Isquemia - Universidad Tecnológica de Pereira

FISIOLOGÍA DEL EVENTO ISQUEMIA/ANOXIA
Por: Rodolfo A. Cabrales Vega – Docente de Clínicas Quirúrgicas - Programa de Medicina
Universidad Tecnológica de Pereira.
Una gran cantidad de energía en investigación se ha invertido en los últimos 15 años en la
comprensión detallada de los mecanismos que siguen a la hipoxia tisular. Especialmente en
la búsqueda de mecanismos que tiendan a cerrar la brecha existente entre el avanzado
conocimiento fisiológico del evento isquemia/anoxia y su correlato en la práctica clínica en
el paciente críticamente enfermo.
El objetivo de ésta sesión será entonces el de describir la fisiología de la hipoperfusión a
partir de la descripción de un modelo explicativo del fenómeno isquémico anóxico a nivel
celular y correlacionarlo con la situación clínica de un paciente crítico.
Antes de profundizar en el evento que nos ocupa es preciso definir un par de conceptos
básicos de cuyo cabal entendimiento depende la comprensión final del déficit de oxígeno a
nivel celular.
1. La construcción de ATP: Normalmente la transformación de los nutrientes básicos
en el ciclo de Krebs produce finalmente agua, dióxido de carbono y cuatro pares de
electrones, los que a su vez son transportados hacia la cadena respiratoria, al interior
de la mitocondria. El mecanismo mitocondrial consiste, sucintamente, en la pérdida
de uno de los electrones del hidrógeno, lo cual origina una corriente eléctrica. El
electrón sobrante ingresa en la cadena respiratoria hasta la Citocromo oxidasa, en la
que, finalmente, confluyen el electrón, el hidrógeno “protonado” y el oxígeno que
proviene del tracto respiratorio para dar como producto final agua. Esta reacción
genera ATP. En conclusión: si no hay disponibilidad de oxígeno, se acumulan los
electrones en la cadena respiratoria, no se produce agua y tampoco ATP.
2. Producción de energía anaeróbica: El desequilibrio entre el índice de oferta de
ATP a las células y las demandas celulares da como resultado la acumulación
intracelular de ADP, PI e H+. El efecto Pasteur, definido como el uso preferencial
de glucosa como sustrato metabólico, representa una respuesta temprana a la
hipoxia. A través del aumento del metabolismo de la glucosa, las células hipóxicas
consumen oxígeno en forma más eficaz. La hipoxia también reduce la síntesis de
proteínas al inhibir la elongación de las cadenas peptídicas, lo que resulta en la
acumulación intracelular de aminoácidos que aumentaran el pool de glucosa a
través de la gluconeogénesis
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3. Relación Oxígeno- ATP: Podemos entonces definir la hipoxia celular como una
condición en la cual la célula tiene una utilización anormal del oxígeno que la
obliga a un metabolismo anaeróbico. Otra definición podría ser la de definir la
hipoxia como una disminución del aporte de oxígeno a la mitocondria. Dicha
reducción, reduce la disponibilidad de ATP y por lo tanto, disminuye el
metabolismo celular y su función de mantenimiento de membranas. Existe entonces
una relación directa: una disminución del O2 genera una disminución del ATP al
bloquearse la transferencia de electrones. En las circunstancias clínicas que
incrementan las demandas de energía, se obtiene un incremento en la producción de
ATP y un aumento en el consumo de oxígeno.
Si por alguna razón disminuye la cantidad de oxígeno que llega a la mitocondria, se
disminuye proporcionalmente la descarga de electrones en la cadena de electrones, por falta
de este aceptor final. Este fenómeno restringe a su vez la producción de ATP, la cual tiene
consecuencias en el balance energético celular y muy rápidamente en las funciones
celulares.
Haremos la descripción con más detalle: El cambio inicial de la isquemia ocurre a nivel
intracelular, con incremento en el lactato y en los hidrogeniones. La acidosis intracelular,
en consecuencia se constituye en un factor desencadenante crucial.
Rápidamente ocurren cambios en la membrana celular, con alteraciones en la función y
transporte a través de la membrana. Un poco más tarde, la caída en los potenciales de
membrana ocasiona la entrada de sodio y la salida de potasio de la célula. Se activa la
enzima Na+ K+ ATPasa, la capacidad metabólica alterada de la célula consume ATP pero
es incapaz de repletarlo.
Aunque la actividad mitocondrial se encuentra incrementada, ésta es incapaz de mantener
las demandas energéticas y por lo tanto los niveles de ATP y AMPc pronto caen. Se
presentan cambios en la función mitocondrial, en el ciclo de Krebs y en el transporte de
electrones que provocan la caída de las enzimas Citocromo oxidasa, succinato
deshidrogenasa y Coenzima Q10. Otro cambio importante que se percibe es la alteración en
la regulación del calcio a través de la membrana.
Ocurre edema celular, reflejo de un deterioro progresivo en el sistema metabólico. Los
lisosomas se rompen, al igual que la mitocondria y la célula queda gradual e
irreversiblemente destruida.
Por otro lado, ésta cascada de fenómenos puede, en mi concepto, ser mejor y más
claramente explicada a partir del siguiente modelo:
El doctor Benjamín Trump patólogo de la Universidad de Duke en Durham, North Caroline
U.S.A., describió hace algunos años en forma didáctica un modelo de isquemia/anoxia que
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consta de siete etapas, las tres primeras reversibles y, luego de una etapa de transición, las
últimas tres, que, irreversibles, aceleran la muerte celular. En general los eventos son como
sigue:
- Disminución en la síntesis del ATP con incremento del ADP / ATP.
-Activación de la glucólisis anaeróbica con disminución del pH que se asocia a
un amontonamiento de la cromatina nuclear.
- Pobre actividad de la bomba de sodio con el consiguiente aumento del sodio y
agua intracelulares.
- Dilatación del retículo endoplásmico.
- Contracción mitocondrial.
edema mitocondrial.
Posteriormente la entrada del sodio produce
- El edema determina protrusiones en la membrana celular.
- Aumenta la permeabilidad de la membrana celular y hay influjo de otros
iones como el calcio.
- Las mitocondrias alcanzan gran tamaño y las hidrolasas lisosómicas
aumentan en su interior.
- El calcio invade a las mitocondrias y forma depósitos de fosfato de calcio
cerca de la membrana interna mitocondrial.
- Otras mitocondrias se repletan de un material denso, floculado, que
representa proteínas desnaturalizadas.
- Las hidrolasas lisosómicas atacan varios componentes con destrucción de las
estructuras celulares.
Las fases son:
•
Fase I : Una consecuencia inmediata de la falta de disponibilidad de ATP es la
activación de la vías productoras de ácido láctico con una consecuente acidosis
intracelular que, microscópicamente, se caracteriza por un “apelotonamiento”
reversible de la cromatina nuclear, producto de la pérdida de los puentes de potasio
con una disminución en la síntesis de RNA nuclear.
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•
Fase II y III: La persistencia del déficit de perfusión y de la limitación en la
disponibilidad de ATP, altera el funcionamiento de la ATPasa Na/K, con acúmulo
de Na intracelular y edema secundario, manifiesto en la mitocondria y el retículo
endoplásmatico,.comienzan a aparecer algunas bulas en la pared celular y una
pérdida de los gránulos mitocondriales.
•
Fase III: Se acentúa el edema celular y mitocondrial, con un compromiso de sus
funciones. Hay dilatación del retículo endoplásmatico y de las crestas
mitocondriales, que se acompaña de una pérdida de potasio y una inhibición de la
síntesis proteica.
•
Fase IV: Etapa de transición según Trump, constituye un paso más en la progresión
del edema celular y mitocondrial pero además se caracteriza por un ingreso masivo
de calcio a la célula. En efecto, cuando el ingreso de Ca es masivo, se satura la
calmodulina, formándose un complejo Calcio-Calmodulina que produce efectos
muy lesivos: a) Activa fosfolipasas que hidrolizan los fosfolípidos de las
membranas; b) Altera el esqueleto celular, la orientación de los organelos y
aumenta las vesículas autofágicas; c) Separa las uniones intercelulares y
d) Aumenta el calcio mitocondrial. Estas acciones producen un daño irreversible en
la célula.
•
Fases V a VII: Es la continuación de un proceso irreversible que conduce a la
ruptura de lisosomas, a la necrosis celular y la liberación de sustancias tóxicas.
Como se ha podido evidenciar, el evento Isquemia/Anoxia tiene, si no es corregido,
consecuencias devastadoras para la célula. Sin embargo, en el contexto clínico ninguna de
las técnicas existentes para la medición bioquímica de la hipoxia (v.g medición de
disminución de ATP, incrementos de NADH y disminución en los niveles de citocromo
oxidasa, que requieren de un espectroscopio de resonancia nuclear magnética), resultan ser
aplicables.
Debemos entonces recurrir a la imprecisa y tardía evaluación clínica, la cual no refleja en
forma precoz el daño celular (obnubilación, gasto urinario disminuido, signos vitales
anormales) o a medidas bioquímicas de más amplia aplicación.
Existen pruebas sanguíneas que detectan la hipoxia (lactato, pH, DO2/VO2, SVO2, delta
PCO2) muy útiles en variados condiciones del paciente crítico pero que fallan para detectar
hipoxias regionales.
Existen, finalmente índices de hipoxia regional como: la tonometría gástrica, mediciones de
flujo sanguíneo regional, electrodos polarográficos de oxígeno, espectrometría infrarroja,
espectroscopia NMR y la tomografía con emisión de positrones.
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En conclusión, en la práctica, la reanimación del paciente en estado de choque, debe incluir
nociones de intensidad y tiempo. Es decir cualquier intervención terapéutica debe ser lo
suficientemente intensa como para lograr restaurar el VO2 en el menor tiempo posible.
Para recordar:
Fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos
NADH, NADPH, FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno
molecular, acoplado con la síntesis de ATP. Este proceso metabólico está formado por un
conjunto de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde
el oxígeno es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente agua.
La fosforilación oxidativa es un proceso bioquímico que ocurre en las células. Es el proceso
metabólico final (catabolismo) de la respiración celular: la glicólisis y el ciclo del ácido
cítrico. De una molécula de glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP mediante la
fosforilación oxidativa.
Dentro de las células, la fosforilación oxidativa se produce en las membranas biológicas.
En procariotas es la membrana plasmática y en eucariotas es la membrana interna de las
dos que forman la membrana mitocondrial. El NADH y FADH2, moléculas donadores de
electrones que "fueron cargadas" durante el ciclo del ácido cítrico, se utilizan en un
mecanismo intrincado (que implica a numerosas enzimas como la NADH-Q reductasa, la
citocromo c oxidasa y la citocromo reductasa), gracias a la bomba H+ que moviliza los
protones contra un gradiante de membrana. (Ver Figura 1)
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Figura 1.
Esquema de la Fosforilación oxidativa a nivel de la membrana mitocondrial
Un gran complejo proteico llamado ATP-sintetasa situado en la membrana, permite a los
protones pasar a través en ambas direcciones; genera el ATP cuando el protón se mueve a
favor de gradiente, y consume una molécula de ATP para bombear un protón en contra de
gradiente. Debido a que los protones se han bombeado al espacio intermembranoso de la
mitocondria en contra de gradiente, ahora pueden fluir nuevamente dentro de la matriz
mitocondrial y mediante la vía ATP-sintetasa, se genera ATP en el proceso. La reacción es:
ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O
Cada molécula de NADH contribuye suficientemente a generar la fuerza motriz de un
protón que produzca 2.5 moléculas de ATP. Cada molécula de FADH2 produce 1.5
moléculas de ATP. Todas juntas, las 10 moléculas de NADH y las 2 FADH2 contribuyen a
través de la oxidación de la glucosa (glucólisis, conversión de piruvato en acetil-CoA y
ciclo de Krebs) a formar 34 de las 30 moléculas totales de ATP transportadoras de energía.
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Hay que decir que estos valores de moléculas de ATP son máximos. En realidad cada
molécula de NADH contribuye a formar entre 2 y 3 moléculas de ATP, mientras que cada
FADH2 contribuye a un máximo de 2 moléculas de ATP. (Ver Figura 2)
Figura 2
Cadena Transportadora de electrones
Representación minimalista de la cadena de transportadora de electrones(CTE). La energía obtenida a través
de la transferencia de electrones(flechas negras) a lo largo de la CTE es usada para bombear protones (flechas
rojas) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico de
protones a través de la membrana mitocondrial interna denominado ∆Ψ. Este gradiente electroquímico de
protones permite a la ATP sintasa utilizar el flujo de H+ que se genera a través de esta enzima para generar
ATP a partir de adenosina difosfato (ADP) y fosfato inorgánico.
Referencias.
1. ATS Guidelines. “Tissue hypoxia: How to detect; how to correct; how to prevent”.
Report in Third European Consensus Conference in Intensive Care Medicine. 1996
2. Baue., Arthur. “Physiology of Shock and Injury” En Séller., E. “Shock and
Resuscitation. McGraw Hill : United States. 1993. p 67-125
3. Gómez., Alonso. “Choque”. En: “Cuidado Intensivo y Trauma”. Distribuna:
Bogotá.2002. p 3-45.
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4. Gutiérrez., Guillermo: “Oxigenación Tisular y metabolismo de fosfato de alta
energía” En Schoemaker M. “Critical Care”. Saunders : Philadelphia. 2002. p 300305.
5. Peterson., Patti. O’Neil Brian. “Initial Evaluation and Management of
Neuroemergencies”. En “Neurologic and Neurosurgical Emergencies”. Saunders:
Houston. 1998. p 1-21.