Introducción

Los avances en el conocimiento científico respecto de los mecanismos involucrados en la regulación de la función celular, sitúan al calcio en un lugar de gran trascendencia. El calcio iónico (Ca +2) es la forma como se solubiliza este elemento en los líquidos biológicos, participando tanto en funciones extracelulares como intracelulares. A nivel extracelular se le relaciona por ejemplo, con el proceso de la coagulación sanguínea al actuar como cofactor en la activación de enzimas plasmáticas, que participan en el mecanismo de formación del coágulo de fibrina. A nivel intracelular, –que corresponde al objetivo de esta revisión–, se le asocia con fenómenos fisiológicos de importancia tales como la contracción muscular, la liberación de neurotransmisores, los fenómenos de exo y endocitosis, el movimiento de los cromosomas previo a la división celular y, posiblemente también participe en este último proceso, lo que le asigna cierta importancia en los fenómenos de crecimiento y desarrollo.

La primera evidencia de la participación del Ca +2 como regulador de la actividad celular se obtuvo en 1883, a través de los ensayos del fisiólogo británico Sydney Ringer, quien observó que la contracción muscular del corazón de rana aislado, sólo podía mantenerse si al medio en que permanecía el órgano se le agregaba Ca+2. Más adelante, en 1952 L. Heilbrunn observó que la inyección de una pequeña cantidad de Ca+2 a una fibra muscular provocaba su contracción y así propuso  su  teoría  «de la estimulación celular», en que atribuía a la concentración citosólica de Ca +2 un papel determinante en la actividad reguladora celular.

¿Por qué el calcio ?

Si bien los antecedentes históricos demuestran la participación del calcio en la función celular, es interesante describir por qué la evolución escogió a este elemento para desempeñar un papel regulador y no a otros, que también se encuentran en los líquidos biológicos.

Para cumplir con una función reguladora, el elemento regulador debe unirse en forma específica a ciertas proteínas, unión que permite a estas últimas modificar su conformación o forma espacial y su actividad, ya sea aumentándola o disminuyéndola. Estas proteínas son generalmente enzimas, es decir, catalizadores de reacciones biológicas que al activarse cumplen un rol amplificador. En los líquidos biológicos se encuentran iones monovalentes tales como: cloruro (CI), potasio (K+) o sodio (Na+); por el hecho de poseer una sola carga eléctrica su unión con las proteínas es más bien débil. También se encuentran iones poliatómicos como fosfato (HPO4–2) y bicarbonato  (HCO3); éstos por su gran volumen no son capaces de establecer complejos estables con las proteínas.

El Mg+2 es un ión divalente con un radio iónico menor al del calcio, de modo que al unirse a las proteínas induce que estas adopten una conformación más bien rígida, lo que afecta su funcionamiento. Las proteínas no son lo suficientemente flexibles como para conformar una cavidad que se adapte perfectamente a las pequeñas dimensiones del Mg+2.

La unión de las proteínas al Ca+2 provoca un cambio conformacional menos drástico que el inducido por el Mg+2, lo que permite una unión más fuerte y específica. Así, se ha determinado que algunas proteínas se unen al Ca+2 en forma estable, excluyendo al Mg+2, aunque la concentración citosólica de este último sea hasta mil veces mayor.

El calcio como segundo mensajero intracelular

Se conoce como segundo mensajero intracelular a aquella sustancia que ejerce una acción metabólica como respuesta a una señal extracelular. Para desempeñar este papel debe cumplir con ciertas condiciones tales como:

– Su concentración dentro de la célula debe experimentar amplias oscilaciones y, – Como consecuencia de sobrepasar cierto umbral o nivel de concentración, debe unirse con gran afinidad y especificidad a una proteína efectora.

Para cumplir con estas condiciones, la concentración de Ca+2 debe experimentar aumentos de hasta 10 veces en el citosol para alcanzar el umbral necesario que le permita unirse a la(s) proteína(s) efectoras en forma específica y activarlas. La célula no es capaz de tolerar niveles más elevados de Ca+2 citosólico, ya que a mayores concentraciones puede combinarse con fosfatos orgánicos como el adenosin–trifosfato (ATP) formando sales insolubles del tipo de la hidroxiapatita, que corresponde al cristal de depósito de los huesos.

Mecanismos que regulan la entrada de CA+2 al citosol

La concentración extracelular de Ca+2 es aproximadamente mil a diez veces superior a la concentración intracelular del catión. La gran diferencia de concentraciones de Ca +2 entre el extra y el intracelular se mantiene gracias a la estructura de la membrana celular que es impermeable al paso de los iones, y a la presencia de canales iónicos (fig. 1), tanto en la membrana plasmática como en organelos intracelulares, que se en cargan de controlar el flujo iónico actuando como bombas enzimáticas que permiten ya sea el ingreso o la salida de Ca+2. Se describe que el aumento de la concentración de Ca +2 citosólico se debe a la movilización del ión a través de estos canales, tanto desde el extracelular como desde reservorios de Ca+2 intracelulares (retículo endoplásmico y sarcoplásmico).

La mayor parte de la información acerca de estos canales iónicos se ha obtenido desde aquellas células que poseen una mayor cantidad de los mismos, como son las células nerviosas musculares.

 Canal de CA+2 en músculo esquelético

Se describen dos mecanismos de activación de los canales de Calcio:

A) Uno de estos mecanismos es dependiente del potencial eléctrico de membrana; la depolarización de la membrana plasmática activa de los canales, abriéndolos y permitiendo el ingreso de Ca+2 hacia el citosol. Este mecanismo es característico de las células excitables como neuronas, miocitos y células adrenales lo que permite en este último caso, la liberación de catecolaminas durante la reacción de alarma.

Utilizando como ejemplo la contracción muscular (fig. 2), se observa que la depolarización de la membrana axónica y la consecuente apertura de los canales de Ca +2 en el terminal nervioso provoca el aumento de Ca +2 citosólico, que a su vez gatilla la fusión de las vesículas de almacenamiento de los neurotransmisores con la membrana axónica, permitiendo la salida de éstos hacia el espacio sináptico y su posterior unión a receptores específicos localizados en la membrana plasmática de la célula efectora. La depolarización de esta última permite el ingreso de Ca +2 a través de canales iónicos activados.

INCREMENTO DE CA+2 CITOSÓLICO POR DEPOLARIZACIÓN DE MEMBRANAS EN LAS CÉLULAS NERVIOSA Y MUSCULAR

No se conoce con exactitud el mecanismo que gatilla la liberación del «pool» de Ca+2 desde el retículo sarcoplásmico. Por un lado se piensa que la proximidad entre las invaginaciones de la membrana plasmática o túbulos transversos (túbulos T) con la membrana del retículo sarcoplásmico, transmitiría por vecindad de depolarización hacia este último, activando los canales de Ca+2 y la salida del ión desde el retículo hacia el citosol.

Otra posibilidad es que, como consecuencia de la depolarización de la membrana plasmática, se produzca el ingreso de pequeñas cantidades de Ca +2 extracelular, que se unirían a proteínas que conforman los canales de Ca+2 del retículo sarcoplásmico, activándolos y permitiendo la salida de Ca+2, siendo este ión el responsable de la contracción muscular.

B)  Existe otro tipo de canal iónico, presente tanto en células excitables como no excitables, que es independiente del potencial eléctrico de membrana. Se activa como consecuencia de la unión de un agonista extracelular (hormona, fármaco, toxina) a un receptor de membrana.

La formación del complejo agonista–receptor induce un cambio conformacional del receptor, que le permite interactuar y activar una proteína transductora de membrana, conocida como proteína G (intercambia nucleotido GTP por GDP en su activación), que en esta condición activa a una enzima llamada fosfolipasa–C cuyo rol es amplificar la señal extracelular a través de la hidrólisis de fosfoinositoles, que se encuentran en pequeñas cantidades en la membrana celular (fig. 3)

INTERNACIÓN DE LA INFORMACIÓN HORMONAL VÍA FOSFOLIPASA–C

Tanto el diacilglicerol (DAG) como el inositol trifosfato (IP3), generados por acción de la fosfolipasa–C se comportan como segundos mensajeros intracelulares. Así se describe que IP3 se une en forma específica a un receptor de membrana del retículo endoplásmico que estaría asociado a un canal de Ca +2; al activarse este último permite el flujo de Ca +2 desde este compartimento hacia el citosol.

Acción de CA+2 a nivel citosolico

Sobrepasado el umbral de concentración de Ca+2 citosólico, éste es capaz de interactuar con proteínas específicas, de modo que la activación de las mismas permite controlar algunas vías metabólicas que originan una respuesta orgánica más general.

En 1967 Setsuro Ebashi, describió una proteína denominada troponina–C, que activa la contracción de los músculos cardíaco y esquelético, constituyendo un sensor de Ca+2. Las células musculares poseen dos tipos de proteínas contráctiles: actina y miosina. La contracción muscular constituye un proceso cíclico que requiere energía y en él se establecen interacciones entre porciones específicas de los filamentos de actina y miosina, las que luego se rompen en respuesta a una disminución del Ca +2 citosólico (fig. 4).

La concentración normal del Ca +2 citosólico es de 0,1 µM (10–7 M), lo que constituye un valor de 10 mil veces inferior al del plasma sanguíneo. Cuando se produce incremento del Ca+2 citosólico hasta niveles de 10–6 M, es decir un aumento de 10 veces, el ión se une reversiblemente a la troponina–C que así cambia conformacionalmente y provoca un movimiento de otra proteína: la tropomiosina, produciéndose la contracción muscular, por desplazamiento de los filamentos de actina y miosina.

CONTRACCIÓN DE MÚSCULO CARDÍACO Y ESQUELÉTICO

En 1973, Jerry Wang describió que al aumentar la concentración de Ca +2 citosólico se producía la unión a una proteína denominada calmodulina, que se considera actualmente como un componente universal de las células eucarióticas. La calmodulina es una proteína muy flexible en cuya conformación espacial hay cuatro centros de unión a dominios, ingresando un ión Ca +2 a cada dominio (fig. 5).

ACTIVACIÓN DE LA CALMODULINA

La calmodulina también se activa en el músculo estriado por acción del Ca+2 citosólico. En este tejido, si bien la calmodulina no actúa directamente en la contracción muscular, lo hace indirectamente al activar la fosforilación de enzimas quinasas, algunas de las cuales participan en el desdoblamiento del glicógeno muscular que constituye la reserva energética para el proceso de la contracción muscular.

De esta forma, el aumento de Ca +2 citosólico en el músculo cardíaco y esquelético está asociado a un efecto rápido, que corresponde a la contracción muscular y, por otro lado, a un efecto metabólico más lento asociado a la calmodulina el que se relaciona con la obtención de energía para el proceso de contracción.

La calmodulina participa en la regulación de una serie de funciones celulares como por ejemplo, la liberación de hormonas, el control de la forma celular, el proceso de la división celular, la contracción del músculo liso; en este tejido, cuando el Ca +2 alcanza una concentración 10–6 M se une a la calmodulina formando el complejo activante de enzimas quinasas que finalmente fosforilan la cadena liviana de miosina que interacciona con la actina para producir la contracción muscular. La relajación muscular en todos los tipos musculares se produce como consecuencia del cese del flujo de Ca +2 hacia el citosol, acoplado a un sistema de recaptación de Ca+2–ATP dependiente, por parte del retículo sarcoplásmico.

La tensión desarrollada durante la contracción muscular es función de la concentración de Ca +2 citosólico, que a su vez depende de la velocidad de liberación y de recaptación por el retículo sarcoplásmico. Si la frecuencia del estímulo sobre el músculo aumenta, entonces el retículo sarcoplásmico es incapaz de disminuir el Ca +2 citosólico por debajo de 10–7 M entre cada estímulo. lo que impide al músculo relajarse llegándose al estado de clonus. Si la velocidad de estimulación aumenta aún más, no se produce una disminución significativa del ión en el citosol, lo que provoca la aparición de contracciones tetánicas.

En una perspectiva farmacológica, los canales de Ca+2 de las células excitables que se activan por el potencial eléctrico de membrana, son inhibidos por bloqueadores, entre otros por: verapamil, diltiazem  y  dihidropiridinas  como las nifedipinas. Estos fármacos que no inhiben los canales de Ca +2 activados por agonistas extracelulares, son utilizados en medicina humana para regular especialmente la contracción cardíaca, y se estudia su efecto como relajador del músculo liso del tracto digestivo en afecciones como colon irritable, espasmo esofágico y pseudoobstrucción intestinal crónica.

Más adelante, en 1977 se describió otra proteína conocida como proteínquinasa–C (PK–C) que, como consecuencia del aumento de Ca+2 citosólico, sufre una traslocación desde el compartimento citosólico ó soluble hacia el membranoso y allí se activa en presencia de Diacilglicerol (DAG). Para realizar su acción la PK–C fosforila una serie de enzimas intracelulares que regulan el ciclo celular, la liberación de hormonas y neurotransmisores, la concentración de receptores de membrana a través del proceso de «down regulation», etc. Además de ha descrito, que la PK–C participaría en la patogénesis del hígado graso del bovino presentando allí una menor actividad. La PKC es inhibida por la esfingosina, que es una molécula considerada como un regulador intracelular formada en las membranas celulares a partir de esfingolípidos.

Hoy se sabe que los segundos mensajeros generados en las células excitables por acción de agonistas extracelulares, son capaces de regular la actividad de los canales iónicos dependientes del potencial eléctrico de membrana. Se ha demostrado que PK–C y PK–A (esta última dependiente de la presencia de AMP cíclico), son capaces de regular la población de canales de Ca+2 en el músculo esquelético. Además, en el músculo cardíaco la estimulación ventricular de receptores b–adrenérgicos, incrementa la PKA que a su vez fosforila alguna subunidad proteica del canal L de Ca+2 (dependiente del voltaje); esto permite que el canal permanezca más tiempo abierto incrementando así 3 0 4 veces esta entrada de Ca+2 dependiente del voltaje. Por el contrario, la activación de receptores muscarínicos provoca una disminución de los niveles de PK–A disminuyendo así la fosforilación del canal de Ca +2 y el consecuente ingreso de Ca +2 al interior de la célula. Actualmente se estudian las subunidades proteicas de los canales de Ca+2, para establecer cual(es) de ellas pueden ser fosforiladas por enzimas quinasas, lo que permitiría establecer otro mecanismo de regulación intracelular.

Tanto el calcio como otros segundos mensajeros intracelulares, producidos ó acumulados en respuesta a un estímulo externo, pueden mediar la respuesta celular que finalmente desencadena una respuesta orgánica más general. Esta descripción molecular del funcionamiento celular, ejemplificada a través del calcio, intenta aportar algunos antecedentes que permiten una mejor comprensión del funcionamiento orgánico y sus proyecciones en relación a los puntos de regulación intracelular de dicho funcionamiento, y así explicar aspectos fisiológicos o patológicos, o bien predecir el efecto de una terapia y eventualmente sus efectos secundarios.

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