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.

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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.

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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.

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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.