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Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví El corazón puede ser considerado una bomba electromecánica en la cual, en cada ciclo, la actividad eléctrica propagada inicia la contracción, lo cual es seguido de un período refractario de inexcitabilidad eléctrica y relajación mecánica. Al igual que las células musculares esqueléticas, las células musculares cardíacas conducen potenciales de acción. No obstante, existen cuatro diferencias importantes. 1. La fibra esquelética solamente se activa cuando recibe el estímulo sináptico de la motoneurona que la inerva, mientras que el corazón se activa automáticamente. La inervación autónoma (simpática y parasimpática) modifica la actividad automática pero no la origina. 2. El potencial de acción del músculo esquelético se inicia y concluye en la fibra que fue excitada. Cada fibra muscular está eléctricamente aislada de las demás. Por el contrario, en el miocardio las células están eléctricamente acopladas, de manera que la activación se propaga de unas a otras, constituyendo lo que se llama un sincitio funcional. 3. En el músculo esquelético, la fuerza de la contracción se regula en parte por la frecuencia de activación de cada fibra. Cuando la frecuencia es alta, la contracción es intensa y sostenida: Es el fenómeno de tetanización. En el músculo cardíaco normal, por el contrario, las contracciones son discretas. Nunca se suman, porque no puede tetanizarse. 4. Además de la frecuencia, en el músculo esquelético la fuerza se regula según el número de unidades motoras activadas. Esto no ocurre en el corazón, ya que en cada contracción se activan todas las fibras. En este sentido, la contracción cardíaca es todo o nada. La fuerza de contracción debe regularse (esencialmente para todas las fibras) por otros mecanismos diferentes del reclutamiento. En cada ciclo de contracción y relajación cardíacas, los fenómenos eléctricos propagados preceden a los fenómenos mecánicos. La actividad eléctrica del corazón inicia la contracción mediante un proceso denominado acoplamiento excitocontráctil. Por esta razón, la activación eléctrica del corazón debe seguir una secuencia precisa, capaz de desencadenar una actividad mecánica coordinada y eficiente. RESEÑA ANATÓMICA DEL CORAZÓN El corazón o miocardio es un órgano muscular hueco cuya función es bombear la sangre o, expresado de otro modo, proporcionar energía mecánica a la sangre para que circule. El corazón es un órgano torácico que se encuentra sobre el diafragma, en la parte inferior del mediastino. En el adulto tiene una masa promedio de 300 g y un tamaño comparable al de un puño. Aproximadamente un tercio del corazón queda a la derecha del plano central anteroposterior, y los otros dos tercios hacia la izquierda. El corazón consta de cuatro cámaras llamadas aurículas y ventrículos. La auricula derecha recibe sangre venosa de las venas cavas superior e inferior y la conduce al ventrículo derecho. Este último expulsa la sangre hacia la arteria pulmonar. La sangre procedente de la circulación pulmonar drena por cuatro venas pulmonares a la aurícula izquierda. La sangre es transferida de la aurícula izquierda al ventrículo izquierdo, que bombea la sangre por la aorta hacia a la circulación sistémica (Fig. 1). Desde el punto de vista Posgrado-00 Sello Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 2 hemodinámico, las cavidades derechas están en serie con las izquierdas, y separadas de ellas por un tabique (septum) auricular y un septum ventricular. Las paredes de las aurículas son más delgadas que las de los ventrículos, y la pared del ventrículo derecho es (luego del nacimiento) más delgada que la del ventrículo izquierdo. Las diferencias en espesor se relacionan con los regímenes de presiones propios de cada cámara. El flujo en un solo sentido – el indicado recién – es asegurado por la existencia de válvulas, que están ancladas en un anillo fibroso situado entre las aurículas y los ventrículos (Fig. 2). Las válvulas son estructuras pasivas, cuya apertura y cierre obedece exclusivamente a la diferencia de presión entre las cámaras que separan. Las válvulas auriculoventriculares son la tricúspide con tres hojas o valvas que está interpuesta entre la aurícula y el ventrículo derechos, y la válvula mitral (dos valvas) entre la aurícula y el ventrículo izquierdos. Estas válvulas están unidas por bandas de tejido conectivo llamadas cuerdas tendinosas a los músculos papilares del interior de los ventrículos. El conjunto de cuerdas tendinosas y músculos papilares se denomina aparato subvalvular y su función es impedir que las hojas de la válvula se prolapsen cuando el ventrículo se contrae.Las válvulas semilunares o sigmoideas tienen tres valvas cada una. Separan el ventrículo derecho de la arteria pulmonar y el ventrículo izquierdo de la arteria aorta. El corazón es irrigado por las arterias coronarias y recibe inervación simpática y parasimpática, que se tratan en CIRCULACIÓN CORONARIA. El interior del corazón está tapizado por un endotelio especializado llamado endocardio, que se continúa con el endotelio de los grandes vasos. El corazón está contenido en un saco fibroseroso llamado pericardio, que posee una lámina fibrosa y dos láminas serosas llamadas pericardio parietal (externa) y visceral, adherida al miocardio. El pericardio está firmemente adherido al diafragma por debajo, y por encima se continúa con la adventicia de los grandes vasos que ingresan al corazón y salen de él. El pericardio limita el desplazamiento cardíaco durante la sístole y evita la dilatación de las cavidades cardíacas frente a un aumento excesivo y abrupto de la presión de llenado. El corazón recibe inervación autónoma (eferente) de fibras postganglionares que forman el llamado plexo cardíaco. Las fibras simpáticas se distribuyen por todo el corazón, con mayor densidad en los nodos y los ventrículos. La estimulación simpática aumenta la frecuencia cardíaca, la excitabilidad, la velocidad de propagación de los impulsos y la fuerza de contracción del corazón, al tiempo que acorta la duración del potencial de acción y de la contracción ventricular (dicho acortamiento es necesario cuando aumenta la frecuencia y por tanto se reduce la duración del ciclo de sístole y diástole). La inervación parasimpática, proporcionada por los nervios vagos (par X) es más limitada. Es muy escasa en los ventrículos, más abundante en las aurículas y particularmente densa en el tejido nodal. El vago derecho inerva predominantemente el nodo sinoauricular, y el izquierdo el nodo aurículoventricular, aunque existe cierta superposición. La estimulación vagal reduce la frecuencia cardíaca, la velocidad de conducción (en especial en el nodo aurículoventricular) y la excitabilidad, pero tiene escaso efecto directo sobre la contractilidad ventricular. Por los nervios simpáticos y parasimpáticos viajan también abundantes fibras aferentes de mecano- y quimiorreceptores que median diversos reflejos autonómicos, además de aferentes nociceptivos que causan dolor cardíaco en caso de isquemia. CARDIOMIOCITOS El corazón está compuesto principalmente por fibras musculares estriadas llamadas cardiomiocitos. Los cardiomiocitos humanos son células generalmente mononucleadas alargadas, con frecuencia bifurcadas, con un diámetro promedio de 10 μm y una longitud de 100 μm, que se unen extremo con extremo mediante discos intercalares (Fig. 3). Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 3 En estos discos existen tres estructuras especializadas: fasciae adhaerens o zonula adhaerens, macula adhaerens (desmosomas) y uniones comunicantes o nexos. Las fasciae adherens son los sitios a los cuales se fijan los filamentos de actina que forman el aparato contráctil. Los desmosomas son estructuras que mantienen adheridas los cardiomiocitos durante la contracción muscular y permiten sumar la fuerza y el acortamiento de numerososcardiomiocitos dispuestos en serie. Los nexos son poros de baja resistencia eléctrica que unen el citoplasma de células adyacentes y permiten la propagación de los impulsos eléctricos (potenciales de acción) que inician la contracción cardíaca. Las estriaciones de los cardiomiocitos se deben a la disposición regular de los filamentos contráctiles, que determina un patrón de bandas y líneas que se describe con mayor detalle en MECÁNICA DE LAS CÉLULAS CARDÍACAS. La unidad contráctil o sarcómera se extiende entre dos líneas Z. La membrana plasmática del músculo o sarcolema es eléctricamente excitable. El sarcolema posee pequeñas invaginaciones (diámetro medio 80 nm) llamadas cavéolas. Su membrana tiene alta concentración de colesterol y esfingolípidos y poseen proteínas específicas llamadas caveolinas (en el músculo caveolina 3). En las cavéolas se localizan preferencialmente diversas receptores (por ejemplo, adrenérgicos β2) y moléculas importantes en el transporte transmembrana como la Na,K- ATPasa, el intercambiador Na+/Ca2+, canales de Na+, K+ y Ca2+. Por esta razón se considera que las cavéolas pueden tener un papel destacado en la regulación de la función de los cardiomiocitos. A nivel de las líneas Z, los miocitos ventriculares presentan invaginaciones ciegas llamadas túbulos T que están en estrecha proximidad con las cisternas del retículo endoplásmico (sarcoplásmico). Los túbulos T tienen un diámetro de 200 a 300 nm y se disponen de manera principalmente radial en torno de las líneas Z, a una distancia de 1.2 μm entre sí. En conjunto, la estructura formada por un túbulo T y una cisterna del retículo endoplásmico se llama díada y tiene un papel importante en el acoplamiento entre la excitación eléctrica y la activación del aparato contráctil. Las células nodales, los miocitos auriculares y las fibras de Purkinje carecen de túbulos T. AUTOMATISMO Y ACTIVACIÓN ELÉCTRICA DEL MIOCARDIO El corazón se contrae aproximadamente 120 000 veces por día, y en ese intervalo cada ventrículo bombea 7 200 litros de sangre (1 440 veces la volemia). El latido cardíaco persiste tras la desnervación del miocardio, lo que demuestra que el corazón posee automatismo – la propiedad de generar por sí mismo su actividad eléctrica con una secuencia fija. Esta secuencia asegura que en cada ciclo las aurículas se contraigan antes que los ventrículos (Fig. 4). La activación eléctrica del corazón es iniciada normalmente en células especializadas del nódulo sinoauricular (NSA), ubicado en el subepicardio de la aurícula derecha, próximo a la desembocadura de las venas cavas. El NSA consta de células pequeñas y fusiformes que prácticamente carecen de filamentos contráctiles pero que expresan neutrotrofina (algunos han postulado que tienen origen nervioso). El NSA posee pequeñas células fusiformes o aracniformes, rodeadas de gran cantidad de matriz conectiva. Las células de su centro son las que generan normalmente el ritmo cardíaco, aunque las células circundantes pueden generar potenciales de acción espontáneamente si las células centrales fallan. Desde el NSA la onda de activación se propaga lentamente (3 a 5 cm/s) a las aurículas. Se ha descrito unas vías especializadas de conducción preferencial en las aurículas, pero su papel no es claro, pues la onda de despolarización se puede propagar normalmente por los cardiomiocitos auriculares ordinarios a una velocidad de 30 a 40 cm/s. Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 4 Desde las aurículas el impulso pasa al nódulo aurículoventricular (NAV) que se encuentra en el subendocardio de la aurícula derecha, en una región delimitada por el borde de la válvula tricúspide, el seno coronario y el tabique interauricular. Posee tres regiones: una de transición aurículo- nodal (AN), una nodal (N) o compacta, y otra de transición entre ésta y el haz de His (AH). La conducción en el NAV es lenta (10 cm/s), lo cual resulta en una demora entre la contracción auricular y la contracción ventricular. Esto permite que las aurículas se contraigan y envíen un volumen adicional de sangre a los ventrículos antes de que estos empiecen a contraerse y se cierren las válvulas auriculoventriculares. Del NAV el impulso se propaga al sistema de conducción ventricular, formado por el haz de His y sus ramas derecha e izquierda; esta última posee una rama anterior y otra posterior. El haz de His y sus ramas están constituidos por fibras de Purkinje, con escasa o nula actividad contráctil y especializada en la conducción con velocidad relativamente alta (2 a 3 m/s). El sistema de conducción ventricular permite la activación casi sincrónica de las fibras musculares de los ventrículos, desde el apex hacia la base. Jerarquía de marcapasos. El NSA marca el ritmo del corazón porque es el que normalmente genera impulsos propagados con mayor frecuencia espontánea (60 a 90/min en reposo y hasta 200/min en el ejercicio). No obstante, si el NSA dejara de funcionar, el comando podría ser tomado por el NAV, que puede generar espontáneamente impulsos con una frecuencia de 40 a 60 latidos/min. Si ninguno de los nodos puede generar impulsos, o si existe un bloqueo completo de la conducción entre aurículas y ventrículos, el sistema de conducción ventricular puede mantener la actividad rítmica con una frecuencia de 20 a 40 latidos/min. Obviamente, las frecuencias muy bajas pueden tener repercusión hemodinámica (hipotensión arterial y síncope). En condiciones anormales, otras células que no pertenecen a los nodos ni al sistema de conducción pueden iniciar impulsos con alta frecuencia, originando taquicardias supravetriculares o ventriculares, según la localización del foco ectópico. Potenciales de acción cardíacos A diferencia del MÚSCULO LISO VASCULAR, en el corazón no hay acoplamiento de tipo farmacomecánico, sino exclusivamente electromecánico. En consecuencia las propiedades eléctricas pasivas y activas de la membrana de las células cardíacas y las conexiones entre células determinan el origen y la propagación de las señales que posibilitan la función mecánica de bombeo. EL POTENCIAL DE REPOSO Las bases iónicas del potencial de reposo de las células cardíacas son similares a las ya estudiadas a propósito de las fibras nerviosas, por lo cual conviene repasar TRANSPORTE TRANSMEMBRANA Y POTENCIAL DE REPOSO y MODELO ELÉCTRICO DE LA MEMBRANA Y FENÓMENOS ELECTROTÓNICOS. Brevemente, el potencial de reposo es de tipo difusional, debido a la distribución asimétrica de los iones a través de la membrana, que es mantenida en el tiempo por la Na., K-ATPasa. El potencial de reposo es próximo al potencial de equilibrio electroquímico del K+ ya que en esa condición la conductancia para este ión es muy superior a la conductancia al Na+. POTENCIALES DE ACCIÓN Según la velocidad de despolarización, los potenciales de acción miocárdicos pueden clasificarse como rápidos y lentos. Son rápidos los potenciales de acción de las fibras auriculares, las fibras ventriculares y del sistema de conducción ventricular formado por las fibras de Purkinje. Las fibras de respuesta rápida poseen un potencial de reposo próximo a – 90 mV (. En los potenciales de acción de los cardiomiocitos ventrículares, que se toman como modelo, se distinguen cinco fases numeradas de 0 a 4 (Fig. 5): Fase 0 de despolarización rápida inicial, que invierte la polaridad de la membrana. Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 5 Fase 1 de repolarización parcial rápida. Fase 2 de meseta, durante la cual el potencial transmembrana permanece despolarizado cerca de 0 mV. Fase 3 de repolarización completa. Fase 4 permanencia en el valor de reposo hasta el siguiente ciclo. El potencial de acción ventricular tiene una duración mucho mayor que el del nervio o el músculo esquelético, típicamente entre 300 y 400 ms. Los cardiomiocitos auriculares generan potenciales de acción más semejantesa los ventriculares, con la diferencia de que carecen de una meseta definida. Las fibras de Purkinje tienen potenciales de acción similares a los ventriculares, aunque con mayor velocidad de propagación. La respuesta característica de las fibras de los nódulos sinusal y aurículo-ventricular parte de un potencial menos negativo (–50 a – 60 mV) y su potencial de acción posee menor amplitud. Consta de una fase 0 de despolarización lenta y una fase 3 de repolarización, y carece de fase 1 y fase 2 netas. Adicionalmente, la fase 4 no es estable, sino que durante ella se produce una despolarización paulatina y progresiva antes del siguiente potencial de acción (Fig. 6). Esto les proporciona automatismo, es decir la capacidad de generar potenciales de acción en ausencia de estímulos externos. Las velocidades de despolarización de los miocitos se correlacionan con sus respectivas velocidades de conducción. Estas últimas se indican en la Tabla 1. Tabla 1: Propiedades eléctricas de las células cardíacas; se incluyen las de la fibra muscular esquelética para comparación (Sperelakis N, Handb Physiol 2 (1): 190, 1987). Variable Ventricular Auricular NSA NAV Purkinje Esquelética Pot. de reposo (mV) - 80 a - 90 - 80 a - 90 -50 a - 60 -60 a -70 -90 a -95 -90 Potencial de acción Amplitud (mV) 110 a 120 110 a 120 60 a 70 70 a 80 120 120 a 130 Inv. polaridad (mV) 30 30 0 a 10 5 a 15 30 30 a 40 Duración (ms) 200 a 300 100 a 200 100 a 300 100 a 300 300 a 500 2 a 4 Tasa máx. despol.(V/s) 100 a 200 100 a 200 1 a 10 5 a 15 500 a 700 500 a 700 Veloc. Propagac.(m/s) 0.3 a 0.4 0.3 a 0.4 < 0.05 0.1 2 a 3 3 a 5 Diámetro (μm) 10 a 16 10 a 15 5 a 10 5 a 10 100 40 a 100 Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 6 PERÍODOS REFRACTARIOS Al igual que ocurre en el nervio y el músculo esquelético, la excitación y el desarrollo de un potencial de acción miocárdico se acompaña de un período refractario, durante el cual la fibra se vuelve eléctricamente inexcitable (Fig. 7). El período refractario absoluto corresponde al tiempo durante el cual casi todos los canales de Na+ están inactivados y no es posible obtener ninguna respuesta. Debido a la duración del potencial de acción ventricular, dicho período dura cientos de ms. El período refractario absoluto es seguido de un período refractario relativo, cuando la fibra se ha repolarizado lo suficiente para que una fracción importante de los canales de Na+ se hayan recuperado de la inactivación. Se denomina período refractario efectivo al intervalo durante el cual no es posible obtener una respuesta propagada. Su duración es apenas mayor que la del período refractario absoluto, al punto que a veces “absoluto” y “efectivo” se emplean como sinónimos, aunque estrictamente no son lo mismo. En condiciones anormales (Por ej., isquemia, trastornos electrolíticos, sobrecarga de Ca2+ intracelular) hacia el final del potencial de acción puede aparecer un período de supernormalidad durante el cual pueden producirse postdespolarizaciones, que son en realidad potenciales de acción anómalos que pueden iniciar arritmias. La gran duración del período refractario del músculo cardíaco explica por qué no es posible producir una contracción tetánica. En el músculo esquelético el potencial de acción y el período refractario son breves, mientras que una contracción simple dura varios cientos de ms (Fig. 7, recuadro). Por tanto, pueden producirse muchos potenciales de acción en ese tiempo, y sus efectos mecánicos pueden sumarse. En el ventrículo el período refractario dura prácticamente lo mismo que la contracción, lo que impide la sumación efectos mecánicos (Fig. 7). BASES IÓNICAS DE LOS POTENCIALES DE ACCIÓN La siguiente descripción se aplica primariamente al potencial de acción “típico” ventricular (Fig. 8). Posteriormente se explicarán las diferencias con otros potenciales de acción, como los nodales y auriculares. La fase 0 de despolarización obedece a un aumento rápido de la conductancia al Na+ que permite el ingreso de este ión a favor de su gradiente electroquímico. Esto lleva el potencial transmembrana hasta valores positivos, lo que representa una inversión de la polaridad normal. Sin embargo, la inversión es breve y es seguido por la repolarización parcial correspondiente a la fase 1, por dos razones. Primero, el aumento de conductancia al Na+ es transitorio y desaparece espontáneamente por causas que luego se verán. Segundo, hay un aumento transitorio de la conductancia al K+ que permite su salida a favor de su gradiente electroquímico y tiende a repolarizar la membrana. Nótese que la magnitud de esta breve corriente de Na+ es mucho mayor que la de las corrientes de Ca2+ y K+ (ver las escalas en las ordenadas de la Fig. 8). A pesar de la disminución de GNa y el aumento de GK el potencial transmembrana no vuelve al valor de reposo por un aumento lento pero sostenido de la conductancia al Ca2+ (GCa), ión cuyo potencial de equilibrio es de aproximadamente + 110 mV. El ingreso de Ca2+ equilibra aproximadamente, desde el punto de vista eléctrico, la salida simultánea de K+. Como resultado, el potencial transmembrana se mantiene próximo a 0 mV durante cientos de ms (fase 2 ó meseta). La fase 3 de repolarización final obedece, como las fases 1 y 2, a dos fenómenos concomitantes. Por una parte hay una declinación de GCa y con ella de la corriente de entrada de Ca2+. Además, GK aumenta adicionalmente en forma transitoria, lo cual acelera la repolarización. Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 7 Un hecho destacable es que, salvo en las células nodales, el mecanismo de la despolarización es normalmente simple y uniforme. En las aurículas, fibras de Purkinje y músculo ventricular, consiste en la activación de canales de Na+ sensibles al potencial transmembrana. Por el contrario, en la repolarización participan de manera variable canales de Ca2+ y varias clases de canales de K+ (descritos luego) que producen respectivamente corrientes de entrada y de salida. La participación de diversos canales y múltiples corrientes posibilita un control muy preciso de la duración del potencial de acción, que permite que se adapte a la frecuencia cardíaca. Lamentablemente, esta complejidad de la repolarización torna a esta fase del potencial de acción particularmente vulnerable a trastornos electrolíticos, defectos en la función de uno o más canales y muchos fármacos. CANALES IÓNICOS CARDÍACOS La mayoría de los canales iónicos poseen una clara selectividad por una determinada especie iónica como Na+, K+ ó Ca2+. Por esta razón se clasifican como canales de sodio, de potasio o de calcio, etc. Una excepción importante en el corazón son los canales HCN, responsables de la generación de la corriente de marcapaso (ver más abajo), que tienen selectividad similar por iones Na+ y K+. La apertura y el cierre de los canales son procesos probabilísticos. Para un potencial transmembrana dado, un canal tiene determinada probabilidad de apertura (Po). La Po es el tiempo que un canal permanece abierto por unidad de tiempo. Un valor de cero significa que está siempre cerrado, y un valor de 1 que está siempre abierto. Para un ión “x” el producto del número de canales Nx por la Po de cada canal y la corriente ix corresponde a la corriente total o “macroscópica” generada por dicho ión: xoxxx iPNI ..= Algunos canales, particularmente de K+ muestran diferente conductancia para el pasaje de iones en un sentido que en el sentido opuesto. Estos canales se denominan rectificadores por analogía con elementos eléctricos, como los diodos, que dejan pasar corriente más fácilmente en un sentido que en el sentido opuesto. Se dice que un canal rectifica “hacia fuera” cuando su conductancia es mayor para una corriente de salida, y “hacia dentro” No todos los canales poseen mecanismos de apertura y cierre. En particular, los canales deK+ responsables de mantener el potencial de reposo carecen de dichas funciones. Por el contrario, otros canales de K+, así como los canales de Na+ y Ca2+ del nervio y músculo (cardíaco, esquelético y liso) presentan fenómenos de activación e inactivación que determinan diferentes estados funcionales. En general, tanto la activación como la inactivación se deben a cambios en la estructura tridimensional del canal debido a cambios en el potencial transmembrana, a la unión química del canal con moléculas reguladoras, o a ambas cosas. La mayoría de los canales de interés en el miocardio son operados por potencial: Las variaciones en el potencial transmembrana provocan las transiciones entre los diferentes estados funcionales del canal. Desde el punto de vista probabilístico antes mencionado, la despolarización causa generalmente un aumento de la Po del canal (seguido de una disminución de Po o no, según el tipo de canal). El grado de despolarización necesario para aumentar Po varía para cada clase de canal operado por potencial. Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 8 Otros canales son regulados por ligandos, y su conductancia iónica se modifica cuando el canal establece un enlace químico con, por ejemplo, Ca2+ o ATP. Además, los mediadores químicos pueden modificar el comportamiento de canales regulados primariamente por potencial. Los canales iónicos que se describirán más abajo se denominan (con excepción de los canales HCN) con el nombre del ión al cual son selectivos y un sufijo que indica si son controlados primariamente por potencial (por ejemplo, Nav) o por ligando (por ejemplo, KATP). A pesar de su enorme variedad, los canales iónicos poseen estructuras que pueden agruparse en cuatro clases: canales con cuatro dominios de seis subunidades cada uno, canales tetraméricos con seis dominios y un poro, canales tetraméricos con un solo poro y canales tetraméricos con doble poro. Los canales de Na+ y Ca2+ operados por potencial pertenecen a la primera clase, mientras que existen canales de K+ de las cuatro clases. El funcionamiento normal de los canales iónicos cardíacos requiere su interacción con proteínas del citoesqueleto, proteínas integrales de membrana e incluso con el colágeno extracelular. Los canales iónicos no se encuentran flotando en la bicapa lipídica de la membrana, sino anclados por medio de complejas interacciones moleculares. Otras moléculas de transporte, como la Na,K-ATPasa y el intercambiador 3 Na+/Ca2+ también se vinculan con el citoesqueleto y la matriz extracelular. CANALES DE SODIO Los canales de Na+ operados por cambios en el potencial transmembrana se denominan convencionalmente Nav. En el corazón son muy importantes en la fase 0 del potencial de acción en las aurículas, las fibras de Purkinje y los ventrículos. Las propiedades de estos canales se describieron a propósito de los axones, de modo que solamente se resumirán aquí (ver EXCITABILIDAD Y PROPAGACIÓN). Los Nav están formados por un heterodímero con dos subunidades llamadas α y β. La subunidad α es la que forma el poro, posee los sensores de potencial y las compuertas de activación en inactivación. Según 9 subtipos de unidades α se los clasifica en Nav1.1 a Nav1.9. En el corazón se expresa principalmente el subtipo Nav1.5, resistente al bloqueo con tetrodotoxina, en los discos intercalares, donde contribuye a la propagación intercelular del potencial de acción. Por su parte, las subunidades Nav1.1, Nav1.3 y Nav1.6 (sensibles a la tetrodotoxina) se expresan preferencialmente en las líneas Z y los túbulos T y participan en el acoplamiento excitocontráctil. La estructura de todas las subunidades α es similar. Los extremos amino- y carboxiterminales son intracelulares. Entre ellos existen cuatro dominios transmembrana (I a IV) cada uno de los cuales posee seis segmentos (S1 a S6) que son hélices alfa que atraviesan la membrana y están conectadas por asas intra y extracelulares (véase EXCITABILIDAD Y PROPAGACIÓN). Excepto las células marcapaso que inician sus propios potenciales de acción, la despolarización de los cardiomiocitos ocurre normalmente debido al flujo de corriente que proviene de otras células ya activadas. La despolarización inicia el proceso de activación y el de inactivación rápida (Fig. 9). El desplazamiento hacia fuera de los segmentos S4 durante la activación produce una breve corriente de salida, llamada corriente de compuerta, que se produce justo antes de la gran corriente de entrada de Na+ permitida por la apertura de los canales. Nótese que la magnitud de INa es mucho mayor que las demás corrientes iónicas, lo cual permite la rápida despolarización. La activación se produce primero y el canal permanece abierto durante un breve lapso, antes de que se cierre la compuerta de inactivación. Cuando ocurre esto último, el canal queda inactivado y no retorna a la condición inicial hasta que no se produce la repolarización, de manera que los canales de Na+ no pueden volver a activarse durante la meseta del potencial de acción. No obstante, una pequeña proporción de los canales de Na+ cardíacos pueden inactivarse sin haberse activado antes (estado de inactivación cerrada). Por Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 9 otra parte, una proporción pequeña pero significativa (1 %) de los canales de Na+ no sufre inactivación y su apertura persistente contribuye a mantener relativamente estable la despolarización durante la meseta. Cuando la despolarización se prolonga durante decenas o cientos de ms, como en el corazón, existen cambios adicionales que causan la inactivación lenta de canales de Na+. El estado de inactivación lenta es menos comprendido que el de inactivación rápida, pero al parecer involucra cambios en los segmentos extracelulares que conectan S5 y S6 formando el poro selectivo. CANALES DE CALCIO Los canales de Ca2+ regulados por potencial (Cav) permiten el ingreso de este ión, que además de modificar el potencial transmembrana es indispensable para la contracción muscular y regula diversas vías de señalización intracelular a través de enzimas reguladas por Ca2+ y cambios en la expresión génica. Existen tres familias de canales de Ca2+, de las cuales dos (Cav1 y Cav3) están presentes en las células cardíacas. Estos canales son codificados por genes ubicados en diferentes cromosomas (Tabla 2). En la Fig. 10 se muestra una reconstrucción tridimensional de un Cav obtenida por criomicroscopía electrónica. Los principales Cav cardíacos son del tipo Cav1.2 y pertenecen al llamado tipo L. Generalmente requieren una fuerte despolarización para activarse, permanecen abiertos por tiempo prolongado, y son bloqueados por antagonistas específicos como el verapamilo, el diltiazem y dihidropiridinas como la nifedipina (de hecho, los canales L se denominaron “receptores de dihidropiridinas”),. Los Cav1.3 son similares, excepto que se activan con potenciales más negativos. Se expresan en miocitos nodales y auriculares. En el corazón también hay Cav3.1 y Cav3.2 que pertenecen al tipo T. Son activados por pequeñas despolarizaciones, su apertura es breve y carecen de antagonistas (bloqueantes) específicos. No obstante, el mibefradil y la efonidipina (una dihidropiridina) bloquean tanto canales tipo L como tipo T. Los canales de tipo T contribuyen al ingreso de Ca2+ durante la parte inicial del potencial de acción ventricular y participan en la generación de potenciales marcapasos. Tabla 2: Subunidades α1 de los canales de calcio Subtipo Tipo Locus Tamaño Conductancia Vactivación Vinactivación Cav1.2(α1C) L 12p11.3 2169 aa 9 pS - 17 mV - 50 mV Cav1.3 (α1D) L 3p14.3 2161 aa Desconocida - 37 mV - 40 mV Cav3.1 (α1G) T 17q22 2377 aa 7.5 pS - 46 mV - 73 mV Cav3.2 (α1H) T 16p11.3 2353 aa 9 pS - 46 mV - 72 mV Estructura de los canales de calcio. Los Cav de tipo L están formados por cinco subunidades llamadas α1, α2, β, γ y δ (Fig.11). Los canales Cav de tipo T parecen estar formados solamente por subunidades α1. Las subunidades α1 tienen una masa de 200 a 250 kDa y una estructura muy similar a las subunidades α de los canales Nav. En efecto, como estos últimos, poseen cuatro dominios, cada uno con seis segmentos transmembrana, y sus extremos amino- y carboxiterminal se encuentran del lado citoplásmico. Las subunidades α1 forman un poro de 0.6 nm de diámetro, ligan la mayoría de los fármacos y toxinas que modifican la función del canal y son las responsables por la selectividad para Ca2+. Esta selectividad se debe principalmente a residuos claves de glutamato. Dada la similitud con las subunidades α de los Nav, no es sorprendente que el reemplazo de solamente tres aminoácidos en las asas que conectan los segmentos transmembrana S5 y S6 modifiquen la selectividad del canal. Si bien otras subunidades modulan la actividad de los Cav, las diferencias funcionales entre los subtipos de Cav están determinadas principalmente por la diversidad de subunidades α1. Existen cuatro tipos de subunidades β, numeradas de 1 a 4. Todas excepto β4 se expresan en el corazón, y existen variantes debidas a diferencias de empalme (ayuste) o modificación postranslacional. Las subunidades β tienen 33 a 36 kDa, son intracelulares, y se ligan con alta afinidad al asa que vincula los dominios I y II de la subunidad α1. Las subunidades β son cruciales para dirigir las subunidades α1 al Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 10 sarcolema. Además, desplazan los potenciales de activación e inactivación del canal a valores más negativos y aumentan la probabilidad de apertura de los canales. Hay cuatro tipos de subunidades α2 y δ. Cada una es codificada por un mismo gen y es escindida post-translacionalmente en dos péptidos. La subunidad δ tiene el extremo carboxilo intracelular, un único segmento transmembrana y el extremo amino extracelular, acoplado por dos puentes disulfuros al extremo carboxiterminal de la subunidad α2, que se ubica extracelularmente. Se desconoce su función precisa, aunque al parecer aumentan la corriente en los Cav tipo T. La subunidad γ fue descubierta inicialmente en Cav del músculo esquelético, pero desde entonces se ha identificado ocho genes que codifican otras tantas subunidades γ. La subunidad γ es un péptido con sus extremos amino- y carboxiterminal en el citoplasma y cuatro segmentos que atraviesa la membrana. Su función en el corazón es hasta el momento desconocida, aunque es capaz de modificar la cinética de inactivación de los Cav. Selectividad de los canales de calcio. Los canales Cav pueden conducir Na+ cuando no hay Ca2+ en el medio extracelular. La exclusión normal del Na+ no se debe a una propiedad intrínseca del filtro de selectividad. Cuando hay Ca2+ en el medio, el filtro está ocupado por un ión Ca2+, unido a cuatro residuos de glutamato con carga negativa. El Ca2+ puede ser desplazado del filtro por la repulsión electrostática generada por otro ión Ca2+. La repetición de este proceso permite que los iones Ca2+ ingresen en rápida sucesión cuando el canal está abierto. Por el contrario, la repulsión electrostática generada por el ión Na+ (monovalente) no basta para desplazar al Ca2+ del filtro, y normalmente impide que el Na+ lo atraviese. Activación e inactivación de los canales de calcio. La activación de los canales de Ca2+ se produce por la despolarización de la membrana y probablemente involucra un mecanismo similar al ya descrito para los canales Nav: Los segmentos transmembrana cargados positivamente se desplazan con el cambio del campo eléctrico y permiten la apertura del poro. Por otra parte, la inactivación de los Cav es considerablemente más compleja que la de los Nav por dos razones. Primero, porque además de la inactivación iniciada por la propia despolarización, existe una inactivación dependiente de Ca2+, de modo que el ión regula su propia conductancia. Segundo, porque varios componentes del canal participan en el proceso de inactivación causada por potencial. Se sabe poco de la inactivación de los canales tipo T. Lo que sigue se refiere a los canales de tipo L, que por otra parte son los más abundantes en el miocardio. A diferencia de lo que ocurre en los canales Nav, la inactivación por despolarización de los canales Cav no se debe al asa citoplásmica ubicada entre los dominios III y IV. En los canales Cav l la compuerta de inactivación está formada por el asa entre los dominios I y II. La despolarización induce un desplazamiento del asa hacia el poro. Los segmentos S6 de los dominios transmembrana pueden participar en posicionar el asa de modo que obstruya el poro. Además del asa citoplásmica mencionada, es probable que participen en la inactivación tanto los extremos amino- como carboxiterminal del Cav, pues la modificación de cualquiera de ellos modifica la cinética de la inactivación dependiente de potencial. La subunidad β, firmemente ligada al asa entre los dominios I y II, tiende a enlentecer la inactivación (Fig. 11, parte superior). La inactivación dependiente de potencial es demasiado lenta para explicar el ciclo normal de activación e inactivación de los Cav. El propio Ca2+ que ingresa por los canales y el Ca2+ que se libera desde Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 11 el retículo sarcoplásmico (ver MECÁNICA DE LAS CÉLULAS CARDÍACAS) aceleran notablemente la inactivación. En cambio el Ba2+, que es fácilmente conducido por los canales de Ca2+, prácticamente carece de este efecto. La inactivación dependiente de Ca2+ se describió hace dos décadas, pero su mecanismo se desconocía. Ahora se sabe que es mediada por la proteína ligadora de Ca2+ calmodulina. En ausencia de Ca2+ la calmodulina se liga con gran afinidad a un sector del extremo carboxiterminal de la subunidad α1 de los Cav y en esta posición funciona como un sensor de la concentración intracelular de Ca2+ en la inmediata vecindad de cada canal. La calmodulina ligada al extremo carboxiterminal es un inhibidor de la inactivación, porque facilita la unión de dicho extremo con el asa intracelular entre los dominios I y II (ver más arriba). Cuando el canal se abre e ingresa Ca2+, la calmodulina se liga al ión y se disocia del extremo carboxiterminal, lo cual favorece la inactivación, porque libera el asa entre los dominios I y II que sirve como compuerta de inactivación. La inactivación dependiente de Ca2+ de los canales Cav tiene un papel fisiológico fundamental en limitar la duración del potencial de acción normal. En cambio, el dúo Ca2+/calmodulina inhibe la inactivación de ciertos canales de K+ que tienen un papel destacado en la repolarización (fase 3 del potencial de acción; véase más abajo).1 Regulación de los canales de calcio por fosforilación. Las propiedades funcionales de los Cav tipo L son modificadas por la fosforilación de ciertos residuos aminoacídicos por diversas kinasas. El caso mejor estudiado es el efecto de la fosforilación en la serina en posición 1928 (cerca del extremo carboxiterminal) por la proteína kinasa A. Esta enzima es activada por cAMP. La activación de receptores adrenérgicos β1 y β2 estimula la adenilato ciclasa de modo que esta enzima produce más cAMP. El cAMP activa la proteína kinasa A, la cual fosforila al canal y desplaza el potencial para la activación e inactivación de los canales tipo L hacia valores más negativos. Además aumenta la Po de los canales y el número de canales activos (aunque no su conductancia individual). El resultado es un gran aumento de la corriente de Ca2+ (ICa). El efecto de la estimulación adrenérgica es finalizado por diversas fosfodiesterasas que degradan el cAMP y fosforilasas que defosforilan el canal. El efecto de la estimulación de los receptores adrenérgicos β1 y β2 sobre los canales tipo L es similar, y requiere una proteína de anclaje para la proteína kinasa A llamada AKAP15 queposiciona la enzima en la inmediata vecindad del canal. Los receptores adrenérgicos β1 causan un aumento más generalizado de la actividad de proteína kinasa A, que les permite fosforilar proteínas fuera del sarcolema, como el fosfolambano (ver MECÁNICA DE LAS CÉLULAS CARDÍACAS). En cambio la estimulación de receptores adrenérgicos β2 tiene un efecto limitado a los canales. Se han propuesto varias explicaciones para este hecho. La más convincente es que los receptores adrenérgicos β2 cardíacos se localizan exclusivamente en cavéolas y en los túbulos T, en la inmediata vecindad de los canales tipo L. Esto permite que su efecto permanezca espacialmente localizado. El otro nucléotido cíclico importante en este contexto es el cGMP, producido por la activación de la enzima guanilato ciclasa por óxido nítrico y péptidos natriuréticos auriculares. El cGMP activa la proteína kinasa G, que fosforila el canal tipo L en el asa intracelular entre los dominios I y II (implicada en la inactivación). Generalmente se considera que el efecto del cGMP sobre los canales tipo L es opuesto al del cAMP, pero dado que el cGMP afecta varias vías de regulación sus efectos son complejos y poco comprendidos. Otra enzima capaz de fosforilar los Cav es la kinasa II dependiente de calmodulina (CaMKII). Si bien el efecto directo de la unión del Ca2+ a la calmodulina unida al extremo carboxiterminal es acelerar la inactivación, la activación de la CaMKII tiene un efecto indirecto opuesto, que se ha denominado facilitación dependiente de Ca2+. El extremo carboxiterminal de la subunidad α1 tiene también un sitio de alta afinidad para CaMKII vecino al sitio que liga calmodulina. La CaMKII es sensible a cambios transitorios en la concentración de Ca2+ y cuando es activada aumenta la corriente de Ca2+. La CaMKII es un homodímero que tiene un péptido autorregulador que inhibe su propia actividad. El complejo Ca2+/calmodulina remueve esta inhibición y además facilita la autofosforilación de la CaMKII. La kinasa fosforila los extremos carboxilo de las subunidades α1 y β2 . Esta última está, como se explicó antes, estrechamente vinculada con el asa responsable de la inactivación rápida de los Cav. La facilitación de ICa por CaMKII que se observa con frecuencias crecientes de estimulación es responsable en gran medida de los aumentos de contractilidad que se observan en estas condiciones (escalera; ver MECÁNICA DE LAS CÉLULAS CARDÍACAS). 1 Es posible que Ca2+/calmodulina también afecte asimismo la cinética de canales de Na+ (Nav) aunque los resultados son contradictorios. Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 12 CANALES DE POTASIO Los canales de K+ cumplen diversas funciones relacionadas con la actividad eléctrica del corazón. Son los principales determinantes del potencial de reposo y, durante la actividad, participan de manera destacada en determinar la frecuencia cardíaca y la forma y duración del potencial de acción. La actividad de los canales de K+, y con ella las funciones que regulan, puede ser modificada por hormonas, neurotransmisores y fármacos. Tabla 3: Principales subunidades α de canales de potasio activados por potencial que se expresan en el miocardio Subfamilia Proteína Gen Locus Corriente Kv1.2 KCNA1 12p13 IKslow Kv1.4 KCNA4 11p14 IKto,slow Kv1 Kv1.5 KCNA5 12p.13 IKur Kv2 Kv2.1 KCNB1 20q13.1 IKslow2 Kv4.2 KCND2 7q32 IKto,fast Kv4 Kv4.3 KCND3 1p11 IKto,fast eag HERG1 KCNH2 7q36 IKr KvLQT KvLQT1 KCMQ1 11p15 IKs Corrientes de potasio. Mucho antes de que los canales de K+ pudieran clonarse, se caracterizó su función desde el punto de vista electrofisiológico y farmacológico. La mayoría de los canales de K+ presentan rectificación (ver más arriba). Dado que el potencial de equilibrio electroquímico del K+ (EK) es más negativo que el potencial de membrana, normalmente los iones K+ tienden a salir de los miocitos. En el miocardio existen varias corrientes de K+ diferentes. Los canales HCN, que conducen K+ pero también Na+, se tratan por separado. 1. Corriente con rectificación hacia dentro (“rectificación anómala”)2. El potencial de reposo es mantenido por una corriente de K+ de baja intensidad llamada IK1 ó IKir. Los canales responsables muestran rectificación hacia dentro, lo que significa que su conductancia es mayor para potenciales transmembranas (VM) más negativos que EK, que no existen naturalmente y sólo se pueden lograr de manera experimental. Para potenciales transmembranas más positivos que EK, la IK1 decrece rápidamente y se torna cero cuando VM alcanza – 20 mV. La IK1 es la principal responsable de mantener el potencial de reposo. El hecho de que se anule durante la mayor parte del potencial de acción permite que el miocito pueda mantenerse despolarizado durante la meseta con corrientes relativamente pequeñas de Ca2+ y Na+. Esto produce un considerable ahorro de ATP, pues si las corrientes de entrada y salida fuesen mayores exigirían mayor trabajo de la Na,K- ATPasa y la Ca2+ ATPasa de membrana durante la recuperación (ver MECÁNICA DE LAS CÉLULAS CARDÍACAS). Por otra parte, cuando durante la fase 3 se retorna a VM de – 20 mV o menos, la IK1 reaparece y contribuye a acelerar la repolarización. 2. Corriente transitoria hacia fuera. Esta corriente es responsable por la fase 1 de repolarización parcial y se llama IKto (de transient outward) ó Ito1.3 En general se activa e inactiva muy rápidamente, aunque incluso así se han descrito dos componentes, uno (IKto,fast) más rápido que otro (IKto,slow). 3. Corrientes rectificadoras retardadas. En el miocardio humano, la corriente de K+ llamada “rectificadora retardada” tiene tres componentes, llamados ultrarrápido (IKur), rápido (IKr) y lento (IKs). La IKur se activa muy rápidamente con despolarizaciones intensas y se inactiva muy lentamente durante el curso del potencial de acción. La IKur disminuye durante la repolarización pero debido fundamentalmente a la reducción en la fuerza electromotriz que propulsa la salida de K+. Esta corriente es prominente en los miocitos auriculares y es la principal responsable de la 2 Se la llamó “anómala” por rectificar en sentido opuesto a las corrientes que causan la repolarización en el nervio. 3 En las fibras de Purkinje, pero no en el miocardio ventricular, hay canales de Cl- cuya activación es parcialmente responsable de la fase 1. Esta corriente de ingreso de Cl-se llama Ito2 para diferenciarla de la Ito1 mediada por K+. La Ito2 no ha sido claramente demostrada en el humano, por lo cual no se tratará aquí. Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 13 repolarización de las aurículas. Por el contrario, no se ha detectado en miocitos ventriculares humanos ni en fibras de Purkinje. En cambio, en el humano los componentes rápido y lento están presentes en todos los tipos celulares: células nodales, auriculares, ventriculares y fibras de Purkinje. La corriente llamada rápida (IKr) se activa en realidad muy lentamente con despolarizaciones a – 30 mV, muestra aparente rectificación hacia dentro con potenciales positivos, y se inactiva muy rápidamente. Se trata en realidad de una pseudorrectificaión, debida a que el canal se inactiva con potenciales positivos. No obstante, con potencial 0 ó negativo la recuperación después de la inactivación también es rápida, de modo que IKr contribuye sustancialmente a la fase 3 de repolarización. El componente lento (IKs) se activa gradualmente con despolarizaciones a partir de – 30 mV, de modo que su magnitud aumenta a lo largo de toda la meseta del potencial de acción. Decrece en la fase 3 por disminución del gradiente electroquímico para la salida de K+. La IKs no muestra rectificación y se inactiva lentamente. La IKs contribuye a la fase 3 y tiene un papel central en el acortamiento de la duración del potencial de acción cuandoaumenta la frecuencia cardíaca. Esto se debe a su inactivación muy lenta. Cuando aumenta la frecuencia cardíaca, la IKs permanece activada entre un potencial de acción y el siguiente, y acelera la repolarización. Estructura y selectividad de los canales de potasio. Existe una gran variedad de canales de K+. Solamente en el ser humano se han identificado y clonado más de 80 genes que codifican canales de K+ o moléculas relacionadas con ellos. Esto ha permitido establecer con razonable certeza de qué canales dependen las corrientes de K+ descritas arriba (Tabla 3). Pese a su gran variedad, los canales de K+ presentan solamente dos tipos principales de estructura, según el número de dominios transmembranas (TM; Fig. 12): 6TM y 2TM. Los primeros son los canales de K+ sensibles al potencial (Kv). Su estructura y propiedades se describieron en EXCITABILIDAD Y PROPAGACIÓN. Los 2TM son los canales IKir, principales responsables de mantener el potencial de reposo. Activación e inactivación de los canales de potasio. En los canales de K+ sensibles al potencial (Kv) , la activación depende del segmento S4 cargado positivamente y de una porción adyacente del S3. La despolarización causa un desplazamiento de 2 nm del S4 hacia el medio extracelular que permite la apertura de la compuerta de activación formada por S5 y S6. La inactivación de Kv es lenta, por lo cual carece de importancia en el axón y en el músculo esquelético, cuyos potenciales de acción duran pocos ms. En cambio, es muy importante en el prolongado potencial de acción cardíaco. La inactivación de los Kv obedece a varios mecanismos, llamados N y C. La inactivación tipo N es la mejor conocida. Depende de un mecanismo de “bola y cadena” que requiere la integridad del extremo aminoterminal, que obstruye el poro desde adentro. . La inactivación de tipo C se debe a cambios en las propiedades del poro, y probablemente comprende varios mecanismos diferentes. CORRIENTES IÓNICAS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS POTENCIALES DE ACCIÓN Existen diferencias en los canales iónicos que se expresan en diversas partes del corazón, que determinan las propiedades de los potenciales de acción de cada región en particular, según la magnitud, secuencia y duración de las correspondientes corrientes. Por ejemplo, la aurícula se repolariza más rápido que el ventrículo (tiene un potencial de acción más breve) en parte porque en ella existe una corriente rectificadora Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 14 tardía ultrarrápida que no se manifiesta en el ventrículo. Además, la corriente de Ca2+ de los canales L demora más en inactivarse en el ventrículo. (Fig. 13). Incluso dentro del mismo ventrículo, los potenciales de acción tienen diferente forma en el subendocardio, el subepicardio y el mesomiocardio (región entre ambos). Los potenciales de acción del subencocardio son más breves, y los del mesomiocardio los más prolongados, en parte debido a una inactivación retardada de los canales L de Ca2+. Además, en el subepicardio (y en menor medida el mesomiocardio) la fase 1 es muy notable, lo cual le otorga al potencial de acción un aspecto de “espiga y bóveda”; Fig. 14. La diferente duración de los potenciales de acción ventriculares genera gradientes electrotónicos de potencial que son responsables de la onda T del electrocardiograma, que corresponde a la repolarización ventricular. CANALES HCN La despolarización espontánea de las células nodales y del sistema de conducción fue objeto de una serie de hipótesis hasta que hace casi 30 años se describió en el NSA una corriente de entrada (despolarizante) que se activaba por hiperpolarización en el rango de potencial transmembrana de las células nodales (– 60 a – 40 mV). Por sus propiedades atípicas, esta corriente se llamó “rara” (funny) y se abrevió If. Otras características atípicas de If son que la conductancia es pequeña, que permite el paso de iones Na+ y K+, y que su activación está bajo un doble control por el potencial transmembrana y nucleótidos cíclicos, en particular cAMP. Posteriormente se clonó una familia de cuatro canales llamados HCN (Hyperpolarization-activated, Cyclic Nucleotide-gated). En el tejido nodal se encuentran los subtipos HCN2 y HCN4. Experimentalmente, cuanto más intenso es el pulso hiperpolarizante (Fig. 15, curvas de arriba), la activación es más intensa (curva en el centro) y la apertura más rápida (curva inferior). Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 15 Estructura de los canales HCN. Los canales HCN guardan semejanza con los canales de K+ activados por potencial, pues están formados por cuatro monómeros con seis segmentos transmembrana cada uno, donde el segmento 4 (S4) es el principal sensor de potencial, mientras que S5 y S6 forman el poro. Adicionalmente, cada monómero posee un extenso extremo carboxiterminal con un sitio de unión a cAMP. En la Fig. 16 se muestra la estructura dimérica (en un corte a lo largo del canal). En los canales HCN, al igual que en los canales Kv, el segmento S4 se desplaza hacia fuera en respuesta a la despolarización y hacia dentro con la hiperpolarización (Fig. 17). La diferencia estriba en que en el HCN es el desplazamiento de S4 hacia dentro lo que abre el canal. Efecto del cAMP. El cAMP no es imprescindible para que se abra el canal HCN, pero en ausencia de cAMP se requerirían hiperpolarizaciones mucho mayores que las existentes. En efecto, el cAMP desvía la curva de respuesta a la hiperpolarización a valores menos negativos (Fig. 18), lo que permite que las células nodales funcionen como marcapaso con hiperpolarizaciones no muy intensas. En presencia de cAMP, para cada valor de potencial hiperpolarizante la activación es mayor. Canales HCN y regulación de la frecuencia cardíaca. El ritmo sinusal está determinado por la tasa de despolarización de las células del NSA, la cual puede ser acelerada por estimulación simpática originando taquicardia, o enlentecida por estimulación vagal, causando bradicardia. El neurotransmisor simpático, noradrena- lina, activa receptores β-adrenérgicos que estimulan la síntesis de cAMP. En cambio, el neurotransmisor parasimpático, acetilcolina, inhibe la síntesis de cAMP actuando sobre receptores muscarínicos M2 (ver SISTEMA NERVIOSO AUTÓNOMO). La acetilcolina (ACh) reduce el cAMP y por tanto If, tornando más lenta la despolarización espontánea, y en consecuencia la frecuencia de descarga es menor (Fig. 19 A). La noradrenalina y compuestos afines (isoproterenol [Iso] en la Fig. 19) tienen el efecto opuesto. En la Fig. 19 B se muestra el efecto de ACh e ISO sobre la corriente y en C sobre la probabilidad de apertura del canal HCN. La ivabradina, un inhibidor de los canales HCN, ya se emplea clínicamente para tratar la angina de pecho estable crónica. Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 16 UNIONES COMUNICANTES Y ACTIVACIÓN DEL CORAZÓN En cada ciclo cardíaco, las aurículas y los ventrículos deben excitarse eléctricamente en un intervalo muy breve. Para comprender la dificultad involucrada, considérese que con una frecuencia de 80 latidos/min la sístole completa dura entre 0.25 y 0.3 s, y la activación de los ventrículos se produce en unas pocas decenas de ms. La excitación debe transmitirse de célula a célula por las uniones comunicantes, desde el NSA hasta el músculo ventricular. La distancia entre el NSA y el vértice del corazón es de aprox. 15 cm, y cada célula miocárdica tiene en promedio 100 μm. Esto significa que existe un camino de aproximadamente 1 500 Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 17 células entre ambos puntos. Si la propagación entre célula y célula se demorase tan sólo 1 ms, la activación completa demoraría 1.5 segundo. Evidentementeel proceso es normalmente mucho más rápido. Uniones comunicantes cardíacas. Las uniones comunicantes o nexos están formadas por proteínas llamadas conexinas. Las conexinas poseen cuatro hélices alfa que atraviesan la membrana, con sus extremos amino- y carboxiterminales en el citosol. Seis moléculas de conexinas forman un conexón y dos conexones de células adyacentes se ensamblan para formar un nexo (Fig. 20). Existen 15 conexinas (Cx) diferentes, pero en el corazón hay tres importantes, que difieren en su masa molecular, la conductancia del poro que forman y su distribución en el miocardio: Cx40, Cx43 y Cx45. La Cx40 se expresa en las aurículas y la porción proximal del sistema de conducción (haz de His). Sus nexos tienen conductancia elevada (200 pS). La Cx43 está presente en las aurículas y el músculo ventricular, pero no en los nodos. Su conductancia es intermedia (75 pS). Finalmente, la Cx45 se expresa de manera casi exclusiva en los nodos y parte del sistema de conducción, y tiene una conductancia de sólo 20 pS (diez veces menor que Cx40). Es probable que la baja conductancia de la Cx45 impida que las corrientes electrotónicas generadas por la actividad eléctrica de las aurículas afecte la despolarización espontánea del NSA. Esto serviría como una aislación eléctrica parcial contra la conducción electrotónica retrógrada, que impediría la función de marcapaso. En los ventrículos del adulto se expresa sólo Cx43, que forma nexos concentrados en los discos intercalares. Los nexos se agrupan en placas que, en el ventrículo humano, tienen una superficie media de aprox. 0.2 μm2. Existen 20 de estas placas por disco intercalar. Cada miocito ventricular está conectado por los discos intercalares a otros 10 miocitos. La velocidad de conducción depende de la amplitud del potencial de acción y del área del conjunto de nexos por disco, principalmente en la dirección del eje de las fibras. La importancia de una baja resistencia entre células sucesivas se ilustra en la Fig. 21. En la situación normal (A) la conductancia del nexo gj es alta, de modo que el retardo de la propagación entre célula y célula (en gris) es similar al observado dentro de la misma célula (1- 2 para a y 3-4 para b). Si gj fuera baja, existiría un considerable retardo en la despolarización de la célula b (Fig. 21 B). En una proporción menor (20 %) los nexos se establecen entre células adyacentes con sus ejes paralelos, lo que permite (aunque con mayor dificultad) la propagación de la excitación en dirección radial al eje de los miocitos. Esto es importante, ya que la activación de los ventrículos Electrofisiología celular cardíaca Dr. Fernando D. Saraví 18 es un proceso que tiene lugar en las tres dimensiones del espacio. Sin embargo, la conducción no ocurre con igual facilidad en los tres ejes, por lo cual se dice que es anisotrópica. Recambio y regulación de los nexos. Los nexos son estructuras dinámicas en constante formación y degradación. Se estima que la vida media de un nexo es de aprox. 80 min. Su conductancia es regulada normalmente por el sistema simpático a través de receptores β-adrenérgicos que activan la adenilato ciclasa y aumentan la síntesis de cAMP. El cAMP activa a la proteína kinasa A, que fosforila los nexos e incrementa su conductancia. El aumento de la conductancia facilita la propagación del potencial de acción y por tanto acelera la activación del miocardio. Por otra parte, un aumento sostenido de Ca2+ o de H+ intracelulares tiene el efecto opuesto, y puede llegar a sellar efectivamente los nexos. Este efecto es importante en la isquemia. En las células isquémicas se detienen los transportes activos que extraen Ca2+ del citosol y desciende el pH por acumulación de H+ derivados del metabolismo. El cierre de los nexos entre las células afectadas y las sanas protege a estas últimas de los efectos nocivos de la acidosis y la sobrecarga de Ca2+, de modo análogo al cierre de compuertas herméticas en un submarino dañado, que impide que se inunden más compartimientos. Defectos de la conducción y reentrada. Una alta proporción de alteraciones del ritmo cardíaco (arritmias) clínicamente importantes ocurren por defectos en la conducción, en particular el conocido como reentrada. La reentrada es responsable de algunas taquicardias de alta frecuencia. Existen diversas formas de reentradas, algunas muy complejas, pero el concepto puede ilustrarse por el caso más simple (Fig. 22). Si en determinada área del corazón (por ej., el NAV) la activación se propaga por una vía que se divide en dos ramas paralelas que vuelven a comunicarse distalmente, puede producirse reentrada si se cumplen dos condiciones: 1. En una de las ramas hay enlentecimiento de la velocidad de conducción. 2. En la otra rama hay un bloqueo unidireccional. Estas alteraciones pueden ser el resultado de una condición congénita (por ej., tractos aurículoventriculares aberrantes) o adquirida (por ej., isquemia, trastornos electrolíticos o fármacos). En todo caso, al llegar a la bifurcación el impulso ortodrómico se detiene en la vía bloqueada unidireccionalmente y se propaga lentamente por la otra. En la región distal, el impulso ingresa en la rama con bloqueo unidireccional y se propaga retrógradamente. Si la rama con conducción lenta ya ha salido de su período refractario, el impulso reentra y se repite el ciclo.
