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19.5: Algo de Química Muscular

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    Objetivos de aprendizaje
    • Describir cómo se produce la contracción muscular.
    • Explicar la diferencia entre ejercicio aeróbico y anaeróbico.

    Las células musculares están especializadas para la contracción. Los músculos permiten movimientos como caminar, y también facilitan procesos corporales como la respiración y la digestión. El cuerpo contiene tres tipos de tejido muscular: músculo esquelético, músculo cardíaco y músculo liso (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    El tejido muscular esquelético forma músculos esqueléticos, que se adhieren a los huesos o la piel y controlan la locomoción y cualquier movimiento que pueda controlarse conscientemente. Debido a que puede ser controlado por el pensamiento, el músculo esquelético también se llama músculo voluntario. El tejido muscular liso se presenta en las paredes de órganos huecos como los intestinos, el estómago y la vejiga urinaria, y alrededor de pasajes como las vías respiratorias y los vasos sanguíneos. El tejido del músculo cardíaco solo se encuentra en el corazón, y las contracciones cardíacas bombean sangre por todo el cuerpo y mantienen la presión arterial.

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    Figura\(\PageIndex{1}\) El cuerpo contiene tres tipos de tejido muscular: músculo esquelético, músculo liso y músculo cardíaco, visualizados aquí mediante microscopía óptica. Las células del músculo liso son cortas, cónicas en cada extremo y tienen solo un núcleo regordete en cada uno. Las células del músculo cardíaco son ramificadas y estriadas, pero cortas. El citoplasma puede ramificarse, y tienen un núcleo en el centro de la célula. (crédito: modificación de obra por NCI, NIH; datos de barra de escala de Matt Russell)

    Contracción Muscular

    La contracción muscular ocurre cuando las fibras musculares se acortan. Literalmente, las fibras musculares se hacen más pequeñas en tamaño. Para entender cómo sucede esto, es necesario conocer más sobre la estructura de las fibras musculares.

    Estructura de las Fibras Musculares

    Cada fibra muscular contiene cientos de orgánulos llamados miofibrillas. Cada miofibrilla está compuesta por dos tipos de filamentos proteicos: los filamentos de actina, que son más delgados, y los filamentos de miosina, que son más gruesos. Los filamentos de actina se anclan a estructuras llamadas líneas Z (Figura 13.13.2). La región entre dos líneas Z se llama sarcómero. Dentro de un sarcómero, los filamentos de miosina se superponen a los filamentos de actina. Los filamentos de miosina tienen estructuras diminutas llamadas puentes transversales que pueden unirse a los filamentos de actina.

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    Figura\(\PageIndex{2}\) Sarcómero. Un sarcómero contiene filamentos de actina y miosina entre dos líneas Z.

    Teoría del filamento deslizante

    La teoría más aceptada que explica cómo se contraen las fibras musculares se llama teoría de filamentos deslizantes. Según esta teoría, los filamentos de miosina utilizan energía del ATP para “caminar” a lo largo de los filamentos de actina con sus puentes transversales. Esto acerca los filamentos de actina. El movimiento de los filamentos de actina también acerca las líneas Z, acortando así el sarcómero.

    Cuando todos los sarcómeros en una fibra muscular se acortan, la fibra se contrae. Una fibra muscular o se contrae completamente o no se contrae en absoluto. El número de fibras que se contraen determina la fuerza de la fuerza muscular. Cuando más fibras se contraen al mismo tiempo, la fuerza es mayor.

    Músculos y nervios

    Los músculos no pueden contraerse por sí solos. Necesitan un estímulo de una célula nerviosa para “decirles” que se contraigan. Digamos que decides levantar la mano en clase. Tu cerebro envía mensajes eléctricos a las células nerviosas, llamadas neuronas motoras, en tu brazo y hombro. Las neuronas motoras, a su vez, estimulan las fibras musculares de tu brazo y hombro para que se contraigan, haciendo que tu brazo se eleve. Las contracciones involuntarias de los músculos cardíacos y lisos también son controladas por los nervios.

    Energía para la Contracción Muscular: ATP

    La fuente de energía que se utiliza para impulsar el movimiento de contracción en los músculos que trabajan es el trifosfato de adenosina (ATP), la forma bioquímica del cuerpo de almacenar y transportar energía. El ATP proporciona la energía para la formación de puentes cruzados y el deslizamiento de filamentos. Sin embargo, el ATP no se almacena en gran medida en las células.

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    Figura\(\PageIndex{3}\) ATP.

    Todas las células musculares tienen un poco de ATP dentro de ellas que pueden usar de inmediato, ¡pero solo lo suficiente para durar aproximadamente 3 segundos!

    Entonces, una vez que comienza la contracción muscular, la fabricación de más ATP debe comenzar rápidamente. Dado que el ATP es tan importante, las células musculares tienen varias formas diferentes de hacerlo. Estos sistemas trabajan juntos en fases. Los tres sistemas bioquímicos para producir ATP son, en orden:

    1. El fosfato de creatina puede suplir las necesidades energéticas de un músculo que trabaja a una tasa muy alta, pero solo por alrededor de 8 a 10 segundos.
    2. Luego se usa glucógeno para hacer ATP a partir de la glucosa. Pero esto toma alrededor de 12 reacciones químicas por lo que suministra energía más lentamente que del fosfato de creatina. Sin embargo, sigue siendo bastante rápido y producirá suficiente energía para durar unos 90 segundos. No se necesita oxígeno, esto es genial, porque le toma algún tiempo al corazón y a los pulmones obtener un mayor suministro de oxígeno a los músculos. Un subproducto de hacer ATP sin usar oxígeno es el ácido láctico. Ya sabes cuando tus músculos están acumulando ácido láctico porque causa cansancio y dolor — la puntada.
    3. A los dos minutos de hacer ejercicio, el cuerpo comienza a suministrar oxígeno a los músculos que trabajan. Cuando el oxígeno está presente, la respiración aeróbica puede tener lugar para descomponer la glucosa para ATP. Esta glucosa puede provenir de varios lugares:
    • suministro restante de glucosa en las células musculares
    • glucosa de los alimentos en el intestino
    • glucógeno en el hígado
    • reservas de grasa en los músculos
    • en casos extremos (como el hambre), la proteína del cuerpo.

    La respiración aeróbica requiere aún más reacciones químicas para producir ATP que cualquiera de los dos sistemas anteriores. Es el más lento de los tres sistemas, pero puede suministrar ATP por varias horas o más, siempre y cuando dure el suministro de combustible.

    Ejercicio aeróbico: Un montón de oxígeno

    El ejercicio aeróbico (también conocido como cardio) es el ejercicio físico de baja a alta intensidad que depende principalmente del proceso aeróbico de generación de energía. Aeróbico significa literalmente “relacionarse con, involucrar o requerir oxígeno libre”, y se refiere al uso de oxígeno para satisfacer adecuadamente las demandas de energía durante el ejercicio. Generalmente, las actividades de intensidad ligera a moderada que están suficientemente respaldadas por el metabolismo aeróbico se pueden realizar por períodos prolongados de tiempo. Cuando se practica de esta manera, ejemplos de ejercicio cardiovascular/aeróbico son corrán/trotar de media a larga distancia, nadar, andar en bicicleta y caminar, según la primera investigación extensa sobre el ejercicio aeróbico, realizada en la década de 1960 en más de 5,000 efectivos de la Fuerza Aérea de Estados Unidos por el Dr. Kenneth H. Cooper.

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    Cardio

    Kenneth Cooper fue la primera persona en introducir el concepto de ejercicio aeróbico. En la década de 1960, Cooper inició la investigación en medicina preventiva. Se sintió intrigado por la creencia de que el ejercicio puede preservar la salud de uno. En 1970 creó su propio instituto (el Cooper Institute) para la investigación y educación sin fines de lucro dedicada a la medicina preventiva. Él provocó que millones se volvieran activos y ahora es conocido como el “padre de los aeróbicos”.

    Lo que generalmente se llama ejercicio aeróbico podría denominarse mejor “únicamente aeróbico”, porque está diseñado para ser lo suficientemente baja intensidad como para no generar lactato (o ácido láctico), de manera que todos los carbohidratos se conviertan aeróbicamente en energía.

    Inicialmente durante un mayor esfuerzo, el glucógeno muscular se descompone para producir glucosa, que se somete a glucólisis produciendo piruvato (Figura\(\PageIndex{4}\)) que luego reacciona con el oxígeno (ciclo de Krebs, Quimósmosis) para producir dióxido de carbono y agua y libera energía. A medida que los niveles de glucógeno en el músculo comienzan a disminuir, la glucosa es liberada al torrente sanguíneo por el hígado, y el metabolismo de las grasas aumenta para que pueda alimentar las vías aeróbicas. El ejercicio aeróbico puede ser alimentado por reservas de glucógeno, reservas de grasa, o una combinación de ambas, dependiendo de la intensidad.

    El ejercicio aeróbico comprende innumerables formas. En general, se realiza a un nivel moderado de intensidad durante un periodo de tiempo relativamente largo. Por ejemplo, correr una larga distancia a un ritmo moderado es un ejercicio aeróbico, pero correr no lo es. Jugar tenis individual, con movimiento casi continuo, generalmente se considera actividad aeróbica, mientras que el golf o tenis de equipo de dos personas, con breves estallidos de actividad puntuados por descansos más frecuentes, puede no ser predominantemente aeróbico. Algunos deportes son así inherentemente “aeróbicos”, mientras que otros ejercicios aeróbicos, como el entrenamiento de fartlek o las clases de danza aeróbica, están diseñados específicamente para mejorar la capacidad aeróbica y la forma física. Es más común que los ejercicios aeróbicos involucren los músculos de las piernas, principalmente o exclusivamente. Hay algunas excepciones. Por ejemplo, el remo a distancias de 2,000 m o más es un deporte aeróbico que ejerce varios grupos musculares importantes, incluidos los de las piernas, abdominales, pecho y brazos. Los ejercicios comunes con pesas rusas combinan aspectos aeróbicos y anaeróbicos.

    Figura La\(\PageIndex{4}\) glucólisis rompe la molécula de glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos, liberando parte de la energía química que había sido almacenada en la glucosa.

    Ejercicio anaeróbico y deuda de oxígeno

    El ejercicio anaeróbico es un tipo de ejercicio que descompone la glucosa en el cuerpo sin usar oxígeno; anaeróbico significa “sin oxígeno”. En términos prácticos, esto significa que el ejercicio anaeróbico es más intenso, pero de menor duración que el ejercicio aeróbico.La bioquímica del ejercicio anaeróbico implica un proceso llamado glucólisis, en el que la glucosa se convierte en trifosfato de adenosina (ATP), que es la principal fuente de energía para reacciones.El ácido láctico se produce a un ritmo mayor durante el ejercicio anaeróbico, lo que hace que se acumule rápidamente (Figura\(\PageIndex{5}\)) .El ejercicio anaeróbico se puede utilizar para ayudar a desarrollar resistencia, fuerza muscular y potencia.

    Tradicionalmente se ha pensado que el subproducto de la glicólisis anaeróbica, el lactato, es perjudicial para la función muscular. Sin embargo, esto parece probable solo cuando los niveles de lactato son muy altos. Los niveles elevados de lactato son solo uno de los muchos cambios que ocurren dentro y alrededor de las células musculares durante el ejercicio intenso que pueden provocar fatiga. La fatiga, es decir, la insuficiencia muscular, es un tema complejo que depende de algo más que de cambios en la concentración de lactato. La disponibilidad de energía, el suministro de oxígeno, la percepción del dolor y otros factores psicológicos contribuyen a la fatiga muscular. Las concentraciones elevadas de lactato muscular y sanguíneo son una consecuencia natural de cualquier esfuerzo físico. La efectividad de la actividad anaeróbica se puede mejorar a través del entrenamiento.

    El ejercicio anaeróbico también aumenta la tasa metabólica basal (TMB) de un individuo. Algunos ejemplos de ejercicios anaeróbicos incluyen sprints, entrenamiento a intervalos de alta intensidad (HIIT) y entrenamiento de fuerza.

    Figura\(\PageIndex{5}\) Conversión de ácido pirúvico en ácido láctico.

    El ácido láctico se puede convertir de nuevo en piruvato en células musculares bien oxigenadas; sin embargo, durante el ejercicio se enfoca en mantener la actividad muscular. El ácido láctico se transporta al hígado donde se puede almacenar antes de la conversión a glucosa en presencia de oxígeno a través del Ciclo Cori. La cantidad de oxígeno requerida para restaurar el equilibrio de ácido láctico a menudo se conoce como la deuda de oxígeno.

    Descripción general del metabolismo anaeróbico y aeróbico

    El metabolismo anaeróbico ocurre en el citosol de las células musculares. Como se ve en la Figura\(\PageIndex{6}\), se produce una pequeña cantidad de ATP en el citosol sin la presencia de oxígeno. El metabolismo anaeróbico utiliza la glucosa como única fuente de combustible y produce piruvato y ácido láctico. El piruvato se puede utilizar como combustible para el metabolismo aeróbico. El metabolismo aeróbico tiene lugar en las mitocondrias de la célula y es capaz de utilizar carbohidratos, proteínas o grasas como su fuente de combustible. El metabolismo aeróbico es un proceso mucho más lento que el metabolismo anaeróbico pero produce la mayor parte del ATP.

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    Figura\(\PageIndex{6}\): Metabolismo anaeróbico versus aeróbico. Imagen de Allison Calabrese/CC BY 4.0.
    Ejercicio y ATP

    Diferentes formas de ejercicio utilizan diferentes sistemas para producir ATP

    Un velocista está consiguiendo ATP de una manera muy diferente a un corredor de maratones.

    • Uso de fosfato de creatina: este sería el sistema principal utilizado para ráfagas cortas (levantadores de pesas o velocistas de corta distancia) porque es rápido pero dura solo de 8 a 10 segundos.
    • Uso de glucógeno (sin oxígeno) — Esto dura 1.3—1.6 minutos, por lo que sería el sistema utilizado en eventos como la natación de 100 metros o la carrera de 200 m o 400 m.
    • Uso de la respiración aeróbica: esto dura un tiempo ilimitado, por lo que es el sistema utilizado en eventos de resistencia como maratón, remo, patinaje de distancia, etc.

    Fuentes de combustible para el metabolismo aeróbico y anaeróbico

    Las fuentes de combustible para el metabolismo anaeróbico y aeróbico cambiarán dependiendo de la cantidad de nutrientes disponibles y del tipo de metabolismo. La glucosa puede provenir de la glucosa en sangre (que es de carbohidratos de la dieta o glucógeno hepático y síntesis de glucosa) o glucógeno muscular. La glucosa es la principal fuente de energía para el metabolismo tanto anaeróbico como aeróbico. Los ácidos grasos se almacenan como triglicéridos en los músculos, pero alrededor del 90% de la energía almacenada se encuentra en el tejido adiposo. Como el ejercicio de intensidad baja a moderada continúa utilizando el metabolismo aeróbico, los ácidos grasos se convierten en la fuente de combustible predominante para los músculos que hacen ejercicio. Aunque la proteína no se considera una fuente de energía importante, se utilizan pequeñas cantidades de aminoácidos mientras descansa o realiza una actividad. La cantidad de aminoácidos utilizados para el metabolismo energético aumenta si la ingesta total de energía de tu dieta no satisface las necesidades de nutrientes o si estás involucrado en ejercicios de larga resistencia.

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    Figura Fuentes\(\PageIndex{7}\) de combustible para el metabolismo anaeróbico y aeróbico.

    Intensidad de Actividad Física y Uso de Combustible

    La intensidad del ejercicio determina la contribución del tipo de fuente de combustible utilizada para la producción de ATP (ver Figura\(\PageIndex{8}\)). Tanto el metabolismo anaeróbico como el aeróbico se combinan durante el ejercicio para asegurar que los músculos estén equipados con suficiente ATP para llevar a cabo las demandas que se les imponen. La cantidad de contribución de cada tipo de metabolismo dependerá de la intensidad de una actividad. Cuando se realizan actividades de baja intensidad, se utiliza el metabolismo aeróbico para suministrar suficiente ATP a los músculos. Sin embargo, durante las actividades de alta intensidad se necesita más ATP por lo que los músculos deben depender tanto del metabolismo anaeróbico como aeróbico para satisfacer las demandas del cuerpo.

    Durante las actividades de baja intensidad, el cuerpo utilizará el metabolismo aeróbico sobre el metabolismo anaeróbico porque es más eficiente al producir mayores cantidades de ATP. Los ácidos grasos son la principal fuente de energía durante la actividad de baja intensidad. Con las reservas de grasa en el cuerpo siendo casi ilimitadas, las actividades de baja intensidad pueden continuar durante mucho tiempo. Junto con los ácidos grasos, también se usa una pequeña cantidad de glucosa. La glucosa difiere de los ácidos grasos donde se pueden agotar los depósitos de glucógeno. A medida que se agotan las reservas de glucógeno, la fatiga eventualmente se instalará.

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    Figura\(\PageIndex{8}\): El efecto de la intensidad del ejercicio sobre las fuentes de combustible.

    Resumen

    • El cuerpo contiene tres tipos de tejido muscular: músculo esquelético, músculo cardíaco y músculo liso. El tejido muscular esquelético está compuesto por sarcómeros, las unidades funcionales del tejido muscular.
    • La contracción muscular ocurre cuando los sarcómeros se acortan, ya que los filamentos gruesos y delgados se deslizan uno junto al otro, lo que se llama el modelo de filamento deslizante de contracción muscular.
    • El ATP proporciona la energía para la formación de puentes cruzados y el deslizamiento de filamentos.
    • El ejercicio aeróbico (también conocido como cardio) es el ejercicio físico de baja a alta intensidad que depende principalmente del proceso aeróbico de generación de energía (metabolismo aeróbico). Aeróbico se refiere al uso de oxígeno para satisfacer adecuadamente las demandas de energía durante el ejercicio.
    • El ejercicio anaeróbico es un ejercicio físico lo suficientemente intenso como para que haya falta de oxígeno. Si hay escasez de oxígeno (ejercicio anaeróbico, movimientos explosivos), los carbohidratos se consumen más rápidamente y el piruvato se convierte en lactato a través del proceso anaeróbico.
    • La intensidad del ejercicio determina la contribución del tipo de fuente de combustible utilizada para la producción de ATP

    Colaboradores


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