participa en la respuesta inotrópica a la estimulación simpática al aumentar la liberación de calcio. Proteínas adicionales regulan la liberación de calcio del retículo sarcoplásmico. Estos incluyen triadina y juncina, que aumentan el flujo de calcio a través del canal; calsecuestrina y proteína rica en histidina, que regulan la apertura del canal de liberación de calcio y se unen al calcio dentro del retículo sarcoplásmico (ver más abajo); la juntofilina, que media las interacciones entre el canal de liberación de calcio y la membrana plasmática, y el TRIC (canal catiónico intracelular trimérico) que media un flujo catiónico opuesto a la corriente generada por el flujo de calcio (Fig. 13). FKBP12 (también llamada calstabin2), que se une a la ciclosporina y otros fármacos inmunosupresores, coordina la activación de las cuatro subunidades de canales, lo que estabiliza y facilita la apertura de los canales de liberación de calcio cardíaco.
Los canales de calcio activados por trifosfato de inositol (receptores InsP3), que son más pequeños y se abren y cierran más lentamente que los canales de liberación de calcio descritos anteriormente, desempeñan un papel importante en la entrega del calcio que activa la contracción del músculo liso. En el corazón, el calcio liberado a través de un pequeño número de canales de calcio activados por InsP3 regula la síntesis de proteínas, el ciclo celular y la apoptosis, y puede modificar la tensión en reposo.
Absorción de calcio por el retículo sarcoplásmico
Debido a que el calcio que activa la contracción en el corazón de los mamíferos adultos se deriva en gran medida del retículo sarcoplásmico, la mayor parte del calcio liberado en el citosol durante la sístole debe bombearse de regreso a este sistema de membrana interna durante la diástole. Esto se efectúa mediante la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico [también llamada bomba de calcio del retículo sarcoplásmico ATPasa o SERCA], una de las bombas de iones de tipo P representadas en la Fig. 3, que se encuentra en matrices densamente empaquetadas dentro de las membranas de la red sarcotubular (Fig. 15). La isoforma cardíaca (SERCA 2a), al igual que la bomba de calcio ATPasa de la membrana plasmática descrita anteriormente, contiene un sitio de transporte de calcio formado por varios segmentos de membrana helicoidal y un gran dominio intracelular con un sitio de fosforilación de ATP y varios sitios reguladores.
El acoplamiento de la hidrólisis de ATP al transporte de calcio por la bomba de calcio (Fig. 16) es similar al acoplamiento de la hidrólisis de ATP al transporte de iones de metales alcalinos por la bomba de sodio (Fig. 10), excepto que la bomba de calcio no intercambia calcio por un contra-ión. En la siguiente discusión, E1 y E2 se refieren a estados no fosforilados de la bomba de calcio que tienen diferentes reactividades a ATP y calcio, mientras que los dos estados fosforilados, E1P y E2-P, son intermedios de alta y baja energía, respectivamente. Los subíndices se refieren a la actividad del calcio en el citosol (Ca2+c) y en el retículo sarcoplásmico (Ca2+s).
La reacción comienza cuando dos iones de calcio de baja actividad dentro del citosol se unen a la bomba que, debido a que está unida al ATP, se encuentra en un estado de alta energía.
E1 • ATP + 2 Ca2+c ↔️ E1 • ATP • 2Ca2+c
En el siguiente paso, la liberación de ADP transfiere energía al complejo para formar E1~P•2Ca2+c en el que el calcio unido, aunque todavía en su baja actividad citosólica, se ocluye y, por lo tanto, no puede intercambiarse con el calcio citosólico (indicado por paréntesis).
E1 • ATP • 2Ca2+c ↔️ E1~P • 2{Ca2+c} + ADP
La actividad del calcio ocluido se eleva entonces al nivel alto dentro del retículo sarcoplásmico (Ca2+s) en una reacción que utiliza energía en E1~P, que vuelve al estado de baja energía en E2-P.
E1~P • 2{Ca2+c} ↔️ E2-P • 2Ca2+s
Luego, el calcio se libera en la región de mayor actividad de calcio dentro del retículo sarcoplásmico
E2-P • 2Ca2+s ↔️ E2-P + 2 Ca2+s
después de lo cual la fosfoenzima E2-P de baja energía se desfosforila para liberar Pi y formar E2.
E2-P ↔️ E2 + Pi
La unión del ATP al E2, mediante la transferencia de energía a la bomba, convierte esta última en el E1 de alta energía.
E2 + ATP ↔️ E1 • ATP
La energía añadida cuando el ATP se une al E2 aumenta la afinidad del sitio de unión al calcio, lo que permite que el complejo E1 • ATP se una a dos iones de calcio en su baja actividad dentro del citosol.
La reacción general de la bomba de calcio ATPasa se puede escribir como:
2 Ca2+c + ATP ↔️ 2 Ca2+s + ADP + Pi
Todos los pasos de la reacción de la ATPasa de la bomba de calcio, al igual que los de la Na-K-ATPasa, son reversibles, por lo que, en condiciones especiales in vitro, se puede hacer que la bomba corra hacia atrás en una reacción que acopla la energía del gradiente de calcio a través del retículo sarcoplásmico a la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. Sin embargo, para que la bomba de calcio funcione a la inversa, los niveles citosólicos de ADP y Pi deben ser altos, los niveles de calcio citosólico y ATP deben ser bajos, y la concentración de calcio dentro del retículo sarcoplásmico debe ser alta. Debido a que estas condiciones no se encuentran normalmente en los miocitos cardíacos, la bomba no puede mediar un flujo neto de calcio fuera del retículo sarcoplásmico en condiciones fisiológicas.
El regulador más importante de la absorción de calcio en el retículo sarcoplásmico es el efecto directo del calcio citosólico que estimula la renovación de la bomba. El calcio citosólico también estimula la absorción de calcio indirectamente mediante la formación de un complejo de calcio-calmodulina que, al activar una quinasa CAM, fosforila un sitio regulador en la bomba. La falta de energía inhibe la absorción de calcio por varias razones. La pérdida del efecto alostérico de la concentración normalmente alta de ATP citosólico en el corazón ralentiza la bomba de calcio, que es una de las razones por las que la falta de energía, al atenuar este efecto regulador, perjudica la relajación en los corazones hambrientos de energía. También es importante la reducción de la energía libre disponible de la hidrólisis de ATP (-ΔG) causada por la disminución de la concentración de ATP que, junto con un mayor aumento en la concentración de ADP, ralentiza la absorción de calcio en el retículo sarcoplásmico (Tian e Ingwall, 1996). En conjunto, estos efectos retrasan la relajación en corazones isquémicos y débiles.
Fosfolambán y sarcolipin
Dos proteínas de membrana estrechamente relacionadas, fosfolambán y sarcolipina, regulan la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico; ambos contienen un solo segmento helicoidal que abarca la membrana y ambos son sustratos para la fosforilación por la proteína quinasa A. El fosfolambán está presente en las aurículas y ventrículos de los corazones de los mamíferos, mientras que la sarcolipina se encuentra principalmente en las aurículas. Las formas defosfogénicas de ambas proteínas disminuyen la sensibilidad al calcio de la bomba de calcio, lo que ralentiza la relajación. La reducción de la absorción de calcio en el retículo sarcoplásmico también disminuye la contractilidad al permitir que una mayor cantidad de este activador sea transportada fuera del citosol al espacio extracelular, lo que reduce las reservas de calcio intracelular. Los efectos inhibidores del fosfolambán se revierten mediante la fosforilación catalizada por la proteína quinasa A (Fig. 17), que acelera la relajación y aumenta la contractilidad; Estas respuestas contribuyen al aumento del gasto cardíaco después de la estimulación simpática. La forma defosofósofa de la sarcolipina también inhibe la relajación y reduce la contractilidad al ralentizar la absorción de calcio en el retículo sarcoplásmico. La fosforilación del fosfolambán por la quinasa calcio-calmodulina estimula la absorción de calcio en el retículo sarcoplásmico, lo que ayuda a proteger el corazón en situaciones de sobrecarga de calcio.
La comparación del efecto estimulador del dominio de unión al calcio-calmodulina de la bomba de calcio de la membrana plasmática (Fig. 5) con el del fosfolambán (Fig. 17) proporciona un ejemplo fascinante de la forma en que las estructuras homólogas en diferentes sistemas pueden generar respuestas similares. Aunque la acción inhibitoria del dominio de unión al calcio-calmodulina de la bomba de calcio de la membrana plasmática se asemeja a la del fosfolambán, en el primero este péptido regulador es parte de la proteína de la bomba, mientras que el fosfolambán es una proteína separada. Las homologías entre estas dos cadenas peptídicas sugieren que un péptido regulador en la bomba de calcio ancestral evolucionó de dos maneras: en la bomba de calcio de la membrana plasmática, permaneció unido a la molécula de la bomba donde responde a una señal activada por el calcio, mientras que la región homóloga SERCA2a se convirtió en una proteína separada que media una señal iniciada por el AMP cíclico.
Proteínas de unión al calcio en el retículo sarcoplasmático
Gran parte del calcio absorbido por el retículo sarcoplásmico está asociado con proteínas de unión al calcio en las cisternas subsarcolemales. Estas proteínas incluyen la calsecuestrrina, cada molécula de la cual contiene entre 18 y 50 sitios de unión al calcio, la proteína de unión al calcio rica en histidina, la sarcalumenina y la calreticulina. Todos ayudan a mantener una baja concentración de calcio ionizado dentro del retículo sarcoplásmico, lo cual es importante porque los altos niveles de calcio intraluminal inhiben la bomba de calcio.
Estas proteínas de unión al calcio también cumplen una serie de funciones reguladoras. La calsequestrina y la proteína de unión al calcio rica en histidina regulan la liberación de calcio, la sarcalumenina regula la actividad de la bomba de calcio y la calreticulina regula el desarrollo cardíaco. Muchos de estos efectos reguladores son modificados por reacciones de fosforilación catalizadas por proteínas quinasas.
Mitocondria
La posibilidad de que la absorción y liberación de calcio mitocondrial participe en el acoplamiento y la relajación de la excitación-contracción cardíaca se ha considerado durante décadas. Un gran gradiente electroquímico para el calcio a través de la membrana mitocondrial permite que el calcio ingrese a estos orgánulos por un flujo pasivo cuesta abajo, y tanto un NCX como un canal relacionado con los canales de liberación de calcio del retículo sarcoplásmico («receptores de rianodina») se encuentran en las mitocondrias. Estos homólogos, que probablemente fueron el resultado de la transferencia de genes entre el genoma mitocondrial y el ADN nuclear de los eucariotas durante la evolución, no significan que las proteínas relacionadas deban llevar a cabo las mismas funciones en diferentes orgánulos celulares.
Se ha sugerido que tanto los canales de liberación de calcio como un uniportador de calcio mitocondrial ayudan a relajar el corazón al mediar la absorción de calcio en las mitocondrias. Sin embargo, no está claro si la afinidad del calcio y el recambio del uniportador son lo suficientemente rápidos como para relajar el corazón, y el papel de los canales de liberación de calcio mitocondrial es controvertido. El NCX, que al igual que su homólogo de membrana plasmática intercambia tres iones de sodio por cada ion de calcio, puede mediar el transporte ascendente de calcio fuera de las mitocondrias, pero no se han observado los aumentos en la concentración de sodio dentro de las mitocondrias necesarios para acelerar este intercambio. Por estas y otras razones, el papel de los flujos de calcio mitocondrial en el acoplamiento y la relajación de la excitación-contracción cardíaca sigue siendo controvertido.
En los miocitos sobrecargados de calcio, la absorción de calcio mitocondrial puede amortiguar los aumentos de calcio citosólico. Sin embargo, la acumulación excesiva de calcio mitocondrial perjudica la fosforilación oxidativa, y en los corazones isquémicos, donde la inanición de energía es grave, la absorción de calcio mitocondrial hace que el fosfato de calcio precipite dentro de las mitocondrias (Shen y Jennings, 1972).
Visión general de los ciclos del calcio extracelular e intracelular
Los ciclos de calcio extracelular e intracelular en el corazón de los mamíferos adultos (Fig. 18) involucran cinco piscinas o compartimentos; el espacio extracelular, el retículo sarcoplásmico, el citosol, las proteínas contráctiles y las mitocondrias (Fig. 18A). Los principales flujos de calcio se muestran en la Figura 18B, donde las flechas hacia arriba representan flujos activos y las flechas hacia abajo flujos pasivos; El grosor de cada flecha es aproximadamente proporcional a la cantidad de flujo de calcio.
En el ciclo del calcio extracelular, la entrada de calcio a través de la membrana plasmática está mediada por canales de calcio de tipo L dependientes de voltaje (flecha A), mientras que el flujo de calcio activo se efectúa mediante la bomba de calcio de la membrana plasmática (PMCA, flecha B1) y el intercambiador de Na/Ca (NCX, flecha B2). El calcio que entra en el citosol desde el espacio extracelular se une directamente a las proteínas contráctiles (flecha A1) y abre canales de liberación de calcio en el retículo sarcoplásmico (flecha A2, liberación de calcio desencadenada por el calcio). El calcio transportado al espacio extracelular por PMCA y NCX después de haberse disociado de la troponina se indica con la flecha D1.
En el ciclo del calcio intracelular, los flujos de calcio desde (flecha C), hacia (flecha D) y dentro (flecha G) del retículo sarcoplásmico son mayores que los del ciclo del calcio extracelular (flechas A, B1 y B2). Las proteínas contráctiles se activan cuando el calcio se une a la troponina C (flecha E), mientras que el corazón se relaja cuando la disminución de la concentración de calcio citosólico hace que el activador se disocie de los sitios de unión de calcio EF-mano de alta afinidad en esta proteína (flecha F). La capacidad limitada de las mitocondrias para amortiguar los niveles altos de calcio citosólico se muestra mediante la doble flecha H.
Implicaciones de la energética de los canales de calcio y las bombas de calcio en el acoplamiento excitación-contracción y la relajación en el corazón
El flujo de iones cuesta abajo a través de un solo canal iónico es mucho más rápido que el transporte activo por una bomba de iones; esto es evidente cuando se compara la velocidad a la que los iones de calcio pasan a través de un canal de liberación de calcio intracelular con la de la absorción de calcio por la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico (Tabla 3). La tasa de flujo descendente, calculada a partir de la conductancia del calcio de los canales de liberación de calcio intracelular (~75 pS; Bers, 1991), es ~10 veces mayor que a través de un canal de calcio tipo L (5 a 9 pS; Tsien y Tsien, 1990). Como este último puede transportar ~75.000 iones de calcio/seg cuando el calcio extracelular es de 1 mM (calculado a partir de los datos proporcionados por Tsien, 1983), el flujo de calcio en el citosol a través de un único canal de liberación de calcio intracelular es de ~750.000 iones/seg, suponiendo que la concentración de calcio dentro del retículo sarcoplásmico también es de 1 mM.
La velocidad de absorción de calcio por cada bomba de calcio del retículo sarcoplásmico, que se ha medido directamente, es de sólo ~30 iones/seg a 37 (Shigekawa et al., 1976). Aunque el número de proteínas de bombeo de calcio densamente empaquetadas en la red sarcotubular (Figura 15) es ~170 veces mayor que el de los canales de liberación de calcio intracelulares en el corazón (Bers, 1991), la tasa máxima de entrega de calcio al citosol a través de los canales de liberación de calcio durante la sístole es ~150 veces más rápida que la tasa máxima de absorción de calcio en el retículo sarcoplásmico durante la diástole (Tabla 3). La diferencia real en el corazón intacto es mucho mayor porque la absorción de calcio en el retículo sarcoplásmico se ralentiza significativamente a medida que disminuye la concentración de calcio citosólico durante la diástole.
Las diferencias entre las tasas de difusión pasiva de calcio en el citosol y el transporte activo de calcio fuera del citosol ilustran el precepto bien establecido de que es más fácil meterse en problemas que salir de ellos. La razón principal por la que es «más fácil» que el corazón se contraiga permitiendo que el calcio se difunda en el citosol que relajarse bombeando calcio fuera del citosol es que el flujo pasivo a lo largo de un gradiente electroquímico es mucho más rápido que el transporte cuesta arriba. Además, los miocitos cardíacos no pueden compensar un aumento en la velocidad a la que el calcio se difunde en el citosol sin un aumento en la concentración de calcio durante la diástole. Los mecanismos reguladores que permiten que el aumento del calcio citosólico estimule la eliminación de calcio del citosol del eflujo del corazón normal descritos en este capítulo pueden compensar el aumento del calcio citosólico en el corazón normal. Sin embargo, un aumento en la concentración de calcio citosólico en corazones isquémicos o débiles, que generalmente están hambrientos de energía, puede afectar la relajación al aumentar la unión del calcio a la troponina.
Al activar la contracción e inhibir la relajación en los corazones enfermos, el aumento del calcio citosólico prepara el escenario para un círculo vicioso en el que la falta de energía aumenta la concentración de calcio citosólico, lo que aumenta el gasto de energía, empeora la inanición de energía, etc. Este círculo vicioso puede conducir a la muerte celular, por lo que la sobrecarga de calcio puede ser una causa importante de la necrosis miocárdica y la fibrosis reactiva que se observan comúnmente en pacientes con enfermedades cardíacas (Katz y Reuter, 1979).
