SISTEMAS ENERGÉTICOS

SISTEMAS ENERGÉTICOS

Todos los animales y plantas dependen de la energía para mantener sus vidas. Como los humanos que obtenemos esta energía de los alimentos.

No se podría entender la fisiología del esfuerzo si antes entender algunos conceptos importantes sobre la energía, ya que cada movimiento que realizamos tiene un coste  que pagamos con ATP. Es una forma de energía química almacenada dentro de nuestras células. Producimos ATP mediante procesos que se le conocen colectivamente como metabolismo.

El propósito particular de este escrito, se centra en analizar los procesos bioquímicos que son fundamentales para comprender como  nuestro cuerpo usa los alimentos a fin de crear energía para el movimiento.

 

 

 

La energía puede definirse como la capacidad de realizar un trabajo. La energía no se crea ni se destruye jamás, en vez de esto se degrada continuamente pasando de una forma a otra, convirtiéndose finalmente en calor.

La energía liberada en una reacción biología se calcula a partir de la cantidad de calor producido y se mide en kilocalorías, en las células se usa la energía libre para la contracción muscular, el crecimiento (aumento de masa muscular y reparación a lo largo del cuerpo después de la finalización del ejercicio.

Los alimentos liberan energía químicamente dentro de nuestras células, almacenándose luego en forma de un compuesto altamente energético denominado adenosin-trifosfato (ATP).

En reposo la energía que nuestro cuerpo necesita se obtiene casi por igual de la descomposición de hidratos de carbono y de grasas. Las proteínas proporcionan generalmente poca energía para la función celular .Al pasar de la de la realización de un esfuerzo muscular suave a otro agudo se emplean progresivamente más hidratos de carbono, dependiendo menos de las grasas. En los ejercicios máximos de corta duración, el ATP se genere casi exclusivamente de hidratos de carbono.

Los hidratos de carbono se convierten en la última instancia de glucosa, un monosacárido (azúcar de una sola unidad) que es transportado por la sangre a los tejidos activos, donde se metaboliza.

En reposo la ingesta de carbohidratos es absorbida por los músculos y el hígado, convirtiéndose en una molécula de azúcar más compleja: glucógeno. Este se almacena en el citoplasma hasta que las células lo utilizan para formar ATP. El glicógeno depositado en el hígado, cuando se necesita, se convierte nuevamente en glucosa que es transportada por la sangre a los tejidos activos donde es metabolizada.

Las reservas de glucógeno en el hígado y en los músculos son limitadas y pueden agotarse a menos que  contenga una razonable cantidad de hidratos de carbono. Por lo tanto dependemos fuertemente de nuestras fuentes dietéticas de almidones y azucares para reponer nuestras reservas. Sin una reserva adecuada de ellos, los musculo y el hígado pueden quedar desprovistos de su principal fuente de energía.

No obstantes e obtiene más energía de las grasas que los hidratos de carbono no obstante es demasiado lento para satisfacer todas las demandas de energía de la actividad muscular intensa.

Producción de ATP

Una molécula de ATP se compone de adenosina (una molécula de ribosa) combinada con tres grupos fosfatos inorgánicos. Cuando la enzima ATPasa actúa sobre ellos el último grupo fosfato se separa, liberando rápidamente una gran cantidad de energía (7,6 kcal/mol de ATP) reduciéndolo a ADP Y Pi.

El proceso de almacenaje de energía formando por ATP a partir de otras fuentes químicas recibe el nombre de fosforilación. Mediante varias reacciones químicas, un grupo fosfato se añade  un compuesto bajo en energía, ADP convirtiéndose en ATP. Cuando estas reacciones se producen sin oxígeno se denomina metabolismo anaeróbico y cuando tienen lugar con ayuda de oxigeno se denomina metabolismo aeróbico, y en la conversión aeróbica de ADP a ATP es l fosforilación oxidativa.

Las células generan ATP mediante tres métodos:

1.    El Sistema de ATP –PC

2.    El sistema glucolítico

3.    El sistema oxidativo
 

El sistema de ATP – PC o fosfágenos (ejercicios de fuerza máxima)

El más sencillo de los sistemas energéticos es el sistema ATP-PC. Además del ATP, nuestras células tienen otra molécula de fosfato altamente energética que almacena energía. Esta molécula se llama fosfocreatina o PC (fosfato de creatina) A diferencia del ATP, la energía liberada por la descomposición del PC no se usa directamente para realizar trabajo celular. En vez de esto, reconstruye el ATP para mantener un suministro relativamente constante.

La liberación de energía por parte del PC es facilitada por la enzima creatincinasa (CK), que actúa sobre el PC para separar el Pi de la creatina. La energía liberada puede usarse entonces para unir Pi a una molécula de ADP, formando ATP. Con este sistema, cuando la energía es liberada por el ATP mediante la división de un grupo fosfato, nuestras células pueden evitar el agotamiento del ATP reduciendo PC, proporcionando energía para formar más ATP.

Este proceso es rápido y puede llevarse a cabo sin ninguna estructura especial dentro de la célula. Aunque puede ocurrir en presencia de oxígeno, este proceso no lo requiere, por lo cual se dice que el sistema ATP-PC es anaeróbico.

Durante los primeros pocos segundos de actividad muscular intensa, como puede ser el esprint, el ATP se mantiene a un nivel relativamente uniforme, pero el nivel de PC declina de forma constante cando se usa el compuesto para reponer el ATP agotado. Cuando se llega al agotamiento, no obstante, tanto el nivel de ATP como el de PC son muy bajos, y no pueden proporcionar energía para más contracciones y relajaciones.

Por lo tanto nuestra capacidad para mantener los niveles de ATP con la energía del PC es limitada. Nuestras reservas de ATP y PC pueden mantener las necesidades de energía de  nuestros músculos tan solo 3 a 15 segundos durante un esprint máximo. Más allá de este punto, los músculos deben depender de otros procesos para la formación de ATP: la combustión glucolítica y oxidativa de combustibles.

Sistema glucolítico anaeróbico.

Implica la liberación de energía mediante la descomposición de la glucosa mediante enzimas glucolíticas.

Características de la glucolisis anaeróbica:

1.    También  conocido como fermentación láctica

2.    Se genera ATP sin la participación del oxigeno 

3.    No forma la Acetil CoA

4.    Las reacciones enzimáticas se producen en el citosol citoplasma y sarcolema

5.    Este sistema energético es importante  en los gastos deportivos de alta intensidad

 

Sistema oxidativo (ejercicios de fuerza de  resistencia)

Es el sistema final de producción de energía celular, es el más complejo de los tres sistemas energéticos.

Es el proceso mediante el cual el cuerpo descompone combustibles con la ayuda de oxígeno para generar energía, también llamada respiración celular dado que se emplea oxígeno, es un proceso aeróbico. Estas producción oxidativa de  ATP se realiza dentro de organelos especiales: las mitocondria (en el musculo son adyacentes a las miofibrillas y se hallan también distribuidas por el sarcoplasma)

Los músculos necesitan un aporte constante de energía para producir continuamente la fuerza necesaria durante actividades  de larga duración.

El sistema oxidativo produce una tremenda cantidad de energía, por lo cual es el método principal de producción de energía durante las pruebas de resistencia y esto impone considerables demandas a la capacidad del cuerpo para liberar oxígeno en los músculos activos.

La producción oxidativa de ATP abarca tres procesos:

1.    Glucolisis

2.    Ciclo de Krebs

3.    Cadena de transporte de electrones

 

GLUCÓLISIS

 

     En el metabolismo de hidratos de carbono, la glucolisis desempeña un cierto papel en la producción anaeróbica y aeróbica de ATP. El proceso es el mismo tanto si hay oxigeno como si no lo hay, la presencia de oxigeno solo determina el destino del producto final: el ácido pirúvico. En el caso de la glucolisis anaeróbica produce ácido láctico y solamente 3 moles de ATP por mol de glucógeno, no obstante en presencia de oxígeno, el ácido pirúvico se convierte en un compuesto llamado acetil-coenzima A.

 

 

     CICLO DEKREBS

     Una vez formado, el acetil –CoA entra en el ciclo de Krebs o también llamado ciclo del ácido cítrico, una serie de complejas reacciones químicas que permiten la oxidación completa de  acetil CoA. Al final del ciclo de Krebs se ha formado 2 moles de ATP y sustrato (el compuesto sobre el actúan las enzimas, en este caso los hidratos de carbono originales) se ha descompuesto en carbono y en hidrogeno. El carbono restante se combina entonces con oxígeno para formar formar dióxido de carbono, el cual se difunde fácilmente fuera de las células y es transportado por la sangre hasta los pulmones para ser espirado. 

 

      CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES

Durante la glucolisis, se libera hidrogeno mientras se metaboliza la glucosa, que se convierte en acido pirúvico. Durante el ciclo de Krebs se libera más hidrogeno. Si permanece en la célula se vuelve demasiado acido, por lo tanto el ciclo de Krebs va unido a una serie de reacciones conocidas como las cadena de transporte de electrones, donde el hidrogeno liberado se combina con dos enzimas NAD (nicotina mida –adenindinucleotido) y FAD (flavoadeninindinucleotido), estas llevan los átomos de hidrogeno hacia la cadena de transporte de electrones, donde se dividen en  protones y electrones. Al final de la cadena se combinan con  oxígeno para formar agua, impidiendo así la acidificación.

Los electrones separados del hidrogeno pasan por una serie de reacciones, de aquí el nombre de cadena transportadora de electrones, y finalmente proporcionan energía para la fosforilacion de ADP, formando ATP. Pues este proceso precisa  oxígeno, recibe el  nombre de fosforilacion oxidativa.

La capacidad oxidativa, denominada con el término QO2 de un musculo es la medida de su capacidad máxima para usar oxígeno. Estas medidas se obtienen de laboratorio estimulando químicamente una pequeña cantidad de tejido muscular para que genere ATP y determinando su capacidad para consumir oxígeno.

 

      GLUCONEOGÉNESIS

La gluconeogénesis es el proceso de síntesis de glucosa o glucógeno a partir de precursores no carbohidratos. Los principales sustratos son los aminoácidos glucogénicos, el lactato, el glicerol y el propionato. 

El hígado y los riñones son los principales tejidos gluconeogénicos, pero el intestino delgado también puede ser una fuente de glucosa en el estado de ayuno; Satisface las necesidades de glucosa del cuerpo cuando los carbohidratos disponibles a partir de la dieta o de las reservas de glucógeno son insuficientes.

La falla en la gluconeogénesis por lo general es mortal. La hipoglucemia causa disfunción cerebral, lo que puede conducir a coma y muerte. 

El lactato producido por los músculos y los eritrocitos, y el Glicerol producido por el tejido adiposo.

     CICLO DE CORI

Parte del lactato procedente de la célula muscular que alcanza el torrente sanguíneo es captado por el hígado para ser transformado en glucosa en el interior del hepatocito durante la recuperación. La conversión de lactato de lactato en glucógeno muscular es más importante en las fibras glucoliticas (tipo ll) que en las fibras oxidativas de contracción lenta (tipo l). Este último tipo de fibras oxida fundamentalmente lactato. Todo esto es un proceso gluconeogénico.

 

¿DE DÓNDE PROCEDE LA ENERGÍA?

Esta energía es suministrada al organismo por los alimentos que comemos y se obtiene de la Oxidación de hidratos de carbono, grasas y proteínas. Se denomina valor energético o calórico de un alimento a la cantidad de energía que se produce cuando es totalmente oxidado o metabolizado para producir dióxido de carbono y agua.

      OXIDACIÓN DE CARBOHIDRATOS 

Para la ejecución de trabajos largos de potencia relativamente baja con un aporte de oxígeno pleno. No obstante, los hidratos de carbono tienen una sería ventaja frente a las grasas en cuanto a cantidad de ATP que se forma por cada oxígeno consumido.

En este sentido es especialmente eficaz la oxidación del glucógeno muscular, que presenta la mayor eficacia energética, dos veces mayor que la oxidación de grasas.

Los alimentos, a través de complicadas reacciones químicas, proveen energía que sirve para producir ATP. Está energía proviene de los carbohidratos, las grasas y proteínas. Los hidratos de carbono se Depositan en el organismo en forma de glucógeno en los músculos y el hígado. El glucógeno pasa a la sangre en forma de Glucosa que al degradarse, produce ,1 Kcal/g. La oxidación de los carbohidratos implica la puesta en marcha de diferentes reacciones químicas que completan el proceso de glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria mitocondrial. Tanto el ciclo de Krebs como la cadena respiratoria mitocondrial se llevan a cabo en el interior de la mitocondria celular. El resultado de estos procesos será por lo tanto, agua, anhídrido carbónico, y 38 o 34 moles de ATP, dependiendo si viene de la degradación del glucógeno o la glucosa.

La capacidad oxidativa muscular depende de los niveles de enzimas oxidativas, de la composición del tipo de fibra muscular y la disponibilidad del oxígeno.

 

      OXIDACIÓN DE LÍPIDOS

Los lípidos son una fuente inagotable de energía durante el ejercicio y aumenta su utilización a medida que aumenta la duración del mismo. Su metabolismo es puramente aeróbico y al utilizarse como sustrato energético produce un ahorro de hidratos de carbono cuyo agotamiento se relaciona con la “fatiga muscular” en los ejercicios de larga duración.

 También son conocidas como lípidos:

u  Un par de ellos son ácidos grasos esenciales y triglicéridos.

u  Los ácidos grasos esenciales son utilizados para lubricar las articulaciones y reducir las irritaciones y las inflamaciones en el cuerpo entre otras cosas.

u  Los triglicéridos son un poco diferentes. Se utilizan como forma de energía para todo el cuerpo a través de la sangre. Por ejemplo, los carbohidratos que comemos en general aumentan la cantidad de triglicéridos. Una vez que la conversión sucede, éstos viajan a lo largo de todo nuestro cuerpo.

Los triglicéridos de los adipocitos se rompen por la acción de la lipasa (lipólisis) en glicerol y ácidos grasos (AG), el primero actúa como precursor gluconeogénico mientras que los AG son transportados hasta la célula muscular en donde tras sufrir una serie de cambios en el citoplasma ingresan a la mitocondria gracias a un transportador, la carnitina, y allí se produce la beta-oxidación que da como resultado la formación de moléculas de acetil Co-A que ingresan al ciclo de Krebs con un rendimiento de 12 ATP cada una.

 

 

     Los triglicéridos:

Son un tipo de grasa presente en el torrente sanguíneo y en el tejido adiposo. Un exceso en este tipo de grasa puede contribuir al endurecimiento y el estrechamiento de las arterias. Eso lo pone en riesgo de tener un infarto o un ataque cerebral (derrame).

Los triglicéridos se miden con el colesterol como parte de un análisis de sangre. Los niveles normales de triglicéridos se encuentran por debajo de 150. Los niveles superiores a 200 son elevados.

 

     OXIDACIÓN DE LAS GRASAS

La oxidación beta o β-oxidación es un proceso catabólico en él que los ácidos grasos sufren remoción de un par de átomos de carbono en cada ciclo de la oxidación hasta el ácido graso se descompone por completo en forma de moléculas acetil-CoA. Estas pueden ingresar en el ciclo de Krebs, y las coenzimas reducidas NADH y FADH2 sirven como donadores de electrones en la cadena respiratoria. La oxidación beta tiene lugar en la matrix interior de las mitocondrias y se compone de 4 pasos por ciclo.

(1)   Oxidación. La enzima acil-CoA-deshidrogenasa forma un doble enlace en el acil-CoA entre el átomo C-2 (carbono α) y el átomo C-3 (carbono β). Como agente oxidante sirve el FAD.

 

(2) Hidratación del doble enlace entre C-2 y C-3 por la enzima enoil-CoA-hidratasa.

 

(3) Oxidación. La enzima hidroxiacil-CoA-deshidrogenasa convierte el grupo hidroxilo (–OH) en un grupo cetona (=O). Como agente oxidante sirve esta vez NAD+.

(4) Tiólisis. Este paso consiste en la separación del 3-cetoacil-CoA por el grupo tiol de otra molécula de CoA. El tiol es insertado entre C-2 y C-3, reacción que es catalizada por una tiolasa.

Esta oxidación de las grasas puede realizarse las veces que sea hasta dar como resultado Acetil-CoA

OXIDACIÓN DE PROTEINAS.

     La oxidación de proteínas es un proceso muy complejo, porque sus componentes, los aminoácidos contienen nitrógenos, el cual no puede ser oxidado. Las proteínas apenas contribuyen en la producción de energía, salvo en situaciones extremas en la cual otros sustratos se encuentran agotados. En el organismo solo se oxida el esqueleto hidrocarbonado de las proteínas y el grupo amino pasa al ciclo de la urea y se desprende por la orina. La energía de la oxidación de proteínas es menor que la que se obtiene en la bomba calorimétrica. Si valoramos esta pérdida de energía por urea y el coeficiente de digestibilidad delas proteínas obtenemos el valor de energía neta de 4,05.

   Las proteínas sufren varios tipos de oxidación una de ellas la formación de grupos carbonilo ha sido utilizado metabólicamente para evaluar el daño de gravedad en diferentes sistemas biológicos. El cuerpo usa poca proteína durante el reposo o el ejercicio (5-10% durante el ejercicio prolongado). Algunos aminoácidos se pueden convertir en glucosa o en intermediarios del metabolismo oxidativo. La energía producida es difícil de determinar. El nitrógeno de los aminoácidos se convierte en urea, lo que requiere ATP. La fosforilación oxidativa también se puede producir utilizando grasas y proteínas como combustibles, produciéndose energía (ATP), CO2 y agua.


INTERACCIÓN DE LOS SISTEMAS

Durante el ejercicio, el musculo esquelético satisface sus demandas energéticas utilizando sustratos que producen de las reservas del organismo gracias a la ingestión diaria de nutrientes, los sustratos energéticos de los que el musculo  esquelético obtiene  la energía para transformarla en energía mecánica  o estática

• Grasas             
• Hidratos de Carbono                     
• Proteínas

Los sustratos que hemos mencionado no son utilizados directamente por la célula muscular, el metabolismo energético de nuestras células musculares va a consistir esencialmente en una serie de trasferencias  de energía para conseguir que la célula disponga de las cantidades de ATP  necesarias para satisfacer las demandas energéticas  en cada momento.

La reposición de ATP durante el ejercicio puede llegar a realizarse a tasas que son varios cientos de veces superiores   que acontece en reposo sin que se modifiquen las concentraciones intracelulares de ATP.

Tres mecanismos para re sintetizar el ATP

1)    La re síntesis de ATP a partir de la fosfocreatina (PCr)

2)    Mediante el proceso de la glucolisis anaeróbica con la transformación del glucógeno muscular en lactato              

3) A partir de la fosforilacion oxidativa   - proceso aeróbico (mitocondrias)

La oxidación celular proporciona la mayor parte de la energía para la fosforilacion a partir de la combustión biológica de los macronutrientes de la dieta (hidratos de carbono, grasas y proteínas)

En ella se produce un acoplamiento entre las reacciones de oxidación (en las que se donan electrones) y las de reducciones (en la que se aceptan electrones)

El metabolismo muscular puede ser aeróbico o anaeróbico. El musculo decide qué tipo de sistema utilizar en función del factor:

1.- intensidad del ejercicio = la tasa  a la que es necesario reponer el ATP

En condiciones fisiológicas  es prácticamente imposible la participación única de uno de estos sistemas, ocurriendo en realidad un metabolismo mixto en el que predominara un tipo de sistema energético sobre el resto en función de las circunstancias de cada momento. 

El sistema aeróbico, es aquel que comienza después del agotamiento de los sistemas, alcanzando posterior su punto más alto, por lo que dura con más tiempo durante la actividad física, provocando la segregación de ácido láctico.

El sistema anaeróbico láctico, es aquel que participa en un lapso medio de tiempo  mientras una actividad prologada.

El sistema de fosfágenos, es aquel que se agota de inmediato, por lo que se relaciona con el periodo de fatiga





 

                                                    BIBLIOGRAFÍAS

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     Murray et al. (2009) harper bioquímica ilustrada. 28ª. Edición . Editorial mc graw hill lange
   
    Mckee, (2003) bioquímica la base molecular de la vida . 3ra. Edición.  Editorial mc graw hill interamericana

     Cátedra I de Fisiología Humana – Facultad de Medicina – Universidad nacional del Nordeste