FOLLETO DE BIOQUIMICA

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1 FOLLETO DE BIOQUIMICA CONSIDRERACIONES GENERALES SOBRE LAS TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS EN EL ORGANISMO. Cómo es posible que los organismos vivos pueden crear y mantener su complicada ordenación en su entorno que está relativamente desordenado? Los organismos vivos se rigen en su funcionamiento por las Leyes de la Termodinámica. La primera Ley de la Termodinámica plantea que la energía no puede crearse ni destruirse. Por tanto los organismos vivos no pueden consumir o crear energía, solamente transformar una forma de energía en otra. De su entorno absorben una forma de energía que le es útil en las condiciones de temperatura y presión en que viven, y devuelven al ambiente una cantidad equivalente de energía, en alguna otra forma menos utilizable. La forma útil de energía que las células toman se denomina ENERGÍA LIBRE y puede definirse simplemente como el tipo de energía capaz de realizar trabajo a temperatura y presión constantes. El tipo de energía menos útil que las células devuelven a su entorno consisten en calor y otras formas que rápidamente se distribuyen al azar en el medio exterior. E =E(w ÚTIL)+E(almacenada)+E(calor) El entorno de los organismos vivos resulta para ellos absolutamente esencial, no solo como fuente de energía libre sino también de materias primas y la consiguiente realización de intercambio con el mismo. Las células vivas son muy eficaces en la manipulación más económica posible de la energía y la materia. La célula es esencialmente isotérmica: en un instante determinado todas sus partes tienen la misma temperatura. Los organismos fotosintéticos utilizan la energía radiante de la luz solar, mientras que los organismos heterótrofos utilizan la energía inherente a la estructura de las moléculas orgánicas nutrientes obtenidas del entorno. Este proceso se denomina FLUJO DE ENERGÍA EN LA NATURALEZA SOL CO 2 + H 2 O

2 Células Fotosintéticas C 6 H 12 O 6 Células Heterótrofas Los organismos fotosintéticos utilizan la energía radiante de la luz solar, mientras que los organismos heterótrofos utilizan la energía inherente a la estructura de las moléculas orgánicas nutrientes obtenidas del entorno. Estas formas de energía son transformadas por las células en la energía química del nucleótido energético Adenosintrifosfato(ATP). El ATP es un transportador energético en aquellos procesos celulares donde se consuma o se libere energía, o sea, en los procesos catabólicos y anabólicos. PARTICULARIDADES IMPORTANTES DEL ATP. ESENCIA DE LOS PROCESOS REDOX. Estructura del ATP El ATP es una sustancia energética, capaz de almacenar energía químicamente utilizable. Está constituido por tres componentes: -Adenina, que se une a la ribosa y esta a su vez se une a tres residuos de ácido fosfórico. - Presenta dos enlaces pirofosfórico, donde se almacena la energía. El ATP forma un sistema en equilibrio con dos especies moleculares más, estas especies son: AMP, ADP y al propio ATP. Estas especies químicas se hidrolizan frente al agua para así dar el aporte energético que almacenan en sus enlaces pirofosfóricos, las reacciones químicas de hidrólisis pueden mostrarse de la siguiente forma: H2O H2O ATP + H 2 O ADP + P i AMP + P i Adenosina + P i PROPIEDADES DEL ATP. Su formación ocurre en las mitocondrias, donde se verifica el proceso de fosforilación oxidativa a nivel de cadena respiratoria que es donde se obtiene el mayor % de ATP en la célula. Se encuentra en cantidades relativamente más altas, mientras mayor sea la actividad del tejido que se trate, pudiendo oscilar su concentración entre 10 a 2 mmol/l. Se encuentra presente en todas las formas de vida y en la naturaleza. La concentración en los diferentes compartimentos celulares se relaciona directamente con los procesos de regulación del metabolismo. Su potencial energético radica en los enlaces Pirofosfato que al romperse liberan energía. Esta especie (el ATP) cumple con el principio de intermediario común, o sea, se utiliza como puente entre los compuestos químicos de alto contenido energético y los compuestos químicos de bajo contenido energético

3 de hidrólisis. Existen dos tipos de reacciones que aseguran energéticamente los procesos del metabolismo: 1.Transferencia de los grupos fosfatos de alta energía de un donante al ATP. 2. Transferencia de los grupos fosfatos desde el ATP a un aceptor. Ejemplo 1: Cr-P + ADP Cr + ATP (Creatinfosfoquinasa.) Ejemplo 2: C 6 H 12 O 6 + ATP Glucosa-6P + ADP Por cada mol de ATP hidrolizado se desprende 7,6 Kcal. FUNCIONES DEL ATP. Este nucleótido se utiliza en variadas funciones del organismo, por ejemplo para realizar trabajo químico durante la biosíntesis de compuestos, también para la realización de trabajo osmótico o transporte activo de las sustancias y durante los trabajos mecánicos en los que podemos mencionar las contracciones musculares. Existen varias vías para la obtención de ATP en el organismo a partir de los sustratos energéticos o nutrientes que se incorporan al organismo. Es preciso señalar que la cantidad de ATP almacenada en el músculo sólo posibilita actividad durante fracciones de segundo (la relación de ATP es de 5 micromoles por gramo de músculo) por tanto su resíntesis, constituye la piedra angular de la energética, para ello existen varias vías con distintas características que dependen del esfuerzo realizado, su intensidad y tiempo de duración. EL ATP participa en una serie de reacciones químicas en el organismo, las cuales ocurren a través de mecanismos productores o consumidores de energía, en las que se verifica un intercambio de electrones y otros iones, con características determinadas, estas reacciones químicas se denominan Reacciones de Oxidación-Reducción o simplemente Redox. Veamos en que consisten estas reacciones químicas. Reacciones REDOX (oxidación-reducción) Son reacciones químicas en las cuales se transfieren electrones (ç) desde un compuesto químico a otro.

4 Los procesos de oxidación-reducción pueden acompañarse de otros cambios químicos como pueden ser el intercambio de hidrógeno y oxígeno entre los elementos reaccionantes. El compuesto químico que cede sus electrones, o sea, los pierde, aumenta su número de oxidación, (su carga) este se oxida y hace que el otro compuesto que reacciona con él se reduzca, por tanto actúa como agente reductor. El compuesto químico que gana los electrones, disminuye su número de oxidación,(su carga), o sea, se reduce y hace que el compuesto anterior se oxide por lo que actúa como agente oxidante. En los procesos biológicos se manifiestan dos tipos de reacciones Redox: 1. La transferencia del hidrógeno y electrones. 2. La transferencia de electrones. Ejemplo de reacción de oxidación-reducción biológica. Malato deshidrogenasa 1. Malato + NAD + Oxalacetato + NADH+H + Intermediario Coenzima Intermediario Coenzima del ciclo de Krebs oxidada del ciclo de Krebs reducida Siempre que se verifica una reacción Redox, ocurre la liberación de energía, la cual es almacenada en los enlaces pirofosfóricos del ATP. AQUÍ VA VIAS DE UTILIZACIÓN DE GLÚCIDOS. PROCESOS OXIDATIVOS, CICLO DE KREBS. CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. En el año 1931 H.A.Krebs descubre mediante experimentos bioquímicos un proceso metabólico importantísimo para la obtención de energía a nivel celular

5 mediante experimentos bioquímicos un proceso metabólico importantísimo para la obtención de energía a nivel celular. Le llamó Ciclo del ácido cítrico, pues este compuesto se encontraba presente en estos experimentos. Más tarde sen le llamó Ciclo de los ácidos tricarboxílicos precisamente tomando como referencia al ácido cítrico, por presentar en su estructura química tres grupos carboxílicos (COOH). Gracias a la connotación y al aporte en el campo del metabolismo de los organismos aerobios de dicha investigación, a este ciclo se le concede el nombre de su descubridor Krebs. Dónde ocurre este proceso vital?. En la mayoría de las células de nuestro cuerpo se encuentra un orgánulos citoplasmático cuya función principal es garantizar lasa condiciones óptimas para llevar a cabo los procesos oxidativos de obtención de energía, nos referimos a las mitocondrias. Las mitocondrias poseen doble compartimentación membranosa, es decir, presentan dos membranas una externa que delimita al orgánulo del resto del citoplasma (MME) y una interna que garantiza una mayor selectividad de los compuestos que se transportan a través de ella delimitando el medio acuoso del interior mitocondrial (Matriz mitocondrial). Es precisamente en este medio donde ocurre el ciclo de Krebs. Para analizar el proceso oxidativo en cuestión es necesario retomar la vía glucolítica que se desarrolla en el citoplasma celular. Las reacciones principales de la glucólisis son las mismas, pero al existir una oxigenación suficiente en el medio intracelular el ácido pirúvico que se obtiene como producto final de esta etapa, por la acción de una enzima específica, la piruvato deshidrogenasa se transforma en Acetil CoA a nivel de la matriz mitocondrial. Este compuesto obtenido ( Acetil CoA), constituye la materia prima fundamental que garantiza el funcionamiento insesante del ciclo de Krebs. A continuación se muestra el esquema de la oxidación completa de la glucosa en el ciclo de Krebs. (Fig 1) Por qué el ciclo de Krebs es un proceso indispensable para la obtención de energía en la vía aeróbica? El hecho de que constituya un ciclo lo dispone el sentido de las reacciones acopladas que en se efectúan. Estas reacciones son catalizadas por enzimas específicas permitiendo que la energía liberada de las transformaciones que sufren sus metabolitos se conserve. Cómo se conserva la energía? La energía se conserva a través de las coenzimas reducidas NADH+H +, FADH 2 y en el GTP los cuáles se obtienen por cada vuelta de dicho ciclo. Es decir parte de la energía que se libera en la transferencia de electrones y protones de hidrógeno de un compuesto que se oxida se almacena en el compuesto que acepta a dichos electrones y protones el cual se reduce.

6 Por cada vuelta del ciclo de Krebs, lo que es igual por cada acetil CoA que se incorpora al ciclo, se producen: 3 NADH+H+, 1 FADH 2, 1 GTP, además se desprenden dos moléculas de CO 2 Podemos concluir que en la matriz mitocondrial gracias a este proceso oxidativo cíclico se crean las condiciones energéticas favorables para sintetizar posteriormente a través de otro mecanismo muy bien acoplado el metabolito intermediario energético fundamental para realizar trabajo mecánico: el ATP. Cadena de transporte electrónico (CTE) y fosforilación oxidativa(fo). Estos procesos oxidativos son los que culminan la vía de obtención de energía a nivel mitocondrial que comienza con el ciclo de Krebs. Se manifiestan gracias a la presencia de proteínas conjugadas que se encuentran ancladas a la membrana mitocondrial interna, capaces de captar los electrones provenientes de las Coenzimas reducidas formadas en Krebs y cederlos con la consecuente liberación de energía. Espacio del esquema. Como se puede apreciar en el esquema, cada vez que un par electrónico es transferido desde la coenzima reducida a los complejos respiratorios se libera energía además, el paso de los protones de hidrógeno H + genera un gradiente favorable desde el punto de vista termodinámico. Dicho mecanismo se encuentra acoplado a las enzimas ATP sintetasas presentes en los complejos I,

7 III, y IV, las cuáles aprovechan esas ventajas energéticas para catalizar la síntesis, a partir de ADP y fosfato, de ATP (fosforilación oxidativa). Cabe señalar que los electrones se transfieren de un complejo respiratorio a otro debido a la gran atracción electroquímica que ejerce el oxígeno sobre ellos. El oxígeno que se encuentra situado al final de la cadena transportadora de electrones gana el par electrónico y un par de protones formándose así la molécula de agua correspondiente. Balance energético En el ciclo de Krebs se forman: 3 NADH+H + 1 FADH 2 1GTP La molécula de GTP se interconvierte en ATP gracias a la catálisis enzimática de la Adenin nucleósido isomerasa Por cada NADH+H + que cede el par electrónico a la CTE se obtienen 3 moles de ATP. Por cada FADH 2 que cede sus electrones a la CTE se obtienen 2 moles de ATP. Entonces realicemos el siguiente análisis: 3 NADH+H + X 3 ATP= 9 ATP. 1 FADH 2 X 2 ATP= 2 ATP. 1 GTP = 1 ATP 12 ATP Doce moles de ATP se obtienen mediante el proceso acoplado que ocurre entre el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa pero, en la vía glucolítica por cada glucosa que se degrada se logran dos moles de ácido pirúvico. En condiciones de suficiencia de oxígeno sucede lo siguiente: 2 piruvato + 2 NAD + 2 acetilcoa + 2 NADH+H + Entonces multipliquemos por 2 los ATP que se generan por cada acetil Coa que entra al ciclo de Krebs: 12 ATP X 2 = 24 ATP. Los dos NADH+H + aportan 6 moléculas de ATP más que sumándolas al total equivale a 30 moles de ATP debemos añadir también los dos moles de ATP que se obtiene en la glucólisis por lo tanto el balance queda en 32 ATP. Cuando la presión parcial de O 2 celular es suficiente las células tienen un mecanismo adaptativo mediante el cual, el poder reductor generado en el

8 citoplasma por medio de la glucólisis es transferido hacia las mitocondrias, formándose hasta 6 moles de ATP. Si la célula utiliza la glucosa almacenada en su interior, es decir acude a sus reservas de glucógeno, se produce un ATP más en el proceso de glucogenólisis. Por lo tanto, podemos concluir que a partir de una molécula de glucosa degradada completamente en presencia de suficiente O 2 intracelular se generan hasta 39 moles de ATP. Si pensamos en la cantidad de glucógeno intramuscular y hepático que somos capaces de almacenar podremos comprender la importancia de estos procesos oxidativos para las personas que realizan actividad física sistemática. Realmente el aporte energético para la contracción muscular es significativo cuando la glucosa se degrada por la vía aeróbica garantizando una mayor efectividad en los deportes de larga duración. Vías de utilización de lípidos y proteínas. Los ácidos grasos desempeñan un papel sumamente importante en los animales superiores como combustibles ricos en energías ya que pueden almacenarse en grandes cantidades en la célula en forma de triglicéridos. Estos están adaptados muy bien debido a que poseen un elevado contenido energético, y a que pueden acumularse en forma anhidra, como goticas de grasa. Los tejidos que más triglicéridos almacenan son el tejido adiposo, el hepático y el muscular estriado esquelético. Para utilizar a los ácidos grasos como fuente energética debe ocurrir el proceso de lipólisis el cual es estimulado por algunas hormonas. Este proceso metabólico significa la ruptura de los triglicéridos en sus correspondientes ácidos grasos y glicerol por medio enzimas intracelulares llamadas lipasas. Los ácidos grasos liberados del tejido adiposo o el hepático se transportan por la sangre mediante la seroalbúmina, una lipoproteína globular que los lleva hacia los tejidos que los utilizan como fuente energética, principalmente el muscular estriado esquelético. Una vez que el ácido graso entra en la célula, debe activarse en el citoplasma. Cómo ocurre esta activación? La siguiente reacción lo explica: Ac graso + ATP + CoA enzima Acil CoA + AMP + PP i fl Ac graso activado Para que se activa?

9 Precisamente el proceso de oxidación de los ácidos grasos ocurre a expensas del oxígeno, por lo tanto es un proceso aeróbico que debe realizarse en el interior de las mitocondrias. De esta manera el Acil CoA puede ser transferido a su transportador situado en la MMI llamado Carnitina, se libera el CoA hacia el citoplasma y se forma el complejo Acil Carnitina que atraviesa la MMI y libera el ácido graso en la matriz mitocondrial. Una vez en este medio el ácido graso para ser oxidado debe reactivarse según la reacción: enzima Acido graso + GTP + CoA Acil CoA + GDP + P i. β - oxidación El Acil CoA es sometido a un proceso metabólico acoplado, catalizado por enzimas con el objetivo de oxidarlo y obtener a partir de él las correspondientes moléculas de Acetil CoA. En dicho proceso la energía se conserva en la reducción de las coenzimas ya conocidas: NADH+H + y FADH 2. Hay que destacar que este proceso constituye un ciclo en el cual, de acuerdo al número de átomo de carbono del ácido graso retirado, se obtendrán las correspondientes moléculas de Acetil CoA, NADH+H + y FADH 2 Balance energético Para ello tomamos como ejemplo la β-oxidación del Acido palmítico (16 átomos de carbono). Cada molécula de Acetil CoA producida contiene 2 átomos de carbono, por lo tanto por cada Acido palmítico que se oxida completamente se obtienen 8 moléculas de Acetil CoA, además se generan 7 moles de NADH+H + y 7 moles de FADH 2 Retomando el Ciclo de Krebs, sabemos que cuando una molécula de Acetil CoA llega a este proceso se obtienen 12 ATP, por lo tanto 8x12 = 96 ATP Las coenzimas reducidas pasan directamente a la CTE acopladas a la PO, por esta razón se generan un total de 35 ATP. Lo que suma 131 ATP. Debemos restarles los 2 moles de ATP invertidos en la activación del ácido graso, el balance energético equivale a 129 ATP por la oxidación completa del Acido palmítico. Como conclusión podemos decir que la utilización de los ácidos grasos para obtener energía metabólicamente utilizable es muy eficiente, debido a la cantidad de energía que se deriva de ellos.

10 Para los atletas que requieren de un aporte energético elevado en sus deportes: Ejemplo: Maratón, Ciclismo de ruta, Triatlón, es muy importante perfeccionar esta vía. Con el entrenamiento riguroso todo estos mecanismos se perfeccionan, es decir, aumentan las cantidades de seroalbúmina, se perfecciona el transporte de ácidos grasos a través de la MMI debido a un aumento de Carnitina y aumentan las cantidades de enzimas de las β- Oxidación.

11 Proteínas Las proteínas son las biomacromoléculas más importantes desde el punto de vista funcional para los organismos. Contrastando con los glúcidos y lípidos, estas no se almacenan sino que siempre se encuentran desempeñando una función específica en el organismo. Dentro de las proteínas existen aminoácidos que se utilizan para obtener energía, el más estudiado y significativo es la alanina, pues por medio de una reacción enzimática simple puede convertirse en sustrato energético: Alanina + α-cetoglutarato Piruvato + Acido Glutámico. Enzima: Alanin transaminasa. En esta reacción el único cambio que sufre la alanina es la perdida de su grupo funcional amino (NH 2 ). En músculo, cuando el requerimiento energético es elevado, ocurre la proteolisis intracelular. Por ejemplo: La alanina se convierte en piruvato y este pasa a la mitocondria donde se oxida hasta Acetil CoA y como sabemos este a su vez se incorpora al Ciclo del Krebs con la consecuente producción de ATP. En el hígado a partir de la alanina se obtiene glucosa, a través del proceso de gluconeogénesis, la glucosa formada pasa a la sangre y llega al tejido muscular para ser utilizado por las vías estudiadas. Como producto de la proteolisis se genera un exceso de grupos NH 2, que se convierte en NH 3 (amoníaco) en el medio celular, este último es un compuesto tóxico que debe ser eliminado. Para esto la célula posee un mecanismo mediante el cual se recoge el exceso del NH 3 en una molécula mucho menos tóxica llamada urea, la cual es fácilmente excretada por la orina formada en los riñones. 0 NH 2 C NH 2 Es así como el organismo regula el equilibrio del nitrógeno. Este mecanismo llamado Ciclo de la Urea será abordado con más detenimiento posteriormente. VÍAS ANAEROBIAS DE RESÍNTESIS DE ATP. Vía anaerobia alactácida, o reacción del Creatinfosfato, o proceso fosfagénico.

12 El Creatín-Fosfato es un compuesto fosfórico macroérgico (Cr~P), que se encuentra adsorbido sobre las proteínas contráctiles de las miofibrillas o ligado a las membranas del retículo sarcoplasmático. La enzima creatinfosfoquinasa que cataliza esta reacción bioquímica se encuentra relacionada con la proteína contráctil actina. La reacción química se verifica de la siguiente forma: Cr-P + ADP Cr + ATP (Creatinfosfoquinasa.) La Creatinfosfoquinasa posee gran afinidad química por el Cr-P y el ADP, o sea, que mientras estas sustancias se encuentren en determinadas concentraciones ella manifestará su mayor actividad química, lo cual intensifica la velocidad de esta reacción química enseguida, después del inicio de la actividad muscular, es decir, cuando comienza a desintegrarse el ATP y aumentan entonces las concentraciones de ADP en la célula. Esta reacción química alcanza su máximo de velocidad al pasar solo unos segundos de iniciado el trabajo muscular. Velocidad del proceso 6-8 Tiempo (segundos) La enzima creatinfosfoquinasa (CPK) es muy sensible a las variaciones de ph en el medio: su actividad máxima se manifiesta en un medio débilmente alcalino y se inhibe bruscamente si el ph intracelular disminuye mucho. Los iones Ca 2+ que se liberan durante la contracción muscular, también incrementan la actividad de esta enzima. Mas lo curioso e interesante es el hecho de que esta enzima (CPK) se activa a partir del propio producto de la reacción, la creatina libre que se forma, esto previene una brusca caída de la reacción en el proceso, que debe ocurrir al ir agotándose las cantidades de Cr- P en los músculos. Debido a estas particularidades esta es la primera vía que se activa para resintetizar ATP en los músculos para así mantener el suministro energético necesario y suficiente para la actividad deportiva en cuestión. Esta reacción se manifiesta como un tampón energético, que asegura cantidades de ATP en músculos en caso de cambios bruscos en la velocidad de su utilización. El contenido de Cr-P en músculo supera una tres veces el contenido de ATP. Esta reacción química da un aporte energético para la realización de eventos deportivos de potencia máxima aproximadamente hasta los 10 segundos, pues a partir de este momento comienzan a disminuir las concentraciones de Cr-P,

13 por lo que también el aporte energético disminuye, al transcurrir unos 29 segundos de comenzado el trabajo ha disminuido la velocidad dos veces respecto al valor inicial y al comenzar el tercer minuto de trabajo solo representa el 1.5 % del valor inicial de la velocidad del proceso. La reacción de la creatinfosfoquinasa es reversible, cuando realizamos un ejercicio físico predomina el sentido directo de la reacción para la formación del ATP necesario, pero cuando cesa el trabajo se intensifica el sentido inverso de la reacción, para eliminar entonces los excesos de ATP y recuperar los niveles de Cr-P a expensas de la energía de las transformaciones oxidativas, por lo que aunque no se logre el estado de reposo, la recuperación del Cr-P es posible parcialmente durante la realización de ejercicios duraderos en condiciones aerobias. Como se planteó anteriormente esta vía anaerobia de resíntesis de ATP nos permite realizar eventos deportivos con una potencia máxima y de corta duración por ejemplo carrera de 100 metros, salto de longitud, salto de altura, acciones en el fútbol, en el béisbol, lanzamiento del disco, la jabalina, el martillo, la arterofilia, entre otros eventos. Nos permite por tanto romper la inercia, es decir, pasar rápidamente del estado de reposo al ejercicio, cambiar súbitamente el ritmo del ejercicio y acelerar para llegar a la meta. Vía anaerobia lactácida. Desde el inicio del trabajo muscular unida a la reacción de la creatinfosfoquinasa comienza el proceso de glucólisis en condiciones anaerobias, o sea, con bajas presiones parciales de oxígeno en músculo, pero con la diferencia que la velocidad de este segundo proceso al inicio es muy pequeña, por lo que los aportes energéticos (al inicio) no son considerables. Llega un momento en que comienza a disminuir el aporte energético de la vía fosfagénica y ya son considerables las cantidades de energía producidas a partir de la vía lactácida. De este proceso se deriva un balance energético ya estudiado y se obtiene como producto final ácido láctico. La acumulación del ácido láctico depende de la potencia y la duración del ejercicio. Esta dependencia es lineal, lo que significa que a maddida que se está produciendo energía a mayor velocidad, a una mayor velocidad se estará formando el ácido láctico, lo cual incrementa su contenido en el músculo. El ácido láctico cumple con la propiedad de disociarse en un medio acuoso: CH 3 CHOHCOOH CH 3 CHOHCOO - + H + Ácido láctico ión lactato Acumulándose en grandes cantidades, este ácido hace variar las concentraciones de H + en el medio intracelular. La variación del ph hacia valores menos básicos o ligeramente ácidos activa las enzimas del ciclo respiratorio en las mitocondrias, pero si la variación de ph es muy grande se inhibe la acción de las enzimas de los proceso anaerobios por ejemplo: la ATPasa, la creatinfosfoquinasa, la fosfofructoquinasa, la hexoquinasa, entre otras. El aumento de las concentraciones de ácido láctico en el sarcoplasma varía la presión osmótica, por lo que llega agua al interior de las fibras musculares procedente del medio intercelular, provocando su hinchamiento y rigidez.

14 Grandes cambios de la presión osmótica en los músculos origina sensaciones de dolor. El ácido láctico se difunde fácilmente a través de las membranas celulares, según sea el gradiente de concentración. A los músculos en actividad llega la sangre, lo cual permite que el ácido láctico contacte el sistema tampón de bicarbonato de sodio ( NaHCO3) y ocurra entonces un desprendimiento de CO 2. La reacción química ocurre de la siguiente manera: NaHCO 3 + CH 3 CHOHCOOH CH 3 CHOHCOONa + H 2 O + CO 2 Mientras mayor sea la acumulación de ácido láctico mayor será el desarrollo de la fatiga muscular en los músculos. Este proceso es importante para aquellos eventos de intensidad sub-máxima en condiciones de un abastecimiento no adecuado de oxígeno a los músculos, nos aporta energía desde los 30 segundos aproximadamente hasta los 2.5 minutos, alcanzando su máximo de velocidad entre los 20 y 40 segundos, para realizar eventos deportivos tales como natación 100 y 200 metros, 400 y 800 metros planos, tiempos de un jugo de baloncesto, entre otros. Con el aporte energético de esta también podemos variar la velocidad del ejercicio y acelerar al llegar a la meta. Existe otra vía anaerobia de resíntesis de ATP. Reacción de la mioquinasa. La reacción de la mioquinasa o adenilatquinasa se desarrolla en los músculos cuando ocurre una aumento considerable de las concentraciones de ADP en el sarcoplasma. La reacción química se verifica de la siguiente forma: ADP + ADP ATP + AMP adenilatquinasa Esta situación surge con una fatiga muscular expresada, cuando la velocidad de los procesos de resíntesis de ATP que tienen lugar durante el ejercicio no está en equilibrio con la velocidad a la cual este (el ATP) se descompone. Desde este punto de vista esta reacción puede considerarse como un mecanismo de emergencia que facilita la resíntesis de ATP cuando otras vías no pueden llevarla a cabo. Al aumentar la concentraciones de AMP en músculo se ejerce una acción activante de las enzimas como por ejemplo la fosfofructoquinasa en la glucólisis, por lo que desde este aspecto esta vía contribuye también a incrementar la velocidad de resíntesis de ATP anaerobia. La reacción de la mioquinasa al igual que la reacción de la creatinfosfoquinasa es reversible, y se utiliza para amortiguar las diferencias entre las velocidades de producción y descomposición del ATP. Si en la célula aparecen excesos de ATP esto se regula mediante la reacción de la mioquinasa. Vías aerobias de resíntesis de ATP.

15 El mecanismo aerobio de resíntesis de ATP se caracteriza por aportar el máximo rendimiento, en condiciones habituales aporta el 90% de la cantidad de ATP resintetizado por el organismo. Entre las vías aerobias de resíntesis de ATP encontramos la oxidación aerobia del ácido pirúvico, la beta-oxidación de los ácidos grasos y la desaminación oxidativa de los aminoácidos, procesos ya estudiados anteriormente. Composiciones Químicas del Tejido Muscular El agua constituye % del proceso del músculo. La mayor parte del residuo seco (17 21 % del peso del músculo) está compuesta por las proteínas y el resto, por sustancias orgánicas nitrogenadas y no nitrogenadas, sales minerales y ácido fosfórico libre. La composición proteica de los músculos puede ser representada por el esquema siguiente: Cerca del 40% de todas las proteínas musculares están en las miofibrillas; cerca del 30%, en el sarcolema; cerca del 14 % en las mitocondrias; cerca del 15% en el sarcolema y las demás, en los núcleos y otras organelas celulares. Al tratar los músculos desmenuzados con agua, pasan a la solución las proteínas sarcoplasmásticas del grupo miogénico (principalmente enzimas, en particular, varios enzimas de la glicólisis) y mioalbúmina: una proteína de reserva cuyo contenido disminuye paulatinamente con al edad. En el sarcoplasma de las fibras musculares de tipo ST aparece una proteína de color rojo, mioglobina, que es la cromoproteína cuya estructura y funciones son semejantes a las de la hemoglobina de sangre y que es capaz de fijar el oxígeno en un grado mayor que la última. Si después de la extracción con agua el tejido muscular se somete al tratamiento con una débil solución salina (0.1 M con solución de KCl), a ésta pasan las proteínas glubulinas, las que también tienen enzimas y proteínas de reserva que en caso de un entrenamiento son capaces de transformarse en proteínas contráctiles de las miofibrillas. Las proteínas de miofibrillas se extraen a partir de los músculos desmenuzados con soluciones salinas más concentradas (1.6 M con solución de KCl o NaCl). Más de la mitad de las proteínas de miofibrillas constituyen la miosina, cerca de una cuarta parte, la actina y el resto, tropomiosina, Troponina B actinina, enzimas de la creatinfosfoquinasa, desaminasa del ácido adenílico y otras sustancias. Valiéndose de soluciones alcalinas, del tejido muscular se puede extraer las proteínas nucleares, nucleoprótidos. Se emplean métodos especiales para extraerlas proteínas mitocondriales cuya composición es variada: proteínas estructurales, en lo fundamental lipoproteínas, así como proteínas-enzimas del ciclo de ácidos tricarboxílicos, de B-oxidación de los ácidos grasos, enzimas de la cadena respiratoria y los factores proteicos de conjugación que toman parte en los procesos de fosforilación oxidativa. Tratados los músculos desmenuzados con diferentes soluciones, queda un residuo indisoluble de las proteínas del estroma muscular. Su masa

16 principal está constituida por colágeno y elastina de sarcolema y las miostroninas que forman parte de las membranas SR y están ligadas a las membranas Z de las miofibrillas. El estroma muscular posee alta elasticidad y desempeña un papel importante en el relajamiento del músculo. Entre los compuestos nitrogenados disolubles en agua los más importantes para el funcionamiento de los músculos son el ATP presente en cantidades de 0.25 a 0.4% y el creatín-fosfato (CrP) cuya cantidad oscila entre0.4 y 1% y aumenta con el entrenamiento. En menores cantidades existen también otros nucleosidfosfatos de su descomposición ADP, AMP y creatina que ejercen una acción reguladora sobre el metabolismo en los músculos. En los músculos esqueléticos del hombre se contiene de 0.1 a 0.3 % del dipéptido carnosina que participa en la transferencia enzimática de los radicales fosfáticos, estimula la transmisión de los impulsos procedentes del nervio al músculo y toma parte n la recuperación de la capacidad de funcionamiento de los músculos fatigados. En los músculos se contiene asimismo carnitina, la que participa en la trasferencia de los ácidos grasos (importantes fuentes energéticas) a través de las membranas celulares. Entre otros compuestos nitrogenados conviene mencionar los aminoácidos (principalmente el glutámico), bases púricas, urea y amoniaco. Los músculos esqueléticos contienen cerca del 1.5% de fosfátidos, los que juegan un gran rol en los procesos de respiración tisular. Según las particularidades del funcionamiento de los músculos, la cantidad de fosfátidos presentes pueden variar. Entre los compuestos no nitrogenados más importantes de los músculos figuran el glicógeno y los productos de su metabolismo, grasas, colesterol, cuerpos cetónicos y sales minerales. El glicógeno puede encontrarse en el estado libre o combinado con proteínas. Su cantidad oscila en función de la ración alimenticia y el grado de entrenamiento, entre 0.2 y 3 %. Con el entrenamiento aumenta principalmente la cantidad de glicógeno libre. La grasa protoplasmática (combinada con proteínas) constituyen cerca del 1% en las fibras musculares. Las grasa de reserva pueden acumularse en los músculos específicamente entrenados para resistir un trabajo duradero. Las membranas de la fibra muscular pueden contener hasta el 0.2% de colesterol. Entre las sustancias minerales, los músculos tienen principalmente iones K+, Na+, Mg++, Ca++, Cl-,H2PO-4, HPO-4 () de 1 a 1.5 % del peso del músculo de los procesos bioquímicos en los músculos contráctiles. CAMBIOS BIOQUIMICO EN EL TEJIDO MUSCULAR POR CAUSA DE LA ACTIVIDAD FISICA. El tejido periférico más susceptible de experimentar modificaciones producidas por el entrenamiento es el músculo estas modificaciones o cambio permite en general una mayor producción energética y una mejor eliminación de los productos de desechos reduciendo de esta manera determinados factores relacionado con la fatiga. Las tres principales adaptaciones que ocurren en el músculo esquelético como consecuencia de programas de entrenamiento aeróbico son un aumento en el

17 contenido de mioglobina, una mayor t6asa de oxidación de hidratos de carbono y una mayor capacidad para oxidar grasas. Aumento en el contenido de mioglobina: esta adaptación es especificas de los músculos involucrados en el ejercicio, y cuantitativamente parece estar relacionada con la frecuencia del entrenamiento. Recordar que la principal función de la mioglobina es ayudar a la difusión de oxigeno desde la membrana de la célula muscular hasta la mitocondria. Se ha puesto también que la mioglobina también actúa como un comportamiento de reserva de oxigeno, liberando éste a las mitocondrias cuando la cesión de oxigeno esta limitada durante la contracción muscular. Aumento de la capacidad de oxidación de hidratos de carbono ( glucógeno ) : el entrenamiento de resistencia aumenta la capacidad del músculo esquelético de romper el glucógeno en presencia de oxigeno con producción de ATP + CO2 + H2O, es decir, aumenta la capacidad del músculo de generar energía por la vía aeróbia. Dos adaptaciones contribuyen a este aumento de capacidad oxidativa: I. Un aumento en el número, el tamaño y área de superficie de las mitocondrias del músculo esquelético. II. Incremento del nivel de actividad o de la contracción de las enzimas involucradas en el ciclo de krebs y en el sistema de transporte de electrones. Hay que hacer notar que, aunque las enzimas estudiadas continúan aumentando durante to9do el periodo de entrenamiento, el VO2 máx. se modifica muy poco a partir de las seis semanas de entrenamiento regular. Enzimas como la SDH ( succinato deshidrogenasa ), la CS ( citrato sintetasa ), la HK ( hexoquinasa ) y la MDH ( malato deshidrogenasa ) son muy susceptibles de modificaciones por el estimulo bioquímico que supone el entrenamiento aeróbico. Incluso una actividad física moderada realizada diariamente aumenta la capacidad aeróbica del músculo y la actividad de esas enzimas. Por ejemplo, una actividad física ligera de 20 min./ día incrementa la actividad de la SDH muscular hasta un 25% en comparación con sedentarios. Existe una relación directa entre esas modificaciones y el aumento del VO2 máx. sin embargo, el debate esta abierto en relación a considerar qué factores determinan realmente el aumento del VO2 máx. si los propiamente musculares o el sistema de transporte de oxigeno ( cardiopulmonar ), si bien hemos de reconocer la interdependencia de esos dos factores. Hay que tener en cuenta además, que el entrenamiento provoca un aumento en la capacidad de acumular glucógeno en el músculo esquelético. A su vez, el nivel inicial de concentración de glucógeno muscular está directamente relacionado con la capacidad de resistencia. Incremento en la oxidación de las grasas: al igual que el glucógeno, la oxidación de las grasas para formar finalmente ATP + CO2 + H2O en presencia de oxigeno se ve aumentada como resultado del entrenamiento. Recordemos que la grasa sirve como principal combustible en los ejercicios de resistencia. En una determinada intensidad submáxima de ejercicio, la persona entrenada oxida más grasas y menos hidratos de carbonos que la desentrenada. Esto supone una menor depleción de glucógeno y un menor acumulo de ácido láctico y por tanto menos fatiga muscular. El aumento de la capacidad muscular para oxidar grasas está relacionado con tres factores que la condicionan: a) Un incremento de las reservas intramusculares de triglicéridos.

18 b) Una mayor tasa de liberación de ácidos grasos desde el tejido adiposo (aumento de la disponibilidad de las grasas como combustible). c) Un incremento de la actividad de las enzimas involucradas en la activación, transporte y ruptura de los ácidos grasos. Los ácidos grasos libres ( AGL ) son transportados desde el citoplasma a la mitocondria por la carnitin-transferasa, una enzima asociada a la membrana mitocondrial. Esta enzima cataliza la reacción entre los AGL y la molécula transportadora, la carnitina. El entrenamiento de resistencia aumenta las concentraciones de la enzima carnitin-transferasa. La mayor tasa de transporte desde el citoplasma a la mitocondria favorece la difusión de más AGL al músculo desde el plasma. Esto explicaría porque motivo, la concentración de AGL en plasma no es mayor que en los sujetos no entrenados como resultado del entrenamiento de resistencia, a pesar de haber una mayor movilización de los mismos desde el tejido adiposo al músculo. El aumento de la masa mitocondrial supone un aumento de concentración y de la actividad de las enzimas involucradas en la oxidación de los AGL, concretamente en el ciclo de la betaoxidación. Es decir, se incrementa la tas de obtención de moléculas de acetil-coa a partir de los AGL y que entraran en el ciclo de krebs, donde se formara citrato. Los niveles alto de citrato inhiben la actividad de la fosfofructokinasa ( PFK ) en el citoplasma disminuyendo de esta forma el metabolismo de los hidratos de carbono. Disminución en la producción de ácido láctico (aumento del umbral anaeróbico): El umbral anaeróbico se encuentra aproximadamente al 60% del VO2 máx. en los sujetos no entrenados, y al 75% del VO2 máx. en los sujetos entrenados. Los mecanismo fisiológicos responsables de la menor acumulación de lactato durante ejercicios submáximos aún no se conocen bien, pero se barajan las siguientes posibilidades: A) Una mayor utilización de ácidos grasos como fuente metabólica que conducirá a una menor utilización de glucógeno, y por lo tanto una menor producción de lactatos por los músculos. B) Un menor déficit de oxigeno al comienzo del ejercicio debido a un aumentó más rápido del VO2, llevando también a un menor acumulo de lactato. C) Mayor utilización del lactato como fuente energética durante el ejercicio submáximo que provocará una menor contracción plasmática total. D) Cambios bioquímicos como el aumentó de la masa mitocondrial del músculo. El entrenamiento de resistencia también cambia el tipo de la LDH muscular, desviándolo hacia la forma H4 ( M4, M3H, M2H2, MH3, H4), o forma cardiaca de LDH, que tiene menos afinidad para el lactato, con lo que la formación de este será menor. Efecto del entrenamiento anaeróbico:

19 Los cambios anaeróbicos son más específicos para las actividades deportivas que tienen componentes anaeróbico importantes. Incremento de la capacidad del sistema de los fosfagenos ( ATP/PC ) este aumento se debe a: a) Un aumento de las reservas musculares de ATP y PC-ATP (ATP>25%, PC>40%). b) Un incremento de la actividad de las enzimas clave del sistema ATP/PC: ATPasa ( ruptura de ATP ). Mioquinasa (MK) (ADP-ATP). Creatinquinasa (CPK) (PC-ATP). Se han observado estos cambios después de 8 semanas de entrenamiento anaeróbico. Aumento de la capacidad glucolitica: Hay diversas enzimas clave de la glucólisis anaeróbica que pueden mortificarse por el entrenamiento físico. La fosfofrutokinasa (PFK) aumenta el 50% AL 80% con el entrenamiento de resistencia. Además el entrenamiento anaeróbico mejora la capacidad amortiguadora del músculo. Ya que la acumulación de lactato y de H+ en el músculo son considerados responsables de la aparición de fatiga en actividades de poca duración, un incremento de la capacidad amortiguadora retrasará la adaptación de fatiga durante ejercicios anaeróbicos. Esta capacidad amortiguadora aumenta entre el 12% y el 50% después de 8 semanas de entrenamiento anaeróbico. Aumento de la producción de lactato: Como acabamos de ver en el apartado anterior, uno de los cambios bioquímicos inducidos por el entrenamiento es un incremento de la capacidad glucolitica. Esto se evidencia por la capacidad de producir grandes cantidades de ácido láctico durantes tasas de trabajo de elevada intensidad. Efectos de la combinación del entrenamiento aeróbico y anaeróbico: Podemos decir que la capacidad aeróbica no se ve afectada por el trabajo anaeróbico pero el entrenamiento aeróbico si afecta al rendimiento en ejercicios que han de realizarse a altas velocidades y con grandes requerimientos de fuerza. Efecto del entrenamiento de fuerza: Cambios en las fibras musculares; La hipertrofia es la primera respuesta y esta en función de los niveles iniciales, que son los que determinan el tiempo necesario para que se produzca estos

20 cambios. Un músculo previamente entrenado responde más rápidamente al entrenamiento que uno que no ha sido entrenado previamente. El aumento de la sección de las fibras es causado por un aumento de los filamento de actina y miosina añadidos a las fibras, lo que produce un aumento del tamaño de las fibras tipo I Y tipo II,siendo mayor el aumento en las de tipo II debido a una mayor síntesis de proteínas contráctiles en las fibras II que en las tipo I como respuesta al entrenamiento de fuerza. Cambios celulares: Se produce un descenso de la densidad mitocondrial debido a un aumento del tamaño de las fibras. Lo mismo sucede con la densidad capilar que disminuye debido a un aumento del tamaño de las fibras. También se produce cambios en la reserva de substratos ( como ya se a mencionado con anterioridad): - aumento de CP. - Aumento de creatina. - Aumento del glucógeno muscular. - Aumento de los depósitos de lípidos como respuesta a entrenamientos de fuerzas muy prolongados. Las modificaciones que experimentan los músculos debido al entrenamiento, son especificas de los músculos utilizados, y no ocurren en los deportistas que practican disciplinas de resistencia, como maratón, ciclismo en ruta, etc., el porcentaje de fibras tipo I supera el 60-65%, mientras que en los deportistas de disciplinas de fuerza, los músculos utilizados presentan porcentaje de fibras de tipo II superiores al 65%. Por tanto, parece que el entrenamiento debería ser capaz de inducir transiciones de unos tipos de fibras a otros para que se alcanzaran los distintos patrones fibrilares que se observan en los deportistas. Sin embargo, aún es materia de debate si el entrenamiento es capaz de inducir transiciones en las fibras de los músculos humanos, sobre todo respecto al porcentaje de fibras I. Pudiera ser que este se encuentre definido genéticamente, o bien que pueda ser modificado significativamente por el entrenamiento. Los estudios realizados parecen indicar que el porcentaje de fibras I no se altera sustancialmente con el entrenamiento. Las transiciones fibrilares que si han sido demostradas, en cambio, son aquellas que se producen entre los distintos subtipos de fibras II. En general, parece que se producen disminuciones en los niveles de las fibras IIX, y aumenta en las IIA. Asimismo, aparecen aumentos en las proporciones de fibras híbridas, lo cual se considera un signo de transformación. Respecto a los efectos de entrenamiento sobre el músculo general, está descrito que induce hipertrofia por aumento del diámetro de Las fibras individuales. Dicho aumento es debido al incremento en el numero de miofibrillas, y es más acusado en los deporte de fuerza que en los de resistencia. Asimismo, se ha comprobado como son capaces de hipertrofiarse tanto las fibras I, como las IIX o las IIA. Otro efecto del entrenamiento es el incremento que produce en la capilarización de las fibras en el caso de los deportes de resistencia, efecto que no tiene lugar en los deporte de fuerza. Esta adaptación supone un aumento de la superficie de intercambio entre el tejido muscular y la sangre. Del mismo modo, este tipo de entrenamiento induce un aumento en el contenido muscular de las mioglobina, lo que permite una mejora del sistema de transporte de

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