Acción de la hormona de crecimiento sobre la función del músculo esquelético

Los músculos esqueléticos son tejidos contráctiles especializados, con un importante papel en el metabolismo energético y además controlan la postura y la actividad  física. Su función depende de la composición  y la fuerza  de las fibras musculares, las cuales requieren energía para manejar y sostener el trabajo contráctil. La función del músculo  es regulada por muchos factores incluyendo genes, nutrición, estilo de vida y hormonas. Entre las hormonas con efectos importantes en el crecimiento y la función  del músculo esquelético están la hormona de crecimiento (HC), las hormonas tiroideas, la testosterona y los glucocorticoides. La función del músculo generalmente  es abordada como fuerza y potencia. La fuerza depende  del tamaño del músculo, y de los tipos y la calidad de las proteínas contráctiles. La potencia del músculo es una medida del trabajo desarrollado por unidad de tiempo y es expresada en joules por segundo o watts. La energía requerida para el trabajo muscular proviene de depósitos preformados o puede ser generada a partir del metabolismo, anaeróbico o aeróbico, de sustratos. La potencia del músculo  depende de la disponibilidad –o tipo- de energía.

La HC regula el anabolismo proteico a través de mecanismos endocrinos y paracrinos. De acuerdo con la hipótesis somatomedina, la acción anabólica de la HC es mediada por el factor de crecimiento insulinosimil1 (IGF1) circulante, el cual deriva principalmente del hígado. Sin embargo, se reconoce que  el IGF1  producido localmente bajo estimulación de la HC en los tejidos también interviene en algunas de las acciones de la HC promotoras del crecimiento. La magnitud de la contribución  del IGF1, circulante y local,  en el crecimiento tisular  es aun un tema controversial. Los estudios en humanos con IGF1 recombinante  señalan   que el IGF1 circulante tiene acciones   anabólicas. El IGF1  aumenta el anabolismo proteico  reduciendo la tasa de proteólisis, una acción similar a la de la insulina.  Cuando el IGF1 es infundido en ratas  se produce una reducción  en la degradación –sin cambios en la síntesis- de proteínas. Entonces, los efectos anabólicos del IGF1 sistémico son similares a los de la insulina y diferentes a los de la HC, la cual regula el metabolismo de aminoácidos a partir  de rutas de síntesis. Estas observaciones indican que los efectos  de la HC sobre los flujos de aminoácidos son mediados por mecanismos adicionales a los del IGF1.

El músculo esquelético está compuesto por fibras que contienen proteínas con distintas propiedades. La actina y la miosina son proteínas funcionales responsables de la función contráctil  del músculo, mientras que la  tropomiosina y la troponina  son proteínas estructurales que mantienen  a las proteínas contráctiles alineadas y proporcionan a las fibras musculares elasticidad y extensibilidad. La miosina tiene dos cadenas pesadas  y cuatro cadenas ligeras.  Las fibras musculares se clasifican según las isoformas  de la cadena pesada de miosina en dos tipos: las fibras tipo I, también conocidas como fibras de sacudida lenta y las fibras tipo II, también conocidas como fibras de sacudida rápida. Las fibras tipo I contienen  abundantes mitocondrias,  utilizan rutas aeróbicas u oxidativas para la producción de energía y determinan la capacidad de  resistencia del músculo. Por el contrario, las fibras tipo II, debido a su bajo contenido de mitocondrias, generan energía  a partir de rutas anaeróbicas o glucolíticas, desarrollan  una alta fuerza contráctil pero se fatigan fácilmente.  Varios factores determinan la distribución de los tipos de fibras en el musculo esquelético. Estos factores  incluyen la edad, el ejercicio, el uso funcional, la inervación y las hormonas. Por ejemplo, el envejecimiento está asociado con una reducción de fibras tipo II mientras que el exceso de hormonas tiroideas produce una reducción de fibras tipo I.

La función contráctil del músculo esquelético requiere de un aporte constante  de energía química.  Durante la contracción  muscular, la energía química  es convertida en energía mecánica para permitir el movimiento. En los humanos, la energía química está disponible en forma de ATP, el cual es generado  por dos sistemas de energía: anaeróbico y aeróbico.  En el sistema anaeróbico el ATP es producido  en la glucolisis o preformado como fosfocreatina. El sistema aeróbico genera ATP  a partir de la oxidación  de combustibles metabólicos  como carbohidratos, lípidos y proteínas. En el citoplasma de la célula muscular, la glucolisis genera piruvato, el cual en ausencia de oxigeno  es reducido a lactato que pasa a la circulación y es convertido  en glucosa en el hígado.   En los tejidos con un adecuado aporte de oxigeno, el piruvato y los ácidos grasos son convertidos  en acetil CoA en las mitocondrias. La acetil CoA, vía ciclo de Krebs y cadena respiratoria, produce ATP. La cantidad de ATP preformado presente en las células musculares es suficiente para sostener la actividad física solamente  durante 5-10 segundos; la glucolisis anaeróbica proporciona energía para otros 30-40 segundos y el metabolismo aeróbico proporciona la energía para sostener la actividad prolongada. La síntesis de energía a partir de la utilización de sustratos  durante el ejercicio  es regulada por factores nutricionales, genéticos, hormonales y también por el entrenamiento físico. La HC puede aumentar la función del músculo a través del incremento en la disponibilidad de ácidos grasos y piruvato como combustibles metabólicos para la producción de energía. La HC estimula la lipolisis durante la condición de reposo y en el ejercicio, lo cual produce un incremento  en los niveles plasmáticos de ácidos grasos. La HC también incrementa la concentración plasmática de glucosa por varios mecanismos incluyendo el aumento de la glucogenolisis.

Es bien conocido que la HC estimula la oxidación de los lípidos y reduce la utilización de carbohidratos en el organismo. Dado que el tejido  muscular comprende casi el 50% de la masa corporal magra, tradicionalmente se asume que un incremento en la oxidación de los lípidos en el cuerpo entero  es un reflejo  de la acción de la HC sobre el músculo esquelético. Sin embargo, estudios en roedores  y humanos sugieren que la acción de la HC es bastante tejido-específica. Estudios recientes reportan que la HC inhibe la expresión de los genes involucrados en la oxidación de lípidos en el músculo esquelético de la rata. Estos hallazgos sugieren que la HC inhibe el metabolismo oxidativo de sustratos y puede favorecer rutas no oxidativas (anaeróbicas) para la síntesis de ATP en el músculo esquelético. Esto es apoyado por un estudio en ciclistas entrenados, en el cual el uso de HC, en comparación con placebo,   incrementó  los niveles plasmáticos de lactato durante el ejercicio moderado o intenso. En suma: los efectos de la HC sobre el metabolismo de sustratos son tejido-específicos. La evidencia reciente sugiere que la HC promueve el metabolismo no oxidativo o anaeróbico para la síntesis de ATP en el músculo esquelético, hallazgos contrarios a sus efectos sobre el metabolismo a nivel de cuerpo entero.

La potencia muscular es descrita en términos  de potencia aeróbica  y potencia anaeróbica, dependiendo de la fuente de energía predominantemente utilizada para hacer el trabajo. Por lo tanto, la potencia muscular puede ser medida como la capacidad de ejercicio aeróbica o anaeróbica. La capacidad aeróbica es una medida de resistencia, es decir, de la capacidad del musculo para sostener el trabajo durante períodos prolongados con energía proporcionada principalmente  por la oxidación de carbohidratos o lípidos en las mitocondrias. En el mundo atlético, determina el rendimiento en deportes como maratón, futbol, tenis, etc, mientras que en la vida diaria se refiere a actividades como el caminar. Los estudios en sujetos con deficiencia de HC han proporcionado evidencia que la HC es un regulador positivo  de la capacidad aeróbica de ejercicio. Los mecanismos responsables del mejoramiento del rendimiento aeróbico durante el reemplazo de HC son multifactoriales. El aporte de oxígeno para los músculos en ejercicio depende de la función cardiaca, la capacidad pulmonar y la capacidad de transportar oxigeno de la sangre. En adultos con deficiencia de HC, la terapia de reemplazo incrementa (i) el gasto cardiaco a través del aumento de la frecuencia cardiaca y del volumen latido; (ii) la capacidad pulmonar mediante el incremento de la fuerza de los músculos respiratorios y los volúmenes pulmonares; y (iii) la masa de eritrocitos que determina la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. Estos estudios también demostraron que la HC no aumenta la capacidad aeróbica de ejercicio en adultos sanos. En resumen, la HC aumenta  la capacidad aeróbica de ejercicio en sujetos con deficiencia de HC, pero no en sujetos sanos. Este aumento puede ser explicado por efectos de la HC sobre la masa muscular, la función cardiorespiratoria y los parámetros hematológicos.

La capacidad anaeróbica de ejercicio es definida como la cantidad total de trabajo durante un ejercicio  extenuante de corta duración. Este trabajo es ejecutado por fibras musculares tipo II y la principal fuente de energía es el ATP anaeróbico.  Las actividades deportivas que involucran actividad física de alta intensidad y de corta duración incluyen la gimnasia, el baseball y el “sprinting”. El sistema de energía anaeróbico proporciona la energía para el inicio  de todas las actividades biológicas, incluyendo actividades de la vida diaria. La HC estimula la producción de ATP en la glucólisis, lo cual incrementa la capacidad anaeróbica de ejercicio en el músculo esquelético. Por lo tanto, el hallazgo de que la HC puede regular el sistema anaeróbico  de energía tiene potenciales implicaciones terapéuticas no solo  en la población deficiente de HC sino también para acelerar la rehabilitación física.

La fuerza de un músculo es determinada por fibras tipo II y requiere ATP preformado para energía. Es significativamente reducida en adultos con deficiencia de HC por disminución de la masa muscular más que por disminución de la función contráctil. Los estudios sobre los efectos del reemplazo de HC sobre la fuerza muscular han proporcionado resultados contradictorios.  Algunos estudios reportan que la fuerza muscular no cambia significativamente después de cuatro meses de tratamiento. Otros estudios reportan  mejoría significativa  después de 12 meses de tratamiento. Los estudios que reportan incremento de la fuerza muscular también reportan incremento en la masa muscular después de un tratamiento de larga duración. En resumen, la evidencia acumulada indica que la HC incrementa la fuerza muscular  a través del incremento de la masa muscular.

En los estudios de la HC y la fuerza muscular está implícito  el rol mediador del IGF1, el cual estimula la proliferación y la diferenciación  de las células satélites en mioblatos y la formación de nuevas miofibras. Los ratones con deficiencia de IGF1 exhiben  hipoplasia muscular, mientras que la sobre expresión de IGF1 produce hipertrofia muscular y aceleración de la regeneración después de la atrofia por desuso. Estos estudios indican que las acciones de la HC sobre el crecimiento y la fuerza del músculo son mediadas vía IGF1.

En conclusión, la HC es una hormona anabólica que regula positivamente la función del músculo. La función contráctil del músculo esquelético depende del tamaño muscular, los tipos de fibras y la disponibilidad de energía. Los músculos utilizan diferentes formas de energía para llevar a cabo una función específica. La HC regula la bioenergética del músculo que aumenta el rendimiento anaeróbico. La HC incrementa la fuerza muscular  en adultos con deficiencia de HC  a través del aumento de la masa muscular, un efecto que es mediado por el IGF1. Esta acción de la HC no afecta la fuerza contráctil ni la composición de fibras del  músculo.  La terapia con HC de corta duración  no aumenta la fuerza muscular en adultos sanos.  Al presente, no hay evidencia que apoye un rol de la HC en el aumento de la función contráctil del músculo esquelético.

Fuente: Chilcani V y Ho K (2014). Action of GH on skeletal muscle function: molecular and metabolic mechanisms. Journal of Molecular Endocrinology 52: R107-R121.