Klabunde. Fisiología cardiovascular_3ed

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Richard E. Klabunde, PhD Professor of Physiology Biomedical Sciences Marian University College of Osteopathic Medicine Indianapolis, Indiana SAMPLE Fisiología cardiovascular Fundamentos 3. a EDICIÓN

Av. Carrilet, 3, 9.ª planta – Edificio D Ciutat de la Justícia 08902 L’Hospitalet de Llobregat Barcelona (España) Tel.: 93 344 47 18 Fax: 93 344 47 16 e-mail: lwwespanol@wolterskluwer.com

Traducción Dra. Gabriela Enríquez Cotera Facultad Mexicana de Medicina Universidad La Salle

Revisión científica Dr. Óscar López Santiago

Especialista en Medicina Interna y del Enfermo en Estado Crítico; Alta Especialidad en Cardioneumología; adscrito a la Unidad de Terapia Intensiva Adultos, encargado de la Jefatura de Enseñanza de la coordinación de Medicina y vocal del Comité de Bioética en Investigación, CMN “20 Noviembre”; Adscrito a la Unidad de Terapia Intensiva de Trasplantes, CMN “La Raza”; Profesor invitado: Medicina del Enfermo en estado crítico adulto, UNAM; Profesor de Medicina (Medicina Interna, Infectología y Bases biológicas de la enfermedad) y líder de Academia Infectología Clínica, Universidad Anáhuac México; México.

Dirección editorial: Carlos Mendoza Editora de desarrollo: Núria Llavina Gerente de me r cadotecnia: Simon Kears Cuidado de la edición: Núria Llavina Maquetación: Sonia Wendy Chávez N./Alfonso Romero López Diseño d e portada: Jesús Esteban Mendoza Impresión: C&C Offset Printing Co. Ltd. / Impreso en China

Se han adoptado las medidas oportunas para confirmar la exactitud de la información presentada y describir la práctica más aceptada. No obstante, los autores, redactores y el editor no son responsables de los errores u omisiones del texto ni de las consecuencias que se deriven de la aplicación de la información que incluye, y no dan ninguna garantía, explícita o implícita, sobre la actualidad, integridad o exactitud del contenido de la publicación. Esta publicación contiene información general relacionada con tratamientos y asistencia médica que no debería utilizarse en pacientes individuales sin antes contar con el consejo de un profesional médico, ya que los tratamientos clínicos que se describen no pueden considerarse recomendaciones absolutas y universales. El editor ha hecho todo lo posible para confirmar y respetar la procedencia del material que se reproduce en este libro y su copyright. En caso de error u omisión, se enmendará en cuanto sea posible. Algunos fármacos y productos sanitarios que se presentan en esta publicación solo tienen la aprobación de la Food and Drug Administration (FDA) para un uso limitado al ámbito experimental. Compete al profesional sanitario averiguar la situación de cada fármaco o producto sanitario que pretenda utilizar en su práctica clínica, por lo que aconsejamos la consulta con las autoridades sanitarias competentes. Derecho a la propiedad intelectual (C. P. Art. 270) Se considera delito reproducir, plagiar, distribuir o comunicar públicamente, en todo o en parte, con ánimo de lucro y en perjuicio de terceros, una obra literaria, artística o científica, o su transformación, interpretación o ejecución artística fijada en cualquier tipo de soporte o comunicada a través de cualquier medio, sin la autorización de los titulares de los correspondientes derechos de propiedad intelectual o de sus cesionarios. Copyright © 2022 Wolters Kluwer Two Commerce Square 2001 Market Street Philadelphia, PA 19103 ISBN edición original: 978-1-9751-5007-5 SAMPLE Reservados todos los derechos. Copyright de la edición en español © 2022 Wolters Kluwer ISBN edición en español: 978-84-18563-54-6 Depósito legal: M-20320-2021 Edición en español de la obra original en lengua inglesa Cardiovascular Physiology Concepts , 3.ª ed., de Richard E. Klabunde, publicada por Wolters Kluwer.

PREFACIO

tienen casos clínicos para ilustrar las aplicaciones clínicas de conceptos fisiológicos importantes. Los primeros ocho capítulos analizan la fisiolo- gía cardiovascular siguiendo una organización tra- dicional de los temas. El último capítulo integra el material de los capítulos precedentes mediante la descripción de cómo el sistema cardiovascular res- ponde y se adapta a las mayores demandas del orga- nismo (p. ej., ejercicio y embarazo) o a condiciones fisiopatológicas (p. ej., hipotensión, hipertensión, insuficiencia cardíaca y valvulopatía cardíaca). Aunque el formato básico de la 3.ª edición es similar al de la segunda, se han reescrito muchas secciones de los capítulos para hacerlas más claras y actualizarlas con base en nuestro conocimiento sobre temas específicos. Se han revisado más del 40% de las figuras, o son recientes en esta nueva edi- ción. Entre el contenido actual se incluye material adicional sobre electrofisiología cardíaca durante la isquemia, la circulación fetal, y los cambios hemo- dinámicos asociados con la arteriopatía coronaria y la periférica. La fisiología cardiovascular, como todas las áreas de la ciencia biomédica, puede resultar abrumadora en cuanto a la cantidad de conocimientos que se presentan al lector. Por esta razón, me he esforzado en presentar los conceptos fundamentales en un nivel apropiado para los estudiantes de Medicina que están en los años de formación preclínica. Estos conceptos serán más que suficientes para propor- cionar un marco de referencia para la comprensión de la farmacología y la terapéutica cardiovasculares, así como de la fisiopatología cardiovascular. Espero que el lector no solo aprenda cómo funciona el sis- tema cardiovascular, sino que también se maraville ante la magnificencia del cuerpo humano. Richard E. Klabunde, PhD Indianapolis, Indiana

Tradicionalmente, los libros de texto sobre fisiolo- gía cardiovascular se han centrado en los principios biofísicos como el comportamiento de la sangre que fluye, la mecánica de la contracción muscular y los sistemas de control por retroalimentación. En las tres últimas décadas, hemos adquirido conocimientos considerables sobre la función endotelial, los recep- tores de membrana, los canales iónicos y los meca- nismos de transducción de señales que regulan las funciones cardíaca y vascular. Esta nueva visión en torno a los mecanismos celulares ha revolucionado no solo nuestra comprensión sobre la función car- diovascular, sino también la manera en que los mé- dicos diagnostican y tratan a los pacientes con enfer- medades cardiovasculares. Fisiología cardiovascular. Fundamentos se escribió para proporcionar a los estudiantes de Medicina y de posgrado y estudiantes de ciencias de la salud relacionadas, una base firme en los principios biofísicos tradicionales y los más recientes sobre fisiología celular. Este libro de texto incorpora varias caracterís- ticas para facilitar el aprendizaje: (1) cada capítulo comienza con un listado de objetivos de aprendizaje para orientar al lector en relación con los conceptos clave; (2) el texto se complementa con problemas y casos clínicos utilizados para reforzar los conceptos fisiológicos fundamentales; (3) al final de cada capí- tulo se resumen los conceptos importantes; (4) en los capítulos se enumeran recursos de lectura re- levantes, y (5) se incluyen preguntas de revisión con respuestas detalladas como herramienta de auto- evaluación para el lector. Muchos de los temas presentados en este libro de texto se ubican en un contexto médico al des- cribir cómo los conceptos fisiológicos subyacen- tes se relacionan con estados de enfermedad, como la arritmia, la presión arterial anómala y la insufi- ciencia cardíaca, y con el diagnóstico clínico y la intervención terapéutica. Varios de los capítulos con-

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AGRADECIMIENTOS

Deseo reconocer la inspiración que recibí de mi asesor de grado, Paul C. Johnson, quien me enseñó con el ejemplo a buscar la excelencia tanto en la enseñanza como en la investigación. También me siento agradecido con el resto del profesorado de Fisiología de la University of Arizona al inicio de la década de 1970, por su amor y entusiasmo contagiosos por la fisiología. La retroalimentación de los estudiantes de Medicina a quienes he enseñado durante más de 40 años ha sido invaluable para estimularme a explorar nuevas formas para enseñar con más eficiencia la fisiología cardio- vascular. Aprecio las útiles sugerencias de quienes revisaron de forma crítica la primera y la segunda ediciones. Estas personas ofrecieron muchos comentarios valiosos que sirvieron para enriquecer el contenido y el formato de esta 3.ª edición. También deseo agradecer a todas las personas talen- tosas de Wolters Kluwer que han trabajado conmigo en este libro de texto. Reservo una gratitud especial a mi amorosa y paciente esposa Karen, nuestros cuatro hijos y mis padres, quienes siempre me alentaron a perseguir mis sueños. Por último, deseo agradecer a Dios por permitirme cumplir mis sueños. Richard E. Klabunde, PhD Indianapolis, Indiana

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CONTENIDO

Prefacio ................................................................................................................................. v Agradecimientos .................................................................................................................... vi

1 Introducción al sistema cardiovascular ................................................................... 1 NECESIDAD DEL SISTEMA CIRCULATORIO.................................................................... 1 DISPOSICIÓN DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR............................................................ 2 FUNCIONES DEL CORAZÓN Y LOS VASOS SANGUÍNEOS ............................................. 3 Corazón ........................................................................................................................... 3 Sistema vascular .............................................................................................................. 5 Interdependencia de las funciones circulatoria y orgánica.............................................. 5 REGULACIÓN DE LAS FUNCIONES CARDÍACA Y VASCULAR ...................................... 5 CONTENIDO DE LOS SIGUIENTES CAPÍTULOS.............................................................. 6 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................... 7 PREGUNTAS DE REVISIÓN ................................................................................................ 7 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN ................................................................ 8 Estructura y función de las células ........................................................................... 9 INTRODUCCIÓN................................................................................................................. 9 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA CARDÍACA ................................................. 9 Miocitos y sarcómeras ..................................................................................................... 9 Acoplamiento excitación-contracción............................................................................. 11 Regulación de la contracción (inotropismo) ................................................................... 13 Regulación de la relajación (lusitropismo)...................................................................... 16 Metabolismo del cardiomiocito ....................................................................................... 17 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS VASOS SANGUÍNEOS ............................................. 17 Células de músculo liso vascular..................................................................................... 18 Células del endotelio vascular......................................................................................... 22 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................... 24 PREGUNTAS DE REVISIÓN ................................................................................................ 24 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN ................................................................ 25 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ........................................................................ 26 LECTURAS RECOMENDADAS ........................................................................................... 27 Actividad eléctrica del corazón .................................................................................. 28 INTRODUCCIÓN................................................................................................................. 29 POTENCIALES DE LA MEMBRANA CELULAR ................................................................. 29 Potenciales en reposo de la membrana............................................................................ 29 Mantenimiento de los gradientes iónicos........................................................................ 32 Canales iónicos................................................................................................................ 33 Potenciales de acción....................................................................................................... 35 Arritmias causadas por la generación anómala de potenciales de acción .................................................................................................................... 40 CONDUCCIÓN DE LOS POTENCIALES DE ACCIÓN EN EL CORAZÓN ....................... 41 Conducción eléctrica en el corazón ................................................................................ 41 Regulación de la velocidad de conducción...................................................................... 43 Conducción anómala....................................................................................................... 44 Taquicardia por reentrada ............................................................................................... 44 SAMPLE 2 3

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CONTENIDO

ELECTROCARDIOGRAMA ................................................................................................. 45 Registro electrocardiográfico ........................................................................................... 46 Interpretación de los ritmos cardíacos normales y anómalos en el ECG................................................................................................................... 47 Principios de volumen conductor y reglas para la interpretación del ECG...................................................................................................................... 49 Derivaciones del ECG: ubicación de los electrodos de registro ...................................... 52 CAMBIOS ELECTROFISIOLÓGICOS DURANTE LA ISQUEMIA CARDÍACA ........................................................................................................................... 56 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................... 58 PREGUNTAS DE REVISIÓN ................................................................................................ 59 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN ................................................................ 60 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ........................................................................ 62 LECTURAS RECOMENDADAS ........................................................................................... 62 Función cardíaca ............................................................................................................. 64 INTRODUCCIÓN................................................................................................................. 64 ANATOMÍA CARDÍACA ...................................................................................................... 64 Anatomía funcional del corazón ..................................................................................... 64 Inervación autónoma....................................................................................................... 65 CICLO CARDÍACO .............................................................................................................. 66 Diagrama del ciclo cardíaco............................................................................................. 66 Fase 1. Sístole auricular................................................................................................... 66 Fase 2. Contracción isovolumétrica ................................................................................ 68 Fase 3. Eyección rápida ................................................................................................... 69 Fase 4. Eyección lenta ..................................................................................................... 69 Fase 5. Relajación isovolumétrica ................................................................................... 69 Fase 6. Llenado rápido .................................................................................................... 70 Fase 7. Llenado lento....................................................................................................... 70 Resumen de las presiones intracardíacas......................................................................... 70 Relación presión-volumen ventricular ............................................................................ 71 GASTO CARDÍACO ............................................................................................................. 71 Cuantificación del gasto cardíaco.................................................................................... 73 Influencia de la frecuencia cardíaca y el volumen latido sobre el gasto cardíaco......................................................................................................... 73 EFECTOS DE LA PRECARGA SOBRE EL VOLUMEN LATIDO ......................................... 73 Efectos de la distensibilidad ventricular sobre la precarga.............................................. 74 Efectos de la precarga sobre el desarrollo de tensión (relación longitud-tensión)........................................................................................ 75 Efectos del retorno venoso sobre el volumen latido (mecanismo de Frank-Starling) ................................................................................. 78 Resumen de los efectos del incremento de la precarga sobre la mecánica del músculo cardíaco y la función ventricular ....................................... 79 Factores que determinan la precarga ventricular ............................................................ 79 EFECTOS DE LA POSCARGA SOBRE EL VOLUMEN LATIDO ......................................... 81 Efectos de la poscarga sobre la velocidad de acortamiento de las fibras (relación fuerza-velocidad) .................................................................... 81 Efectos de la poscarga sobre las curvas de Frank-Starling .............................................. 84 Efectos de la poscarga sobre las asas presión-volumen ................................................... 84 Resumen de los efectos del aumento de la poscarga sobre la mecánica del músculo cardíaco y la función ventricular ....................................... 85 EFECTOS DEL INOTROPISMO SOBRE EL VOLUMEN LATIDO ...................................... 85 SAMPLE

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CONTENIDO

Efectos del inotropismo sobre la relación longitud-tensión............................................ 85 Efectos del inotropismo sobre la relación fuerza-velocidad ............................................ 86 Efectos del inotropismo sobre las curvas de Frank-Starling ........................................... 86 Efectos del inotropismo sobre las asas presión-volumen .............................................. 86 Resumen de los efectos del incremento del inotropismo sobre la mecánica del músculo cardíaco y la función ventricular ..................................... 87 Factores que influyen sobre el estado inotrópico.......................................................... 87 Mecanismos celulares del inotropismo ......................................................................... 88 INTERDEPENDENCIA DE LA PRECARGA, LA POSCARGA Y EL INOTROPISMO.......................................................................................................... 88 CONSUMO MIOCÁRDICO DE OXÍGENO ....................................................................... 89 Cómo se determina el consumo de oxígeno del miocardio .......................................... 91 Factores que influyen sobre el consumo miocárdico de oxígeno................................................................................................................ 92 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................. 93 PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................................................. 94 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................. 95 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ...................................................................... 96 LECTURAS RECOMENDADAS ......................................................................................... 97 Función vascular ........................................................................................................... 98 INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 98 ANATOMÍA Y FUNCIÓN................................................................................................... 98 Red vascular .................................................................................................................. 98 Distribución de presiones y volúmenes......................................................................... 100 PRESIÓN ARTERIAL DE LA SANGRE............................................................................... 101 Presión arterial media.................................................................................................... 102 Presión de pulso aórtica ................................................................................................ 103 HEMODINÁMICA (PRESIÓN, FLUJO Y RESISTENCIA) ................................................. 104 Efectos de la longitud y el radio del vaso, y de la viscosidad de la sangre sobre la resistencia al flujo sanguíneo....................................................... 105 Comparación de flujo laminar y turbulento.................................................................. 108 Disposición de la vasculatura en serie y en paralelo ..................................................... 109 REGULACIÓN DE LA RESISTENCIA VASCULAR SISTÉMICA ....................................... 111 Cálculo de la resistencia vascular sistémica .................................................................. 111 Tono vascular................................................................................................................. 112 PRESIÓN VENOSA SANGUÍNEA ...................................................................................... 113 Volumen sanguíneo venoso y distensibilidad................................................................ 113 Factores mecánicos que afectan la presión venosa central y el retorno venoso ..................................................................................................... 114 Resumen de factores que afectan la presión venosa central .......................................... 117 RETORNO VENOSO Y GASTO CARDÍACO..................................................................... 118 Equilibrio entre el retorno venoso y el gasto cardíaco .................................................. 118 Curvas de función vascular sistémica ........................................................................... 119 Curvas de función cardíaca ........................................................................................... 122 Interacciones entre las curvas de función cardíaca y vascular sistémica .................................................................................................... 122 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................. 123 PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................................................. 124 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................. 125 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ...................................................................... 127 LECTURAS RECOMENDADAS ......................................................................................... 128 SAMPLE 5

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CONTENIDO

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Control neurohumoral del corazón y la circulación .......................................... 128 INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 128 CONTROL NERVIOSO AUTÓNOMO ............................................................................... 130 Inervación autónoma del corazón y la vasculatura ....................................................... 130 Regulación de la presión arterial por retroalimentación de los barorreceptores ........... 135 Quimiorreceptores......................................................................................................... 140 Otros reflejos autónomos que afectan el corazón y la circulación ................................ 141 CONTROL HUMORAL ...................................................................................................... 142 Catecolaminas circulantes ............................................................................................. 142 Sistema reninaangiotensina-aldosterona (SRAA) .......................................................... 144 Péptidos natriuréticos.................................................................................................... 146 Vasopresina (hormona antidiurética) ............................................................................ 146 INTEGRACIÓN DE MECANISMOS NEUROHUMORALES ............................................. 148 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................. 149 PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................................................. 150 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................. 151 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ...................................................................... 153 LECTURAS RECOMENDADAS ......................................................................................... 154 Flujo sanguíneo en los órganos ................................................................................ 155 INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 155 DISTRIBUCIÓN DEL GASTO CARDÍACO........................................................................ 155 REGULACIÓN LOCAL DEL FLUJO SANGUÍNEO ........................................................... 156 Factores tisulares ........................................................................................................... 157 Factores endoteliales ..................................................................................................... 159 Mecanismos del músculo liso (miogénicos) ................................................................. 160 Compresión extravascular ............................................................................................. 161 Autorregulación del flujo sanguíneo ............................................................................. 161 Hiperemia reactiva y activa............................................................................................ 163 CIRCULACIONES ESPECIALES........................................................................................ 165 Circulación coronaria .................................................................................................... 165 Circulación cerebral ...................................................................................................... 171 Circulación en el músculo esquelético.......................................................................... 174 Circulación cutánea....................................................................................................... 176 Circulación esplácnica................................................................................................... 179 Circulación renal ........................................................................................................... 182 Circulación pulmonar ................................................................................................... 184 Resumen de las circulaciones especiales ....................................................................... 186 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................. 187 PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................................................. 187 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................. 189 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ...................................................................... 190 LECTURAS RECOMENDADAS ......................................................................................... 190 Función de intercambio de la microcirculación .................................................. 192 INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 192 MECANISMOS DE INTERCAMBIO................................................................................... 193 Difusión......................................................................................................................... 193 Flujo de volumen .......................................................................................................... 193 Transporte vesicular y activo......................................................................................... 195 INTERCAMBIO DE OXÍGENO Y DIÓXIDO DE CARBONO ............................................ 195 Difusión del oxígeno 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Aporte y extracción de oxígeno..................................................................................... 196 Difusión de dióxido de carbono .................................................................................... 199 INTERCAMBIO TRANSCAPILAR DE LÍQUIDO............................................................... 199 Mecanismos físicos que rigen el intercambio de líquido............................................... 200 Modelo de intercambio capilar ...................................................................................... 205 FORMACIÓN DE EDEMA ................................................................................................. 206 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................. 207 PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................................................. 208 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................. 208 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ...................................................................... 209 LECTURAS RECOMENDADAS ......................................................................................... 210 Integración, adaptación y fisiopatología cardiovasculares ............................................................................................................ 211 INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 211 RESPUESTAS CARDIOVASCULARES AL EJERCICIO ...................................................... 211 Mecanismos implicados en la respuesta cardiovascular al ejercicio.............................. 212 Cambios de estado estable en la función cardiovascular durante el ejercicio ............... 214 Factores que influyen sobre la respuesta cardiovascular al ejercicio............................. 216 VASCULOPATÍA PERIFÉRICA........................................................................................... 218 Hemodinámica de la arteriopatía periférica en la extremidad inferior.......................... 218 CAMBIOS DE LA FUNCIÓN CARDIOVASCULAR MATERNA DURANTE EL EMBARAZO.......................................................................................... 220 CIRCULACIÓN FETAL Y CAMBIOS AL NACER .............................................................. 221 HIPOTENSIÓN Y CHOQUE .............................................................................................. 223 Causas de hipotensión................................................................................................... 223 Choque circulatorio....................................................................................................... 224 Mecanismos compensatorios durante la hipotensión ................................................... 225 Mecanismos descompensatorios tras la hipotensión intensa y prolongada ............................................................................................................ 228 Base fisiológica de la intervención terapéutica.............................................................. 230 HIPERTENSIÓN ................................................................................................................. 230 Hipertensión esencial (primaria)................................................................................... 231 Hipertensión secundaria................................................................................................ 232 Base fisiológica para la intervención terapéutica........................................................... 234 INSUFICIENCIA CARDÍACA ............................................................................................ 235 Causas de insuficiencia cardíaca ................................................................................... 235 Comparación de la disfunción sistólica y la diastólica.................................................. 235 Mecanismos compensatorios sistémicos en la insuficiencia cardíaca ........................... 237 Limitaciones para la ejercitación generadas por la insuficiencia cardíaca .................................................................................................................... 240 Bases fisiológicas para la intervención terapéutica........................................................ 241 VALVULOPATÍA ................................................................................................................. 242 Estenosis valvular .......................................................................................................... 243 Insuficiencia valvular .................................................................................................... 245 RESUMEN DE CONCEPTOS IMPORTANTES .................................................................. 249 PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................................................. 250 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS DE REVISIÓN .............................................................. 252 RESPUESTA A LOS PROBLEMAS Y CASOS ...................................................................... 254 LECTURAS RECOMENDADAS ......................................................................................... 255 SAMPLE 9

Índice alfabético de materias............................................................................................... 257

2 CAPÍTULO

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Comprender los conceptos presentados en este capítulo permitirá al estudiante: 1. Describir la estructura y la función de los siguientes componentes de los cardiomiocitos: sarcolema, discos intercalados, túbulos transversos (T), componentes de miofilamentos, sarcómeras, retículo sarcoplásmico y cisternas terminales. 2. Enumerar los pasos del acoplamiento excitación-contracción y describir los mecanismos celulares implicados en su regulación. 3. Enumerar en orden de preferencia a los sustratos metabólicos utilizados por el corazón y resumir la importancia del metabolismo oxidativo respecto del metabolismo anaeróbico. 4. Describir las estructuras histológicas principales de una arteria muscular y la función de esas estructuras. 5. Comparar la organización de la actina y la miosina en el músculo liso vascular con la propia de estos miofilamentos en los cardiomiocitos. 6. Describir los mecanismos y la regulación de la contracción y la relajación del músculo liso vascular. 7. Comparar las vías de transducción de las principales señales mediadas por proteínas G en el músculo cardíaco y el músculo liso vascular, y el modo en que estas vías regulan la contracción. 8. Describir los efectos del óxido nítrico (NO), la prostaciclina (PGI 2 ) y la endotelina 1 (ET-1) sobre la función vascular. con el microscopio. Si bien el músculo cardíaco com- parte ciertas similitudes estructurales y funcionales con el músculo esquelético, tiene varias diferencias importantes. Los cardiomiocitos suelen tener un solo núcleo y un diámetro aproximado de 25 µm, con una longitud cercana a 100 µm en el ventrículo (los mio- citos auriculares son más pequeños). En contraste, si bien algunos tipos de miocitos del músculo esquelé- tico pueden tener un diámetro similar, su longitud es la misma que la del músculo en su totalidad y, por ende, pueden tener varios centímetros de largo. Los cardiomiocitos forman una red ramificada de células a la que en ocasiones se denomina sincicio funcional , que se constituye por una fusión celular. Los mioci- tos independientes se conectan entre sí por medio de membranas celulares especializadas denominadas dis- cos intercalados. Las uniones comunicantes (adheren- SAMPLE INTRODUCCIÓN Existen diversos tipos de células asociados con el sistema cardiovascular. Este capítulo analiza la es- tructura y la función de los tres tipos principales de células estructurales que desempeñan papeles im- portantes en la función cardiovascular: cardiomioci- tos, músculo liso vascular y endotelio vascular. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA CARDÍACA Miocitos y sarcómeras Los cardiomiocitos representan un tipo de músculo estriado, denominado así por la presencia de bandas cruzadas o estriaciones transversales que se aprecian

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FISIOLOGÍA CARDIOVASCULAR. FUNDAMENTOS

volumen celular ( v. fig. 2-1). Los filamentos grue- sos están integrados por miosina, mientras que los delgados contienen actina y otras proteínas aso- ciadas. Las interacciones químicas entre los fila- mentos de actina y miosina durante el proceso de acoplamiento excitación-contracción ( v. la sección siguiente) hacen que la sarcómera se acorte a la vez que los filamentos de miosina y actina se deslizan uno sobre otro, con lo que acortan la distancia entre las líneas Z. Dentro de la sarcómera, existe una pro- teína filamentosa larga denominada titina. Conecta al filamento de miosina con las líneas Z, lo que ayuda a mantener al filamento grueso centrado den- tro de la sarcómera. Por efecto de sus propiedades elásticas, la titina desempeña un papel importan- te en las propiedades mecánicas pasivas del co- razón ( v. cap. 4). Además de la titina, la miosina y la actina, varias proteínas más forman el citoesque- leto de los miocitos y conectan a los componentes celulares internos y externos. La miosina es una proteína de peso molecu- lar alto. Dentro de cada sarcómera, las moléculas de miosina están unidas en haces, de modo que existen alrededor de 300 moléculas de miosina en cada filamento grueso. Cada molécula de miosina contiene dos cabezas, en que se ubica la adeno- sina trifosfatasa de la miosina ( miosina ATPasa ), una enzima que hidroliza al trifosfato de adeno- sina (ATP). El ATP es necesario para la formación

tes) en estas regiones intercelulares fungen como vías de baja resistencia entre las células, lo que permite la conducción de corrientes eléctricas (iónicas) entre ellas. Así, si un cardiomiocito recibe estimulación eléctrica, la conducción entre células asegura que el impulso eléctrico viaje hacia todos los miocitos inter- conectados. Esta disposición permite al corazón con- traerse como una unidad (es decir, como un sincicio). En contraste, las células independientes del músculo esquelético reciben inervación de motoneuronas, que utilizan la transmisión neuromuscular para activar fibras musculares específicas para que se contraigan. En el músculo esquelético no se produce una conduc- ción eléctrica de célula a célula. El cardiomiocito está integrado por haces de miofibrillas que contienen miofilamentos (fig. 2-1). Cuando los miocitos se observan con el microsco- pio pueden identificarse líneas y bandas repetidas, cada una de las cuales corresponde a componentes diferentes de los miofilamentos. El segmento entre dos líneas Z representa la unidad contráctil básica del miocito, la sarcómera. La longitud de cada sar- cómera en condiciones fisiológicas varía entre 1.6 µm a 2.2 µm en los corazones cardíacos. Como se describe más adelante y en el capítulo 4, la longitud de la sarcómera es un determinante importante de la fuerza contráctil del miocito. La sarcómera contiene filamentos gruesos y delgados, que representan alrededor del 50% del

Disco intercalado

Sarcómera

Z Miocito ■ Figura 2-1. Estructura de los cardiomiocitos. Los miocitos están unidos entre sí por los discos intercala- dos para formar un sincicio funcional (lado derecho de la figura) . Los miocitos están integrados por mio- fibrillas, cada una de las cuales contiene miofilamentos integrados en gran medida por actina (filamentos delgados) y miosina (filamentos gruesos; lado izquierdo de la figura ). La miosina está anclada a la línea Z por medio de la proteína titina. La sarcómera, o unidad contráctil básica, se ubica entre dos líneas Z. SAMPLE Z Miofibrillas Miofilamentos Actina Titina Miosina

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CAPÍTULO 2 • ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS

los transversos (T); (fig. 2-3), en particular en los miocitos ventriculares. Los túbulos T, al ser parte del sarcolema externo, están abiertos al ambiente exterior de la célula. Esto permite el intercambio de iones entre los compartimientos extracelular e intracelular en una región profunda del miocito durante la despola- rización y la repolarización de esta célula. En el interior de la célula, y en relación íntima con los túbulos T, está una amplia red tubular ramificada denominada retículo sarcoplásmico , que circunda los miofilamentos. La función principal de esta estructura es regular las concentraciones intrace- lulares del calcio, que está implicado en la contrac- ción y la relajación. Las cisternas terminales son abolsamientos ter- minales del retículo sarcoplásmico, adyacentes a los túbulos T. Entre las cisternas terminales y los túbulos T se ubican regiones con gran densidad electrónica denominadas «pies», que se piensa detectan el calcio localizado entre los túbulos T y las cisternas terminales. En asociación íntima con el retículo sarcoplásmico hay grandes cantidades de mitocondrias, que aportan la energía necesaria para la contracción del miocito.

de puentes cruzados entre los filamentos gruesos y delgados. Las cabezas de la molécula interac- túan con el sitio de unión en la actina (fig. 2-2). Existen subunidades reguladoras (cadenas ligeras de la miosina) capaces de alterar la actividad de la ATPasa al sufrir fosforilación, asociadas con cada cabeza de la miosina. Cada filamento grueso está circundado por seis filamentos delgados en disposición hexagonal, los cuales están integrados por actina, tropomiosina y troponina ( v. fig. 2-2). La actina es una proteína globular que se dispone en unidades repetidas para formar una cadena y formar dos hebras helicoida- les. Digitadas entre las hebras de actina se ubican proteínas con forma de bastón denominadas tro- pomiosina . Cada molécula de tropomiosina se asocia con siete moléculas de actina. Unido a intervalos regu- lares a la tropomiosina está el complejo regulador de la troponina, constituido por tres subunidades: troponina T (TN-T), que se une a la tropomio- sina; troponina C (TN-C), que funge como sitio de unión para el calcio (Ca ++ ) durante el acoplamiento excitación-contracción; y troponina I (TN-I), que imposibilita que la miosina se una a la actina. El complejo de la troponina mantiene a la tropomio- sina en posición para prevenir la unión de las cabe- zas de la miosina a la actina. Cuando el Ca ++ se une a la TN-C se produce un cambio conformacional en el complejo de la troponina, de tal modo que el complejo troponina-tropomiosina se desplaza ale- jándose del sitio de unión de la miosina en la actina, lo que permite que esta última quede expuesta a la cabeza de la miosina para enlazarse. Cuando el Ca ++ se elimina de la TN-C, el complejo troponina−tro- pomiosina recupera su posición de inactivación, lo que inhibe la unión de la miosina con la actina. Como nota clínica, tanto la TN-I como la TN-T se usan como marcadores diagnósticos del infarto del miocardio debido a que, cuando los miocitos mue- ren, son liberados a la circulación.

Cabezas de la miosina

Miosina

TN-T TN-C

TN-I

Acoplamiento excitación-contracción LOS TÚBULOS TRANSVERSOS Y EL RETÍCULO SARCOPLÁSMICO ■ Figura 2-2. Composición de los miofilamentos car- díacos gruesos y delgados. Los filamentos gruesos están integrados por moléculas de miosina; cada mo- lécula posee dos cabezas, que son el sitio en que se localiza la miosina ATPasa. Los filamentos delgados están integrados por actina, tropomiosina y proteínas reguladoras (complejo de la troponina, TN) y cuentan con tres subunidades: TN-T (se une a la tropomiosina), TN-C (se une a los iones calcio) y TN-I (troponina inhi- bidora, que inhibe la unión de la miosina a la actina). La unión del calcio a la TN-C produce un cambio de con- formación en el complejo troponina-tropomiosina que expone un sitio de unión para la miosina en la actina y conduce a la hidrólisis del ATP. Con fines de simplifi- cación, en esta figura se muestra solo una cadena de actina y su filamento de tropomiosina asociado. SAMPLE El acoplamiento entre los potenciales de acción de los miocitos y la contracción se denomina acopla- miento excitación-contracción. Para comprender este proceso, debe analizarse con más detalle la estructura interna del miocito. La membrana sarco- lémica del miocito circunda el haz de miofibrillas y tiene invaginaciones profundas denominadas túbu- Actina Tropomiosina

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FISIOLOGÍA CARDIOVASCULAR. FUNDAMENTOS

Sarcolema

Ca ++

Miosina

Canales del calcio de tipo L

Ca ++

Ca ++

TN-C

RS

Actina

RyR

«Pie»

SERCA Fosfolambán

Túbulo T

EL CICLADO DEL CALCIO Y LA FUNCIÓN DE LAS PROTEÍNAS REGULADORAS Cuando un potencial de acción genera la despolari- zación de un miocito ( v. cap. 3), se inicia el acopla- miento excitación−contracción. Cuando el miocito se despolariza, los iones de calcio entran en la célula durante el potencial de acción por medio de canales del calcio de larga duración ( long las- ting , tipo L) ubicados en el sarcolema externo y los túbulos T ( v. fig. 2-3). Es importante señalar que, durante la despo- larización, en la célula entra una cantidad más bien escasa de calcio. Por sí mismo, este flujo de entrada de calcio no aumenta de forma signifi- cativa las concentraciones intracelulares del ión, excepto en regiones limitadas justo por dentro del sarcolema. Este calcio es detectado por los «pies» de los canales de liberación del calcio (recepto- res de rianodina, o canales de liberación del calcio sensibles a la rianodina) asociados con las cisternas terminales. Esto desencadena la liberación posterior de grandes cantidades del calcio almacenadas en las cisternas terminales a través de los canales de libe- ración del calcio, lo que aumenta la liberación de este ión cerca de 100 veces, alrededor de 10 −7 M a 10 −5 M. Así, el calcio que entra en la célula durante la despolarización en ocasiones se denomina «cal- cio desencadenante». La unión del calcio libre a la TN-C depende de su concentración. Esto induce un cambio confor- macional en el complejo regulador, de tal modo que el complejo troponina-miosina se desplaza ale- jándose, y deja expuesto un sitio de unión a la mio- sina en la molécula de actina. La unión de la cabeza de la miosina a la actina induce la hidrólisis del ATP, que aporta energía para el desarrollo del cam- bio conformacional en el complejo actina-miosina. Esto tiene como consecuencia un movimiento (de «trinquete») entre las cabezas de la miosina y la actina. Los filamentos de actina y miosina se des- lizan uno sobre otro, con lo que se reduce la lon- gitud de la sarcómera (esto se denomina teoría del deslizamiento de filamentos de la contracción muscular; fig. 2-4). Los ciclos de avance se repi- ten siempre y cuando el calcio citosólico se man- tenga elevado. Hacia el final del potencial de acción del miocito, la entrada de calcio en la célula dismi- nuye y el retículo sarcoplásmico secuestra el cal- cio por medio de una bomba de calcio dependiente de ATP, la ATPasa de calcio del retículo sarcoplás- mico (SERCA, sarcoendoplasmic reticulum calcium ATPase ; v. fig. 2-3) Dado que la concentración intracelular del calcio se reduce, este se disocia de la TN−C, lo que genera un cambio de conforma- SAMPLE ■ Figura 2-3. Papel del calcio (Ca ++ ) en el acoplamiento excitación-contracción en el corazón. Durante los poten- ciales de acción, el Ca ++ entra en la célula por los canales del Ca ++ de tipo L. Este denominado «Ca ++ desencade- nante» es detectado por los «pies» del canal de liberación del calcio (receptor de rianodina, RyR ) del retículo sarcoplásmico ( RS ), que libera Ca ++ hacia el citoplasma. Este Ca ++ se une a la troponina C ( TN-C ), lo que induce un cambio de conformación en el complejo troponina-tropomiosina, de tal modo que el movimiento de este complejo expone un sitio de unión para la miosina en la actina, lo que conduce a la hidrólisis del ATP y al desplazamiento de la actina respecto de la miosina. El Ca ++ vuelve a ser secuestrado por el RS gracias a una bomba de ATP dependiente de Ca ++ , la calcio ATPasa del retículo sarcoendoplásmico ( SERCA ), que es inhibida por el fosfolambán. No se mues- tran las bombas de Ca ++ que retiran este ion de la célula.