El potencial de acción cardíaco es un potencial de acción especializado que tiene lugar en el corazón, que presenta propiedades únicas necesarias para el funcionamiento del sistema de conducción eléctrica del corazón.
El potencial de acción (PA) cardíaco difiere de forma significativa en diferentes porciones del corazón. Esta diferenciación de PA genera diferentes características eléctricas de las distintas zonas del corazón. Por ejemplo, el tejido conductivo especializado del corazón tiene la capacidad de despolarizarse sin ninguna influencia externa. Esta propiedad se conoce como el automatismo del músculo cardíaco.
La actividad eléctrica de los tejidos especializados de conducción no son aparentes en el electrocardiograma de superficie (ECG o EKG - de la palabra alemana). Esto se debe a la pequeña masa de estos tejidos en comparación al miocardio.
Vista general + Concentraciones ionicas intra- y extracelulares (mmol/L) Elemento Ion Extracelular Intracelular Ratio Sodio Na+ 135 - 145 10 14:1 Potasio K+ 3.5 - 5.0 155 1:30 Cloruro Cl- 95 - 110 20 - 30 4:1 Calcio Ca2+ 2 10-4 2 x 104:1 Aunque el contenido intracelular de Ca2+ es alrededor de 2 mM, en su mayoría está unido a moléculas o secuestrado en orgánulos intracelulares (mitocondrias y retículo sarcoplásmico).
El músculo cardíaco tiene algunas similitudes con el músculo esquelético, así como importantes propiedades únicas. Como los miocitos esqueléticos, un miocito cardíaco dado tiene un potencial de membrana negativo cuando está en reposo.
Una diferencia importante es la duración de los PA(Potencial de Acción):
En una célula nerviosa, la duración de un PA es de alrededor de 1 milisegundo (ms). En células musculares esqueléticas, la duración es aproximadamente 2-5 ms. Sin embargo, la duración del PA ventricular es de 200 a 400 ms.
Estas diferencias se basan en variaciones en la conductancia iónica de cada tipo celular, que son las responsables de los cambios en el potencial de membrana.
Comparando el músculo esquelético y el cardíaco, una diferencia importante es la manera en la que ambos aumentan la concentración citoplasmática de Ca2+ para inducir la contracción: Cuando el músculo esquelético es estimulado por axones motores somáticos, un flujo de Na+ hacia el interior de la célula rápidamente despolariza el músculo esquelético y desencadena la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico. En los miocitos cardíacos, sin embargo, la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico es inducida por el flujo de Ca2+ hacia el interior celular a través de canales de calcio voltaje-dependientes en el sarcolema. Este fenómeno se denomina liberación de calcio inducida por calcio e incrementa la concentración citoplasmática de Ca2+ libre, lo que produce la contracción muscular. Además al tener el cardiomiocito un retículo sarcoplásmico menos desarrollado la entrada de Ca2+ extracelular es crítica para producir la contracción muscular.
En ambos tipos de músculo, después del periodo refractario absoluto, los canales de potasio se abren y el flujo resultante de K+ hacia el exterior celular produce la repolarización hasta el estado de reposo. Los canales de calcio voltaje-dependientes en el sarcolema cardíaco normalmente se activan debido a un flujo de sodio hacia el interior celular durante la fase "0" del potencial de acción (ver más adelante).
Debe observarse que hay importantes diferencias histológicas y fisiológicas entre las células excitables o marcapasos y los cardiomiocitos contráctiles. Las diferencias específicas en los canales iónicos y los mecanismos de polarización generan propiedades únicas de las células marcapasos del nodo sinusal, sobre todo las despolarizaciones espontáneas (automatismo del músculo cardíaco), necesarias para la actividad de marcapasos del nodo sinusal.
Principales canales iónicos y corrientes cardíacas Los canales iónicos son selectivos para diferentes aniones y cationes. Por ejemplo, algunos canales iónicos son selectivos para iones sodio, potasio, calcio y cloro. Es más, un ion particular puede tener diferentes canales responsables de su movimiento a través de la membrana, como ocurre con el potasio. Existen dos tipos de canales iónicos: dependientes de voltaje, que se abren o cierran en respuesta a cambios en el potencial de membrana; la mayor parte de los canales iónicos que participan en el PA cardíaco son de este tipo; canales operados por receptores, que se abren o cierran en respuesta a señales químicas que se detectan por receptores en la membrana celular (el sarcolema). Por ejemplo, la acetilcolina (el neurotransmisor liberado por el nervio vago del sistema parasimpático) se une a receptores del sarcolema y produce la apertura de un tipo especial de canales para el potasio ( IK, ACh).
Corrientes principales durante el potencial de acción ventricular Ion Corriente Apertura dep. Proteína Gen Fase / función Na+ Rápida Na+: INa Voltaje NaV1.5 SCN5A Fase 0 de los miocitos Na+ Lenta Na+ (funny): If Voltaje y receptor Fase 4 de la corriente marcapasos en las células del nodo sinusal y nodo AV Ca2+ Tipo L (lenta): ICa(L) Voltaje CaV1.2 CACNA1C Entrada lenta, de larga duración; fase 2 miocitos y fases 4-0 de las células del nodo sinusal y nodo AV Ca2+ Tipo T (transitoria): ICa(T) Voltaje Corriente transitoria; contribuye a la fase 4 de la corriente marcapasos en las células del nodo sinusal y nodo AV K+ Inward rectifying: IK1 Voltaje Kir2.1/2.2/2.3 KCNJ2/KCNJ12/KCNJ4 Mantiene el potencial negativo en la fase 4; se cierra con la despolarización; su descenso contribuye a las corrientes marcapasos K+ Transient outward: Ito1 Voltaje KV4.2/4.3 KCND2/KCND3 Contribuye a la fase 1 en los miocitos K+ Delayed rectifier slow: IKs Voltaje KV7.1 KCNQ1 2,3 K+ Delayed rectifier rapid: IKr Voltaje KV11.1 (hERG) KCNH2 Repolarización: fase 3 K+ Sensible a ATP: IK, ATP Receptor El ATP lo inhibe; se abre cuando el ATP disminuye K+ Activado por acetilcolina: IK, ACh Receptor Activado por acetilcolina; acoplado a una proteína G Na+, Ca2+ INaCa Voltaje intercambiador 3Na+-1Ca2+ NCX1 (SLC8A1) homeostasis iónica Na+, K+ INa,K Voltaje 3Na+-2K+-ATPasa ATP1A homeostasis iónica Ca2+ IpCa Voltaje Ca2+-ATPasa ATP1B homeostasis iónica
Los canales iónicos pueden estar en conformación abierta, cerrada o inactiva. Los iones sólo pueden pasar a través de los canales cuando están en conformación abierta. En los canales dependientes de voltaje, el paso de una conformación a otra está regulado por el potencial de membrana. El caso mejor estudiado es el de los canales rápidos de sodio. Cuando la membrana está en reposo (-90 mV), estos canales están cerrados, impidiendo la entrada de sodio al interior celular. Cuando la membrana se despolariza (+20 mV), el canal pasa a la conformación abierta, y el sodio entra. Durante la fase de repolarización , el canal está en estado inactivo, que tampoco permite la entrada de sodio. Cuando el potencial vuelve a alcanzar el estado de reposo, el canal recupera la conformación cerrada original. Cuando están en situación de hipoxia, los miocitos se despolarizan hasta un nivel de reposo menos negativo (a -55 mV), en el que los canales de sodio están en un estado inactivo, lo que altera los PA de los miocitos, ya que las corrientes rápidas de sodio se encuentran bloqueadas. Otros canales iónicos también presentan conformaciones abiertas y cerradas, pero los detalles a nivel molecular no se conocen bien aún.
Los canales de calcio
Existen dos tipos de canales de calcio voltaje-dependientes, y ambos juegan un papel crítico en la fisiología del músculo cardíaco. Estos canales responden de forma diferente a los cambios de voltaje a través de la membrana:
Los canales de calcio tipo L ('L' por "larga" duración) responden a potenciales más altos, se abren más despacio y permanecen abiertos más tiempo que los de tipo T. Debido a sus propiedades, los canales tipo L son importantes para mantener un PA en los miocitos. Los canales tipo L son las dianas de un tipo de drogas denominadas dihidropiridinas, que bloquean las corrientes producidas por estos canales.
Los canales de calcio tipo T ('T' por "transitorios") son importantes en la iniciación de los PA. Por su rápida cinética, los canales de calcio tipo T se encuentran comúnmente en células que tienen un comportamiento eléctrico rítmico: neuronas implicadas en actividades rítmicas como caminar o respirar; células marcapasos del corazón (en el nodo sinusal y el nodo AV), que controlan los latidos cardíacos.
El potencial de reposo de la membrana celular El potencial de reposo de la membrana está generado por la diferencia en concentraciones iónicas y conductancias a través de la membrana celular durante la fase 4 del potencial de acción. El potencial de reposo normal en el miocardio ventricular varía entre -85 a -95 mV. Este potencial está determinado por la permeabilidad selectiva de la membrana celular a varios iones. La membrana es permeable sobre todo al K+ y relativamente impermeable al resto de los iones. El potencial de membrana está por ello dominado por el potencial de equilibrio del K+, siguiendo el gradiente de K+ a través de la membrana celular. El potencial de Nernst para el K+ a 37 °C puede calcularse utilizando la ecuación de Nernst:
El mantenimiento de este gradiente iónico se debe a la acción de diferentes bombas iónicas y mecanismos de intercambio, que incluyen la ATPasa Na+-K+, el intercambiador Na+-Ca2+ y el canal de K+ denominado inward rectifier (rectificador de entrada) IK1.
En el interior celular, el K+ es el catión principal, y el fosfato y las bases conjugadas de los ácidos orgánicos son los aniones dominantes. En exterior celular, predominan el Na+ y el Cl-.
Fases del potencial de acción cardíaco thumb|600px|El potencial de acción cardíaco tiene cinco fases. thumb|300px|Corrientes relativas de iones en relación con las fases en el ECG. El modelo estándar para comprender el potencial de acción cardíaco es el PA del miocito ventricular y las células de Purkinje. El PA tiene 5 fases, numeradas del 0 al 4. La fase 4 es el potencial de reposo de la membrana, y describe el PA cuando la célula no está estimulada.
Cuando la célula es estimulada eléctricamente (normalmente por una corriente eléctrica procedente de una célula adyacente), empieza una secuencia de acciones, que incluyen la entrada y salida de múltiples cationes y aniones, que conjuntamente producen el potencial de acción celular, propagando la estimulación eléctrica a las células adyacentes. De esta manera, la estimulación eléctrica pasa de una célula a todas las células que la rodean, alcanzando a todas las células del corazón.
Fase 0 La fase 0 es la fase de despolarización rápida. La pendiente de la fase 0 representa la tasa máxima de despolarización de la célula y se conoce como dV/dtmax. La despolarización rápida se debe a la apertura de los canales rápidos de Na+ , lo que genera un rápido incremento de la conductancia de la membrana para el Na+ (gNa+) y por ello una rápida entrada de iones Na+ (INa) hacia el interior celular. Al mismo tiempo, la gK+ disminuye. Estos dos cambios en la conductancia modifican el potencial de membrana, alejándose del potencial de equilibrio del potasio (-96 mV, como vimos antes) y acercándose al potencial de equilibrio del sodio (+52 mV).