Capítulo 44 Cómo se comunican eléctricamente las células del
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Capítulo 44 Cómo se comunican eléctricamente las células del corazón Dr. Javier Moreno Médico especialista en Cardiología. Cardiólogo y médico adjunto de la Unidad de Arritmias del Hospital Clínico San Carlos, Madrid Introducción a la comunicación eléctrica de las células cardíacas El corazón late de forma ininterrumpida desde su desarrollo embrionario hasta el fallecimiento, bombea sangre para todo el organismo y hace de verdadero motor de la vida. Sin embargo, esto no lo lleva a cabo de forma constante a un ritmo fijo, sino que modifica el número de contracciones por minuto en respuesta a las necesidades puntuales del sujeto. Cuando se necesita un mayor aporte de oxígeno al organismo, el corazón es capaz de aumentar la frecuencia y el vigor de su contracción para así suministrar un mayor flujo de sangre. Al aumentar ambos (frecuencia y vigor), se incrementa el número de litros que va a bombear por minuto. En condiciones de reposo, para mantener un aporte adecuado de sangre al organismo, se necesita que el corazón bombee unos 4-5 litros de sangre por minuto, y durante un esfuerzo físico intenso, el cuerpo puede requerir más de 10 l por minuto. El corazón es el principal involucrado en cubrir las demandas metabólicas del individuo desde el mismo momento en que se incrementan. Es decir, el corazón debe poder regular el número de sus contracciones según las demandas del organismo, y es capaz de acelerarse o frenarse de forma automática e independiente de nuestra consciencia y voluntad. Para ello, tiene zonas capaces de generar de manera espontánea e independiente impulsos eléctricos a 50, 60 ó 70 latidos por minuto (lpm) de forma basal. Estas zonas pueden acelerarse hasta los 200 lpm (en función de la edad) para satisfacer las necesidades de flujo de sangre que el organismo requiere. Esos impulsos eléctricos autogenerados deben además poder conducirse a lo largo del corazón, para que no sólo sea esa zona la que se active a una frecuencia determinada, sino todo el resto del corazón. Así, el tejido cardíaco tiene la capacidad de estar conectado eléctricamente entre sí para que si una zona se activa a 60 lpm, los impulsos ahí generados se expandan por el resto del corazón y todo él lata a la misma frecuencia. Es como tirar 60 piedras en medio de un estanque, una por segundo. Todo el estanque ondulará 60 veces por minuto, pues el agua transmite el movimiento mecánico resultante del impacto de cada piedra. Asimismo, el corazón es capaz de transmitir de forma eléctrica, como un cable de la luz, las activaciones eléctricas que se generen en un foco al resto del corazón. Anatomía de la generación y la conducción de los impulsos cardíacos El corazón está formado por cuatro cavidades. Dos pequeñas cavidades llamadas aurículas, en la parte alta, recogen la sangre que llega al corazón como si fueran dos bolsas. En la aurícula derecha reside la zona cardíaca que más impulsos crea por minuto, el nodo sinusal; de ella sale la inmensa mayoría de los latidos normales. Esta zona está formada 395 libro de la salud cardiovascular Figura 1. Anatomía cardíaca Arteria pulmonar Ventrículo izquierdo Arteria aorta Vena cava Haz de his Rama izquierda Rama derecha Nodo sinusal Nodo AV Aurícula derecha Ventrículo derecho Modelo plástico del corazón que muestra las cavidades cardíacas y las zonas claves en la propagación de los impulsos eléctricos cardíacos. Se muestran la posición anatómica del nodo sinusal y el nodo auricu­ loventricular en la aurícula derecha, el haz de His por dentro de los tabiques musculares cardíacos y sus dos ramas: una discurre por el ventrículo derecho y la otra atraviesa la zona interventricular para ir al izquierdo. por células capaces de autoactivarse eléctricamente, generando de forma autónoma impulsos eléctricos. Las aurículas se encuentran separadas entre sí por un tabique muscular cardíaco que impide el paso de sangre entre ellas. Sin embargo, ese tabique sí permite la conducción de la electricidad, por lo que ambas aurículas se activan y contraen de forma casi simultánea al transmitirse libremente el frente eléctrico de activación entre ellas. Cada aurícula comunica su sangre con un ventrículo —grandes cavidades musculares del corazón cuya principal función es bombear con energía la sangre que les llega de cada aurícula—. El ventrículo derecho bombea la sangre venosa a los pulmones para que se oxigene. El izquierdo bombea la sangre que llega ya oxigenada de los pulmones y la manda al resto del cuerpo. El ventrículo izquierdo es la cavidad con una musculatura más gruesa para poder eyectar con fuerza y presión la sangre que tendrá que llegar hasta el cerebro y a sitios tan lejanos como los pies y las manos. Para que el corazón funcione adecuadamente se requiere que una zona genere los impulsos (nodo sinusal), que el resto del tejido los transmita como si fuera un gran 396 cable ancho, pero sobre todo que el músculo de las cavidades se contraiga de forma sincronizada, no de manera errática. Primero se tienen que contraer las aurículas, vaciándose de sangre hacia los ventrículos, y poco después éstos tendrán que contraerse de forma sincronizada y simultánea bombeando la sangre recibida al resto del cuerpo. Tras una breve pausa, tanto las aurículas como los ventrículos estarán listos para contraerse en un nuevo ciclo las veces que sean necesarias por minuto. Esto implica que aurículas y ventrículos no deben latir de forma independiente pero tampoco simultánea; si esto sucediese, las aurículas bombearían contra los ventrículos ya cerrados por su propia contracción y no podrían mandarles la sangre. Por ello, en la unión entre aurículas y ventrículos no se conduce la electricidad directamente de célula a célula como en el resto del corazón. El frente eléctrico que viene por las aurículas se transmite a través de una única estructura que se comporta como un pequeño cable lento, capaz de retrasar durante la quinta parte de un segundo el paso de la electricidad generada en las aurículas a los ventrículos. Este cable lento se denomina nodo auriculoventricular, y de ahí el impulso ya saldrá a gran velocidad (hasta 4 m/s) hacia un único cable entre las aurículas y los ventrículos llamado haz de His, que a su vez se bifurcará en sus dos grandes ramas, una para cada ventrículo. Estas ramas dan lugar a su vez a una miríada de fibras o terminales eléctricos repartidos difusamente por los ventrículos, de tal manera que el frente eléctrico que ha salido retrasado por el nodo auriculoventricular desde su origen en las aurículas acaba activando los ventrículos en múltiples sitios simultáneamente. Cada uno de estos múltiples frentes eléctricos se transmitirá pasivamente de célula a célula ventricular a velocidades de alrededor de 1 m/s hasta activarse todo el tejido de los ventrículos. Así se consigue una contracción de ambos ventrículos de forma simultánea, sincronizada y retrasada respecto a las aurículas, dando tiempo a que éstas vacíen su sangre al contraerse contra unos ventrículos relajados. Cuando el ritmo cardíaco depende de las activaciones eléctricas generadas en el nodo sinusal será denominado ritmo sinusal. Este ritmo es el normal en la inmensa mayoría de la población, con frecuencias que oscilan de forma muy variable en reposo entre 50-80 lpm y que llegan en máximo esfuerzo hasta aproximadamente 220 lpm en niños y hasta unos 140 lpm en personas de 70-80 años. En corazones de sujetos deportistas estas frecuencias son habitualmente menores dado que su organismo regula mejor la demanda de oxígeno para un mismo esfuerzo y Cómo se comunican eléctricamente las células del corazón Mecanismos que subyacen a los fenómenos eléctricos cardíacos Toda la actividad cardíaca está mediada por el paso de electricidad o corrientes eléctricas entre el interior y el exterior de las células cardíacas. Ante esta afirmación cabe preguntarse cómo el corazón es capaz de generar y transmitir electricidad. El mecanismo es muy complejo, pero común en el mundo animal, incluso en las más pequeñas bacterias. La manera más rápida que tiene la Naturaleza para que los seres vivos tengan capacidad de respuesta inmediata ante cualquier situación es condicionar sus respuestas al paso de corrientes eléctricas. La electricidad del cuerpo permite que estructuras lejanas entre sí, como la cabeza y las piernas, puedan sincronizarse en décimas de segundo a través de cables, a los que llamamos nervios. Así, desde un grupo neuronal en la cabeza se puede generar un frente eléctrico que, a través de las redes de nervios, llegará hasta la musculatura de la pierna y nos permitirá moverla de forma casi inmediata al momento en que se decida hacerlo. Esto se consigue mediante dos factores. El primero, el hecho de que las células nerviosas, musculares esqueléticas y musculares cardíacas son capaces de tener un estado eléctrico en su interior diferente al medio o líquido exterior que las rodea. El segundo, el hecho de que las células adyacentes de estos tres tipos no están aisladas del todo entre ellas, si no que se comunican en algunas zonas por pequeños túneles (gap junctions) capaces de permitir el paso de electricidad en forma de traspaso de átomos con carga eléctrica (iones) de sodio, potasio, calcio, cloro… entre ellas. El primer factor, la presencia de carga eléctrica diferente al medio ambiente que las rodea, se consigue mediante la presencia de una membrana que rodea toda la célula, que es impermeable para todas las moléculas y que no traspasa la electricidad. Sólo la presencia de múltiples pequeños poros llamados canales iónicos, selectivos a los diferentes iones, permite que en función del estado eléctrico de la célula, entren o salgan los diferentes iones a favor de su gradiente electroquímico entre el interior y el exterior de la célula. Si estos canales están cerrados, ningún ión pasará la membrana. Por el contrario, si están abiertos, los iones pasarán a toda velocidad de un sitio a otro en función de dónde predominen (en el interior o en el exterior celular), o bien de hacia dónde se sienta el ión atraído eléctricamente según su carga eléctrica positiva o negativa. Así, los iones cargados eléctricamente de forma positiva (como el sodio, el potasio o el calcio) serán atraídos por el medio intra- o extracelular que tenga un predominio de cargas negativas. Lo contrario sucede para los iones negativos como el cloro. Para mantener las diferencias eléctricas e iónicas que existen entre el interior y el exterior de las células es vital conocer que las células tienen unos canales especiales llamados bombas iónicas capaces de sacar iones de su interior en contra de su gradiente electroquímico. Es decir, estas bombas traspasan iones entre el interior y el exterior de la célula independientemente de dónde predominen o de las cargas eléctricas que haya en cada sitio. Son capaces Figura 2. Flujo de corrientes eléctricas en el corazón Iones de sodio Exterior celular Bomba de iones Canal de sodio Gap junctions que en ocasiones tienen ventrículos ligeramente mayores capaces de bombear más volumen de sangre en cada embolada. Iones de potasio Canal de potasio Interior celular Iones de calcio Este diagrama ilustra el interior y el exterior de las células cardíacas. Se muestran, en varios colores, diferentes tipos de canales iónicos en forma de túnel que comunican el interior con el exterior de la célula. A través de ellos pasan de manera pasiva los átomos cargados eléctricamente (iones), lo que determina el estado eléctrico de la célula cardíaca. En el medio exterior abundan el sodio y el calcio, y con ellos las cargas eléctricas positivas (+30 mV). En el interior, de predominio eléctrico negativo (–80 mV), abundan otros iones como el potasio. La diferencia en las cantidades de estos iones a ambos lados de la membrana celular son fundamentales para que pueda generarse y transmitirse la electricidad por el corazón. Las bombas de iones permiten el movimiento de átomos a zonas donde ya predominan, equivalente a movimientos río arriba, por lo que son activos y la célula gasta energía con ellos. 397 libro de la salud cardiovascular de mover iones contra corriente. Así, por ejemplo, las células cardíacas pueden sacar átomos de sodio de su interior hacia el medio exterior a pesar de que en éste hay mucho más sodio y está lleno de cargas positivas con respecto al interior de la célula, que es eléctricamente negativo por predominio de átomos y moléculas de carga negativa. La carga eléctrica celular exterior es de +30 milivol­ tios (mV) mientras que en el interior (potencial de membrana) es de –80 mV. Esta diferencia de iones y de estado eléctrico entre el interior y el exterior de la célula es la base para que las células cardíacas puedan responder a señales a máxima velocidad. Así, la apertura masiva por cualquier motivo de los canales iónicos de una célula haría que se igualasen las diferentes concentraciones de iones a ambos lados de la membrana celular, lo cual ocurriría en milésimas de segundo. Sería como liberar de repente una presa de un gran embalse, que haría que se igualase inmediatamente la cantidad de agua a ambos lados de la presa. Si a una célula cardíaca llegan cargas positivas (iones) desde otras células adyacentes, su carga eléctrica cambia y pierde su gran negatividad eléctrica (–80 mV). Si cae por debajo de –60 mV se produce automáticamente la apertura de los múltiples canales de sodio que hay en la membrana. A través de ellos se produce una entrada ingente de millones de átomos de sodio al interior a favor de su gradiente electroquímico, lo que lleva a positivizar eléctricamente la célula (+30 mV, como el medio exterior) en escasas milésimas de segundo. Esa sobrecarga brutal de átomos de sodio (con carga eléctrica positiva) se va a difundir a las células adyacentes a través de los túneles que las comunican. Cuando las células anexas reciban así muchas cargas positivas desde la activada, se cambiará el potencial negativo (–80 mV) de ellas hacia valores menos negativos. Cuando alcancen los –60 mV, sus propios canales de sodio se abrirán, inundándose de sodio estas células adyacentes y transmitiéndoselo a las anexas. Así se transmite el frente eléctrico por todo el corazón. En el momento en que las células se activan, pasando a tener carga eléctrica positiva, se produce también una entrada importante de iones de calcio que, mediante una serie de mecanismos, desencadenará la contracción de la célula cardíaca. Así, estos mecanismos iónicos permiten que los impulsos eléctricos (cardíacos o nerviosos) se transmitan de célula a célula a altísima velocidad, permitiéndonos mover una mano con máxima precisión o transmitiendo los impulsos cardíacos por todo el corazón. Una vez activadas, gracias a las bombas iónicas, las células expulsarán estos iones en exceso y volverán a tener las concentraciones iónicas y de cargas eléctricas de su estado habitual de reposo. Es decir, volverán a construir la presa para que existan nuevamente las diferencias habituales entre el interior y el exterior de la membrana celular. En las células cardíacas esto requiere entre un cuarto y un tercio de segundo. Una vez que se encuentra de nuevo en reposo, la célula cardíaca está lista para ser activada. Mecanismos de generación de impulsos y respuesta a las necesidades del organismo Notando el pulso arterial en el cuello o en una muñeca se puede saber cuántos latidos tenemos en un minuto y si éstos son rítmicos (todos iguales) o diferentes entre sí (arrítmicos). Si los latidos no tienen una cadencia constante en el tiempo, tendremos una arritmia. 398 Pero ¿cómo se generan las pequeñas descargas eléctricas en la zona del nodo sinusal que al propagarse harán que todo el corazón se active y se contraiga? Hemos comentado que Cómo se comunican eléctricamente las células del corazón algunas células cardíacas presentan canales especiales que van dejando pasar cargas positivas de forma continua desde el exterior. Es decir, hay células que tienen unos canales iónicos que nunca se cierran por completo. Al no cerrarse, provocan que pequeñas cargas positivas desde el exterior de la célula (donde abundan en mayoría los iones positivos) entren continuamente a su interior, haciendo que la carga eléctrica del interior de la célula vaya poco a poco acercándose de los –80 mV de reposo a –60 mV. En el momento en que la carga eléctrica de la célula llegue a –60 mV, los grandes canales de sodio se van a abrir y tendrá lugar la inundación masiva de la célula de cargas positivas (principalmente de sodio y calcio), transmitiéndoselas por poros a las células de alrededor. Así, una única célula o grupo pequeño de células en el nodo sinusal es capaz de generar todo el ritmo del corazón. Como este tipo de células se encuentra en la aurícula derecha en la región del nodo sinusal, llamaremos al ritmo cardíaco normal que se genera allí ritmo sinusal. Este ritmo es muy fácil de identificar en el electrocardiograma y nos permitirá conocer si un paciente tiene un ritmo cardíaco normal (sinusal) o un ritmo no normal (arritmia). Las células capaces de generar espontáneamente actividad eléctrica son denominadas células automáticas. Existen varias zonas del corazón con células con capacidad automática. Las que se autoactivan más rápidamente son las sinusales, pero hay otras, como las células del nodo auriculoventricular, que también son capaces de autoactivarse. Sin embargo, en condiciones normales, todas estas zonas no se autoactivan más allá de 40 veces por minuto, por lo que su actividad es habitualmente suprimida por los frentes eléctricos provenientes de la activación sinusal, que ocurre más rápidamente entre los 50-80 lpm en reposo. El automatismo del nodo sinusal —es decir, el mecanismo que determina la frecuencia cardíaca en condiciones normales—, responde a las necesidades de nuestro organismo aumentando la frecuencia cuando realizamos ejercicio o en situaciones de estrés. Lo contrario ocurre cuando dormimos. Esto se consigue gracias a que el tiempo que tarda la autoactivación de dichas células (el paso espontáneo de –80 mV a –60 mV) varía en función del nivel en la sangre de hormonas relacionadas con el esfuerzo (catecolaminas). Así, cuando se hace ejercicio, o ante situaciones de estrés, el cuerpo libera muchas catecolaminas a la sangre y éstas acelerarán la autoactivación del nodo sinusal y con ello la frecuencia cardíaca. En situaciones de reposo o Onda POnda QRS Intervalo AV Electrocardiograma normal que muestra un ritmo cardíaco sinusal normal, con un retraso (intervalo auriculoventricular) entre aurículas (ondas P) y ventrículos (ondas QRS) normal de 0,2 s y un tiempo de activación de los ventrículos (onda QRS) normal de 0,1 s. durante el sueño, la presencia de bajas cantidades de catecolaminas en la sangre condicionará que el nodo sinusal se active más lentamente. Esto se produce porque las catecolaminas modifican de forma casi inmediata los canales iónicos, haciéndolos más o menos permeables a las cargas eléctricas positivas del exterior celular y, con ello, acelerando o retrasando la autoactivación de las células automáticas del nodo sinusal. Consultas más frecuentes ¿Por qué late el corazón a un ritmo independientemente de lo que la persona quiera? Porque las células cardíacas son capaces de generar latidos de forma espontánea y automática sin conexión con la parte de nuestro cerebro que controla la consciencia. Crean latidos mediante la autogeneración de pequeñas descargas eléctricas que luego transmiten al resto del corazón de forma casi inmediata y muy sincronizada. ¿Por qué cuando alguien está nervioso nota más rápido y más fuerte el corazón? Porque el número de latidos por minuto y la fuerza de la contracción del corazón dependen de la cantidad en la sangre de las hormonas del esfuerzo y el estrés del cuerpo, llamadas catecolaminas. Así, ante una situación de nervios, se liberan muchas catecolaminas a la sangre y éstas afectan a la electricidad (latidos por minuto) y a la contracción (fuerza) del corazón, acelerándolo y aumentando el vigor de sus contracciones. 399 libro de la salud cardiovascular ¿Se puede ver de alguna manera sencilla cómo es el ritmo del corazón? Con notarse el pulso arterial en el cuello o en una muñeca se puede saber cuántos latidos tenemos en un minuto y si éstos son rítmicos (todos iguales) o diferentes entre sí (arrítmicos). Si los latidos no tienen una cadencia constante en el tiempo, tendremos una arritmia. ¿Cómo puede saberse si el ritmo del corazón es sinusal? Mediante un electrocardiograma. Es una prueba sencilla, barata e indolora que permite determinar si el ritmo cardíaco es el normal sinusal o cualquier otro. El electrocardiograma registra la actividad eléctrica producida por el propio corazón desde electrodos en la piel. Como la intensidad de la señal es muy pequeña, es necesario amplificarla enormemente para poder visualizarla y medirla. ¿Qué modifican en el corazón las medicaciones antiarrítmicas? Los fármacos antiarrítmicos ejercen su función modificando el estado y la permeabilidad de los diferentes canales iónicos de las células cardíacas. Aumentando o disminuyendo la función de algunos canales podemos tener menos arritmias. Sin embargo, en dosis muy altas todos ellos podrían causar importantes efectos secundarios al entorpecer el normal comportamiento eléctrico del corazón. Glosario Canal iónico: estructura con forma de túnel que comunica directamente el interior con el exterior de las células permitiendo, cuando está abierto, el paso de iones cargados eléctricamente a través de él. Hay muchos tipos y la mayoría son específicos para un único tipo de ión. Se abren o cierran en función de la carga eléctrica de la célula (la mayoría) o ante la llegada de determinadas sustancias a la célula. Ión: átomo o agrupación de átomos que, por pérdida o ganancia de uno o más electrones, adquiere carga eléctrica. Por ejemplo, iones de sodio, calcio, potasio… Membrana celular: pared que recubre la totalidad de las células cardíacas. Es impermeable y no conduce la electricidad. Sólo la presencia de poros hacia el exterior (canales iónicos) y de túneles hacia otras células (gap junctions) permite el paso de mínimas moléculas o átomos con cargas eléctricas (iones). Potencial de membrana: representa la carga eléctrica del interior celular. En reposo es de aproximadamente –80 mV. Cuando la célula se activa llega hasta los +30 mV. Bibliografía Dubin, D. Ion Adventure in the Heartland: Exploring the Heart’s IonicMolecular Microcosm. Tampa, FL: Cover Pub Co., 2003. Hernández, A. C. «Genética y arritmias: de la investigación a la práctica clínica». Avances Cardiológicos 26, núm. 3 (2006): 107-115. J alife , J., M. D elmar, J. D avidenko, y J. A numonwo. Basic Cardiac Electrophysiology for the Clinician. Armonk, NY: Futura Publishing Co., 2002. Icarito. El cuerpo humano. Sistema cardiovascular. http://www. icarito.cl/icarito/dossier/sumario/0,0,38035857__304,00.html. (Fecha de consulta: 28/11/08.) Zipes, D. y J. Jalife, comps. Cardiac Electrophysiology: From Cell to Bedside. Filadelfia: Saunders, 2004. Resumen • El corazón se contrae de forma continua y sincronizada durante toda la vida y responde a las necesidades del cuerpo humano latiendo más o menos rápido y más o menos fuerte. • El latido cardíaco, a diferencia de los movimientos respiratorios, no puede ser controlado por el cerebro. Esto requiere que el propio corazón sea capaz de generar sus latidos de forma espontánea y que, además, tenga la capacidad de acelerarlos o frenarlos automáticamente en función de nuestras necesidades. Asimismo, esos latidos deben propagarse por todo el corazón de 400 forma muy rápida (en décimas de segundo) y activar de manera secuencial primero las aurículas y luego los ventrículos para un correcto bombeo de la sangre. Todos estos requerimientos sólo se pueden conseguir gracias a que todas las células cardíacas transmiten electricidad y algunas son capaces de generarla espontáneamente. • Los mecanismos que controlan el estado eléctrico del corazón son muy complejos, pero comunes en el reino animal, incluyendo las más pequeñas bacterias. En el capítulo se describe cómo se genera y se transmite la electricidad por el corazón.
