Los procesos energéticos y la actividad física

TEMA 6.
Los procesos energéticos y actividad física: sistemas aeróbico y
anaeróbico.
INTRODUCCIÓN.
El estudio de los sistemas energéticos, como responsables del aporte energético durante la
actividad física (contracción muscular), nos va a permitir analizar y clasificar las diferentes
actividades físicas en base al sistema energético requerido para obtener energía.
En este tema nos vamos a centrar principalmente en cómo la energía química derivada de la
oxidación de los alimentos (carbohidratos, grasas y proteínas) es almacenada en un compuesto
conocido con el nombre de ATP y extraída en pequeñas cantidades durante complejas reacciones
y que tienen por objeto suministrar energía a todos los procesos de la célula que la requieran. Por
ello, tendremos que ver los distintos sistemas energéticos que se encargan de la resíntesis de dicha
molécula de ATP.
LOS PROCESOS ENERGÉTICOS Y ACTIVIDAD FÍSICA.
El ATP como moneda energética.
Un motor para ponerse en marcha necesita combustible. En el motor humano, el combustible es el
ATP, principal fuente de energía de todas las acciones, tanto nerviosas como musculares. Un
músculo no puede contraerse ni relajarse sin ATP. El ATP (adenosín-trifosfato) es el único
compuesto a partir del cual el músculo puede obtener energía para la contracción muscular, ya que
no puede utilizar directamente de los alimentos consumidos por la dieta.
La molécula de ATP está formada por una molécula de adenosina enlazada a 3 moléculas de
fosfato. Los enlaces que unen los 2 fosfatos exteriores se denominan enlaces de alta energía porque
representan una cantidad considerable de energía potencial dentro de la molécula de ATP.
Cuando el ATP se une al agua (hidrólisis del ATP), catalizado por la enzima
adenosintrifosfatasa, el enlace exterior con el fosfato se rompe y se forma un nuevo compuesto
adenosin-difosfato (ADP). En esta reacción se libera energía.
ATP + H2O--------------------------ÆADP + P + ENERGÍA
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Pero la cantidad de ATP en el sarcoplasma es muy escasa, y sólo permite contraerse al músculo
pocos segundos (aproximadamente 4 s), por lo que si queremos proseguir el ejercicio debemos
resintetizar ATP, y para ello necesitamos energía, para que se produzca el fenómeno inverso:
ADP + P + ENERGÍA---------------ÆATP
Para conseguir esta energía tenemos las distintas vías de obtención de energía, en función de los
substratos empleados (azucares, grasas,...) y de la presencia (aeróbica) o no (anaeróbica) de O2.
El restablecimiento del ATP se produce por las siguientes reacciones metabólicas:
*1ª Fuente: el ATP contenido en el músculo. Para esfuerzos de máxima intensidad y corta
duración (6”).
*2ª Fuente: la CP (fosfocreatina) almacenada en el músculo (más que ATP). Esfuerzos de
intensidad submáxima y duración de 7” a 25”.
Los dos tipos de esfuerzo anteriores se denominan anaeróbicos alácticos (no presencia de ácido
láctico en sangre).
*3ª Fuente: Ácido pirúvico. Según 2 vías:
Sin O2. Se convierte en ácido láctico y el ATP proviene de la descomposición del glucógeno y
glucosa muscular. Intensidad submáxima. Entre 35” y 2-3´. Anaeróbico láctico (ácido láctico en
sangre).
Con O2. Se descomponen en glucosa los hidratos de carbono y producen ATP. Intensidad
media/baja y duración superior a los 3´.
*4ª Fuente: Ácidos grasos. Las grasas son atacadas por el Co-A (coenzima A), se convierten en
ácidos grasos activados, son atacados otra vez por Co-A y pasan al ciclo de Krebs en forma de
ácido pirúvico. Intensidad media/baja y a partir de 40´.
*5ª Fuente: Proteínas.
El consumo de O2. Deuda y déficit de O2.
Cuando estamos realizando actividad física, hay un aumento de la demanda de O2. Y cuando nos
enfrentamos a demandas de energía, nuestro cuerpo acaba por alcanzar un límite para el consumo
de O2; en ese momento, el consumo de O2 (VO2) alcanza su punto máximo, que recibe el nombre
de VO2 máx.
Al iniciar una actividad, es decir, el paso de la situación de reposo a ejercicio, se produce un
aumento gradual de O2. A continuación hay una situación de equilibrio estacionario (steady-state)
que define el consumo de O2 propio de la actividad. Al finalizar el ejercicio, el VO2 no desciende
de inmediato hasta los valores básales, sino paulatinamente. Esta etapa se conoce como DEUDA
DE O2. (O2 consumido después del ejercicio por encima del valor de reposo).
Etapa 1: aumento progresivo del VO2 hasta estabilización.
Etapa 2: estabilización del VO2 (estado estable).
Etapa 3: al cesar ejercicio el VO2 vuelve progresivamente a valores de reposo.
Cuando iniciamos el ejercicio, nuestro sistema de transporte de O2 no aporta inmediatamente la
cantidad necesaria de O2 a los músculos activos. Nuestro consumo de O2 necesita varios minutos
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para alcanzar el nivel requerido. Puesto que las necesidades y el aporte de O2 difieren durante la
transición del estado de reposo al de ejercicio, nuestro cuerpo incurre en un DÉFICIT DE O2
(diferencia entre O2 requerido y el que se aporta). El déficit se produce durante los 3 primeros
minutos de carga (proporcional a la intensidad de la carga). A pesar de la insuficiencia de O2,
nuestros músculos generan todavía el ATP necesario a través de los caminos anaeróbicos.
Durante la fase inicial del ejercicio se toma algo de O2 de las reservas del mismo (hemoglobina y
mioglobina). Este O2 debe reponerse durante la recuperación. Asimismo, la respiración sigue
elevada temporalmente después del ejercicio, en parte como un esfuerzo para eliminar el CO2 que
se ha acumulado en los tejidos como subproducto del metabolismo.
El umbral aeróbico y anaeróbico.
La cantidad de lactato en sangre indica la contribución de la glucólisis anaeróbica en el ejercicio y
depende de:
Capacidad de formarlo (capacidad anaeróbica-láctica)
“
de oxidarlo por ciclo de Krebs.
“
de utilizarlo: hígado, corazón, riñones...
Intensidad y duración del ejercicio.
Estos factores influyen sobre el umbral anaeróbico, que es el nivel de intensidad del ejercicio a
partir del cual la producción de ácido láctico excede a su metabolización, produciéndose una
acumulación en sangre y músculo, y una fatiga temprana. Sería aquel porcentaje del VO2 máx.
que podemos mantener un largo tiempo.
Por encima del umbral anaeróbico la producción de energía anaeróbica es mayor que la aeróbica.
Por debajo, el lactato se va oxidando. El umbral Aeróbico sería el límite de intensidad en el que se
trabaja casi de forma aeróbica pura.
La fatiga.
Se utiliza este término para describir las sensaciones generales de cansancio y las reducciones
acompañantes del rendimiento muscular. Se trata de un mecanismo de carácter defensivo, y cuyo
objetivo es evitar posibles consecuencias adversas derivadas de una práctica deportiva excesiva.
En la mayoría de los esfuerzos, las causas de la fatiga se centran en:
- el agotamiento de los sistemas energéticos: ATP, CP, glucógeno...
- acumulación de desechos metabólicos: ácido láctico…
SISTEMA AERÓBICO Y ANAERÓBICO.
Sistema anaeróbico.
*Metabolismo aláctico.
En las primeras
fases de la contracción
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se debe recurrir necesariamente a los combustibles de
utilización inmediata preexistentes: ATP y fosfocreatina (CP), que al poseer enlaces de fosfato
pueden ser utilizados de inmediato, sin necesidad de esperar a que completen las vías oxidativas.
Estas reservas son escasas aunque cumplen funciones decisivas.
El primer combustible utilizado es el ATP (en células musculares), éste se descompone, y la
energía se utiliza para la contracción.
ATP----------- ADP + P + ENERGÍA --------- Contracción muscular.
PC------------- CREATINA + P + ENERGÍA.
El ATP se consume y entonces la CP se descompone y su energía se une al ADP y P para formar
ATP de nuevo. A su vez la CP se vuelve a sintetizar aportándose energía de los alimentos o del
propio ATP cuando sobra energía.
El rápido agotamiento del ATP (de 2 a 5 sg.) obliga a la puesta en marcha de los mecanismos de
transfosforilación, movilizando las reservas de fosfocreatina de la fibra. Sin embargo, tampoco el
contenido de la fibra en CP es alto y depende del tipo de ejercicio y del nivel de entrenamiento
(mejora las reservas), no cubre más allá de los 8-10 sg. Desde el inicio de la actividad, si es
intensa.
El ATP se mantiene a un nivel relativamente uniforme, pero el nivel de CP declina de forma
constante cuando se usa el compuesto para reponer el ATP agotado. Cuando la CP se ha agotado,
los músculos deben depender a otros procesos para la formación de ATP: la combustión glucolítica
y oxidativa de combustibles.
INCONVENIENTES: Capacidad muy baja, ya que las reservas de ATP-PC son muy bajas y la
cantidad de energía muy limitada. Su duración es de unos 10 sg.
VENTAJAS: Potencia muy alta, proporcionando gran cantidad de energía en poco tiempo. Muy
poca inercia: la energía se dispone inmediatamente.
RECUPERACIÓN: Los fosfágenos se recuperan en 2-5 minutos. No necesita O2.
*Metabolismo láctico o sistema glucolítico.
Este método de producción de ATP implica la liberación de energía mediante descomposición de
la glucosa. La glucosa de la sangre procede de la digestión de los hidratos de carbono y de la
descomposición del glucógeno hepático. El glucógeno es sintetizado a partir de la glucosa por un
proceso llamado glucogénesis. Se almacena en el hígado o en los músculos hasta que se necesita.
Cuando el sistema ATP-CP se agota, el primer sistema disponible, es la oxidación anaeróbica de la
glucosa. Este proceso ocurre por completo en el sarcoplasma de la célula.
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En la glucólisis anaeróbica, se descompone la glucosa, y la rotura de sus enlaces produce energía
para formar ATP, se produce al final ácido pirúvico, éste se convierte en ácido láctico (si se
acumula provoca fatiga), ya que no hay intervención de O2. La ganancia neta de este proceso es de
3 moles de ATP formados por cada mol de glucógeno descompuesto. Si se usa glucosa en lugar de
glucógeno, el beneficio es de sólo 2 moles de ATP, porque se usa 1 mol para la conversión de
glucosa en glucosa-6-fosfato.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO: Ingerimos hidratos de carbono en la dieta, y éstos se
descomponen mediante la digestión en glucosa sanguínea. Parte de esta glucosa se transforma en
glucógeno, compuesto por varias moléculas de glucosa, el cual se almacena en hígado y músculo.
Nos encontramos pues con distintas posibilidades de utilización:
*Glucosa sanguínea: pasa directamente a la célula.
*Glucógeno hepático y muscular: cuando se necesita energía se activa la GLUCOGENÓLISIS,
produciéndose glucosa-6-P, que en el primer caso pasará al torrente sanguíneo y en el segundo
pasará directamente a la glucólisis ya que está en el músculo.
La glucosa entra en la célula y se convierte en glucosa-6-P, gastándose 1 ATP. Mediante una serie
de reacciones químicas se transforma en 2 ácido pirúvicoy se fosforila, gastándose otro ATP. Se
libera energía para producir 4 ATP.
El balance energético es: 4 ATP producidos, menos 2 gastados, 2 ATP por molécula de glucosa. Si
provienen del glucógeno el balance es de 3 ATP, pues no gastamos 1 ATP para fosforilarla, pues
ya lo estaba previamente.
GLUCOSA + 2 ADP----------------- 2 ÁCIDO PIRÚVICO + 4 H + 2 ATP
*Si no hay O2: el ácido pirúvico pasa a ácido láctico, el cual pasa a la sangre para alejarse de la
reacción y permitir su continuación.
*Si hay O2: el ácido pirúvico pasa a la mitocondria, para realizarse la glucólisis aeróbica y seguir
extrayendo energía.
La acumulación excesiva de ácido láctico inactiva la enzima que fosforila la glucosa, lo que
produce la paralización de la reacción y por tanto la fatiga.
Después de la aparición del ácido láctico tenemos 2 posibilidades:
1.- Aparece O2 en ese momento (recuperación, disminución de la intensidad...): se invierte la
reacción y el ácido láctico se transforma en ácido pirúvico que entra en la mitocondria (ciclo de
Krebs).
2.- No aparece O2: el ácido láctico sale de la célula y se elimina por:
-Ciclo de Cori (circulación cíclica de la glucosa y el lactato entre el músculo y el hígado).
-Utilización por el miocardio y riñones.
-Mecanismo tampón, por medio de los bicarbonatos.
INCONVENIENTES: Poca capacidad, aunque mayor que la aláctica. Sólo produce 2-3 ATP por
glucosa, mientras que la degradación aeróbica produce 38. Su duración es aproximadamente de 1-3
minutos. Esta muy limitada por: reservas de glucógeno/glucosa y la inhibición de enzimas por el
ácido láctico Dependerá de la tolerancia al lactato, de la capacidad de eliminación y oxidación por
el ciclo de Krebs… Consume mucha glucosa para producir energía.
VENTAJAS: Tiene gran potencia. Menor que la aláctica, pero mucho mayor que la aeróbica.
Suministra gran cantidad de energía/tiempo. Tarda poco tiempo en alcanzar su funcionamiento
máximo. Menos de 5 s. Proporciona la energía rápidamente. Recuperación: se tarda de1 a 2 horas
en limpiar el lactato.
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Sistema aeróbico.
Es el proceso mediante el cual el cuerpo descompone combustibles con la ayuda de O2 para
generar energía. Esta producción oxidativa de ATP se produce dentro de las mitocondrias de la
célula. En los músculos, son adyacentes a las miofibrillas y se hallan también distribuidas por el
sarcoplasma.
En la producción de energía aeróbica se descomponen continuamente y en dicho orden hidratos de
carbono, grasas y algunas proteínas, combinándose con O2 para producir CO2 y H2O.
*Metabolismo de los glúcidos. Glucólisis aeróbica (HC).
Los hidratos de carbono son hidrolizados por fermentos digestivos, convirtiéndose en última
instancia en glucosa. Esta se absorbe en el intestino, pasa a la sangre y de ahí a los tejidos activos
donde se metaboliza, siguiendo 3 opciones:
Ingresando en los tejidos corporales, con posibilidad de ser directamente oxidada, o de ser
almacenada como glucógeno en la fibra muscular.
Pasando al hígado donde puede ser almacenada como glucógeno hepático o consumidor.
Convirtiéndose en ácidos grasos y engrosando así las reservas de triglicéridos del tejido adiposo.
En la glucólisis aeróbica, la glucosa pasa a ácido pirúvico y, como existe O2, aquél se transforma
en Acetil Co-A, que es oxidada por completo hasta CO2 y H2O, obteniéndose con ello una elevada
producción de energía.
Luego con la degradación de 1 molécula de glucosa:
1 GLUCOSA + 36 ADP + 6 O2-------------------6 CO2 + 12 H2O + 38 ATP
Hay que recordar que esta vía también utiliza el ácido láctico (oxidación de ácido láctico), ya que
al estar éste en el medio y haber oxigeno suficiente, se reconvierte a ácido pirúvico que pasa al
ciclo de Krebs.
*Metabolismo de las grasas.
Si continuamos la actividad más allá de 40 minutos comienza a cobrar importancia la
degradación aeróbica de las grasas. Las grasas, tras su ingestión y digestión son almacenadas en el
músculo (poca cantidad) y en el tejido adiposo en forma de triglicéridos en los adipocitos.
Representan una fuente inagotable de energía, aunque se proporciona muy lentamente y más tarde
que la de los hidratos, ya que primero deben ser reducidas desde su forma compleja (triglicéridos)
a sus componentes básicos: glicerol y ácidos grasos libres. Sólo éstos se usan para formar ATP.
Este proceso se llama LIPÓLISIS, y lo llevan a cabo unas enzimas conocidas como lipasas.
TRIGLICERIDO + 3 H2O----------------- GLICEROL + 3 A. GRASOS LIBRES
El glicerol y los ácidos grasos libres circulan por la sangre hacia los músculos activos donde son
captados.
Cada ácido graso produce aproximadamente 441 ATP que sumadas a los 22 ATP del glicerol, nos
dan 463 ATP por molécula de grasa. El metabolismo de las grasas puede generar mucha más
energía que el de la glucosa.
*Metabolismo de las proteínas.
Las proteínas tienen principalmente otras funciones distintas de la energética, la más destacable
es la de actuar como componente estructural del cuerpo. Sin embargo sus unidades más básicas,
los aminoácidos, pueden ser utilizados para obtener energía.
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La proteína se descompone a aminoácidos, y para que estos puedan ser utilizados tienen que
eliminar el grupo amino (NH2), lo cual se realiza en el hígado (convertido en urea. Este proceso
requiere energía: consume ATP) y en el músculo esquelético. Posteriormente pasan a productos
como Acetil Co-A, ácido pirúvico y productos del ciclo de Krebs para ser oxidados, así como a la
cadena respiratoria para producir ATP.
VENTAJAS: Tiene una gran capacidad. Proporciona energía durante mucho tiempo (sobre todo
lipólisis), esto es porque no acumula residuos tóxicos. El CO2 se expulsa por ventilación y H2O
resulta útil a la célula. Gran rendimiento energético: con poco combustible, mucha energía.
INCONVENIENTES: Baja potencia por la gran cantidad de reacciones implicadas (menor en la
lipólisis). Gran inercia: glucólisis 2-3 minutos. Lipólisis: 30 minutos. Proteínas: 60 minutos.
Recuperación: la de glucógeno 24-48 horas. La grasa nunca llega a agotarse.
Metabolismo energético en la niñez y la adolescencia.
El metabolismo energético difiere entre el niño y el adulto. Durante la pubertad y la adolescencia
se van a ir produciendo los cambios para la adquisición del metabolismo adulto. Con el desarrollo
del niño hay un incremento de consumo máximo de O2; este incremento continúa en los niños
hasta los 18 años, mientras que en las niñas difícilmente aumenta después de los 14.
La potencia metabólica máxima está estrechamente relacionada con la masa corporal magra, por lo
que dependerá de la maduración del individuo, no sólo de las dimensiones corporales.
Generalmente, el niño tiene un mayor costo metabólico en el ejercicio, que es consecuencia de una
menor eficiencia mecánica, lo que produce una menor economía de esfuerzo.
Los niños tienen una captación de O2 más acelerado, probablemente por ello no necesitan recurrir
a la vía anaeróbica tan pronto como el adulto, por lo que se produce menor déficit de O2 y una
menor producción de lactado.
La glucólisis es más lenta en niños, ya que tienen una menor concentración de enzimas que
catalizan reacciones del ciclo de Krebs y una menor captación de H+ en la cadena de transporte de
electrones.
CONCLUSIÓN.
Después de explicar en el tema las distintas vías de producción de energía, así como los sistemas
aeróbicos y anaeróbicos hay que tener en cuenta que éstas actúan de forma solapada,
complementaria, de forma que en un momento dado actúan todas, pero en distinta proporción en
función de la intensidad (más anaeróbica) y duración (más aeróbica).
Distinguimos 4 áreas:
1) Menos de 30”. ATP-PC. Carreras cortas, saltos, lanzamientos.
2) 30”- 1´30” ATP-PC y glucólisis anaeróbica. 200-400 metros.
3)1´30”- 3 minutos. Glucólisis anaeróbica y sistemas aeróbicos. Predomina la primera.
800-1500 metros.
4) Más de 3 minutos. Sistema aeróbico. En primer lugar con hidratos de carbono,
posteriormente grasas. Los fosfágenos y la glucólisis anaeróbica se utilizan al principio.
El lactato es poco y se oxida al estimularse el sistema aeróbico. Maratón, ciclismo, trote...
Además, podemos considerar las:
- Actividades aeróbico-anaeróbico alternativas, por ejemplo deportes colectivos, que por su
duración son aeróbicos y en tramos intensivos anaeróbicos.
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