FISIOLOGIA DEL TRABAJO APLICADA BIOENERGETICA

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1 MODULO Nº 2 FISIOLOGIA DEL TRABAJO APLICADA BIOENERGETICA Dra. María Teresa Chiang Unidad de Ergonomía, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad de Concepción.

2 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 14 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 1

3 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 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 2

4 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 CATABOLISMO (Degradación) - Digestión - Respiración celular G a s t a e r e r g í a 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. Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 3

5 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. Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 4

6 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. Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 5

7 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. Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 6

8 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 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 7

9 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 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 8

10 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. Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 9

11 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 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 10

12 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 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 11

13 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 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 12

14 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 Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 13

15 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. Unidad de Ergonomía-Universidad de Concepción 14