Comparative aspects of aerobic and anaerobic metabolism

Comparative aspects of aerobic and
anaerobic metabolism
Ginés Viscor
Dr. Ginés Viscor
Vías aeróbicas: 4 fases principales
Glucólisis
Conversión de glucosa (libre o movilizada desde glucógeno) en
ácido pirúvico
Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (Krebs)
Oxidación enzimática mitocondrial del ácido pirúvico procedente
de la glucólisis
Cadena proteica de transporte de electrones
Una secuencia de oxidación de cuatro complejos proteicos en la
membrana interna mitocondrial en la que O2 es el aceptor final
de electrones
Fosforilación oxidativa
Acoplamiento entre potencial reductor de la cadena de
electrones y síntesis de ATP
Dr. Ginés Viscor
Glucólisis aeróbica
Cada molécula de glucosa se
convierte en 2 moléculas de ácido
pirúvico
Se produce la reducción de 2
moléculas de NAD a NADH2 por
cada molécula de glucosa
catabolizada
Se obtienen 4 moléculas de ATP,
pero se consumen 2, lo que
genera una síntesis neta de 2
moléculas de ATP por cada
molécula de glucosa procesada
en esta vía.
Dr. Ginés Viscor
Ciclo de Krebs
La descarboxilación en
distintos puntos de la vía
hace que los 6 átomos
de carbono de cada
molécula de glucosa
acaben como 6
moléculas de CO2
Se obtiene poder
oxidante: 8 NADH2 y 2
FADH2 por cada glucosa
2 ATP (GTP) producidos
por cada molécula de
glucosa procesada
Dr. Ginés Viscor
La cadena de transporte de electrones
O2 ambiental es el aceptor final de electrones
H2O producto final inocuo, incluso ventajoso
Dr. Ginés Viscor
Acoplamiento de la fosforilación oxidativa
El gradiente electroquímico de
protones generado por la
cadena de electrones se usa
para obtener ATP
Ambos procesos pueden o no
acoplarse por la presencia de
UCP1
El ratio P/O expresa este
acoplamiento como moléculas
de ATP formadas por átomo de
oxígeno reducido (H2O)
P/O máximo teórico es 3, pero
sólo se alcanza 2,6-2,8 (RMN)
Dr. Ginés Viscor
Vías aeróbicas: balance final
Se puede oxidar todo tipo de sustratos (llegando a
acetil-CoA por el metabolismo intermediario) tanto
carbohidratos, como grasas o proteínas
En total, por cada molécula de glucosa catabolizada se
obtienen 38 moléculas de ATP
Pero la eficiencia energética es variable, incluso en una célula
con un acoplamiento estrecho, dependiendo de concentraciones
de metabolitos y otros factores
Usualmente entre 60-70%, es decir sólo esa fracción de energía
liberada por la oxidación de glucosa a dióxido de carbono y agua
es retenida como energía química en forma de ATP
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2820 kJ/mol
Aprox 65% ⇒ 1830 kJ/mol
Dr. Ginés Viscor
Vías anaeróbicas
Cuando la demanda energética supera la capacidad de
aporte de oxígeno:
Queda limitada la síntesis aeróbica de ATP
Se produce un posible desequilibrio redox
La alternativa es la obtención de ATP en algunos tejidos,
independientemente del aporte de oxígeno: metabolismo
anaeróbico:
Uso de reservas internas de oxígeno
Uso de fosfágenos
Glucólisis anaeróbica
Dr. Ginés Viscor
Fosfágenos
Actuan como moléculas
donantes de un enlace
fosfato rico en energía
Síntesis rápida de ATP
Dr. Ginés Viscor
Glucólisis anaeróbica
Es la principal vía
anaeróbica en todos
los vertebrados
Depende de NAD
Requiere LDH
Equilibrio redox
Sólo puede usar
glucosa como
sustrato
Sólo rinde 2 ATP por
molécula de glucosa
catabolizada
Dr. Ginés Viscor
Metabolización aeróbica del ácido láctico
La glucólisis anaeróbica
conduce a la acumulación de
ácido láctico en el tejido.
Puede difundir a la sangre y
alcanzar células próximas u
otros tejidos.
Su metabolización requiere
reconvertirlo de nuevo en
pirúvico
Hay dos vías de uso posibles:
Gluconeogénesis
Ciclo de Krebs
Dr. Ginés Viscor
Vías metabólicas: cuestión de equilibrio
La cuestión clave en el proceso de obtención de ATP es
si puede sostenerse en un estado estacionario o no:
Producción de ATP tan rápido como se consume
Uso de sustratos renovables a igual velocidad
Eliminación de los productos de desecho tan pronto aparecen
Este tipo de proceso asegura la homeostasis metabólica
de la célula
Un proceso no estacionario no puede sostenerse en el
tiempo ya que:
Consume reservas de sustratos
Acumula productos
Altera sus propias condiciones de operación a velocidad superior
a la que el propio sistema finalizaría
Dr. Ginés Viscor
Un ejemplo de sistema estacionario
Aporte energético durante un trabajo muscular intenso y
sostenido en seres humanos
Dr. Ginés Viscor
El porqué de combustibles alternativos
Dr. Ginés Viscor
El porqué de combustibles alternativos
Dr. Ginés Viscor
Estudio metabólico muscular “in situ”
Espectroscopía por resonancia magnética nuclear (NMR)
Músculo en ejercicio
No invasiva
Mediciones en intervalos regulares
Concentraciones de
Pi
ATP
PCr
Dr. Ginés Viscor
Transición metabólica en ejercicio
Conceptos de deuda de oxígeno y exceso de consumo de
oxígeno post-ejercicio (EPOC):
Aporte-demanda de O2 en ejercicio
submáximo ligero
No se acumula ácido láctico
“Reboot” muy rápido:
- fosfágenos
- almacenes de O2
Repeticiones posibles
Dr. Ginés Viscor
Aporte-demanda de O2 en ejercicio
submáximo intenso
Se acumula ácido láctico al inicio
Metabolización completa al finalizar el ejercicio
Recuperación lenta
Dr. Ginés Viscor
Dr. Ginés Viscor
Aporte-demanda de O2 en ejercicio
supramáximo
Se acumula ácido láctico desde la fase inicial
No se alcanza un estado estacionario
Rápido fin del ejercicio y recuperación muy lenta
Dr. Ginés Viscor
Y el consumo máximo de oxígeno
Volumen máximo de oxígeno que se puede consumir
VO2max ≡ Potencia aeróbica máxima ≡ Capacidad aeróbica
Proporciona una medida cuantitativa de la capacidad de
resíntesis aeróbica de ATP
Dr. Ginés Viscor
La deuda de oxígeno es entrenable
Sujetos entrenados alcanzan
antes la meseta y acumulan
menor deuda de oxígeno al
iniciar el ejercicio
Incremento más rápido en el
gasto cardiaco
Mayor porcentaje de flujo
sanguíneo al músculo
Adaptaciones celulares
↑ densidad capilar
↑ número de mitocondrias
↑ enzimas oxidativos
Dr. Ginés Viscor
Y también el umbral anaeróbico
La glucólisis anaeróbica
origina lactato que tiende a
acumularse en el músculo
Umbral sanguíneo de lactato
La producción supera al
consumo
Como media en no entrenados
= ~ 55% VO2max
El entrenamiento puede
desplazar el umbral de lactato
Dr. Ginés Viscor
La recuperación también es importante
Dr. Ginés Viscor
Implicaciones de la fase EPOC
La recuperación óptima depende del tipo de ejercicio:
Steady-rate exercise
Passive recovery
Nonsteady-rate exercise
Active recovery
Working ~ 30–45% if cycling
Working ~ 55–60% if running
Entrenamiento interválico: “Interval training”
Intervalos de trabajo y reposo prestablecidos
Modificar los intervalos permite alcanzar una sobrecarga máxima
de sistemas energéticos específicos
Se puede trabajar con mayor intensidad
Las cargas pueden diseñarse imitando la competición
Determinación cuidadosa del tabajo apropiado: “work:rest ratio”
Pueden haber grandes variaciones individuales
Dr. Ginés Viscor
Tipos de ejercicio
Atendiendo a las características metabólicas
% Vo2 max
Sustrato
energético
Duración
Anaeróbico aláctico
Fosfágenos
(ATP y AP-CP)
segundos >190
>200
Anaeróbico lactácido
Fermentación
láctica de glucosa
minutos
>190
100-200
Aeróbico
[O2 dependiente]
glucosa
1 hora
180
85-90
glucosa+FFA
2 horas
160
60-70
FFA
n horas
<120
<50
Frecuencia
cardíaca
Dr. Ginés Viscor
Obtención de ATP en atletas de élite
Dr. Ginés Viscor
Fibras esqueléticas en los vertebrados
Mamíferos: sólo fibras fásicas
Resto de vertebrados
Fibras lentas tipo I
Fibras rápidas tipo II (IIA + IIB)
Características
Fibras fásicas
Fibras tónicas
I
IIA
IIB
SO
FOG
FG
ST
lenta
rápida
lenta
Duración de la contracción
fásica
fásica
tónica
Presencia de mitocondrias
++
+
-
++
Act. SDH
++
+
-
++
+++
++
+
+++
-
-
++
-
No
No
Sí
No
Velocidad de contracción
Act. citocromooxidasa
Act. GPDH
Fatigabilidad
Papel funcional principal
Postural
Motora
Crucero
Emergencia
Postural
Saltador
Velocista
Lanzador
Halterófilo
No entrenado
Medio
fondista
Lentas
Hockey hielo
Marchador
Nadador
medio fondo
Remero
Piragüista
Ciclista
Nadador de
fondo
Maratonianos
Dr. Ginés Viscor
Distribución del tipo de fibras musculares
en deportistas de diferente especialidad
Rápidas
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Dr. Ginés Viscor
Nadador 50 metros libres
Predominio de fibras rápidas tipo II (FG + FOG)
Dr. Ginés Viscor
Ciclista en ruta profesional
Predominio de fibras lentas tipo I (SO)
Dr. Ginés Viscor
Parámetros morfofuncionales clave
Electromecánicos
Tipo de inervación
Velocidad de contracción
Metabólicos
Carácter oxidativo
Carácter glucolítico
Morfométricos
Diámetro de la sección de la fibra
Capilares en contacto
Distancia de difusión capilar-fibra
Volumen mitocondrial
Dr. Ginés Viscor
Electromecánicos
Tipo de inervación (AChE)
Fibras fásicas
uniterminal (PA)
Fibras tónicas
multiterminal (PL)
Velocidad de contracción
Equilibrio mecánico-energético
Dr. Ginés Viscor
Metabólicos
SDH
m-ATPasa
e-ATPasa
A
B
C
D
Secciones transversales de músculo esquelético de rata (A: extensor digitorum longus; B,C,D:
soleus) procesados por tinción SDH (A), m-ATPasa (B preincubada a pH=4.2; C preincubada a
pH=10) y e-ATPasa para capilares (D). El rectángulo de la microfotografía C, señala el campo
mostrado en la microfotografía D en el que se estudiaron los capilares. Barra blanca = 100 μm.
Dr. Ginés Viscor
Morfométricos
C
FD (densidad fibras)
CD (densidad capilar)
CD/FD
A
Vm (volumen mitocondrial)
MDD (distancia máxima de difusión)
NCF (número de capilares contacto)
FCSA (área)
FPer (perímetro)
CCA=NCF×103/FCSA
CCP=NCF×102/FPer
sl
mf
mit
sl
mf
B
mf
C
Micrografía óptica
e-ATPasa
Micrografías de 3 zonas fibrilares estudiadas con microscopía electrónica de
transmisión. A: pericapilar; B: sarcolemal; C: sarcoplasmática
Leyenda: mit: mitocondria, C: capilar, sl: membrana sarcolemal
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Análisis morfofuncional en músculos con diferentes
patrones locomotores
Anas platyrhynchos
Larus cachinnans
Fulica atra
Diferencias morfométricas y de aporte capilar en los
distintos tipos de fibras
Fotos
lupa
5-15x
Fotomicrografía
80-200x
Selección de
campos
Análisis de imagen
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Músculos implicados en la locomoción aérea
Scapulohumeralis
Triceps
Extensor metacarpi
Pectoralis
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Músculos implicados en la locomoción acuática y terrestre
Iliotibialis cranialis
Gastrocnemio
% fibras oxidativas
100
80
60
40
20
0
G.1G.2G.3G.4G.5G.6G.7
Ánade real
Focha
Gaviota
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Morfometría general
ÁREA (µm2)
Gaviota
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Ánade real
Focha
SO FOG
FG
PERÍMETRO (µm)
Fibras FOG
< Fibras FG
• Número de capilares por fibra global
similar en los tres tipos de fibras
250
200
150
100
50
0
SO FOG
• Valores:
FG
• La llegada de O2 a las mitocondrias
se ve favorecida por la reducción
del área y del perímetro de las fibras,
en lugar de aumentando el
número de capilares por fibra
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Capilarización global de las fibras
CCP
CCP
CCA y CCP
6
5
4
3
2
1
0
• Mayores en fibras oxidativas
• Diferencias interespecíficas
SO
FOG
FG
Gaviota
Ánade real
• Correlación con locomoción
Tipos natación y buceo
Vuelo batido y planeado
Focha
• Distribución de capilares por unidad de perímetro:
factor clave en el aporte de O2 a la fibra
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Músculos del vuelo
Ánade real
Fibras FOG
Ánade y focha
Fibras FG
- Todas las especies
Área:
2000-3000 µm2
CD:
800-900 cap/mm2
Actividades de gran potencia
(Ej.: despegue y aterrizaje)
Focha
Área: 750-1500 µm2
CD:
1300-1500 cap/mm2
Contracciones reiterativas
Vuelo batido alta frecuencia
Gaviota
Área: 1500-2500 µm2
CD:
1000-1200 cap/mm2
Contracciones isométricas
Vuelo planeado
Gaviota
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Músculos extremidad inferior
Fibras FG
Ánade y focha
2500-3100 µm2
>
Potencia elevada: cantidad de
trabajo por unidad de tiempo
(ej. sprint acuático)
Gaviota
2000-2400 µm2
Natación “boyante”
Fibras FOG
Iliotibialis
1100-1300 µm2
<
Gastrocnemio
1600-1800 µm2
Distintas implicaciones de cada
músculo durante la natación
Mayor movilidad articulación
del “tobillo” que la “rodilla”
Dr. Ginés Viscor
Aporte de O2 al músculo en aves
Relación entre vascularización y morfometría fibrilar
CD (cap/mm2)
CD (cap/mm2)
1800
1800
1800
1600
1600
1400
1400
1400
1200
1200
1200
1000
1000
800
800
600
600
1600
Gaviota
400
600
800
1000
FD (fibras/mm2)
CD (cap/mm2)
Focha
Ánade real
1000
800
600
400
600
800 1000
400
600
800
1000
FD (fibras/mm2)
FD (fibras/mm2)
• Bajo nivel de regiona-
• Ajuste vascularización
lización en todos los
músculos estudiados
• Especialización funcional en el vuelo planeado
y morfometría fibrilar
• Vuelo batido y buceo:
rígidas restricciones
aeróbicas
• Dos estrategias para
satisfacer altas
demandas de O2
• Relación vuelo batido
y natación sostenida
Dr. Ginés Viscor
Ajustes adaptativos en altitud
En condiciones naturales, hipoxia (altitud) está asociada a
frío ambiental y gran alternancia térmica día/noche
Difícil disociación de ambos factores
Depresión metabólica en poiquilotermos y escape fisiológico en
homeotermos (hibernación, torpor diario)
Disminución de distancias de difusión
A nivel alveolar en yaks (Bos grunniens)
A nivel periférico (muscular) en muchas especies de homeotermos
Aumento de la capilarización
Ajustes en las curvas de disociación Hb-O2
Dr. Ginés Viscor
Factores clave a nivel comparado
Efecto de la talla (fuerza gravitatoria)
Desplazamiento horizontal
Rigidez estructural
Zancada adimensional
Desplazamiento vertical
Estrategia termoreguladora
Eficiencia biomecánica
Mecanismos de resonancia (oscilantes)
Almacenamiento elástico de energía
Dr. Ginés Viscor
Efecto de la gravedad
Desplazamiento horizontal: La talla afecta a la rigidez
estructural (resistencia esquelética) y a la frecuencia del
paso (zancada adimensional)
Ratón (25 g)
Caballo (650 Kg)
Gacela de Thomson (15 Kg)
Orix (250 Kg)
Dr. Ginés Viscor
Efecto de la gravedad
Velocidad
transición
trote-galope
Desplazamiento horizontal: A causa de la relación
alométrica entre velocidad de desplazamiento y la zancada
adimensional, las velocidades de transición de modalidad
(p.e. trote ! galope) dependen de la talla.
L
Δx
r
Δθ=Δx/r
Masa corporal (kg)
Δθ
Δθ
Δθ=74,4 m-0.10
200
100
50
30
0,01
0,1
1
10
100
1000
Masa corporal (g)
Dr. Ginés Viscor
Efecto de la gravedad
Desplazamiento vertical: El trabajo necesario para ganar
altura supone un costo adicional en forma de energía
potencial acumulada que es desfavorable cuanto mayor
sea el tamaño del animal.
1Kg BW/1m alt ⇒ 9.8J ~ 0.5 mL O2
Vo2 (L·kg-1·h1)
α=15° v=2Km·h-1
Ratón: ΔVo2 → 23%
Caballo: ΔVo2 → 630%
6
4
30 g
2
17,5 kg
Cuesta arriba
En llano
Cuesta abajo
0
0
2
Velocidad (km/h)
4
6
Dr. Ginés Viscor
Termorregulación
Velocidad aeróbica máxima Comparando animales de
igual masa pero con diferente capacidad termorreguladora
se aprecian las diferencias en el coste energético de la
locomoción.
Vo2 (mL·g-1·h1)
Anaeróbico
P=0,64
P=0,56
Anaeróbico
TMB
VAM
VAM
TMB
Velocidad (km/h)
Dr. Ginés Viscor
Eficiencia biomecánica
Altura (cm)
Las formas de desplazamiento más avanzadas de los
vertebrados se basan en el desarrollo de trabajo
muscular que proporciona alternancia entre ganancia
de energía potencial (elevación del centro de masas)
y conversión en energía cinética (impulso de avance).
Desplazamiento (m)
Dr. Ginés Viscor
Eficiencia biomecánica
Este principio general es aplicable a todas las modalidades
de locomoción terrestre: marcha, trote, carrera y salto: Una
parte del trabajo desarrollado es acumulado por los
elementos elásticos del sistema musculoesquelético lo que
facilita el funcionamiento del aparato locomotor como un
sistema mecánico en resonancia y aumenta su economía.
Tendón
retraído
Tendón
estirado
Dr. Ginés Viscor
Bibliografía recomendada
Artículos
Libros
Comparative Animal Physiology,
Environmental and Metabolic
Animal Physiology (Vol. 1)
by C. Ladd Prosser (Editor)
ISBN: 047185767X
Environmental Physiology of
Animals
by Pat Willmer, G. Stone, Ian A.
Johnston
ISBN: 063203517X
Biochemical Adaptation:
Mechanism and Process in
Physiological Evolution
by P.W. Hochachka, G.N.
Somero
ISBN: 0195117034
Exercise Physiology: Energy,
Nutrition, and Human Performance
by William D. McArdle, Frank I.
Katch, Victor L. Katch
ISBN: 0781725445
Banchero N. Cardiovascular responses to chronic hypoxia.
Ann. Rev. Physiol. 49:465-476. (1987).
Bouverot P. Adaptation to altitude hypoxia in vertebrates.
Springer-Verlag. Berlin. (1985).
Cerretelli P. & di Prampero P.E. Multidisciplinary approach
to the study of the effects of altitude on muscle
structure and function. Int J Sports Med 11 (Suppl.1)
s1-s2 (1990).
Green H.J. Muscular adaptations at extreme altitude:
Metabolic implications during exercise. Int. J. Sports
Med. 13:S163-S165 (1992).
Hochachka P.W. Muscle enzimatic composition and
metabolic regulation in high altitude adapted natives.
Int J Sports Med 13(Suppl 1):S89-S91. (1991).
Kayar S.R., Hoppeler H., Lindstedt S.L., Claassen H., Jones
J.H., Essen-gustavsson B. & Taylor C.R. Total muscle
mitochondrial volume in relation to aerobic capacity of
horses and steers Pflügers Arch 413:343 347. (1989).
Pette, D. Metabolic heterogeneity of muscle fibres.
J.Exp.Biol. 115:179-189, (1985).
Snyder G.K., Wilcox E.E. & Burnham E.W. Effects of hypoxia
on muscle capillarity in rats. Resp. Physiol. 62:135 140.
(1985).
Torrella J.R. , Fouces V. , Viscor G. Descriptive and
functional morphometry of skeletal muscle fibres in
wild birds. Canadian Journal of Zoology. 77: 724-736,
(1999).