Clase N°1 Bioenergética del Ejercicio[1].pdf

Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Clase N°1 Bioenergética del Ejercicio Introducción: o El ser humano necesita desplegar trabajo físico para lo cual requiere de energía. o Los alimentos se componen estructura...

Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Clase N°1 Bioenergética del Ejercicio Introducción: o El ser humano necesita desplegar trabajo físico para lo cual requiere de energía. o Los alimentos se componen estructuralmente de carbohidratos, lípidos y proteínas que son los combustibles metabólicos. Estos tres componentes también se encuentran en nuestro organismo a modo de reservas metabólicas. o Los seres humanos somos capaces de reservar hidratos de carbono en forma de glucógeno de manera limitada (músculo esquelético 300 gr - hígado 100 gr) y la gracia de tener reservas energéticas de este componente es para la realización de actividades anaeróbicas. o También almacenamos lípidos, pero estos de manera ilimitada. o En cuanto a las proteínas, si bien carecemos de un sistema para su almacenamiento, restringimos su uso como fuente de energía, aunque igual se podrían utilizar en casos de inanición prolongada lo cual puede generar un impacto en la salud. Fuentes de obtención de energía: o Los 3 componentes metabólicos ingresan a vías metabólicas para favorecer la neoformación o resíntesis del ATP (ADP-> ATP). o A partir de procesos metabólicos se puede formar ATP para realizar la actividad celular. o Existen 3 mecanismos de obtención de energía: Vía oxidativa - aeróbica: ocurre en la mitocondria debido a la oxidación de los alimentos. Vía glucolítica - glicolisis: limitada a la glucosa (vía limitada al sustrato). ATP - PCr: limitado al músculo esquelético y cardiaco (vía limitada al sustrato). Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Potencia vs capacidad: o Cada sistema energético tiene una capacidad que se define como la cantidad total de energía que forma en el tiempo y también cada sistema tiene una potencia que es definida como la velocidad con que forma energía dicho sistema. Por lo tanto, si necesito realizar una actividad que requiere una gran cantidad de ATP, pero en un tiempo breve (100 metros planos - levantamiento de pesas) voy a requerir un sistema energético que tenga una alta potencia, pero al contrario por ejemplo en un trekking voy a necesitar un sistema energético de mayor capacidad. Lo anterior quiere decir que de alguna forma debemos seleccionar por medio de mecanismos de selección que mecanismo energético utilizar según el contexto. o Las células en su mayoría tienen dos sistemas representados (vía oxidativa - vía glucolítica) y en el músculo además se suma el sistema de ATP - PCr. Ejemplo: ciclista de fondo (pedalear 3 horas / día)-> deberá entrenar la vía aeróbica vs un lanzador de martillo que deberá trabajar sus vías anaeróbicas que serían las de glicolisis + ATP - PCr. Empíricamente si me expongo a la tarea entreno la vía energética respectiva. o La vía energética es tan importante que las fibras musculares que existen (lentas, intermedias (parecidas a las rápidas), rápidas) son definidas por el sistema energético. Diapositiva potencia / capacidad: o El orden de cada sistema representa que existe una limitación en cuanto al tiempo que puede funcionar cada sistema energético. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina ATP: o En cada enlace de la molécula de ATP hay energía por lo tanto para obtener energía lo que se hace es romper dichos enlaces para que se libere energía (degradación de la molécula). o En el proceso de síntesis molecular hay que aportar energía para formar el enlace. Para formar ATP requerimos la degradación de hidratos de carbono, lípidos y proteínas. o En cuanto a los dos puntos anteriores vale la pena preguntarse ¿Por qué hacemos un paso extra? Todo se concentra en el ATP (moneda metabólica) porque de esa forma se ahorran enzimas en el organismo. Por ejemplo: La glucosa tiene 6 carbonos y por ende es una hexosa. En cuanto a la glicolisis (ruptura) se obtienen de este proceso 2 moléculas de 3 carbonos cada una. La ruptura de dicho enlace inicial liberó energía que fue utilizada para formar ATP por lo tanto esa energía no se utiliza de forma directa celularmente, sino que luego de formado el ATP se rompen los enlaces del ATP y esa energía liberada de la degradación del ATP se usa para la actividad celular. o El ATP molecularmente es un ácido nucleico (nucleótido = pentosa o ribosa + base nitrogenada o adenina + fosfato). La diferencia entre los nucleótidos que participan en la parte genética vs los que participan en energía es que los primeros tienen un fosfato mientras que los energéticos tienen 3 fosfatos y la gracia de estos últimos es que se puede romper el primer fosfato formando ADP, para liberar energía para procesos metabólicos y luego romper el segundo fosfato también liberar energía formando AMP. Una mayor cantidad de AMP en una célula significa que a esa célula le falta oxígeno es decir se encuentra en hipoxia. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina En casos de normalidad, lo que ocurre es que se rompe un enlace por medio de la enzima ATPasa y se obtiene ADP + energía y luego por vías metabólicas se vuelve a formar ATP. o Respecto a la resíntesis de ATP, este proceso requiere de enzimas (ATP sintetasa) y ocurre en la mitocondria. o No tenemos capacidad de almacenar ATP y por ende debemos formarlo constantemente. Gráfica: o Se muestra cuanto duran los sistemas energéticos durante un ejercicio. Reservas de ATP: eficientes por 1 segundo. Sistema ATP – PCr (fosfocreatina): eficiente por 10 segundos para entregar energía (levantamiento de pesas, salto largo, 100 metros). Pareciera ser un sistema que no sirve para nada debido a su corta duración, pero muchos atletas han ganado medallas gracias a ese sistema. Sistema glucolítico: eficiente por un minuto y medio (400 metros). Respiración celular: eficiente por largos periodos de tiempo (maratón). Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Vías energéticas: o A modo de resumen existen: 2 vías anaeróbicas (vía fosfocreatina – vía glicolisis)-> actúan por menos tiempo. 1 vía aeróbica (oxidativa)-> actúa por más tiempo. Sistema o vía de la fosfocreatina: o Esta vía se encuentra en el músculo esquelético y cardiaco (a nivel del citosol celular). o La fosfocreatina es un fosfágeno al igual que el ATP, es decir posee un grupo fosfato en su estructura lo que significa que la rotura de dicho enlace libera energía. o La enzima creatinquinasa (CK) es la encargada de degradar la fosfocreatina. La CK es considerada un marcador de daño muscular (al ocurrir necrosis de células musculares esta enzima se libera aumentando los niveles sanguíneos. Existen distintas fracciones o variedades de CK según la región del cuerpo siendo una de estas la fracción CK - MB que es propia del músculo cardiaco y permite así diferenciar el daño muscular cardiaco en secundario a un infarto agudo al miocardio. La cantidad total de CK se puede elevar secundario a una maratón producto del daño muscular producido por la contractibilidad muscular, pero en este caso estaría elevada la CK total pero no así la fracción MB. Ecuación: o En la ecuación superior, se observa a la izquierda la degradación de la fosfocreatina por acción de la CK. Este proceso tal como muestra la imagen produce energía (E), que no se utiliza directamente como energía, sino que se destina para la formación de ATP que luego se utilizará como energía. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Gráfico: o En el gráfico superior se observa que la vía energética de la fosfocreatina solo mantiene niveles elevados de ATP durante los primeros 10 segundos, posterior a ese tiempo se observa como la curva de ATP cae. Esto quiere decir que la vía energética de la fosfocreatina sirve para esfuerzos de tipo explosivos de corta duración como serían los 100 metros planos o el lanzamiento de jabalina, pero también tiene su utilidad en deportes mixtos de intensidad intermitente como los piques en el fútbol o la subida a volear en el tenis. o Tal como muestra el gráfico, la curva de ATP se mantiene alta mientras se consume la fosfocreatina, pero una vez esta se acaba, los niveles de ATP también decaen. Imagen: o En la imagen superior se observa la resíntesis de fosfocreatina. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Se observa que este proceso demora aproximadamente 2 minutos en regenerar el 70% de la reserva. Vía glucolítica: o La glucosa es una hexosa, es decir su estructura se compone de 6 carbonos. Otros monosacáridos son la galactosa que también es una hexosa y la fructosa que corresponde a una pentosa. o La glucosa podemos almacenarla como glucógeno que es un polímero de glucosa, es decir la unión de varias moléculas de glucosa. Tal como mencionamos al comienzo del apunte los depósitos de glucosa son limitados y por ende agotables. o Al ingerir glucosa se libera insulina, esta hormona se une a la célula diana promoviendo así la traslocación y acción de los receptores GLUT4 (absorción de glucosa en célula muscular y hepática). Ahora bien, para que se inserte el GLUT4 en la membrana celular, debe existir el receptor para este. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Gráfico: o El gráfico inferior a la izquierda se observa la captación de glucosa muscular y su relación con la intensidad del ejercicio. Tal como se observa, a mayor intensidad del ejercicio (Watts) se produce una mayor captación de glucosa en el tejido. Debido a este fenómeno es que el ejercicio se recomienda en los pacientes diabéticos producto que disminuye la resistencia a la insulina al aumentar la traslocación de GLUT4 en la membrana celular. o En el gráfico de barras a la derecha se observa como un sujeto entrenado (T) presenta una mayor expresión de receptores GLUT4 en su musculatura vasto lateral versus un sujeto no entrenado (UT) y un sujeto con 10 días de desentrenamiento (DT). Glicogenolisis hepática: o El glucógeno almacenado en forma de glucosa 6 fosfato es desfosforilado por la acción de la enzima glucosa - 6 - fosfatasa y transformado a glucosa para ser exportado a la sangre. Al proceso de ruptura de glicógeno para transformarlo en glucosa se le llama glicogenolisis. o El almacenamiento de glucógeno consiste en: 100 gramos-> ubicado en el tejido hepático (almacenamiento destinado para convertirse en glucosa y ser liberado a la sangre para mantener los niveles de glicemia). 300 - 400 gramos-> ubicado en la musculatura esquelética (almacenamiento destinado para uso en el mismo tejido muscular en donde se almacena). Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Neoglucogénesis: o Proceso que consiste en la producción de glucosa a partir de otros sustratos distintos al glucógeno para mantener la glicemia. Este fenómeno ocurre cuando los niveles de glicemia (glucosa en sangre) son bajos y es inhibido cuando los niveles de glucosa en sangre se encuentran dentro del rango de normalidad. o Los sustratos alternativos a partir de los cuales se produce glucosa son: Piruvato. Lactato. Alanina. Glicerol. Glutamina. o El hígado es el único órgano capaz de realizar la neoglucogénesis al poseer enzimas especiales. o Recuerden en la imagen el orden de cada sustrato. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Glicólisis: o Es el proceso a través del cual se produce la degradación de la molécula de glucosa. Este ocurre por medio de 10 reacciones. o Es un proceso estricto molecularmente ya que solo puede ser llevado a cabo con glucosa y glucosa - 6 - fosfato. Esto quiere decir que no ingresan en la vía ningún otro sustrato. o En cuanto al rendimiento energético de esta reacción si bien es bajo, es una reacción potente. o Se divide en 2 fases: Fase I-> a partir de la molécula de glucosa (hexosa de 6 carbonos) se producen dos moléculas de 3 carbonos cada una (gliceraldehído - 3 - fosfato + dihidroxiacetona fosfato). Esta fase ocupa 2 moléculas de ATP. Fase II-> en una primera etapa pasa una de las moléculas de 3 carbonos generadas en la fase anterior con lo cual se recuperan las 2 moléculas de ATP utilizadas en la fase anterior. Luego pasa la otra molécula de 3 carbonos que se generó en la fase anterior con lo cual se produce la ganancia de 2 moléculas de ATP. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Imagen: o La glucosa - 1 - fosfato entra en el segundo paso de la reacción como derivado del glucógeno con lo cual omite el primer paso en donde se pierden las 2 moléculas de ATP. Imagen: o ¿De qué depende la elección de un sistema energético? Depende de la intensidad y de la regulación enzimática. Esta última determina la velocidad del proceso. Las enzimas pueden ser activadas por la presencia de un sustrato e inhibidas por la presencia de otros.  Tener buenos niveles de ATP celular indica que la función metabólica aeróbica se encuentra funcionando bien y por lo tanto no se requiere de glicolisis (anaeróbica) para formar ATP con lo cual se inhibe o bloquea la enzima fosfofructoquinasa. Por el contrario, si tengo altos niveles intracelulares de ADP o AMP quiere decir que la vía aeróbica se está quedando corta y por ende se necesita echar mano a la vía anaeróbica de la glicolisis. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Imagen: o El paso de piruvato a lactato es una reacción reversible y facilitada por la enzima lactato deshidrogenasa (LDH). o Si tengo más lactato la reacción genera piruvato y viceversa. Glicólisis: o Retomando el proceso de la glicólisis como vimos anteriormente: En la primera fase se pierden 2 moléculas de ATP. En la segunda fase se ganan 4 moléculas de ATP de los cuales 2 recuperan la pérdida de la primera fase y las otras 2 son de ganancia energética. Sumado a lo anterior se produce una ganancia final de H2O y NADH es de 2 cada uno (recordar que la glucosa se divide en 2 moléculas de 3 carbonos que pasan por separado en la segunda fase). El proceso final produce piruvato que en presencia de oxígeno genera una interacción entre la vía glucolítica con la vía aeróbica, pero en ausencia de oxígeno produce lactato. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Imagen: o En la imagen inferior se representa una fibra muscular esquelética en la cual se observan dos compartimentos: Superior (compartimiento glicolítico)-> vía glicolítica y vía de la fosfocreatina. Ambas anaeróbicas. Inferior (compartimiento oxidativo)-> vía aeróbica (respiración celular dentro de la mitocondria). o Como vimos anteriormente, el punto final de la glicólisis es la formación de piruvato el cual gracias a la acción de la enzima LDH produce lactato. Si aumentan los niveles sanguíneos de lactato, se produce fatiga muscular y, es a raíz de esto que se comenzó a pensar que la acumulación de lactato es sinónimo de fatiga lo cual no es del todo cierto como veremos a continuación. MCT transporta el lactato fuera de la célula Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Tipos de fibra muscular: o Al comienzo vimos que el tipo de fibra muscular estaba determinado por la vía o sistema energético que utilizan: Tipo I o lentas-> utilizan la vía aeróbica de energía y por lo tanto tienen un mayor número de mitocondrias, más mioglobina (proteína que capta el O2 de los glóbulos rojos y que está formada a diferencia de la hemoglobina, por una cadena y una molécula de fierro) y más capilares. Por ejemplo: Músculo postural-> poco fatigable, generan poca fuerza y se componen de fibras tipo I. Tipo II o rápidas-> utilizan la vía anaeróbica de energía y por ende se contraen rápido, pero fatigan rápido. Poseen menor número de mitocondrias y menos capilares. Por ejemplo: Músculo bíceps-> fatigable, genera mucha fuerza y se componen de fibras tipo II. Si se realizara una biopsia muscular se podría observar que los músculos poseen más de un tipo de fibra muscular, es decir, si bien los músculos se especializan en determinadas funciones, de igual forma en situaciones especiales se pueden presentar distintos requerimientos energéticos que pueden suplir gracias a que se componen de más de un tipo de fibra muscular. Por ejemplo: Músculo sóleo: Caminar-> fibras tipo I. Saltar-> fibras tipo II. En cuanto a la distribución de fibras musculares entre los deportistas, esta varía entre cada especialidad deportiva, es decir, un ciclista tendrá una mayor proporción de fibras tipo I en relación con un levantador de pesas que presentará una mayor cantidad de fibras tipo II. Gráfico: o En el gráfico inferior se representa un treadmill (protocolo de intensidad creciente) vs lactato: Valor de reposo del lactato-> 2mmol/L. En el punto LT se produce el quiebre de la curva y es donde comienza a acumularse lactato (producción de lactato supera la depuración de lactato). Por lo tanto, la cantidad de lactato en sangre depende de esta relación de producción vs depuración. El lactato puede volver a ingresar a la célula. Por ejemplo, ante un ejercicio de alta intensidad, las fibras tipo II liberan lactato que es en parte captado por las fibras tipo I y por otra parte captado por órganos como el hígado. El lactato, luego de ingresar a la célula puede invertir la reacción y convertirse por acción de la LDH a piruvato, este último ingresa a la Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina mitocondria gracias a los canales MCT haciendo que la molécula pase a la vía aeróbica (esto explica que el lactato no puede considerarse como un desecho ya que puede ser reutilizado). Imagen: o En la imagen inferior podemos observar una mitocondria la cual tiene una membrana externa permeable y una membrana interna impermeable. Vía aeróbica: o La vía aeróbica, acepta como sustrato derivados de lípidos, carbohidratos y aminoácidos lo que la hace una vía no estricta en vista de que pueden ingresar sustratos desde varias vías metabólicas a ella. Ahora bien, la mayoría lo hace en Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina forma de Acetil CoA. Esta vía aeróbica, ocurre en la mitocondria y tiene dos etapas: Ciclo de Krebs-> ocurre en la matriz mitocondrial. Cadena de electrones y fosforilación oxidativa-> ocurre en las crestas mitocondriales. Imagen: o La imagen inferior, muestra que, para ingresar a la vía aeróbica, el piruvato formado por 3 carbonos sufre una descarboxilación a Acetil CoA (2 carbonos) proceso a través del cual se forma una molécula de NADH. Ciclo de Krebs: o Como se muestra en la imagen inferior, por cada vuelta al ciclo, a partir de 1 Acetil CoA se forman 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP. NADH y FADH2 son dinucleótidos (pentosa + base nitrogenada + fosfato) que captan electrones y protones en la siguiente fase de la cadena transportadora de electrones. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Cadena transportadora de electrones: o Los citocromos son complejos proteicos que presentan un centro metálico. Estos van ganando y perdiendo electrones. El oxígeno se utiliza en el último paso de la cadena transportadora de electrones formando H2O y por lo tanto se puede decir que el oxígeno es el aceptor final de electrones. Los electrones se ganan desde los dinucleótidos (NADH – FADH2) y se mueven de un citocromo a otro. Los protones pasan y se acumulan en el espacio intermembrana generando así la gradiente de protones. El complejo F0F1 ATP sintetasa es el encargado de devolver los protones desde el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial formándose así el ATP.  F0-> es un canal proteico.  F1-> tiene la actividad enzimática. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Imagen: o En la imagen inferior se puede ver que la cretina derivada de la fosfocreatina ingresa al espacio intermembrana mitocondrial y el ATP (proveniente de vía aeróbica) se conduce ahí también a través del transportador tipo ANT y es en ese lugar en donde se genera la resíntesis de fosfocreatina. ATP+ Creatina -> Fosfocreatina + ADP.  Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina Imagen: o En la tabla inferior se observa que la grasa permite un mayor tiempo de actividad vs los carbohidratos al tener un mayor potencial energético como veremos en la clase de metabolismo de lípidos. *las imágenes aquí expuestas son de la clase del profesor Óscar Araneda para el curso Fisiología del Ejercicio de la Escuela de Kinesiología de la Universidad de Los Andes. Curso: Fisiología del Ejercicio (2024) Ayudantes: Santiago Kehr – Agustín Medina