Fuentes de energía para la contracción muscular

MODULO Nº 2
FISIOLOGIA DEL TRABAJO APLICADA
“BIOENERGETICA”
Dra. María Teresa Chiang
Unidad de Ergonomía, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad de Concepción.
Diplomado en Ergonomía
Tema
Pagina

Nutrición - Metabolismo – Bioenergética.
2

Metabolismo de los carbohidratos.
5

Metabolismo de los lípidos o grasas
7

Fuentes de energía para la contracción muscular
7

Sistema de energía inmediata. ATP-Fosfocreatina
8

Sistema de energía a corto plazo. Anaeróbico Láctico
9

Sistema de energía a largo plazo. Aeróbico
10

Relación entre la bioenergética y las fibras musculares
10

Fatiga muscular
12

Consideraciones
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Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción
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Diplomado en Ergonomía

Nutrición - Metabolismo - Bioenergética
Los términos Nutrición - Metabolismo y
Bioenergética suelen utilizarse de
forma conjunta. Sin embargo tienen significados muy diferentes. Nutrición es un
término que se refiere a los alimentos (nutrientes) que ingerimos, básicamente
proteínas, hidratos de carbono y lípidos o grasas. Metabolismo es la "utilización
de los alimentos"
una vez que éstos han sido digeridos, absorbidos y
transportados hacia las células. Los procesos metabólicos son procesos químicos
complejos que se pueden dividir en dos grupos: catabolismo y anabolismo.
Cada uno consiste en una serie de reacciones químicas catalizadas por enzimas a
las que se les conoce globalmente como “vías o rutas metabólicas”.
El metabolismo puede verse afectado por diversos factores, los que pueden dar
como resultado un aumento o una disminución del mismo. Entre los factores que
aumentan el metabolismo se puede señalar, entre otros:
-
Ejercicio
-
Estrés
-
Estimulantes químicos (café, fármacos, drogas de abuso)
-
Hormonas (tiroxina, noradrenalina, de crecimiento)
-
Fiebre
Por su parte, los factores que disminuyen el metabolismo son:
-
Reposo
-
Meditación
-
Sueño
-
Hipotermia
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El catabolismo rompe las moléculas de alimentos en compuestos moleculares
menores, liberando energía al hacerlo. El anabolismo por su parte, transforma las
moléculas pequeñas en compuestos de mayor tamaño, consumiendo energía al
hacerlo. En resumen podríamos decir que el catabolismo es un proceso de
descomposición, mientras que el anabolismo es de síntesis. Ambos tienen lugar
dentro de las células y se producen en forma continua y simultánea. (Figura 1).
Figura 1: Componentes del metabolismo
P
r
o
d
u
c
e
e
n
e
r
g
í
a
ANABOLISMO (Síntesis)
- Crecimiento
- Ganancia de peso
- Desarrollo muscular
METABOLISMO
G
a
s
t
a
e
r
e
r
g
í
a
CATABOLISMO (Degradación)
- Digestión
- Respiración celular
El catabolismo libera dos formas de energía: química y calórica. La cantidad de
calor generado es relativamente alta y es importante para mantener la temperatura
corporal (la energía calórica no se puede utilizar como fuente de energía, ya que
las células no la utilizan). Por el contrario, la energía química liberada por el
catabolismo es mucho más útil, aunque no puede ser utilizada directamente para
las reacciones biológicas, ya que primero debe ser transferida a enlaces de alta
energía (~) de las moléculas de adenosina trifosfato (ATP) (Figura 2).
Bioenergética por tanto, corresponde a todas las reacciones que conducen a la
producción de energía biológicamente útil.
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Figura 2. Molécula de ATP, compuesta por adenina (base nitrogenada),
azúcar (ribosa) y tres ácidos fosfóricos (fosfatos).
El papel del ATP en el metabolismo es muy importante, ya que constituye casi la única
fuente de energía que las células utilizan. El ATP acumula energía temporalmente en sus
uniones fosfato distales. Cuando se rompen dichas uniones, se libera energía útil para el
trabajo celular. El ADP y el fosfato que resultan pueden ser resintetizados para formar ATP
mediante el uso de energía sobrante de las reacciones catabólicas. A este ciclo se le
denomina sistema ATP/ADP. La capacidad para transferir energía de una molécula a otra
es, como se puede imaginar, esencial para la vida. Sin embargo, debemos considerar que, si
bien es cierto, el ATP es una molécula “almacenadora de energía”, no hay que suponer que
esta energía se almacene durante mucho tiempo. De hecho, la molécula de ATP sólo existe
durante un período muy breve de tiempo antes que su último grupo fosfato se rompa y su
energía se transfiera a otra molécula en alguna vía metabólica. Por tanto, el
almacenamiento de energía por períodos más largos, sólo puede hacerse por moléculas
como: fosfocreatina, glucosa, glicógeno y triglicéridos. De lo anterior se desprende la
relación importante entre la alimentación y la obtención de energía.
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Metabolismo de los carbohidratos
El organismo metaboliza los carbohidratos en procesos catabólicos y anabólicos.
Dado que la mayoría de las células humanas usan a los carbohidratos, sobretodo
a la glucosa como su primer y fundamental combustible, catabolizan la mayor
parte de los mismos y sólo anabolizan una pequeña proporción. Cuando la
cantidad de glucosa que penetra en las células es insuficiente para suplir las
necesidades energéticas, se catabolizan las grasas y, en último lugar, las
proteínas.
El metabolismo de los hidratos de carbono comienza con la entrada de la glucosa
a la célula. La glucolisis es el primer paso en el catabolismo de los carbohidratos.
Rompe la molécula de glucosa para formar ácido pirúvico mediante una serie de
reacciones químicas catalizadas por enzimas. La glucolisis tiene lugar en el
citoplasma de las células y se trata de un proceso anaeróbico, es decir, sin
utilizar oxígeno. Por cada molécula de glucosa sometida a glucolisis, se forman
dos moléculas netas de ATP. La glucolisis es un proceso esencial, ya que prepara
a la glucosa para el segundo paso en el catabolismo, como es el ciclo del ácido
cítrico o de Krebs, donde mediante procesos enzimáticos y aeróbicos, se
producen treinta y seis moléculas de ATP por molécula de glucosa (Figura 3).
Como se muestra en la Figura 3, la glucosa puede seguir dos caminos. Uno es el
que termina con la fosforilación oxidativa del ATP. Esta vía es la que se denomina
vía aeróbica, porque requiere la presencia de oxígeno. Si el oxígeno no está
disponible para mantener los niveles adecuados de ATP, la célula dependerá sólo
de la glucolisis para producir ATP. Aunque con este proceso no se extrae la
máxima cantidad de energía de la glucosa, es el único proceso productor de ATP.
Debido a que la molécula de ácido pirúvico no puede entrar al ciclo de Krebs, se
convierte en ácido láctico, constituyendo el producto final de catabolismo
anaeróbico de la glucosa.
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Figura 3. Resumen del catabolismo de la glucosa. La glucosa es catalizada a
ácido pirúvico. Si hay oxígeno, el ácido pirúvico se convierte en Acetil CoA y
entra al ciclo de Krebs para transferir energía al mayor número posible de
moléculas de ATP.
Una vez que el oxígeno está disponible nuevamente, una parte del ácido láctico se
convierte en ácido pirúvico, proceso que gasta ATP y, por lo tanto, constituye una
de las reacciones que ocurren durante la recuperación post esfuerzo físico.
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Otro proceso importante para la célula lo constituye la glicogénesis, que
corresponde al proceso de formación de glicógeno y que se lleva a cabo cuando
hay un exceso de glucosa circulante. El glicógeno es una molécula de gran
tamaño, constituida solamente por moléculas de glucosa unidas formando ramas,
las que pueden romperse en el caso que se necesite glucosa (glicogenolisis).
Aunque los procesos de glicogénesis y glicogenolisis son importantes para la
mantención de la glicemia normal (80 a 100mg/dl), las células musculares
almacenan glicógeno, constituyendo una reserva energética muscular.

Metabolismo de los lípidos o grasas
El catabolismo lipídico, al igual que el de los carbohidratos, se lleva a cabo por
varios procesos. Cada uno de ellos constituido por reacciones químicas
catalizadas por enzimas. Los lípidos más comunes incorporados en la dieta, ya
sea como grasas o aceites, son los triglicéridos, los que están formados por una
molécula de glicerol unida a tres ácidos grasos. A su vez, los ácidos grasos son
cadenas carbonadas con o sin dobles enlaces (insaturados o saturados), los que
al sufrir el proceso de ß-oxidación son fragmentados hasta acetil-CoA, molécula
que finalmente entra al ciclo de Krebs. Por tanto, la última etapa del catabolismo
de los lípidos, es similar a la de los carbohidratos. Sin embargo, el metabolismo de
los lípidos proporciona considerablemente más cantidad de energía que los
carbohidratos.

Fuentes de energía para la contracción muscular
La energía necesaria para la contracción muscular procede de la hidrólisis del
ATP, el que es obtenido principalmente de la glucolisis aeróbica y anaeróbica. Sin
embargo, las fibras musculares deber resintetizar este ATP de manera continua.
Para ello, cuenta con la fosfocreatina o creatina fosfato, quien al romperse libera
un fosfato de alta energía, lo que constituye “una energía inmediata”.

Sistema de energía inmediata. ATP-Fosfocreatina
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El sistema ATP-FC se caracteriza porque la obtención de la energía se realiza sin
utilizar oxígeno, y sin generar sustancias residuales.
Para ello, este sistema emplea las reservas musculares de ATP y de fosfocreatina.
Las reservas de fosfocreatina suelen ser unas tres veces superiores a las de ATP.
La fosfocreatina (FC), es un compuesto formado por dos moléculas: creatina y
fosfato. El enlace entre estas sustancias almacena una gran cantidad de energía
química.
Situación de Trabajo
Fosfocreatina + ADP
ATP + Creatina
Situación de Reposo
Creatina +
ATP
ADP + Fosfocreatina
Cuando existe una gran demanda de energía, que no se puede cubrir por vía
aeróbica debido al tiempo que tarda este sistema en comenzar a producirla, en
primer lugar se utilizan las reservas de ATP, y a continuación, se degrada la FC,
separándose su grupo fosfato y liberando una gran cantidad de energía. (Situación
de trabajo).
La energía liberada se acopla con los requerimientos energéticos necesarios para
resintetizar el ATP a partir del ADP y del fosfato inorgánico, de forma que el ATP
es degradado y resintetizado a gran velocidad (Situación de reposo).
Este sistema es empleado hasta que se agotan las reservas de ATP y FC que el
músculo tiene en forma de reservas. Si los requerimientos energéticos son altos,
el sistema decae pasados unos 20 o 30 segundos, momento en que se agotan las
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reservas de FC. Pero las reservas de fosfocreatina se pueden regenerar de forma
muy rápida, con uno o dos minutos de recuperación, vuelve hasta alrededor del
90% de su nivel normal.
La importancia de este sistema radica en la rápida disponibilidad de energía, más
que en la cantidad, y también en la rápida recuperación de los niveles iniciales de
fosfocreatina.

Sistema de energía a corto plazo. Anaeróbico Láctico
Cuando la elevada demanda energética continúa, y el sistema ATP-FC decae, se
inicia la glucolisis, que es independiente de la presencia de oxígeno, y proporciona
la energía necesaria para la síntesis de ATP.
Como la demanda de energía es superior a la que es posible obtener por vía
aeróbica, los hidratos de carbono son degradados parcialmente de forma
anaeróbica (sin oxígeno), produciendo residuos en forma de ácido láctico.
Situación de trabajo
Glucosa
ácido pirúvico
ácido láctico + 2ATP
Cuando el ácido láctico alcanza concentraciones muy altas en el músculo y en la
sangre, se produce una fatiga muscular transitoria, que impide la continuidad de
la actividad. Posteriormente, el ácido láctico es metabolizado, requiriendo de
oxígeno y energía. Principalmente es empleado como combustible por el músculo
esquelético (que en condiciones normales, con presencia suficiente de oxígeno, es
oxidado, en 75-80%), y una parte menor, cerca del 20%, se transforma en glucosa
y luego en glucógeno, en el hígado.
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Sistema de energía a largo plazo. Aeróbico
Cuando existe oxígeno suficiente para producir ATP, éste se obtiene
principalmente de la oxidación de las grasas. Este sistema energético permite
realizar trabajo muscular durante largo tiempo, con una intensidad de liviana a
moderada. No produce ácido láctico como metabolito tóxico, de modo que no
requiere recuperación aeróbica.
En resumen, desde el punto de vista bioenergético, los seres humanos tenemos
una capacidad limitada para realizar esfuerzos físicos, más allá de la cual
aparecen síntomas de fatiga, que nos impiden realizar
cualquier actividad
adicional. De lo anterior se desprende que sólo se podrán realizar esfuerzos
agotadores por períodos muy breves, esfuerzos pesados por períodos breves y
esfuerzos livianos por períodos prolongados.

Relación entre la bioenergética y las fibras musculares
Las fibras musculares esqueléticas se pueden dividir en tres clases, dependiendo
de sus características estructurales y funcionales:
-
Fibras lentas (rojas), aeróbicas
-
Fibras rápidas (blancas), anaeróbicas
-
Fibras intermedias
Cada clase se adapta muy bien a un determinado tipo de contracción muscular y
obtención de la energía para ella. Aunque cada músculo contiene una mezcla de
las tres clases de fibras, éstas están en distintas proporciones, dependiendo del
tipo de contracción que hace normalmente cada músculo.
 Fibras lentas: llamadas también rojas por su alto contenido en
mioglobina, que es un pigmento rojizo y que constituye una reserva
muscular de oxígeno. Al contraerse en forma lenta, la velocidad de
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producción de ATP es suficiente como para aportar energía al músculo
evitando así la fatiga. Este efecto se debe a un mayor número de
mitocondrias, capilares y enzimas de la vía aeróbica en comparación a los
otros tipos de fibra. Las características de lentitud y no fatigabilidad de
estas fibras las convierte en especialmente aptas para las contracciones
mantenidas de los músculos posturales.
 Fibras rápidas: llamadas así por su bajo contenido en mioglobina. Se
contraen a una velocidad mucho más alta que las fibras lentas y, por lo
tanto, se fatigan con mayor rapidez. Tienen un alto contenido de glicógeno,
enzimas de la vía anaeróbica, muy pocas mitocondrias y capilares, por lo
que su energía mayoritariamente la obtienen por vía anaeróbica. Son muy
apropiadas para los músculos que requieren generar una gran fuerza pero
en un tiempo muy corto. Ejemplos característicos son los músculos que
mueven los ojos o los dedos.
 Fibras intermedias: poseen características de los dos tipos de fibras
anteriores. Son más resistentes a la fatiga que las fibras rápidas y pueden
producir más fuerza y en un tiempo menor que las fibras lenta. Este tipo de
fibras predomina en aquellos músculos que apoyan a los posturales. Un
ejemplo característico es el soleo, o músculo de la pantorrilla, que ayuda a
mantener la pierna, pero que también se utiliza para caminar, correr y
saltar.

Fatiga muscular
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La fatiga muscular corresponde a una pérdida de fuerza o resistencia, que ocurre
como consecuencia de un trabajo de gran intensidad. La fatiga fisiológica, se
debe a una falta relativa de ATP, que hace que la contracción muscular sea
imposible de realizar. Los bajos niveles de ATP que originan la fatiga pueden tener
su origen en el agotamiento del oxígeno o glucosa en las fibras musculares o a la
incapacidad
de
resintetizar
ATP
con
la
velocidad
suficiente
para
los
requerimientos. El aumento de la concentración de lactato o de otros metabolitos
tóxicos también contribuyen a la fatiga física.
Sin embargo, es necesario considerar que, a pesar de un adecuado aporte de
oxígeno y a reservas suficientes de glucógeno, el esfuerzo físico sostenido
desencadena una serie de procesos bioquímicos y fisiológicos que terminan por
producir fatiga (Figura 4).
En la corteza cerebral son integradas señales procedentes de los tejidos
periféricos, que generan una sensación especial percibida como esfuerzo físico:
Es la fatiga psicológica la que nos suele producir esa sensación de agotamiento
que nos impide continuar realizando una actividad muscular. Un ejemplo de esto
es que en la fatiga fisiológica no podemos contraer los músculos. En la fatiga
psicológica no queremos contraerlos porque nos sentimos cansados.
Cuando la sensación de esfuerzo es interpretada como máxima e intolerable,
aparece un fuerte deseo por suspender el ejercicio. Así mismo, la actividad
excesiva de los músculos respiratorios genera estímulos adicionales que dan lugar
al síntoma de disnea, que también obliga a detenerse.
A nivel de las unidades motoras (neuronas de la médula espinal, nervios
periféricos y músculos), la actividad física máxima estimula quimiorreceptores y
mecanorreceptores. Cuando la tensión de los músculos es muy elevada o
disminuye el pH en las células musculares (por aumento en la producción de ácido
láctico), es producido un arco reflejo que disminuye la actividad de las
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motoneuronas y produce debilidad. Estas mismas señales, dan lugar también a
fatiga muscular.
Figura 4. Fenómenos que producen las sensaciones de esfuerzo, disnea, fatiga y
debilidad durante el ejercicio físico intenso

Consideraciones
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 El trabajo físico aeróbico realizado ya sea como parte del entrenamiento
atlético o como una actividad laboral o recreacional, tiene muchos
beneficios para el ser humano. A nivel muscular aumenta la proporción de
fibras lentas tipo I, permitiendo de esa manera mejorar la condición física. A
largo plazo, también ejerce un efecto cardiovascular protector, cosa que no
ocurre con los esfuerzos estáticos o anaeróbicos.
 Durante el envejecimiento existe una menor tolerancia al ejercicio,
explicado en parte por una disminución en la masa muscular. En personas
con enfermedades pulmonares o cardíacas el problema es aún mayor, pues
en ellas es necesario realizar un esfuerzo adicional de los músculos
respiratorios para asegurar un adecuado aporte de oxígeno a los tejidos
durante la actividad física. Con ello, aparecen en forma rápida síntomas de
disnea que obligan al individuo a detenerse. A lo anterior hay que anotar los
cambios bioquímicos que ocurren en el tejido muscular de pacientes con
insuficiencia cardíaca, los cuales rápidamente se agotan en respuesta al
ejercicio.
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