Proteínas de estrés y ejercicio físico

1 Rev.int.med.cienc.act.fís.deportevol. 10 - número 37 - enero 2010 - ISSN: 1577-0354 Carrasco, L.; Sañudo, B.; Martínez, I.C. y De Hoyo, M. (2010). Proteínas de estrés y ejercicio físico. Revista Internacional de Medicina y Ciencias de la Actividad Física y el Deporte vol. 10 (37) pp. 1-21 Http://cdeporte.rediris.es/revista/revista37/artproteinas123.htm REVISIÓN PROTEÍNAS DE ESTRÉS Y EJERCICIO FÍSICO HEAT SHOCK PROTEINS AND EXERCISE Carrasco, L.1; Sañudo, B.2; Martínez, I.C3. y De Hoyo, M.4 [email protected], 2bs[email protected], [email protected], [email protected] Departamento de Educación Física y Deporte. Universidad de Sevilla. Recibido 13 de enero de 2009 Aceptado 22 de octubre de 2009 Código UNESCO: 2411 – Fisiología humana. Clasificación del Consejo de Europa: 6. Fisiología del ejercicio. RESUMEN Uno de mecanismos que posee el organismo para contrarrestar la ruptura de la homeostasis es la producción de proteínas de estrés o heat shock proteins (HSP). Aumentos en la temperatura corporal, en la concentración de Ca2+ y de ciertos corticoides así como disminuciones del pH, de la glucemia y del glucógeno se presentan, junto a la isquemia, como los principales agentes desencadenantes de la respuesta de HSP. La práctica de ejercicio físico integra gran parte de estos factores, lo que provoca una clara liberación de HSP muscular tras diferentes tipos de esfuerzos. Factores como la edad, el género, el nivel de entrenamiento, la intensidad y el volumen del ejercicio realizado o el tipo de fibra muscular, parecen tener una relación directa con las adaptaciones biológicas relacionadas con las HSP. Son necesarios más estudios para definir con mayor exactitud la función biológica de las HSP vinculada con el ejercicio físico. PALABRAS CLAVE: HSP, ejercicio físico, estrés, daño muscular. 2 ABSTRACT One of mechanisms that organism use to counteract homeostasis rupture is the release of heat shock proteins (HSP). Rises in body temperature, Ca2+ and corticoids concentrations as well as decreases in pH and glucose levels are the main factors to produce HSP response. Physical activity practice integrates most of these factors triggering an evident muscular HSP production after different types of exercise. Factors such as age, gender, fitness level, exercise intensity, exercise volume and muscle fiber type seem to maintain a direct relationship with biological adaptations related to HSP. More studies are needed to define exactly the biological function of HSP during exercise. KEY WORDS: HSP, exercise, stress, muscular damage. INTRODUCCIÓN Son diferentes los mecanismos que posee la célula para contrarrestar los efectos de la ruptura de su homeostasis, como las modificaciones temporales en la expresión genética y la alteración de su estructura y funciones. En la actualidad existe un creciente interés en la investigación de la respuesta celular a diferentes agentes estresores y, más en concreto, en la producción de una serie de proteínas, las denominadas proteínas de estrés o heat shock proteins (HSP). Las HSP se han conservado adecuadamente a lo largo de la evolución celular1. Están presentes en todos los organismos, desde las bacterias hasta las células más complejas, presentando, entre especies, una alta correspondencia en sus aminoacidos residuales, algo que apunta hacia una función universal de las HSP en la respuesta celular al estrés. Su descubrimiento en larvas de Drosophila melanogaster (mosca del vinagre) se produjo a principios de la década de los años 60, tras someter a estos insectos a cierto estrés térmico, de ahí su denominación2. En su nomenclatura, las proteínas de estrés se expresan en mayúsculas cuando se hace referencia a la familia proteica completa (p.e.: HSP70), mientras que, cuando se nombra a una proteína en concreto, la letra “H” se escribe en mayúsculas y las letras “s” y “p” se escriben en minúsculas (p.e.: Hsp32). Esta aclaración es necesaria, ya que, después de la revisión documental efectuada, se han encontrado numerosos errores terminológicos y conceptuales al denominar las proteínas que han sido objeto de estudio. Por otro lado, su clasificación atiende a la masa molecular. De esta forma, pueden diferenciarse diversas proteínas en un rango de 8 a 110 kDa. En la Tabla 1 se exponen las principales HSP con su localización celular y su función biológica propuesta. 3 Tabla 1. Principales HSP, localización celular y función biológica sugerida. Adaptada de Kregel3. HSP Localización celular Función propuesta Alfa B-cristalina Mitocondria Chaperón molecular Hsp27 (sHsp) Citosol, núcleo Estabilización de microfilamentos, antiapoptótica. Hsp60 Mitocondria Reparación de proteínas, prevención de la agregación de proteínas desnaturalizadas HSP70: Antiapoptótica Hsp70 - Hsp72 Citosol, núcleo Reparación de proteínas, protección celular Hsp73(Hsc70) Citosol, núcleo Chaperón molecular Hsp75(GRP75) Mitocondria Chaperón molecular Hsp78(GRP78) RE Protección celular, chaperón molecular HSP90 Citosol, RE, núcleo Regulación de los receptores de hormonas esteroideas, traslación proteica, reparación de proteínas HSP 104-110 Citosol, núcleo (110) Reparación de proteínas HSP: proteínas de estrés (familias);Hsp: proteínas de estrés (miembros); sHSP: small HSP; Hsc: proteína de estrés cognada; GRP: proteína glucorreguladora; RE: retículo endoplasmático. En cuanto a su estructura molecular, las HSP presenta tres partes bien diferenciadas: un dominio N-terminal ATPasa (hoja beta), con gran nivel de conservación, un dominio de ligandos peptídicos (hélice alfa) y la parte C- terminal, un dominio ciertamente variable. Además, existe un lugar específico para la unión de proteasas que une los dos primeros dominios de la molécula aquí descritos. 1.1. MECANISMOS DE ACCIÓN Y REGULACIÓN La activación génica de las HSP ocurre como consecuencia de diferentes factores, pudiendo éstos actuar de forma aislada o simultánea. La depleción de energía, situaciones de hipoxia, acidosis o isquemia, las especies reactivas del oxígeno (ROS) y del nitrógeno o bien una infección viral, pueden inducir la transcripción de las HSP, como es el caso de Hsp70. El gen precursor de la Hsp70 está compuesto por 2440 pares de bases, presentando una primera secuencia de 212 pares de bases y una secuencia final de 242 pares de bases (o región 3’ no traducida)4. Además, hay, al menos, dos elementos reguladores en la región 5’ que interactúan con unas determinadas proteínas: los factores de transcripción de las HSP (HSFs 1, 2 y 4 en humanos)5. La regulación de la respuesta o expresión de las HSP consta de diferentes niveles, representando un sistema complejo6. En primer lugar, los mismos estímulos que desencadenan la expresión de HSP actúan, a la vez, como agentes reguladores de dicha respuesta. En este sentido, se ha demostrado 4 que la respuesta de Hsp70 inducida por diferentes agentes estresores está relacionada con la intensidad o grado de estrés experimentado7. Por otra parte, la respuesta de las HSP al estrés parece tener un mecanismo de auto-regulación8. En ausencia de estrés, la Hsp70 permanece unida al HSF; sin embargo, durante el episodio estresante, la Hsp70 se disocia del HSF y, ya libre, captura las proteínas desnaturalizadas, potenciando la formación de trímeros de HSF, que entran en el núcleo de la célula y se unen a la región 5’ del gen que contiene el elemento promotor (heat shock element o HSE), dando como resultado la producción de Hsp70. Esta producción permite una nueva asociación HSP-HSF, evitando así la unión del HSF en la región anteriormente descrita del gen precursor, controlando, por tanto, la concentración intracelular de Hsp70 (Figura 1). Figura 1. Mecanismos de acción y regulación de las HSP. Adaptado de Kregel3. IR: isquemia / reperfusión. Al igual que otras muchas proteínas, las HSP poseen una regulación transcripcional. De este modo, y tal y como se ha comprobado en diferentes estudios, el estrés derivado del ejercicio físico induce un aumento en la concentración de Hsp70 mRNA9. En este sentido, se ha observado una notable diferencia en las concentraciones de Hsp70 mRNA y Hsp70 como resultado de la respuesta al estrés, lo que sugiere que dicha respuesta de Hsp70 puede estar regulada independientemente, bien a nivel proteico bien a nivel del mRNA6. En cualquier caso, todo parece indicar que las células que están regularmente expuestas a estrés (por ejemplo ejercicio a largo plazo) expresan niveles basales de HSP más bajos que células que están menos estresadas frecuentemente10. 5 1.2. FUNCIONES BÁSICAS Una de las principales funciones de las proteínas de estrés es luchar contra las alteraciones y los defectos en la síntesis de otras proteínas celulares, con el objeto de proteger a las células de los daños que puedan sufrir11. Cualquier tipo de estrés, entendiendo por tal la alteración de la homeostasis, es capaz de inducir su producción, pero en especial, factores como temperaturas elevadas2, disminución del pH12, aumentos de la concentración de Ca2+ 13 y de ciertos corticoides14, isquemia, la disminución de la glucosa y el agotamiento del glucógeno15, y otros factores, entre los que se encuentra el ejercicio16,17, son causantes del aumento en los niveles de HSP. De una forma más específica, las funciones biológicas de las HSP se centran en dotar de protección a la célula frente al estrés oxidativo18,19,20, atenuar el daño celular y facilitar su regeneración actuando a modo de chaperones16,17,19,21,22,23,24,25, reducir el efecto producido por la aterosclerosis26,27,28,29 y, según ha llegado a establecerse, prevenir la apotosis30,31,32. Además de las funciones de protección intracelular indicadas, se ha planteado la hipótesis que la Hsp70 y la Hsp72 cumplen funciones sistémicas. En concreto, se ha postulado que la presencia extracelular de Hsp72 desempeña una serie de funciones en la modulación del sistema inmunológico, pudiendo actuar a modo de señal de alerta para dicho sistema durante los momentos de estrés33. Por último, hay que destacar las funciones de HSP70 en la célula muscular. En este sentido, son numerosas las investigaciones que, hasta el momento, se han realizado con el fin de comprobar el grado de implicación de estas proteínas en diferentes alteraciones o patologías así como en distintos procesos biológicos que atañen al músculo esquelético. Los resultados de dichos estudios vinculan la acción inflamatoria presente en el síndrome de miopatía con agregados tubulares con la secreción de Hsp7034,35. Además, se han encontrado bajas concentraciones intramusculares de Hsp70 mRNA y Hsp72 en pacientes con diabetes tipo II36,37. En relación con la distrofia muscular de Duchenne, se ha constatado la presencia de Hsp70 en las fibras musculares afectadas, mientras que la expresión de Hsp70 se reduce al hacerlo la severidad de los síntomas asociados38,39. El daño muscular también implica una respuesta de Hsp70, cuya concentración intramuscular aumenta al hacerlo la de creatina quinasa (CK)9. Por último, diversos procesos biológicos, como la atrofia y la hipertrofia, conllevan la participación activa de Hsp70 y Hsp72. En el primer caso, los niveles de Hsp70 se reducen durante el periodo de inactividad muscular40, mientras que en el proceso hipertrófico se produce un aumento significativo de los niveles de Hsp70 y Hsp72 que coincide con el aumento de IGF-140,41,42,43. 6 2. RESPUESTAS DE HSP70 AL EJERCICIO FÍSICO El ejercicio, de forma similar a como lo hacen otros agentes estresores, induce la expresión de HSP en diferentes células y tejidos44. Puntschart et al.45 llevaron a cabo el primer estudio en el que se analizó la respuesta de HSP al ejercicio físico. En esta investigación, la concentración de Hsp70 mRNA aumentó significativamente a los cuatro minutos de haber finalizado el esfuerzo (30 min de carrera sobre tapiz a una intensidad correspondiente al umbral anaeróbico), alcanzando unos niveles que se mantuvieron elevados hasta tres horas más. Otros estudios posteriores han demostrado que la concentración de HSP70 aumenta tras la realización tanto de ejercicios agudos como de larga duración18,46,47,48,49,50,51,52, alcanzando unos niveles que se mantienen elevados a nivel intramuscular entre 6 y 7 días25. Si bien el músculo esquelético ha centrado la mayor parte del interés de los investigadores, existen estudios en los que se ha certificado la respuesta de HSP70 en el entorno extracelular y en otro tipo de células y tejidos. En este sentido, se ha encontrado un aumento en las concentraciones plasmáticas de Hsp72 inmediatamente después del ejercicio53. Asimismo, se han hallado aumentos de Hsp72 en monocitos inmediatamente después de una carrera de 20 km54, lo que sugiere que este tipo de células puede ser una fuente de liberación de Hsp72 hacia el plasma55, aunque, para otros investigadores, tanto las causas de la respuesta como el punto de origen de la secreción de HSP a la circulación quedan, todavía, por identificar con exactitud10. A continuación se analizan los factores que, relacionados con el ejercicio físico, pueden ser los desencadenantes de la respuesta de HSP70. Del mismo modo, se exponen las características del ejercicio físico así como otros factores que pueden condicionar la respuesta de HSP70, indicándose, para finalizar, las posibles funciones de estas proteínas de estrés en su repuesta al ejercicio físico. 2.1. ESTÍMULOS DESENCADENANTES DE LA RESPUESTA DE HSP70 2.1.1. AUMENTO DE TEMPERATURA La denominación de “heat shock proteins” deriva de los primeros estudios en los que se consiguió aislar este tipo de proteínas induciendo su respuesta a través del estrés térmico; de ahí su nombre y la razón por la que se haya vinculado un aumento en su concentración con el aumento de temperatura resultante del ejercicio físico. Por un lado, estudios como los efectuados por Morton et al.51, apuntan a una relación directa entre ejercicio, aumento de la temperatura corporal y respuesta de HSP70. En su trabajo, estos autores sometieron a un grupo de sujetos activos a una carrera de tipo submáxima. Tras el esfuerzo, se observó un aumento significativo (aunque variable) en los niveles intramusculares de HSP70. La respuesta alcanzó sus máximos valores a las 48 h tras el esfuerzo 7 (aumento del 179 % respecto a la concentración pre-ejercicio), manteniéndose elevada durante los 7 días post-ejercicio (178 % de la concentración preejercicio). De forma paralela, e inducida por el ejercicio, se produjo un aumento significativo de la temperatura central, pasando de 37.5 ± 0.2 ºC a 39.2 ± 0.3 ºC justo después del esfuerzo. La temperatura muscular también mostró un aumento significativo durante el ejercicio, pasando de 36.2 ± 0.7 ºC a 40 ± 0.3 ºC inmediatamente después del ejercicio. En esta misma línea, Ruell et al.1 analizaron la temperatura rectal y los niveles de Hsp72 en corredores que habían sufrido un colapso a consecuencia del calor en una carrera de 14 km, comparándolos con otros corredores que habían finalizado el esfuerzo sin ningún tipo de problema. Además, el grupo de corredores perjudicados se dividió en dos: aquéllos que presentaban síntomas serios y alteraciones neurológicas (grupo CNS) y aquéllos que presentaban síntomas moderados (grupo MILD). Los sujetos del grupo CNS, con menos horas de entrenamiento semanal, mostraron una mayor temperatura rectal que los corredores del grupo control. Inmediatamente después del esfuerzo, los valores de Hsp72 fueron muy superiores en los sujetos del grupo CNS en comparación con los sujetos del grupo MILD y los corredores que no habían sufrido alteración alguna (37.9, 20.9 y 17.0 ng/mL, respectivamente). Seis sujetos del grupo CNS mantuvieron elevados sus niveles de Hsp72 nueve días después de la carrera. Además, existió una correlación positiva entre los niveles de Hsp72 y la temperatura rectal registrada inmediatamente después del esfuerzo (r = 0.597; p <0.001). Por otra parte, se ha indicado que los aumentos de temperatura corporal provocados por el ejercicio físico no son los causantes de la respuesta de HSP7056. En este sentido, se han registrado importantes respuestas de Hsp72 al ejercicio en un ambientes termo-neutrales, y al realizar ejercicio físico sin aumentar la temperatura corporal10. Además, se ha demostrado que, tras un periodo de ejercicio con un incremento en la temperatura corporal hasta 40 ºC, se produce una disminución en la concentración de HSP70 en leucocitos57. 2.1.2. ISQUEMIA La isquemia relacionada con el ejercicio físico parece tener cierta relevancia en dos tejidos: el músculo esquelético y el músculo cardiaco. En este sentido, se ha llegado a determinar que, en el músculo esquelético, elevados niveles de Hsp70 se asocian con la protección contra la lesión hipóxica58. Sin embargo, es el músculo cardiaco el que ha focalizado la mayor parte de los estudios sobre las HSP. Según Knowlton59 y Locke y Tanguay60, el aumento de HSP producido por el ejercicio otorga defensa contra la isquemia - reperfusión. Así, se ha indicado que realizar ejercicio físico entre 3 y 5 días consecutivos mejora el rendimiento contráctil del miocardio en el transcurso de la isquemia - reperfusión, una protección miocárdica que se halla asociada al aumento de Hsp72 y antioxidantes en el miocardio61. Es por ello que los ejercicios de resistencia 8 aeróbica son los que mejores efectos poseen sobre las lesiones cardiacas originadas por el fenómeno isquemia-reperfusión62. Aunque se desconoce exactamente la forma en que las HSP producen los efectos beneficiosos sobre el corazón, se sospecha que su acción protectora se efectúa sobre las mitocondrias, oponiéndose a la acción de los radicales libres63 y sobre la apoptosis64. 2.1.3. METABOLISMO ENERGÉTICO. Las demandas a las que se ve sometido el metabolismo energético son otro tipo de estimulo para la respuesta de Hsp706. De hecho, la depleción de glucógeno y ATP puede inducir la respuesta de esta proteína de estrés7. Recientemente, se ha observado que la ingesta de glucosa puede limitar el aumento en la concentración sanguínea de Hsp72 producido como respuesta al ejercicio físico65. Por otro lado, el aumento de la concentración de ácido láctico parece estar relacionado con la respuesta de Hsp70, ya que, según los hallazgos conseguidos por Pösö et al.66, el pico de ácido láctico obtenido tras un esfuerzo intenso presentó una correlación significativa con la concentración intramuscular de Hsp70 mRNA. En esta misma línea, el descenso en el pH intracelular, experimentado como consecuencia de la realización de un ejercicio de elevada intensidad, parece representar un estímulo potencial para la respuesta de Hsp7012. 2.1.4. ESTRÉS OXIDATIVO La familia HSP70 reacciona rápidamente bajo condiciones de estrés oxidativo67,68, protegiendo a la célula muscular de la acción de los radicales libres. Dado que el ejercicio físico es un claro inductor de este tipo de estrés, se ha constatado su papel en la respuesta de HSP706,69. El músculo esquelético contiene un arsenal de sistemas antioxidantes que parecen estar estrechamente relacionados con las HSP. Durante el estrés, la activación del HSF-1 da lugar a un incremento de los niveles de HSP mRNA y moléculas de HSP, haciendo a las células más resistentes ante la aparición de futuros agentes nocivos. Esta relación entre estrés oxidativo y HSP se ha constatado a través de la administración de antioxidantes, ya que, tal y como se observó, consiguieron bloquear la respuesta de HSP70 al estrés generado por un esfuerzo de tipo aeróbico25. En un interesante estudio, y tras comparar las concentraciones plasmáticas de diferentes biomarcadores del estrés oxidativo y de Hsp70 en jugadores profesionales de fútbol y en sujetos sedentarios, Banfi et al.70 observaron cómo los niveles de las especies reactivas del oxígeno y el estado antioxidativo total no mostraron diferencias significativas. Sin embargo, los deportistas presentaron una mayor actividad de la enzima glutation reductasa así como mayores niveles de óxido nítrico y de Hsp70, unos resultados que parecen vincular la respuesta de Hsp70 con el estrés oxidativo. 9 2.2. INCIDENCIA DE LOS FACTORES GÉNERO Y EDAD Uno de los efectos del envejecimiento es la atrofia muscular. Tal y como se ha evidenciado, los músculos esqueléticos envejecidos ven reducida su capacidad de adaptación tras una actividad contráctil intensa71. La débil respuesta de Hsp70 observada en estos casos puede contribuir de manera importante en el desarrollo de este déficit muscular asociado a la edad50. Además, y de forma curiosa, la relación entre la edad y la respuesta atenuada de Hsp70 parece específica según el tipo de fibra del que se trate, ya que se ha demostrado una limitación en la expresión de Hsp70 en fibras rápidas de músculos esqueléticos envejecidos en respuesta al ejercicio crónico72. Según Njemini et al.73, la respuesta de Hsp72 en linfocitos y monocitos tras sufrir estrés térmico decrece a medida que aumenta la edad de los sujetos, al igual que ocurre en las células musculares. Sin embargo, en un reciente estudio, se ha demostrado la existencia de diferencias en el contenido muscular de HSP70 dependientes del factor edad, ya que los músculos cuádriceps de ratones mayores presentan una mayor concentración de esta proteína que los ratones adultos74. En cualquier caso, se ha establecido que la práctica regular de actividad física en la edad adulta puede preservar la capacidad de respuesta de Hsp72 al estrés fisiológico75. En cuanto al factor género, es importante resaltar la ausencia de investigaciones en humanos, si bien se han detectado algunas diferencias en animales de experimentación, ya que Nickerson et al.76 encontraron una menor concentración de Hsp72 en ratas hembras localizada en la hipófisis, nódulos linfáticos mesentéricos e hígado. Sin embargo, Voss et al.77 hallaron niveles cardiacos de Hsp72 en ratas hembras dos veces superiores a los encontrados en los machos. Estos autores vinculan esta diferencia con un mayor efecto protector de Hsp72 sobre el tejido cardiaco de las hembras. 2.3. NIVEL DE ENTRENAMIENTO Y RESPUESTAS DE HSP70. Al igual que ocurre con otro tipo de adaptaciones, los sujetos que se involucran en programas de ejercicio físico tienen mayores posibilidades de incrementar sus niveles de HSP70 que sujetos pasivos cuando quedan expuestos a estrés térmico10,78. Sin embargo, no todos los resultados coinciden con los anteriores. Morton et al.79 llevaron a cabo una investigación en la que compararon las concentraciones de distintas HSP en células musculares de sujetos entrenados y sedentarios. En situación basal, no se dieron diferencias significativas en las concentraciones de HSP70, aunque los sujetos entrenados presentaron unos niveles ligeramente superiores a los encontrados en los sujetos sedentarios (16%). Tras realizar un ejercicio de intensidad moderada (carrera de 45 min a una intensidad correspondiente al 75% del VO2máx) no se observaron 16 26. Xu Q. Role of heat shock proteins in atherosclerosis. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2002; 22: 1547-1559. 27. Martin-Ventura JL, Duran MC, Blanco-Colio LM, Meilhac O, Leclercq A, Michel JB, et al. Identification by a differential proteomic approach of heat shock protein 27 as a potential marker of atherosclerosis. Circulation, 2004; 110: 2216-2219. 28. Mehta TA, Greenman J, Ettelaie C, Venkatasubramaniam A, Chetter IC, McCollum PT. 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