DIPLOMADO EDUCADOR EN DIABETES EN LINEA-2013 FISIOLOGÍA DEL EJECICIO. CONTRACCIÓN MUSCULAR Y SISTEMAS DE APORTE ENRGÉTICOS DURANTE EL EJERCICIO. El ejercicio se clasifica en aeróbico y anaeróbico de acuerdo al tipo de metabolismo muscular (de sustrato) requerido para su realización, en isométrico o isotónico según las características del esfuerzo contráctil. Con el fin de proporcionar energía suficiente para el trabajo muscular al hacer ejercicio se ponen en marcha varios sistemas energéticos. 1.- Sistemas de fosfágeno (ATP y Fosfocreatina), o Fosfatos de alta energía. 2.- Glucólisis anaerobia o sistema de ácido láctico. 3.- Sistema aeróbico. Fosfatos de alta energía. El principal medio para almacenar e intercambiar u obtener energía es el ATP (Adenosin Tri Fosfato) (imagen 1). Imagen 1. Adenosin Trifosfato. La cual es una molécula que libera una gran cantidad de energía, al descomponerse y liberar sus iones fosfato. Sin embargo la cantidad que hay almacenada en el músculo es muy pequeña, por lo que hay que resintetizarlo cada vez que es consumido. Además del ATP existe otro fosfágeno de alta energía, la fosfocreatina. La cual está en mayor cantidad en el músculo pero que rápidamente se agota y que se obtiene de la misma fuente que el ATP de los alimentos. En los esfuerzos físicos intensos el almacenamiento de ATP es el primero en agotarse, debiendo ser rápidamente repuesto a partir de fosfocreatina. Los fosfatos ricos en energía sirven como máximo en ejercicios que duren menos de 20 segundos, dependiendo de la intensidad, aunque no de forma exclusiva, ya que desde el inicio de la ejercitación también se obtiene energía a partir del metabolismo de la glucosa. FUENTES DE ENERGÌA PARA EL TRABAJO MUSCULAR. La Glucólisis. La glucólisis o glicolisis (del griego glycos, azúcar y lysis, ruptura), Es la vía metabólica de obtención de energía a partir de la glucosa a través de una serie de pasos que llevan a su transformación en lactato. Formando ATP a un ritmo de 2,5 moles por minuto. El balance neto para la reacción global de la glucólisis anaeróbica es: Hexosa + 2 NAD+ 2 ADP + 2 Pi 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP La glucólisis aeróbica sucede dentro de la mitocondria, requiere de oxígeno disponible para llevarse a cabo, y al final del proceso se forman moléculas de ATP, (36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Es un sistema lento de obtención de energía (un mol de ATP por minuto). Una descripción gráfica se presenta a continuación. La glucosa debe ingresar mediante la acción de la insulina y sus receptores de membrana. Al ingresar al citoplasma celular, la glucosa tiene un proceso de modificación de su estructura química hasta llegar a ácido pirúvico (el piruvato) es el producto de la glucólisis anaeróbica, el cual puede ser oxidativamente descarboxilado para formar acetil-CoA, para ingresar al ciclo de Krebs que se realiza en la mitocondria. El ciclo de Kebs, ocupa un lugar central en el metabolismo celular, por lo que es regulado por otras rutas y recibe sustratos de varias de ellas. Los aminoácidos glucogénicos, triglicéridos y polisacáridos proveen Acetil Coa a la ruta. La glucólisis anaeróbica se produce en el citoplasma (citosol) y la glucólisis aeróbica se produce en la mitocondria hasta la formación de ATP. Los diferentes tipos de sustratos energéticos son empleados en distintos momentos dependiendo del tipo de ejercicio, la intensidad de éste y la duración del mismo. El ritmo de utilización de energía de una fibra muscular durante el ejercicio puede ser de 200 veces superior al ritmo de uso de energía en reposo. Los sistmas ATP-PC y glucolítico no pueden por si solos satisfacer todas la necesidades de energía. Sin otro sistema la capacidad de ejercicio quedaría limitada a pocos minutos. El sistema oxidativo. El sistema final de producción de energía es el sistema oxidativos, es el más complejo de los sistemas energéticos. El proceso mediante el cual el cuerpo descompone combustibles con la ayuda del oxígeno para generar energía se llama respiración celular. Este proceso es realizado en las mitocondrias. La oxidación de hidratos de carbono se da por glucólisis, ciclo de krebs y cadena de transporte de electrones. El ciclo de Krebs, o ciclo del ácido cítrico, sucede en la mitocondria, está unido por una serie de reacciones conocidas como cadena de transporte de electrones. El hidrógeno liberado durante la glucólisis y durante el ciclo de krebs se combina con dos coenzimas NAD Y FAD, que llevan los átomos de hidrógeno hacia la cadena de transporte de electrones donde se dividen en protones y electrones. Al final de la cadena el hidrógeno se combina con oxígeno para formar agua. Los electrones separados del hidrógeno pasan por una serie de reacciones, de aquí el nombre de cadena de transporte de electrones, finalmente proporcionan energía para la fosforilación del ADP, formando ATP. Este proceso requiere de oxígeno, por lo que recibe el nombre de fosforilación oxidativa. La energía formada puede llegar hasta 39 moléculas de ATP por cada molécula de glucógeno, y si el proceso comienza con glucosa el beneficio neto son 38 moléculas de ATP. Las grasas también contribuyen a las necesidades energéticas de los músculos. Las reservas de glucógeno en el hígado y en los musculos pueden proporcionar solamente de 1,200 a 2,000 Kcal de energía pero la grasa almacenada en las fibras musculares y en los adipocitos, pueden proporcional entre 70,000 y 75,000 kcal. Para usar energía a partir de triglicéridos deben ser descompuestos en sus unidades básicas, (glicerol y tres moléculas de ácidos grasos), y mediante lipólisis llevado a cabo por enzimas Lipasas, entran en la sangre se transportan por difusión y sucede la betaoxidaciòn. Los ácidos grasos entran en las fibras musculares y se activan enzimáticamente con energía del ATP, preparándolos para el catabolismo en la mitocondria. La cadena de carbono del acido graso libre se divide en dos unidades separadas del acido acético, que se convertirá en acetil CoA. A partir de este momento el camino del as grasas sigue el mismo camino que el de los hidratos de carbono ingresando al ciclo de krebs. La ventaja de tener mas carbono en los ácidos grasos libres que en la glucosa es que se forma mas acetil CoA a partir de las grasas. La capacidad oxidativa del musculo es la medida de su capacidad máxima para usar oxigeno. Actividad enzimática. Las fibras musculares tiene una capacidad para oxidar hidratos de carbono y grasas. Existe una relación entre la capacidad de un musculo para ejecutar ejercicios aerobios prolongados y la actividad de sus enzimas oxidativas. La composición de un músculo en cuanto a tipos de fibras determina en parte su capacidad oxidativa. Las fibras musculares lentas o ST (Slow Twitch), tienen una mayor capacidad para la actividad aeróbica y las fibras FT (Fast Twitch) son más altas para la actividad anaeróbica. Los corredores de fondo poseen más numero de fibras ST y mas mitocondrias que individuos no entrenados aeróbicamente. CONTRACCIÓN MUSCULAR La contracción muscular es un proceso que nos permite generar fuerza para mover o resistir una carga. Se define como la activación de las fibras musculares con tendencia a que éstas se acorten. En la fisiología muscular, la fuerza generada por el músculo que se contrae se denomina tensión muscular; la carga es un peso o una fuerza que se opone a la contracción de un músculo. La generación de tensión en un músculo es un proceso activo que requiere un aporte energético por parte del ATP. Los impulsos nerviosos que provienen desde el cerebro, y que llegan a los músculos a través de las terminaciones nerviosas que conectan con éstos La neurona motora es quien envía el impulso a través de sus nervios hasta las fibras musculares mediante la unión neuromuscular sucede la estimulación y liberación de neurotransmisores (acetilcolina). MOVIMIENTO VOLUNTARIO En el cerebro se genera un impulso nervioso que es transmitido a través de las neuronas motoras, y viaja hasta el extremo del axón, el cual hace contacto con nuestros músculos en la llamada unión neuromuscular Para que se lleve a cabo el proceso de contracción muscular entre la actina y la miosina es necesario que haya cierta cantidad de calcio, el cual permite dejar libres los puntos de unión entre la actina y miosina, y del nucleótido ATP, el cual gracias a la actividad de la ATPásica de la miosina, se hidroliza librando energía procedente de un enlace fosfato. Esta energía es la que permite el movimiento. Cuando en las células musculares se dispone de calcio pero no de ATP, se produce el estado de rigor en el que la actina y miosina se encuentran fuertemente unidas sin deslizamiento de los filamentos, y por tanto sin que se genere fuerza. Sin embargo, cuando añadimos ATP, la unión del ATP conduce a la rápida disociación de los puentes de unión entre actina y miosina y permite generar fuerza. En el proceso de contracción el calcio es el activador intracelular de la contracción en todos tipos de músculo. La generación fisiológica de tensión muscular voluntaria en el ser humano intacto requiere la participación del sistema nervioso y de la fibra muscular. Solo así es posible que se acoplen los mecanismos de excitación-contracción, que finalmente con la generación de tensión muscular. El principal movimiento del brazo de palanca de la molécula de miosina se produce al liberarse el fosfato del ATP, ya que este cambio se asocia con una cantidad de energía libre liberada. A continuación, se menciona la secuencia de la contracción muscular: 1.- Se genera un potencial de acción y llegada a través del axón de las motoneuronas de la médula espinal hasta su porción terminal o placa motora. 2.- En la placa motora se libera desde la porción terminal del axón un neurotransmisor, llamado acetilcolina, al espacio situado entre el botón axónico y el sarcolema. 3.- En esta zona, el sarcolema de la fibra muscular posee receptores para acetilcolina, los cuales al activarse provocan la apertura de los canales iónicos. 4.- La apertura de dichos canales permite la entrada de grandes cantidades de iones de Sodio al interior de la fibra muscular, iniciando en ella un potencial de acción. 5.- El potencial de acción se propaga por todo el sarcolema, sin olvidar su propagación al interior de la fibra gracias a los túbulos T. 6.- La llegada del potencial de acción al interior de la célula, y en concreto, al retículo sarcoplasmático provoca la liberación de grandes cantidades de iones de Calcio desde el retículo sarcoplasmático al citosol 7.- Los iones de calcio de unen a la troponina C, la cual a su vez cambia su conformación permitiendo que interactúen la actina y la miosina. 8.- La actina y miosina, en presencia de ATP, provocan el deslizamiento y acortamiento del sarcómero, llevando a cabo el proceso de la contracción muscular. • El calcio se fija en la troponina y permite que libere los sitios activos de la • tropomiosina para facilitar la unión de actina y miosina La energía química almacenada en la molécula de ATP se convierte en la energía mecánica que hace que se mueva la cabeza del filamento de Miosina, jalando a la Actina, y volviendo inmediatamente después a su posición original. 9.- Al cabo de una fracción de segundo, al cesar el potencial d acción, los iones de calcio son “almacenados o secuestrados”, de nuevos desde el citosol a interior del retículo sarcoplasmático gracias a una bomba de calcio situada en la membrana del retículo que consume ATP. La acción de esta bomba se ve mediante la proteína calsecuestrina, hasta la llegada de un nuevo potencial de acción. Esto hace que cese la contracción muscular. Tipos de fibras musculares esqueléticas No todos los tipos de fibras musculares son iguales en composición y función. Por ejemplo, las fibras musculares varían n el contenido de mioglobina, la proteína rojiza que se una al oxígeno dentro de las fibras musculares. Aquellas fibras que poseen alto contenido de mioglobina se denominan fibras rojas y se presentan más oscuras y una mayor cantidad de mitocondrias y una mayor irrigación por capilares sanguíneos; y las que poseen bajos contenidos de mioglobina se denominan fibras blancas y su apariencia es más clara. Las fibras musculares esqueléticas, además se contrae y relajan con diferentes velocidades y se diferencias en la reacciones metabólicas mediante las cuales generan ATP y en cuanto rápido alcanzan el nivel de fatiga. Por ejemplo, una fibra se caracteriza como fibra lenta o rápida dependiendo de cuán rápido la ATPása de las cabezas de miosina hidroliza el ATP. Esto nos hace tener tres tipos de fibras: fibras oxidativas lentas, fibras oxidativas rápidas glucolíticas y fibras glucolíticas rápidas. La clasificación de las fibras musculares depende del tipo de miosina que tengas sus sarcómeras. Por ejemplo, la miosina que es capaz de hidrolizar rápidamente el ATP (una 600 veces por segundo) se denomina miosina rápida. La miosina que solo puede hidrolizar ATP una 300 veces por minutos se le denomina miosina lenta. Por último, se distingue una isoforma de la miosina que puede hidrolizar el ATP a una velocidad intermedia entre la miosina rápida y la lente. La diferencia en la velocidad de producción de energía entre la miosina lenta y la rápida se traduce en que las fibras musculares que contienen miosina rápida se contrae más rápidamente (tiempo de 40-90 ms) que las fibras musculares que contienen miosina lenta (tiempo de contracción de 90-140 ms). Esta diferencia en la velocidad de contracción y de producción de energía de las fibras musculares que contienen uno u otro tipo de miosina, es la que ha dado origen a la clasificación de las fibras musculares en rápidas (II B), intermedias (II A) y lentas (I). BIBLIOGRAFÍA Badilo, J. J., & Ayestarán, E. G. (2002). Fundamentos del entrenamiento de la fuerza: aplicación al alto rendimiento deportivo. INDE. Tortora, G., & Derrickson, B. (2006). Principios de anatomía y fisiología. Madrid: Medica Panamericana. Vaquero, A. F. (2006). Estructura y función del músculo esquelético. En J. L. Chicharro, & A. F. Vaquero, Fisiología del ejercicio (págs. 81-90). Madrid: Medica Panamericana. Wilmore, J. h., & Costill, D. L. (2007). Fisiología del esfuerzo y del deporte. Paidotribo.