Cairns SP. Potassium effects on skeletal muscle contraction: are potassium-metabolic interactions required for fatigue? Eur J Appl Physiol. 2023 Sep 20. doi: 10.1007/s00421-023-05313-1.
Las alteraciones en el potasio (K+) a lo largo del sarcolema durante el ejercicio han sido postuladas durante mucho tiempo como contribuyentes a la fatiga del músculo esquelético, es decir, una reducción aguda de la fuerza muscular o la producción de energía (Cairns y Lindinger 2008; Hostrup et al. 2021). Sin embargo, también se ha propuesto que el K+ no suele ser un factor en la fatiga durante el ejercicio in vivo debido a procesos fisiológicos compensatorios que protegen contra los efectos perjudiciales del K+ (Allen et al. 2008). El artículo de revisión de Renaud et al. 2023, vuelve a examinar el papel del K+ en la fatiga. En los últimos 30 años ha habido avances notables en la comprensión de la fisiología de los efectos del K+ en los procesos celulares, las interacciones iónicas del K+, la función del canal de cloruro muscular (ClC-1), la función del canal K+ dependiente de ATP (KATP), la regulación de la bomba de sodio-potasio (Na+-K+), y, lo que es importante, las interacciones metabólicas del K+. Basándose en algunos de estos estudios, los autores ofrecen una nueva perspectiva sobre el papel del K+ en la función del músculo esquelético durante el ejercicio. Nos recuerdan y resaltan que el K+ puede tener efectos tanto protectores como perjudiciales en la función muscular a través de interacciones con otros cambios iónicos. En particular, enfatizan que las interacciones metabólicas del K+ que ocurren durante las etapas posteriores al ejercicio fatigante son contribuyentes probables a cualquier reducción de la fuerza, que luego protege contra los efectos dañinos de una grave depleción de ATP.
La corriente de pensamiento actual sobre cómo el K+ participa en la fatiga muscular es la siguiente (Cairns y Lindinger 2008; Hostrup et al. 2021; Renaud et al. 2023). Las contracciones repetidas resultan en un eflujo de K+ a través del sarcolema, incluyendo las membranas del sistema transversal-tubular, a través de diversos canales de K+ (canales de K+ rectificadores retardados, canales KATP), lo que lleva a un aumento en el [K+] extracelular ([K+]o) y una disminución en el [K+] mioplásmico ([K+]i), es decir, una disminución del gradiente trans-sarcolemal de K+. Tales alteraciones en el K+ provocan la despolarización del sarcolema, ya que el potencial de equilibrio del K+ (que se encuentra disminuido) es el principal determinante del potencial de membrana en reposo (EM en reposo). La despolarización se cree que inactiva los canales de sodio dependientes del voltaje, lo que resulta en corrientes de Na+ más pequeñas. Estos efectos luego (i) disminuyen la amplitud del potencial de acción, lo que reduce la liberación de Ca2+ del retículo sarcoplásmico y/o conduce a una falla en la propagación del potencial de acción a lo largo del sarcolema y (ii) disminuyen las corrientes excitatorias subumbrales que no logran desencadenar potenciales de acción ya sea en fibras en reposo o durante un tren de estímulos. En consecuencia, los efectos del K+ en la contracción se describen mejor mediante la relación entre la fuerza tetánica máxima y el EM en reposo (Cairns et al. 2022). Esta relación muestra que se necesita una gran reducción en el gradiente de K+ o una gran despolarización para superar un rango de margen de seguridad para el EM en reposo antes de que la fuerza tetánica máxima caiga drásticamente en un estrecho rango crítico de EM en reposo (~5 mV). Por lo tanto, para que las alteraciones en el K+ sean la única contribución a la fatiga, se necesita un cambio extenso en el K+; varios autores consideran que los cambios en el K+ por sí solos son insuficientes para causar mucha fatiga (Allen et al. 2008; Renaud et al. 2023). Es importante destacar que varios factores pueden modular esta relación, resaltando tres temas principales propuestos por Renaud y sus colaboradores que influyen en esta relación.
En primer lugar, cuando los músculos no fatigados están expuestos a niveles moderadamente elevados de [K+], por ejemplo, un aumento de 4 a 7-10 mM, o a exposiciones breves a niveles más altos de [K+], se producen despolarizaciones menores del EM en reposo junto con una potenciación de las fuerzas submáximas (Cairns et al. 2022; Pedersen et al. 2019; Renaud et al. 2023). Esta potenciación de la fuerza se presenta solo con la estimulación de contracciones de tipo espasmo y de frecuencia submáxima para evocar un aumento de la potencia (Pedersen et al. 2019). Los procesos subyacentes están relacionados con un aumento en la liberación de Ca2+ del retículo sarcoplásmico (Pedersen et al. 2019; Hostrup et al. 2021), lo que también explica adecuadamente la falta de efecto sobre la fuerza tetánica máxima, ya que es probable que la troponina esté saturada de Ca2+.
Este proceso de potenciación probablemente contribuye al mantenimiento de la fuerza en el rango de margen de seguridad. Aunque los mecanismos que subyacen a esta potenciación de la fuerza todavía no se comprenden completamente, está claro que los cambios más pequeños en el K+ son beneficiosos para las contracciones submáximas, además de mejorar el flujo sanguíneo muscular, la frecuencia cardíaca, la ventilación y la transmisión neuromuscular (Renaud et al. 2023).
En segundo lugar, niveles elevados de [K+] no siempre son depresores para el rendimiento contráctil del músculo, ya que se requieren despolarizaciones muy grandes inducidas por el K+ para alcanzar el rango crítico del EM en reposo para la disminución masiva de la fuerza. Renaud y sus colegas mencionan varios aspectos interconectados que pueden proporcionar esta protección: (i) Una concentración normalmente alta de cloruro extracelular [Cl-], y por lo tanto un alto potencial de equilibrio de Cl-, estabiliza el EM en reposo, resistiendo así la despolarización inducida por el K+, que ocurre de manera más lenta y en menor medida (Cairns y Lindinger 2008; Hostrup et al. 2021). (ii) Varios factores pueden estimular la actividad de la bomba de Na+-K+, es decir, aumentar el [Na+] mioplásmico, catecolaminas, el péptido relacionado con el gen de la calcitonina (liberado desde terminales nerviosas), amilina (liberada desde el páncreas) y la translocación de la bomba en el sarcolema superficial (Hostrup et al. 2021), lo que en conjunto protege contra los efectos perjudiciales del K+. Un aumento en la actividad de la bomba de Na+-K+ proporciona protección a través de una corriente electrogénica hacia afuera mejorada o la restauración del gradiente de K+, ambos causan la repolarización o un aumento en el gradiente de Na+ a través del sarcolema. Tales efectos provocan un desplazamiento hacia arriba o hacia la izquierda a lo largo de la relación entre la fuerza y el EM en reposo para restaurar la fuerza. (iii) Incluso en presencia de una extensa despolarización inducida por el K+, hay efectos beneficiosos mediados por el aumento inducido por la estimulación del lactato, la acidosis o la proteína quinasa C que resisten los efectos depresores del K+ al reducir la apertura del canal ClC-1 y, por lo tanto, una conductancia parcialmente reducida de Cl- (Hostrup et al. 2021; Nielsen et al. 2017). Con una menor apertura del canal ClC-1, hay corrientes inhibitorias subumbrales atenuadas, lo que permite que la corriente de Na+ excitatoria subumbral lleve al sarcolema al umbral para desencadenar potenciales de acción y superar la inexcitabilidad inducida por el K+ (Nielsen et al. 2017).
La potenciación inducida por el K+ de las fuerzas submáximas y la defensa contra los efectos perjudiciales del K+ mediados por el alto [Cl-], el aumento de la actividad de la bomba de Na+-K+ y la disminución de la actividad del canal ClC-1 son procesos activos en el rango de margen de seguridad, de modo que los efectos potencialmente negativos del K+ no se vuelven tan perjudiciales. Claramente, el K+ es inicialmente protector o al menos no es perjudicial para la fuerza contráctil del músculo. Estos efectos fisiológicos combinados ocurren ya sea al comienzo del ejercicio intenso o con ejercicio de menor intensidad y constituyen la Fase I identificada por Pedersen y sus colegas (Leermakers et al. 2020; Nielsen et al. 2017).
En tercer lugar, cuando el ejercicio es más intenso y prolongado, se manifiestan alteraciones mayores en el K+ junto con un estrés metabólico sustancial. Según Renaud et al. (2023), esto coincide con la Fase II, como la describe el equipo de Pedersen (Leermakers et al. 2020; Nielsen et al. 2017). En este escenario, se produce un déficit de energía muscular, es decir, una disminución del ATP, que también puede estar relacionado con una disminución de la glucogenólisis/glucólisis, y en consecuencia esto afecta a varios procesos que interactúan con los efectos del K+, es decir, las interacciones potasio-metabólicas (Leermakers et al. 2020). Renaud y sus colegas enfatizan que esta depleción localizada de ATP reduciría (i) la actividad de la bomba de Na+-K+ (lo que causaría una mayor despolarización junto con una disminución del gradiente de Na+), (ii) aumentaría la actividad de los canales KATP y (iii) aumentaría la actividad del canal ClC-1. Los dos últimos efectos metabólicos en los canales KATP y ClC-1 aumentan las corrientes inhibitorias de modo que algunas fibras no tienen suficiente corriente subumbrales para desencadenar potenciales de acción, y una vez desencadenados, solo provocan potenciales de acción de menor amplitud. Por lo tanto, estas interacciones potasio-metabólicas provocan un desplazamiento hacia abajo o hacia la derecha a lo largo de la relación entre la fuerza tetánica máxima y el EM en reposo, lo que conduce a una menor liberación de Ca2+ del retículo sarcoplásmico y una producción de fuerza reducida. Claramente, esto sugiere que las interacciones potasio-metabólicas son un contribuyente probable a una menor fuerza, especialmente durante el rango crítico del EM en reposo. A pesar de esto, se debe tener en cuenta que siempre que haya un eflujo de K+ durante los potenciales de acción, también hay un flujo de Na+ (lo que lleva a una disminución del gradiente de Na+) y la combinación de las alteraciones de K+ y Na+ tiene efectos perjudiciales poderosos en los potenciales de acción para desplazar hacia abajo la relación entre la fuerza tetánica máxima y el EM en reposo y, por lo tanto, también causar fatiga.
En conclusión, hay muchos factores hipotéticos que pueden contribuir a la fatiga dependiendo del régimen de ejercicio o del modelo de fatiga utilizado (Allen et al. 2008; Hostrup et al. 2021). Según la perspectiva de Renaud y sus colegas, para que el K+ esté involucrado en la fatiga, es necesario que ocurra un estrés metabólico para amplificar los efectos perjudiciales del K+, cada vez que se produzcan alteraciones del K+ inducidas por el ejercicio, y así contribuir a la pérdida de fuerza durante el ejercicio fatigante.
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