Fisiología del Ejercicio y Bioenergética Muscular: Conceptos Clave

Fisiología y Ejercicio: Conceptos Fundamentales

Fisiología

Concepto: Disciplina que estudia las funciones del organismo y sus partes.

Ejercicio

Concepto: Actividad física planificada, sistematizada y repetitiva que persigue el logro de un objetivo concreto.

Actividad Física

Concepto: Movimiento corporal producido por los músculos esqueléticos que requiere un gasto de energía.

Juego

Concepto: Actividad lúdica que se desarrolla en tiempo y espacio delimitado, con reglas obligatorias voluntariamente aceptadas.

Deporte

Concepto: Es una actividad física especializada, competitiva, reglamentada, que requiere entrenamiento físico general y el desarrollo de destrezas específicas.

Fisiología del Ejercicio

Concepto: Es el estudio del funcionamiento del organismo humano y sus partes durante la ejecución de actividades físicas planificadas, sistematizadas y repetitivas que persiguen el logro de un objetivo concreto.

Homeostasis

Concepto: Es el conjunto de fenómenos de autorregulación que llevan al mantenimiento de la constancia en las propiedades y la composición del medio interno del organismo.

Medio Interno

Concepto: Parte de nuestro organismo que no se encuentra en contacto macroscópico con el exterior.

Medio Externo

Concepto: No solo es la parte externa de nuestro cuerpo, sino que incluye todos los espacios internos que se encuentran en contacto macroscópico con el exterior. Por ejemplo: alvéolos pulmonares, del estómago, del intestino, de la vejiga, etc.

Respuestas Orgánicas al Ejercicio

1. Incremento de la densidad ósea.
2. Incremento del número y calidad de las mitocondrias.
3. Control del peso.
4. Disminución del estrés y la ansiedad.
5. Aumento de la fuerza.
6. Incremento de la masa muscular.

Sistema Muscular: Funciones y Estructura

Funciones del Sistema Muscular

• Postura
• Producción de calor
• Movimiento

Tipos de Tejido Muscular

• Célula muscular esquelética – Músculo esquelético: Estriado, contracción rápida, voluntario.
• Célula muscular cardíaca – Músculo cardíaco: Estriado, contracción rápida, involuntario.
• Célula muscular visceral (órganos) – Músculo visceral: Liso, contracción lenta, involuntario.

Principios de la Contracción Muscular

Ley de todo o nada: Ante un estímulo que supera el umbral mínimo de excitabilidad, un fascículo se contrae completamente, en su totalidad.

Tono muscular: Estado de semicontracción que permite la postura.

Músculo: Es un órgano del sistema muscular y tiene por función transformar energía química en energía mecánica.

Fibra Muscular

• Forma: Cilíndrica y alargada.
• Núcleo: Multinucleada, cuyos núcleos se sitúan por debajo de la membrana plasmática.
• Membrana: Sarcolema.
• Citoplasma: Sarcoplasma.
• Retículo: Extenso sarcoplasmático – almacena Ca²⁺.

Un músculo puede ejercer distintos tipos de contracción, y eso va a depender de la cantidad de fascículos que involucre la contracción. A esto se lo llama Principio de Fuerza Gradual.

Propiedades de la Fibra Muscular

• Excitabilidad: Capacidad de ser estimulada.
• Contractibilidad: Capacidad para disminuir su longitud.
• Distensibilidad: Capacidad para recuperar su longitud original.
• Extensibilidad: Capacidad para aumentar su longitud original.

Estructuras Clave de la Fibra Muscular

Túbulos T: Son invaginaciones del sarcolema hacia el interior de la fibra, por ello es que dentro suyo hay líquido extracelular.

Los túbulos T están muy relacionados con los retículos sarcoplasmáticos de dos fibras vecinas, conformando una estructura llamada triada.

Los retículos sarcoplasmáticos almacenan iones de Ca²⁺.

El Sarcómero: Unidad Funcional

Sarcómero: Unidad funcional del sistema muscular, mínima parte que se contrae a sí misma.

Miofilamentos: Actina y Miosina

Miosina: Miofilamentos Gruesos

Cada molécula de miosina es un hexámero compuesto por:

1. Cadenas proteicas pesadas que se entrelazan para formar una larga cola y unas estructuras globulares llamadas cabezas.

En la zona de la cabeza, con cada cadena pesada se asocian dos cadenas proteicas livianas.

En síntesis, la miosina está formada por:

1. Dos cadenas proteicas pesadas.
2. Cuatro cadenas livianas.

Un miofilamento de miosina está formado por 250 moléculas.

Otra característica de la miosina es que posee una enzima ATPasa en la cabeza que hidroliza el ATP, obteniendo así la energía para la contracción.

Actina: Miofilamentos Finos

La actina es la proteína que forma los miofilamentos finos de la miofibrilla.

Una molécula de actina es una proteína globular (actina G).

Múltiples moléculas de actina G forman cadenas o miofilamentos (actina F).

En el músculo esquelético, dos filamentos de actina F forman los miofilamentos finos de las miofibrillas.

Los miofilamentos finos y gruesos que están en paralelo están vinculados por puentes de unión.

Los puentes de unión los constituyen las cabezas de miosina próximas, contiguas a los filamentos de actina.

Cada molécula de actina G presenta una zona posible de unión a la miosina, llamada sitio de unión.

Proteínas Moduladoras de la Contracción Muscular

Son proteínas que regulan el proceso de contracción, evitando que, en presencia de ATP, el músculo esté contraído de manera constante.

La Troponina y la Tropomiosina se encuentran en los miofilamentos finos asociados a la actina, y tienen la función de regular la unión entre actina y miosina, impidiendo que se desencadene la contracción.

Tropomiosina

Es una proteína filamentosa que rodea en espiral a los filamentos de actina, cubriendo los puntos de unión.

Troponina

Es una proteína globular que consta de tres unidades:

• Troponina I: Con afinidad por la actina.
• Troponina T: Con afinidad por la tropomiosina.
• Troponina C: Con afinidad por el calcio.

Titina

La titina es una molécula proteica elástica que se extiende desde un disco Z hasta la línea M.

Funciones:

• Estabilizar la posición de los elementos contráctiles.
• Recuperar la longitud muscular durante la relajación.

Nebulina

La nebulina es una proteína no elástica que se ubica junto al miofilamento fino y se inserta en el disco Z. Contribuye con la titina en alinear los filamentos finos del sarcómero.

Límites y Bandas del Sarcómero

Discos Z

Son estructuras en zig-zag compuestas por proteínas de anclaje para los filamentos finos. Representan los extremos del sarcómero.

Banda H

Es la zona central constituida solo por miofilamentos gruesos de miosina.

Banda A

Toda la longitud de un filamento grueso. Es la zona constituida por miofilamentos gruesos de miosina y miofilamentos finos de actina.

Su longitud permanece constante durante la contracción, a diferencia de las bandas I y la zona H que disminuyen su longitud durante el acortamiento del sarcómero.

Banda I

Representan la región ocupada solo por filamentos finos. El disco Z se ubica en la mitad de la banda I, por lo tanto, ambas mitades de la misma banda I pertenecen a sarcómeros diferentes.

Es la zona lateral constituida solo por miofilamentos finos de actina.

Línea M

Es la zona donde la miosina se encuentra unida a la miosina adyacente.

Las Líneas Z se aproximan, lo cual acorta el sarcómero. Desaparece la Banda H, las Bandas I se acortan, la Banda A no modifica su longitud durante la contracción.

Metabolismo Energético Celular

Transmisión del Impulso Nervioso

Los electrolitos pueden atravesar la membrana plasmática, pasando hacia uno o hacia otro lado por diferentes mecanismos:

Transporte Pasivo

1. Difusión simple: Las moléculas atraviesan libremente la bicapa lipídica, a favor de carga y/o concentración. Ej: CO₂, O₂, H₂O.
2. Difusión facilitada: Las moléculas atraviesan la membrana a favor de carga y/o concentración, con la ayuda de proteínas transmembrana. Ej: Glucosa, aminoácidos, lípidos.

Transporte Activo

Es el paso de moléculas a través de una membrana en contra de un gradiente de concentración, con gasto de energía.

Los líquidos intracelulares y extracelulares son soluciones de electrolitos.

En el exterior predominan los que tienen carga positiva (cationes).

En el interior predominan los que tienen carga negativa (aniones).

Ion: Átomo que ganó o perdió electrones.

Cuando la célula no está transmitiendo un impulso nervioso, la distribución de iones a ambos lados de la membrana determina la existencia de dos polos, uno positivo en el exterior y el otro negativo en el interior; esto se conoce como potencial de reposo. Esta situación hace que la membrana en reposo se encuentre polarizada.

El potencial de acción es el que corresponde a la transmisión de un impulso eléctrico. En él, los polos a ambos lados de la membrana se han invertido en un lugar específico, situación que se va propagando a lo largo de la membrana plasmática. Esto se explica por la apertura de los canales de Na⁺ que permiten el ingreso del mismo al interior de la célula, lo cual invierte la carga de los polos.

La repolarización de la membrana se produce debido a que se cierran los canales del Na⁺ y se abren los del K⁺, permitiendo que este atraviese la membrana y se dirija al exterior de la misma, restableciendo la polaridad original.

La membrana repolarizada ha recobrado la polaridad que tenía cuando estaba en reposo, pero con una distribución invertida de los iones a cada lado de la membrana.

La Bomba de NaK impulsa los iones de Na⁺ hacia el exterior y los de K⁺ hacia el interior de la célula, mediante un proceso de transporte activo (en contra de un gradiente de concentración, con gasto de energía – ATP), restableciendo el potencial de reposo que había antes del estímulo nervioso.

Tipos de Ejercicio y Fibras Musculares

Tipos de Ejercicio

• Aeróbico: Ejercicios de media o baja intensidad y de larga duración, donde el organismo necesita quemar hidratos y grasas para obtener energía y para ello necesita oxígeno. Ejemplos: Correr, nadar, andar en bici, caminar, etc. Se suelen utilizar para bajar de peso.
• Anaeróbico: Son ejercicios de alta intensidad y de poca duración; aquí no se necesita oxígeno porque la energía proviene de fuentes inmediatas que no necesitan ser oxidadas por el oxígeno, como el ATP muscular, la PCr o la fosfocreatina y la glucosa. Ejemplo: Hacer pesas, carreras de velocidad y ejercicios que requieran gran esfuerzo en poco tiempo. Este tipo de ejercicios son buenos para el trabajo y fortalecimiento del sistema musculoesquelético (tonificación).

Tipos de Fibras Musculares

Sistemas Energéticos y Adaptaciones al Entrenamiento

Sistemas Energéticos Fundamentales

• Sistema ATP-PCr: Produce ATP sin la participación de O₂ y es anaeróbico aláctico.
• Glucólisis: Produce ATP a partir de la glucosa.

Adaptaciones Musculares al Entrenamiento

El entrenamiento es un estímulo que produce cambios estructurales y funcionales en las fibras musculares. Por ejemplo:

• Los deportes de fuerza incrementan el número de sarcómeros, como parte de la adaptación funcional. La hipertrofia muscular sarcomérica es el aumento del tamaño de las fibras debido al incremento en el número de sarcómeros y, consecuentemente, de miofibrillas.
• Los deportes de resistencia producen otro tipo de adaptaciones funcionales, por ejemplo: Aumenta la captación de glucosa, incrementa la sensibilidad a la insulina.

Sustratos Energéticos

Son moléculas que proveen la energía para el ejercicio. Esta energía se encuentra concentrada en los enlaces químicos que unen los átomos de esa molécula.

Los principales sustratos utilizados por el organismo son:

• ATP
• Glúcidos o hidratos de carbono
• Lípidos o grasas
• Proteínas

Reacciones Endergónicas y Exergónicas

La síntesis de un polímero se produce a partir de la unión de monómeros, lo cual requiere energía para mantener ligadas a las unidades. Es una reacción endergónica.

La lisis de un polímero libera a los monómeros y a la energía contenida en los enlaces químicos. Es una reacción exergónica.

Ribosoma

Ribosoma: Orgánulo celular encargado de ir engarzando los aminoácidos uno a uno hasta formar la cadena de proteínas.

Sustratos Energéticos y sus Catabolitos

ATP

ADP

Glucógeno

Glucosa

Lípidos

Ácidos Grasos

Proteínas

Aminoácidos

Formación de Péptidos

Cuando dos aminoácidos se unen, forman un dipéptido mediante una unión peptídica.

De la misma manera, pueden unirse tres aminoácidos y formar un tripéptido.

Si se unen cuatro aminoácidos, es un tetrapéptido.

Cinco aminoácidos formarán un pentapéptido y así hasta diez.

Luego, de diez en adelante, será un polipéptido.

Clasificación de los Sistemas Energéticos

Es posible clasificarlos por:

1. El consumo, o no, de oxígeno.
2. Por el tipo de sustrato utilizado.
3. Por la producción, o no, de lactato.
4. Por su duración e intensidad.

a) Consumo o No de Oxígeno

La célula muscular dispone de 3 mecanismos para resintetizar ATP. Son procesos exergónicos que liberan la energía necesaria para producir ATP a partir del ADP.

• Sistema de los fosfágenos: Es la resíntesis directa del ATP a partir de la fosfocreatina (PCr).
• Glucólisis anaeróbica: Es la transformación del glucógeno muscular en lactato.
• Fosforilación oxidativa: La energía producida en la oxidación de los nutrientes se acopla con la fosforilación del ADP.

Sistema Anaeróbico Aláctico (Fosfágenos o ATP-PCr)

Es la primera forma de obtención de energía que utiliza el músculo cuando:

• Realiza trabajos de gran intensidad.
• Durante los primeros 15 a 20 segundos.

ATP y PCr integran el grupo de compuestos denominados fosfágenos, o fosfatos de alta energía, a los que pertenecen también el GTP (guanosín trifosfato) y el UTP (uridín trifosfato), entre otros.

Estructura del ATP

Está formado por:

• Una base nitrogenada: la adenina.
• Un azúcar de 5 carbonos: la ribosa.
• Adenina y ribosa forman una molécula llamada adenosina.
• 3 grupos fosfato.

Estructura y Función de la Fosfocreatina (PCr)

La creatina es un ácido nitrogenado que se encuentra naturalmente en las células musculares y nerviosas. Se sintetiza naturalmente en el hígado, el páncreas y los riñones a partir de los aminoácidos arginina, glicina y metionina. Su función es energética, consistente en el aporte de energía y de P al ADP (para la resíntesis del ATP).

Metabolismo de los Carbohidratos (Glucosa y Glucógeno)

La glucosa permite obtener energía tanto en condiciones aeróbicas como en condiciones anaeróbicas.

Ingreso de Glucosa a la Célula

Cuando la glucosa atraviesa la membrana celular, inmediatamente experimenta una fosforilación, transformándose en glucosa-6-fosfato.

Si la célula no va a utilizar la glucosa que le llega, se forma glucógeno como polímero de depósito. Este proceso se conoce como glucogenogénesis.

Glucógeno Hepático

Función: Mantener los niveles de glucemia.

¿De qué manera? Un descenso de la glucemia (ayuno nocturno/ejercicio) constituye la señal para que el hepatocito inicie la glucogenólisis, degradando el glucógeno para liberar unidades de glucosa, por acción de la enzima glucosa-6-fosfatasa.

Luego, la glucosa pasa nuevamente a la sangre circulante. Cuando la glucosa absorbida supera la capacidad de almacenamiento como glucógeno, el hígado la metaboliza transformándola en triglicéridos que pasarán a formar el tejido adiposo.

Glucógeno Muscular

Función: Suministrar glucosa a la propia célula muscular en la que se encuentra.

La desfosforilación de la glucosa no es posible en el músculo porque la fibra muscular no posee la enzima fosfatasa; por eso, la glucosa que entra en la célula muscular no vuelve a salir y se queda a disposición como sustrato energético. Se produce la glucogenólisis muscular, pero la G6P no se vuelca al torrente sanguíneo.

Resumen de las Rutas Metabólicas del Glucógeno Muscular y Hepático

Reserva de Glucógeno

• El glucógeno reservado en el hígado abastece a otras células cuando es necesario.
• El glucógeno muscular es una reserva para la actividad física realizada por el músculo.

Otros Tejidos

• Músculo cardíaco: Almacena glucosa en forma de glucógeno.
• Cerebro: No almacena glucógeno, necesita el aporte continuado de glucosa sanguínea para funcionar correctamente.

Sistemas Energéticos Específicos

Sistema Anaeróbico Láctico (Glucólisis Anaeróbica)

Este proceso tiene lugar en el sarcoplasma.

La fuente de glucosa para la célula muscular son tres:

1. Del glucógeno muscular: la que procede del glucógeno almacenado en la propia fibra muscular (glucosa ya fosforilada).
2. De la glucosa plasmática (glucemia).
3. Del glucógeno hepático: La que ingresa a la fibra muscular proveniente de la sangre circulante, y que ha sido liberada por el hígado (debe activarse mediante fosforilación a glucosa-6-fosfato).

Durante la glucólisis anaeróbica, una molécula de glucosa se transforma en 2 moléculas de lactato, aportando un balance energético neto para la resíntesis de 2 ATP. Así, el glucógeno almacenado podría transformarse en lactato, manteniendo la producción de ATP a una tasa mínima durante 2-3 minutos.

Sistema Aeróbico (Fosforilación Oxidativa y Ciclo de Krebs)

Fosforilación Oxidativa

La energía producida en la oxidación de los nutrientes se acopla con la fosforilación del ADP.

El Acetil-CoA entra al Ciclo de Krebs

La principal función del ciclo de Krebs es extraer los hidrógenos contenidos inicialmente en las moléculas de los nutrientes para poder oxidarlos en la fosforilación oxidativa. En condiciones aeróbicas, el Acetil-CoA, mediante una serie de reacciones químicas, es degradado completamente hasta CO₂.

Los átomos de hidrógeno obtenidos en el ciclo de Krebs pierden un electrón, y esta energía es la que se utiliza para unir un fosfato a un ADP y transformarlo en ATP.

El transporte de electrones, también conocido como fosforilación oxidativa, es el proceso por el que se forma ATP.