REGULACIÓN DEL PH EN EL MÚSCULO ESQUELÉTICO HUMANO: ADAPTACIONES A LA ACTIVIDAD FÍSICA

AUTOR C. Juel, Copenhagen Muscle Research Centre, Department of Molecular Biology, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark. REVISTA Acta Physiologica Scandinavica, 2008 Scandinavian Physiological Society. Volumen 193, pp: 17–24.

La regulación del pH en el músculo esquelético es la suma de los mecanismos implicados en el manteniendo del pH intracelular dentro del rango normal. Los aspectos de la regulación del pH en el músculo esquelético humano se han estudiado con diversas técnicas a partir del análisis de proteínas de membrana, de microdiálisis, y la técnica de resonancia nuclear magnética para ejercer experimentos incluyendo el muestreo de sangre y biopsias musculares. En esta revisión se caracteriza el sistema de amortiguación celular así como los sistemas de transporte de membrana más importantes que intervienen (Na+/H+, cotransporte Na-bicarbonato de y co-transporte lactato/H +) y describe la contribución de cada sistema de transporte en la regulación del pH en reposo y durante la actividad muscular. Los mecanismos implicados en la regulación del pH pueden sufrir cambios adaptativos en relación con la actividad física y que estos cambios son de importancia funcional. Una restricción en la capacidad de generar la fuerza muscular limita la capacidad de ejercicio físico. En algunas situaciones, la capacidad para generar potencia de salida absoluta es limitante, mientras que en otras situaciones, la resistencia cardiovascular o muscular es importante. La activación repetitiva del músculo esquelético desafía los mecanismos que regulan el metabolismo energético y la homeostasis de iones, de las cuales la regulación del pH es una parte importante, lo que indica que la regulación del pH celular puede ser un factor limitante al ejercicio físico. No es sorprendente que la regulación del pH se adapta al entrenamiento y que esta adaptación es importante para el rendimiento. Esta

revisión describe los mecanismos de regulación del pH subyacente en el músculo esquelético y las adaptaciones que ayudan a mejorar el rendimiento físico.

MECANISMOS QUE AFECTAN EL PH CELULAR EN REPOSO Distribución de H+ y el Potencial de Membrana La distribución del catión H+ está influenciada por un potencial de membrana negativo, lo que tiende a causar la acumulación de H+ en la célula. En consecuencia, lo que permite que la concentración de H+ a equilibre la acidosis en el interior de la célula. La ecuación de Nernst muestra que con un potencial de membrana de) 61 mV la concentración de H+ interna en el equilibrio será 10 veces mayor que la concentración externa de H+, es decir, el pH interno será una unidad menor que el pH externo. Esto sugiere que a medida que el potencial de membrana en el músculo esquelético es de 60 a 80 mV, el pH interno con H+ equilibrados sería más de una unidad menor que el pH externo. Varios mecanismos son responsables de la tendencia para acumular H+ en la célula muscular. H+ se libera de las vías metabólicas, y H+ pueden ingresan desde el exterior a la célula. H+ sólo pueden atravesar la membrana a través de la proteína de transporte, porque la membrana de fosfolípidos es naturalmente impermeable al H+. Sin embargo, la concentración de, por ejemplo, aminoácidos y amoníaco puede influir la carga de H+. Además, la concentración interna de H+ se ve afectada por la rápida difusión de CO2/bicarbonato. Bufferings fisioquímicos El búfer celular implica el secuestro de H+, lo que resulta en un número reducido de H+ libre. El número de iones H+ y la capacidad de amortiguación, por lo tanto determinan el pH celular. La presencia de un tampón aumenta la cantidad de ácido que puede ser añadido para obtener un determinado cambio en el pH, por lo tanto un buen almacenamiento del búfer reduce las fluctuaciones en el pH celular, por ejemplo durante la actividad muscular. La capacidad tampón en un músculo homogeneizado puede ser estimada por la acción con un ácido o base fuerte, y se define a partir de la cantidad de ácido o base necesaria para cambiar el pH una unidad por peso en húmedo o por peso seco del músculo. La capacidad total del tampón celular es la suma de las contribuciones de todos los compuestos tampón, que incluye proteínas, péptidos pequeños, bicarbonato y fosfato libre, pero no incluye la parte principal del sistema de bicarbonato (ya que el CO2 desaparece durante la homogeneización).

Adaptaciones a la actividad física pueden incluir cambios en la capacidad de amortiguamiento. La capacidad tampón in vitro, teóricamente, puede ser modificado de dos maneras: si la cantidad de compuestos de amortiguamiento por peso húmedo del músculo es aumentado (más proteína por peso húmedo) o si los cambios por peso seco se obtienen (la calidad de la memoria intermedia compuestos se mejora). Algunos estudios han sugerido una correlación entre la formación, in vitro la capacidad de amortiguación y rendimiento (Parkhouse & McKenzie 1984, Mannion et al. 1994, Weston et al. 1997), sin embargo, algunos de estos resultados parecen no ser compatibles. La se ha dado una acción de amortiguamiento de la carnosina dipéptido atención especial; carnosina está presente en esqueleto humano muscular y la concentración de carnosina se correlaciona con la capacidad de trabajo (Hill et al. 2007). También se ha informado de que la fisicoquímica capacidad tampón puede ser aguda disminuyó de inmediato después de una sesión de ejercicio (Bishop et al. 2007). Sin embargo , una reducción dramática en la proteína celular contenido durante una sesión de ejercicio es poco realista, el explicación es más probable que el tampón estimado la capacidad está influido por los cambios químicos durante homogeneización, y que estos cambios se ven afectados por si las muestras de músculo se obtuvieron en reposo o después del ejercicio. Buffering in vivo La capacidad tampón se define como la capacidad de amortiguar. Este parámetro no se ve afectado por intercambio de sustancias a través de la membrana muscular. Si el propósito es la caracterización de la capacidad global de las células para regular el pH, la eliminación de H+ mediadas por sistemas de transporte de membrana y procesos metabólicos también debe ser tomada en consideración. Para este fin, otro parámetro, la capacidad tampón in vivo, puede ser definida a partir de la relación entre los cambios en el lactato y los cambios en el pH en el músculo durante el ejercicio. Se debe enfatizar que esta es una medida funcional y dinámica que depende sobre la presencia de los mecanismos de eliminación de H+ y lactato, que se activan durante la actividad muscular. La tercera variante es determinar los cambios en la concentración de H+ por trabajo el realizado. Una vez más, esta medida depende de la eliminación de H+ la capacidad y la duración del trabajo.

REGULACIÓN DEL PH Como se ha señalado, si H+ se equilibra a través de la membrana muscular, el pH interno estaría más de una unidad por debajo del pH externo. En contraste, el pH

externo en el cuerpo permanece relativamente constante cerca de 7,4, mientras que el pH interno en reposo es de aproximadamente 7,2. La pequeña diferencia entre el pH externo-interno indica que H+ no es equilibrado a través de la membrana muscular, ya que la concentración interna de H+ sigue siendo baja debido a que H+ es transportado contra el gradiente electroquímico. Un número de mecanismos contribuyen a la disminución en la concentración de H+ en el interior, los mecanismos identificados incluyen el transporte de H+ y el almacenamiento del búfer físico-químico, y el colectivo del mecanismo se denomina regulación del pH. La Regulación del pH en el Músculo Humano en Reposo Los sistemas de transporte involucrados Na+/H+ de cambio. El sistema de intercambio Na+/H+, que en el músculo está representado por la isoforma NHE1, es la sistema de transporte regulador de pH clásico presente en muchos tipos de células. Este sistema ha sido encontrado en la mayoría de los tipos celulares que tienen un punto cerca del pH interno normal de 7,2, y la acidificación de la célula activa este sistema, que tiende a normalizar el pH interno. En las células de músculo esquelético, el sistema de intercambio parece ser activado a pH normal y parece ser activado adicionalmente a pH más bajo. La razón de esta sensibilidad al pH en los músculos no es clara, pero podría estar relacionado con la necesidad de la actividad a pH neutro debido a la liberación de H+ por la vía metabólica. El intercambio del sistema Na+/H+ es más abundante en fibras glicolíticas. 

Co-transporte de Na+/bicarbonato: Aunque el intercambio Na+/H+ es considerado el sistema más importante en regulación de pH, es probable que el transporte de bicarbonato también esté involucrado. Se supuso previamente que la regulación del pH a través del bicarbonato está mediada por el intercambio bicarbonato/Cl-. Sin embargo, la distribución pasiva de Clen reposo muscular hace que sea difícil ver cómo H+ podrían ser transportados contra el gradiente electroquímico. Además, la actividad muscular se asocia con una despolarización resultante principalmente de los desplazamientos del K+. Esto puede crear un gradiente electroquímico de Cl- hacia el interior, que puede resultar en un flujo de salida de bicarbonato que no es útil en la regulación del pH. El músculo esquelético humano posee dos variantes de las isoformas del co-transportador de sodio/bicarbonato, llamados NBCe1 y NBCe2. Sin embargo, estos sistemas de transporte sólo se han identificado en transferencias Western y su eficiencia y contribución a la regulación del pH no se ha cuantificado. Sin embargo, ambos sistemas de transporte dependen del gradiente de Na+, que es conocido por cambios durante la actividad muscular de alta

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intensidad; esto puede afectar la eficacia de estos sistemas de transporte reguladores del pH. El costo de la regulación del pH: la bomba de Na+/K+ en la regulación del pH. En reposo la regulación del pH en el músculo esquelético está mediada por el sistema de transporte dependiente Na+, e involucra el intercambio de Na+/H+ y el co- transporte Na+/bicarbonato. La actividad de estos sistemas ingresa Na+ en la célula y por lo tanto coloca una carga extra, que activa la bomba Na+/K+. En consecuencia, el flujo de H+ y el uso de energía para la regulación del pH se puede cuantificar indirectamente por la actividad adicional de la bomba de Na+/K. Co-transporte de lactato/H+: El transporte de lactato en el músculo esquelético está mediada por dos proteínas, llamadas MCT1 y MCT4 (para el transportador monocarboxilato), para el co-transporte de H+. La tequiometría es siempre un ión lactato por un ión de H+. La isoforma MCT1 se encuentra principalmente en fibras oxidativas, mientras que MCT4 se encuentra en todas las fibras. Se ha argumentado MCT1 transporta lactato para la oxidación, aunque los transportadores pueden mover lactato y H+ en ambas direcciones, y la dirección sólo depende de los gradientes. Además de los transportadores de MCT, la membrana muscular es en algún grado permeable al ácido láctico no disociado. Por lo tanto, todos los movimientos de iones de lactato en el cuerpo tienen lugar junto con H+ con una relación de 1:1, y en consecuencia, todos los movimientos de iones de lactato influencian el pH a través del transporte acoplado de H+.

La Interacción Entre los Sistemas Los sistemas de transporte para la regulación del pH no funcionan de forma independiente. El transporte de lactato mediado por MCT1 se ve facilitado por la actividad de la NBC, y la presencia de anhidrasa carbónica extracelular (isoformas de la anhidrasa carbónica IV y XIV) facilita el general es probable que los transportistas a que el transporte de H + a cabo transporte de lactato/H+ en el músculo esquelético de ratas. Un probable mecanismo general es que los transportadores de H+, eliminan el H+ y de ese modo estabilizan el gradiente de H+ a través de la membrana; este mecanismo también podría operar en dirección opuesta.

CAMBIOS EN EL PH Y REGULACIÓN EN EL MÚSCULO DURANTE LA ACTIVIDAD

Evolución Temporal de los Cambios de pH en la Sangre y en el Intersticio Muscular En reposo, la acumulación y transporte de H+ están equilibrados, mientras que durante el ejercicio, la producción de ácido celular y H+ neto incrementa notablemente la liberación. En el músculo esquelético activo, H + y los iones de lactato se acumulan en casi relaciones equimolares , lo que es consecuencia de la formación y disociación de aniones carboxilato más arriba de las vías EmbdenMeyerhoff. Claramente, la tasa de producción de H+ puede exceder la velocidad de liberación, lo que conduce a la acumulación celular de H+. Por lo general hay una relación lineal entre la acumulación de lactato (+piruvato) y el pH del músculo. Análisis de biopsias musculares muestra que la acumulación de lactato depende de la intensidad del ejercicio y puede alcanzar los 40 mmol/kg. Al mismo tiempo, el pH disminuye y podría llegar a 6,5 en el músculo agotado. Después de la actividad muscular, algunos iones de lactato y H+ se eliminan por metabolismo liberándolos desde el intersticio a la sangre. El tiempo medio para la recuperación del pH del músculo es aproximadamente 4,9 min cuando se obtienen mediante la medición de pH en biopsias homogeneizadas obtenidas en diferentes momentos después del ejercicio, 4 min para la liberación H + y 5 min para la liberación de lactato., en un tiempo similar se ve la acumulación de lactato y H+ en la sangre después del ejercicio. La técnica de microdiálisis se ha aplicado para la medición de pH intersticial en el músculo esquelético humano, y una buena resolución temporal se ha obtenido para los cambios de pH en el intersticio durante y después del ejercicio. La acidificación intersticial está casi linealmente relacionada con la salida de potencia; se obtiene el pH intersticial más bajo 1-2 min después del ejercicio, y la recuperación se produce con un medio tiempo de 5,2 min. La razón para la disminución transitoria en el pH intersticial después del ejercicio probablemente se relaciona con la resíntesis de fosfocreatina, lo que resulta en una liberación neta de H+. Por lo tanto, hay una buena concordancia entre el momento curso para la recuperación del pH del músculo y del pH intersticial. Durante el ejercicio intenso, el pH intersticial puede ser menor que el pH sanguíneo, lo que sugiere un gradiente del pH desde el intersticio a la sangre, pero en intensidades de ejercicio absoluto el gradiente del pH intersticial o intracelular es más grande. El sistema integrado: la regulación del pH durante la actividad muscular El transporte mediado de H+ por el intercambio de Na+/H+ y por el co-transporte Na+/bicarbonato no se puede distinguir en experimentos humanos, mientras que el transporte de H+ por la actividad de la H+/lactato (1:1) permite que los demás transportadores puedan ser cuantificados a partir de los movimientos de lactato. La regulación del pH por lo tanto, en el músculo esquelético se puede dividir en transporte de H+ dependiente/independiente de lactato. La liberación de H+ a la

sangre también se puede evaluar a partir cambios en el pH de la sangre. Sin embargo, debido a que la capacidad del tampón está influenciada por el pH, cambios en el pH no son siempre proporcionales a la cantidad de H+. Los cambios cuantitativos en sangre H+ pueden ser evaluados desde el exceso de base real calculada a partir del pH sanguíneo, y las concentraciones de HCO3- y de la hemoglobina usando el método de Siggaard-Andersen. La figura 1 compara la liberación de H+ lactato-dependiente y lactato-independiente del durante la actividad del extensor de la rodilla en ejercicio moderado y de alta intensidad. En ejercicio de baja intensidad, la formación de lactato es baja y el remoción de H+ lactato-dependiente representa una pequeña fracción de manera que la parte principal de H+ está mediada por la eliminación de mecanismos de lactato independiente.

Figura 1. Liberación H+ durante el ejercicio del extensor de la rodilla con una sola pierna. La intensidad absoluta de ejercicio se indica en vatios (W).

Durante ejercicio de alta intensidad, ambos sistemas aumentan, la aeliminación de H+ lactato-independiente sólo puede aumentar el doble, mientras que el lactatodependiente puede aumentar por lo menos cinco veces. Por lo tanto, los cotransportadores de lactato/H+ parecen ser los sistemas más importantes para eliminar H+ durante ejercicio de la alta intensidad. La Km para el transporte de lactato es alta comparada con su concentración celular. En la mayoría de las situaciones, el lactato y H+ se mueven en la misma dirección, es posible crear un experimento en el que los dos iones se mueven en direcciones opuestas. En estos experimentos, utilizando los extensores de la rodilla a una carga submaximal, lo que produce una liberación moderado de lactato y H+. Sin embargo, agregando ejercicio de brazo de alta intensidad libera una gran cantidad de lactato y H+. Bajo esta condición, hay una red de la captación de lactato en la pata de hacer ejercicio, pero todavía hay una liberación en red de H+. La captación está mediada por lactato y H+ a través de los transportadores de MCT, pero al mismo tiempo, la captación de H+ mediada por el co-transporte de lactato/H+ se supera por la liberación de H+ mediada por el intercambio Na+/H y transporte de bicarbonato.

En conclusión, en reposo y en ejercicio de baja intensidad, la fracción principal de la liberación de H+ está mediada por el intercambio de Na+/H+ y el cotransportador Na+/bicarbonato, y el transporte de lactato-H+ juntos desempeña un papel de menor importancia porque la producción de lactato es baja. Durante el ejercicio intenso, los transportadores no acoplados de lactato parecen llegar a su capacidad máxima, y la parte principal de la liberación de H+ es mediada por los co-transportadores de lactato/H+, que es estimulada por el alto gradiente de lactato. Regulación del pH, Adaptaciones y Entrenamiento El sistema de regulación del pH sanguíneo y el músculo esquelético puede adaptarse en respuesta al entrenamiento físico y otros estímulos. Una estancia en altitud elevada puede cambiar la proteína de expresión de los transportadores en la sangre y el músculo esquelético. En los eritrocitos, el aumento de los sistemas de transporte H+ puede ser un efecto secundario a las mejoras en los parámetros hematológicos (por ejemplo, una fracción mayor de nuevos eritrocitos), que también se producen con el entrenamiento en altura. El mecanismo subyacente puede ser una liberación de eritropoyetina (EPO) inducida por gran altura. La EPO in vitro aumenta la expresión de la proteína de un número de transportadores en los eritrocitos. En humanos, el único cambio con EPO fue una disminución en la expresión de proteínas de la bomba de Na+/K+. El efecto beneficioso del entrenamiento sobre la capacidad para regular el pH en el músculo esquelético ha sido descrita tanto a nivel de proteínas y como en el nivel funcional. Las vesículas del sarcolema presentan un modelo de sistema de correlación entre el nivel de entrenamiento y la capacidad de transporte de lactato y H+, posteriormente, Western Blot mostró que el entrenamiento puede aumentar la densidad de las proteínas MCT1 y MCT4 para el co-transportador de lactato/H+. De estas proteínas, MCT1 parece ser más fácil aumentar su densidad. También, la cantidad de la proteína intercambiadora Na+/H+ NHE1 aumenta con el entrenamiento y los transportadores de Na+/bicarbonato pueden someterse a grandes cambios. A nivel funcional, los efectos del entrenamiento sobre la regulación del pH se han estudiado en muestras de sangre y biopsias musculares. La figura 2 muestra los datos de los extensores de la rodilla antes y después de 7-8 semanas de ejercicio de alta intensidad.

Figura 2. La liberación de lactato (arriba) y la liberación de H+ (abajo) durante el ejercicio de alta intensidad. La potencia de salida se inició a 50 W, y el ritmo de trabajo se incrementó en 10 W cada 2 min hasta que agotamiento (conectado puntos de datos). Tiempo hasta el agotamiento fue 8,2 min antes del entrenamiento (símbolos) y 10,6 minutos después 7-8 semanas de entrenamiento (cerrado los símbolos). ESC, el valor en agotamiento. Los valores se expresan como la media de los seis sujetos.

En el entrenamiento intermitente de alta intensidad, aumentó tanto el lactato y la liberación de H+ considerablemente, y el tiempo hasta la fatiga en el test incremental incrementado después del entrenamiento. El mismo estudio demostró que las densidades de la proteína MCT1 co-transportador lactato/H+ y la proteína NHE1 intercambiadora de Na+/H+ incrementaron en un 15% y 16%, respectivamente, después del entrenamiento. En el mismo estudio, el entrenamiento aumentó el número de capilares por fibra muscular en un 41%, la mejoría del flujo sanguíneo genera un mejor de lavado de lactato y H+, probablemente, también contribuido al aumento de la liberación. La participación del aumento del flujo sanguíneo es consistente con el hallazgo de que el aumento de la liberación puede ocurrir en el músculo con gradientes arterial gradientes de concentración de lactato y H+ después del entrenamiento. La homeostasis Na+/K también mejoró en los sujetos entrenados, que puede ser otro mecanismo subyacente. Este ejemplo ilustra la complejidad de las modificaciones de

adaptación al entrenamiento, que involucra tanto a los cambios en la estructura de las proteínas de membrana y cambios en el flujo sanguíneo. También existe una correlación positiva entre la capacidad de trabajo y las proteínas. El Enfoque Peter Stewart En este modelo el pH en un compartimento depende sobre la producción y el consumo de H+, y la dinámica de un número de sistemas de transporte de membrana que median en el flujo de H+. Este punto de vista contrasta con el enfoque físico-químico se describe por Stewart (1983). El enfoque fisicoquímico no se utiliza en otras áreas, tales como en la descripción de los cambios de iones en el riñón y el páncreas. De acuerdo con este enfoque, H+ y HCO3- son variables dependientes determinadas por tres variables independientes. Por lo tanto, la concentración de H+ se puede calcular a partir de las concentraciones de las variables independientes: la diferencia de iones fuertes o SID, lo que equivale (Na+ K-) (lac+ Cl-), la concentración total de ácidos débiles (tot) y PCO2. H+ no se consume o es producido por reacciones químicas y cambios en H+ nunca indican la cantidad de H+ se ha movido dentro o fuera de la solución. Este enfoque tiene una opinión diferente sobre membrana de transporte y no se puede combinar con la punto de vista tradicional sobre el transporte H+. Una consecuencia del enfoque Stewart es que H+ no se cree que ser transportado por los sistemas de transporte tradicionales (co-transporte H+/lactato, Na+/H+, co-transporte H+/bicarbonato).

LOS CAMBIOS EN EL PH: IMPLICACIONES PARA EL FLUJO DE SANGRE Y EL DESARROLLO DE FATIGA pH y Regulación del Flujo Sanguíneo Cambios en el pH se cree que participan en la regulación del flujo sanguíneo. Sin embargo, la mayoría de los argumentos se basan en pruebas indirectas. En un número de estudios, la recuperación del pH después del ejercicio tiene un curso de tiempo similar a la de la disminución en el flujo sanguíneo. Parece probable que la disminución en el pH está implicada en la regulación del flujo sanguíneo. Sin embargo, un aumento más rápido en el flujo sanguíneo en el comienzo del ejercicio, mientras que la disminución del pH intersticial poco a poco y más lentamente. Además, los estudios con un resolución muestran que los niveles de pH sanguíneo más bajo y valores de pH intersticiales se obtienen 1-2 min después del ejercicio, mientras que la reducción gradual en el flujo sanguíneo comienza inmediatamente después del ejercicio. Esta observación parece excluir el pH como factor dominante en la regulación del flujo de sangre, pero todavía es posible que cambios en el pH modifiquen otros mecanismos vasodilatadores. Por lo tanto, se

cree generalmente que la acidosis se asocia con la vasodilatación por la mediación de una disminución en el Ca++ intracelular. La interacción entre el pH y K+ intersticial a las respuestas vasodilatadoras a K+ y pH pueden no ser independiente. El bicarbonato induce alcalosis generalizada que se asoció con una menor concentración circulante K+ y el aumento de la absorción de K+, lo que sugiere que el efecto más pequeño en inducida por el ejercicio despolarización de la membrana que acompaña alcalosis es importante para mejorar el rendimiento. El pH más bajo podría tener un efecto indirecto en el flujo de sangre y puede ser mediado por modificaciones en el equilibrio de K+. Cambios de pH y la Fatiga El lactato y H+ se acumulan casi a la misma velocidad durante la actividad muscular, la acumulación de iones de lactato se puede utilizar como un marcador de acumulación H+. La recuperación de la excitabilidad subyacente ha sido asociada con cambios dependientes del pH en la conductancia del cloro.

Elaborado por: YURITZAN ALEJANDRA DEVIA LEÓN RESIDENTE DE III AÑO MEDICINA DE LA ACTIVIDAD FÍSICA Y EL DEPORTE FUCS – HUISJ – HUSJ