Sistemas energéticos en el músculo esquelético y ejercicio intenso

La contracción muscular y por lo tanto todo el ejercicio es dependiente de la degradación de trifosfato de adenosina (ATP, por sus siglas en inglés) y la liberación concomitante de energía libre. Esta liberación de energía libre está acoplada a los requerimientos energéticos de trabajo celular, del cual la contracción muscular es solo un ejemplo.

Uno podría pensar que el miocito (célula muscular), como todas las células, se beneficiaría de una gran reserva de ATP con la cual alimentar el trabajo celular. Sin embargo, este no es el caso. La cantidad total de ATP almacenado dentro de las células del cuerpo es muy pequeña (aproximadamente 8 mmol/Kg de peso húmedo -ww, por sus siglas en inglés- de músculo). Así, la célula depende de otros mecanismos que abastezcan el ATP para apoyar el trabajo celular, lo que involucra el almacenamiento de energía en moléculas más complejas tales como glicógeno y triacilgliceroles, y más importante, tener un sistema sensible de control para incrementar rápidamente el metabolismo durante los tiempos de demanda de energía (ATP). El tejido muscular es único en que puede variar su tasa metabólica en un grado mayor que cualquier otro tejido, dependiendo de las demandas a que es sometido. El estudio de la bioenergética proporciona una explicación racional para este escenario, en donde las concentraciones de ATP, difosfato de adenosina (ADP, por sus siglas en inglés), monofosfato de adenosina (AMP, por sus siglas en inglés) y ortofosfato (Pi, por sus siglas en inglés, que se conoce también como ortofosfato inorgánico o fosfato inorgánico) musculares durante las condiciones en reposo son óptimas para apoyar la transferencia de energía libre hacia y desde el ATP.

Todas las células funcionan para mantener las concentraciones del metabolito adenilato en condición de reposo lo mejor posible de cara a un incremento en la demanda de ATP. El mejor ejemplo de este rasgo de metabolismo energético celular es la concentración de ATP muscular relativamente estable, a pesar de un incremento de más de 1,000 veces en la demanda de ATP, lo que puede ocurrir durante el ejercicio intenso de corta duración. Por ejemplo, el ATP muscular disminuye en solamente 1-2 mmol/Kg ww durante estas condiciones y aun con una contracción máxima involuntaria hasta la falla contráctil, el ATP del músculo no baja más allá de 5 mmol/Kg ww. En resumen, la concentración muscular de ATP no es una reserva de energía, pero en conjunto con cada ADP, AMP y Pi es un requerimiento esencial para la óptima función celular. Adicionalmente, alguna reducción en el ATP muscular coincide con condiciones celulares asociadas con el rápido desarrollo de fatiga, definida como una reducción en la habilidad del músculo para producir fuerza o poder, o una reducción en la rotación de ATP del músculo esquelético. La fatiga es vital para la función fisiológica del cuerpo humano y previene que el ATP caiga a niveles tan bajos que podría causar rigor muscular o daño muscular irreversible.

Uno puede preguntarse cómo puede la célula detectar, responder rápidamente a, y exitosamente cumplir con incrementos súbitos en la demanda de ATP. Las respuestas descansan en una comprensión de los sistemas por los cuales las células regeneran el ATP. Existen 3 sistemas energéticos mayores que son responsables de la resíntesis de ATP; 1) el sistema de fosfágeno, 2) el sistema glicolítico y 3) la respiración mitocondrial, cuyas contribuciones simultáneas y coordinadas cubren las demandas de ATP muscular durante ejercicio de diferentes intensidades y duraciones. Es importante comprender una perspectiva contemporánea del metabolismo muscular, dados los avances recientes en la comprensión de la interacción de sistemas de energía, gracias a hallazgos novedosos de tecnologías avanzadas como la espectroscopia por resonancia magnética (MRS, por sus siglas en inglés) y el consenso de debates actuales en bioquímica e implicaciones celulares de la acidosis metabólica.

El sistema de fosfágeno

Tres reacciones comprenden el sistema de fosfágeno:

1. CrP + ADP + H+ → ATP + Cr, que es catalizada por la creatina quinasa,
2. ADP + ADP → ATP + AMP, catalizada por la adenilato quinasa, y
3. AMP + H+ → IMP + NH4+, catalizada por la AMP desaminasa.

Las reacciones catalizadas por creatina quinasa y adenilato quinasa producen ATP, aunque la reacción de creatina quinasa tiene por mucho mayor capacidad para la regeneración de ATP, debido a que las reservas de creatina fosfato (CrP) en el músculo en reposo es aproximadamente de 26 mmol/Kg ww. El consumo del protón (H+) durante la reacción de la creatina quinasa es responsable de la ligera alcalinización del músculo al inicio del ejercicio. La aparición de acidosis metabólica activa la AMP desaminasa y por lo tanto la producción de AMP y eventualmente la producción de amoniaco (NH4+). La pequeña capacidad de esta reacción en el músculo esquelético en combinación con la preexistencia de acidosis hace que el consumo de H+ en esta reacción sea de consecuencia limitada.

La otra característica importante del sistema de fosfágeno, y en particular la reacción de la adenilato quinasa, es la producción de AMP. El AMP es un potente activador alostérico de 2 enzimas que influyen en la glicólisis. En primer lugar, AMP activa a la fosforilasa, lo que incrementa la glicogenólisis y por lo tanto la tasa de producción de glucosa-6-fosfato (G6P), lo que a su vez proporciona combustible inmediato para la glicólisis. En segundo lugar, AMP activa a la fosfofructoquinasa (PFK, por sus siglas en inglés) dentro de la fase 1 de la glicólisis, permitiendo así un incremento en el flujo de G6P a través de la glicólisis, lo que a su vez permite un incremento en las tasas de regeneración de ATP a partir de la fase 2.

La tercera reacción, la de la AMP desaminasa, no regenera ATP. Sin embargo, se incluye esta reacción dentro del sistema de fosfágeno pues la comprensión teórica de la bioenergética revela que la conversión de AMP a IMP (inosina monofosfato) es necesaria para ayudar a la retención de un mayor potencial de transferencia de fosfato dentro del músculo. En otras palabras, manteniendo AMP y ADP bajos dentro del músculo, a pesar de pequeñas reducciones en ATP, puede sostener suficiente liberación de energía libre durante la hidrólisis de ATP para proporcionar energía adecuada para alimentar la contracción muscular. Aproximadamente 1%-2% de la población caucásica posee una deficiencia de AMP desaminasa en el músculo esquelético, y los estudios en estos individuos han sugerido que los mismos tienen mayor posibilidad de sufrir de calambres, dolor y fatiga temprana inducida por el ejercicio.

La otra característica importante de la reacción de la AMP desaminasa es la producción de amoniaco, el cual es tóxico para las células y es subsecuentemente removido hacia la sangre para circular hacia el hígado, en donde es subsecuentemente convertido en urea (en lo que se conoce como el ciclo de la urea). Aunque la reacción no es la única fuente de amoniaco durante el ejercicio intenso, pues es también producido a partir de la oxidación de aminoácidos, es responsable de la mayor parte de la producción de amoniaco, la cual puede ser substancial durante el ejercicio intenso sostenido hasta la fatiga. No obstante, el amoniaco en sangre no se incrementa a niveles altos, con concentraciones pico durante el ejercicio en incremento, aproximadamente de 0.1 mmol/l. Sin embargo, pueden ocurrir defectos en el ciclo de la urea, que causan niveles elevados de amoniaco en la sangre, que pueden derivar en daño cerebral irreversible. Dada la importancia del balance de grupos amino tanto en el músculo como en todo el cuerpo en temas asociados al ejercicio y la balance de proteína muscular tanto en atletas como en ancianos, la comprensión del destino de los grupos amino durante el catabolismo energético se convertirá en un tema más importante dentro de la bioquímica y fisiología del ejercicio, en un futuro próximo.

Muchas actividades tienen una elevada dependencia del sistema de fosfágeno. El éxito en los deportes de equipo, levantamiento de pesas, eventos de campo (como lanzamiento de bala y disco así como eventos de salto), natación, tenis, etc., requiere de una contracción única o una serie limitada de contracciones musculares intensas repetidas. Existe la teoría -desde hace largo tiempo- de que durante los 10-15 segundos iniciales de ejercicio la creatina fosfato era la única responsable de la regeneración de ATP. El apoyo a la teoría de una única dependencia en la creatina fosfato (fosfocreatina) durante el ejercicio intenso surgió debido a que la creatina fosfato es almacenada en el citosol, en cercana proximidad a los sitios de utilización de energía. La hidrólisis de fosfocreatina no depende de la disponibilidad de oxígeno ni requiere que se completen varias reacciones metabólicas antes de que la energía sea liberada para alimentar la regeneración de ATP. Sin embargo, como se verá mas adelante (glicólisis), las investigaciones han mostrado que la glicólisis es rápidamente activada durante el ejercicio intenso, y difícilmente existe dependencia completa del sistema de fosfágeno. Aún así, la importancia del sistema de fosfágeno descansa en las tasas extremadamente rápidas a las cuales puede regenerar ATP. Aunque existe controversia entre los fisiólogos sobre las mediciones de los componentes de los sistemas de energía, incluyendo poder, capacidad y contribución relativa de cada sistema durante el ejercicio, se acepta generalmente que con un periodo de ejercicio de esfuerzo máximo de hasta 5-6 segundos de duración, el sistema energético de fosfágeno domina en términos de la tasa y proporción de regeneración total de ATP. La evidencia sugiere que cuando comienzan las contracciones de alta intensidad, la tasa de degradación de CrP está en su máximo, pero comienza a declinar dentro de los 1.3 segundos.

Durante el ejercicio severo, el rendimiento de energía del sistema de fosfágeno puede continuar hasta que las reservas de CrP estén casi totalmente agotadas. Esto puede ocurrir dentro de los 10 segundos del inicio del ejercicio máximo, debido a la ruta exponencial de caída de la degradación de CrP. Así, la capacidad energética de este sistema es dependiente de la concentración de creatina fosfato.

Interesantemente, la mayoría de los deportes involucra sesiones repetidas de ejercicio intenso, separadas por recuperación activa o pasiva. Claramente, la tasa de cinética de recuperación de la creatina fosfato es también importante para apreciar y comprender el papel del sistema de fosfágeno en los deportes y en los atletas. La habilidad de los atletas para recuperar repetidamente sus reservas de CrP y por lo tanto producir grandes salidas de poder puede tener un efecto significativo en el resultado de su desempeño. La investigación ha mostrado que después del ejercicio exhaustivo, la reposición casi completa de la creatina fosfato puede tomar desde menos de 5 minutos hasta más de 15 minutos, dependiendo del grado de agotamiento de CrP, la severidad de la acidosis metabólica (es más lenta si el ambiente es más ácido) y las características de la unidad motora y tipo de fibra musculares del músculo ejercitado. Dichas tasas diferentes de recuperación de CrP han sido calculadas utilizando resultados de espectroscopia por resonancia magnética de fósforo (31P MRS, por sus siglas en inglés). Desafortunadamente, se ha realizado investigación limitada para comprender las implicaciones de las diferentes tasas de recuperación de CrP así como para definir estrategias para mejorar dicha recuperación.

Es importante entender la metodología de investigación de 31P MRS, pues desde su introducción en los 1980s, se ha convertido en el principal método para estudiar el sistema de fosfágeno durante el ejercicio y la recuperación. Es apreciable que muchas publicaciones periódicas han declarado su intención de invitar y publicar más investigaciones basadas en la metodología de 31P MRS. La investigación que emplea esta metodología requiere el uso de un gran magneto dentro del cual está un filamento periférico que es ajustado electrónicamente para la frecuencia de señal atómica del átomo de interés. Por ejemplo, cuando se colocan en un campo magnético, la mayoría de los átomos con un número negativo de electrones serán forzados a alterar su alineación cuando son sujetos a un golpe corto de energía de alta frecuencia. Una vez que termina el pulso de energía, los átomos liberan su frecuencia específica de energía para el campo magnético dado a medida que regresan a su estado estable. La recolección de datos ocurren en varios milisegundos, y los datos resultantes se conocen como caída de inducción libre (FID, por sus siglas en inglés). Esta señal es la recolectada en todas las formas de imagen y espectroscopia por resonancia magnética. Para la espectroscopia, la FID es procesada matemáticamente por un procedimiento conocido como transformación Fourier, la cual esencialmente convierte los datos de los números expresados en el tiempo, a números expresados en relación a la frecuencia de cambio de los datos. Este procesamiento produce un espectro, en donde las curvas o picos representan la abundancia relativa de frecuencias específicas de cambio. Para 31P MRS, mientras mayor sera el área bajo estas curvas, mayor será la concentración del metabolito que contiene fósforo que ellas representan.

Para el espectro 31P MRS de un músculo en reposo, existen típicamente 5 picos de señal dentro de la fuerza del campo magnético y el grado de recolección y promediado de muestras. Mientras más alto el campo magnético, más fuerte será la señal y más alta la frecuencia de esta señal para un metabolito dado. Debido a la especificidad de la fuerza del campo magnético de la frecuencia de señal para un átomo dado, esta frecuencia es corregida para la fuerza del campo, resultando en una unidad común de partes por millón (ppm) en el eje x del espectro MRS. Esto permite que los datos de diferentes magnetos sean comparados entre sí.

Nótese que la frecuencia de señal para cada átomo de fósforo es ligeramente diferente para diferentes moléculas debido a la influencia del ambiente atómico local del átomo de fósforo. Así, la señal del fósforo de un ATP es ligeramente diferentes para cada uno de los 3 átomos de fósforo de estos 3 grupos fosfato, la cual es también diferentes para el CrP así como diferente del fosfato libre inorgánico (Pi). Existe no pico para ADP o AMP, pues las concentraciones de estos adenilatos son muy bajas para ser detectadas por 31P MRS. El área bajo la curva para cada pico es proporcional a la concentración de metabolito y típicamente para la investigación en sujetos humanos la concentración absoluta de cada metabolito es computada basándose en un estándar interno de referencia asumido para ATP de aproximadamente 8 mmol/Kg ww. El pico de ATP central o α es utilizado para este estándar de referencia.

La tasa de recuperación de CrP es también importante para considerar la naturaleza del proceso de recuperación. La evidencia de estudios previos que han analizado la naturaleza de la resíntesis de CrP apunta hacia que la resíntesis de CrP tiene un patrón de recuperación bifásico luego de la contracción muscular intensa. Utilizando biopsia de músculo del cuádriceps para estudiar la naturaleza de la resíntesis de CrP, se encontró que luego del ejercicio dinámico intenso, el tiempo medio (t1/2) de los componentes rápido y lento de la resíntesis de CrP fue 21 segundos y ˃170 segundos, respectivamente. Los investigadores concluyeron que si se empleaba un modelo monoexponencial para estimar la resíntesis de CrP, el t1/2 estará en algún lugar entre los valores de los componentes rápido y lento. El valor final para t1/2 dependería por lo tanto del tiempo que se recolectaron datos en el periodo postejercicio. También en respaldo de la recuperación bifásica de CrP, otro grupo encontró que luego de un sprint de 30 segundos en un cicloergómetro el CrP fue agotado a los 19.5% ± 1.2% de los niveles en reposo, inmediatamente después de la interrupción del ejercicio. Después de 1.5 minutos de recuperación, el CrP fue restablecido en 65.0% ± 2.8%; sin embargo después de otros 4.5 minutos de recuperación el CrP se había incrementado ligeramente hasta 85.5% ± 3.5%. Los modelos matemáticos predijeron que la resíntesis de CrP no alcanzaría aún el 95% del valor en reposo hasta los 13.6 minutos después del ejercicio. Más recientemente, un grupo adicional estudió la cinética de la recuperación de CrP en humanos y ratas empleando 31P MRS, encontrando que en la mayoría de los humanos existe en efecto un componente inicial de recuperación rápida en el músculo esquelético luego del ejercicio intenso.

A pesar de lo anterior, la evidencia de la naturaleza bifásica de la recuperación de CrP no es concluyente. Aunque parece poco probable que después del ejercicio intenso el modelo de recuperación seguirá un patrón monoexponencial, podría ser que el modelo bifásico no sea adecuado para describir el patrón de resíntesis. Los avances en la tecnología han mostrado que aún en los primeros 3 segundos de recuperación, la pendiente fue significativamente diferente de la pendiente en los primeros 0.5 segundos. Esto sugiere que podría haber más de 2 fases distintas en el proceso de recuperación de CrP.

Existe evidencia conflictiva en la literatura sobre la importancia del oxígeno durante la resíntesis de CrP luego del ejercicio de alta intensidad. Varios estudios han visto la recuperación del músculo luego del ejercicio de alta intensidad bajo condiciones isquémicas. Dos de estos grupos han encontrado que estas condiciones suprimen substancialmente la resíntesis de CrP, lo que sugiere que la resíntesis de CrP es dependiente del metabolismo oxidante. Sin embargo, otro grupo encontró que luego del ejercicio de alta intensidad bajo condiciones isquémicas, el flujo glicolítico permaneció elevado por un corto periodo de tiempo; permaneció alto por 3 segundos y disminuyó a niveles de linea base dentro de los 20 segundos. Si este era el caso y la producción glicolítica de ATP estaba haciendo una contribución considerable al abastecimiento de energía durante la fase de recuperación, entonces la fase inicial rápida de la recuperación de CrP se esperaría inmediatamente luego de la interrupción del ejercicio de alta intensidad. Esto se liga con los trabajos discutidos previamente. El trabajo realizado por un grupo de investigadores también sugiere que la producción glicolítica de ATP puede haber contribuido a la resíntesis de CrP durante la fase inicial rápida de recuperación luego del ejercicio de alta intensidad. Si el CrP es solamente restablecido parcialmente durante la fase de recuperación, esto podría llevar a un desempeño comprometido en las siguientes sesiones de ejercicio, como por ejemplo un decremento en la salida de poder.

Glicólisis

Cuando el ejercicio continúa más de unos cuantos segundos, la energía para regenerar el ATP se deriva en mayor medida de la glucosa en sangre y las reservas de glicógeno muscular. Esta activación casi inmediata de la oxidación de carbohidratos después de la aparición del ejercicio es causada por la producción de AMP, los incrementos en el calcio libre intramuscular y el fosfato inorgánico (ambos incrementan la tasa de reacción de la fosforilasa pues el calcio es un activador del fosforilato y el fosfato inorgánico es un substrato), así como el incremento casi espontáneo de captura de glucosa sanguínea hacia el músculo, causado por la contracción muscular. La tasa incrementada de producción de G6P de la glicogenólisis y el incremento en la captura de glucosa proporciona una fuente rápida de combustible para una secuencia de 8 reacciones adicionales que degradan G6P a piruvato (esta secuencia de reacciones -ruta metabólica- es la glicólisis).

La glicólisis involucra varias reacciones mas que cualquier componente del sistema de fosfágeno, disminuyendo ligeramente la tasa máxima de regeneración de ATP. No obstante, la glicólisis permanece como un rápido medio para regenerar ATP, comparado con la respiración mitocondrial. Es conveniente separar la glicólisis en dos fases. La fase 1 involucra intermediarios carbohidratos fosforilados de 6 carbonos llamados hexosa fosfatos. La fase 1 también involucra un costo en ATP, pues el ATP proporciona el fosfato terminal en cada una de las reacciones de hexoquinasa y fosfofructoquinasa. La fase 1 es interpretada mejor como una preparación para la fase 2, en donde ocurre la regeneración de ATP en una capacidad más alta que la del costo de la fase 1, resultando en un rendimiento neto de ATP glicolítico.

La fase 2 es la fase de regeneración de ATP de la glicólisis. Cada reacción de la fase 2 es repetida 2 veces por una tasa dada de flujo de substrato a través de la fase 1, pues la fase 2 involucra intermediarios fosforilados de 3 carbonos, o triosa fosfatos. Dicha duplicidad de reacciones es causada por el rompimiento de fructosa-1,6-bifosfato en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehido-3-fosfato. La triosa fosfato isomerasa cataliza la conversión de dihidroxiacetona fosfato en gliceraldehido-3-fosfato. Consecuentemente, hay 2 moléculas de gliceraldehido-3-fosfato disponibles para la fase 2 de la glicólisis, permitiendo así la duplicidad de cada reacción subsecuente cuando se contabiliza el flujo de substrato y los carbonos totales.

Es importante notar el papel del fosfato inorgánico como un substrato en la reacción de la enzima gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa. Esta es una reacción muy exergónica, permitiendo que el fosfato inorgánico libre se una al gliceraldehido-3-fosfato, formando 1,3-bifosfoglicerato. Es esta reacción la que efectivamente permite que la glicólisis sea una regeneradora neta de ATP, pues proporciona el grupo fosfato adicionado necesario para apoyar la transferencia adicional de fosfato al ADP para formar ATP en reacciones subsecuentes. Las 2 reacciones que regeneran ATP en la glicólisis son las reacciones de fosfoglicerato quinasa y piruvato quinasa, resultando en 4 ATP de la fase 2.

Existe un beneficio inmediato adicional de ATP al comenzar la glicólisis a partir de glicógeno versus glucosa, porque la glucosa necesita ser fosforilada a G6P antes de su conversión a glucosa-1-fosfato (G1P) y la síntesis de glicógeno. Sin embargo, esto es normalmente realizado en el estado en reposo y postprandial, mucho antes de que comience el ejercicio. Una vez que el ejercicio y la glicogenólisis comienzan, este costo temprano proporciona un beneficio y por tanto incrementa la regeneración neta de ATP a partir de la glicólisis de 2 a 3 ATP por conversión de G6P a 2 piruvatos, lo que significa un 50% de incremento en la tasa y capacidad de rotación glicolítica de ATP.

Tradicionalmente, dentro de la ciencia del ejercicio se pensaba que CrP era el único combustible utilizado al inicio de la contracción, y que la glicogenólisis ocurría cuando se comenzaba a agotar el CrP. Sin embargo, hemos aprendido en varios estudios de investigación que la resíntesis de ATP en la glicólisis durante los 30 segundos de ejercicio máximo comienza a ocurrir casi inmediatamente del inicio del desempeño. También, a diferencia de la hidrólisis de CrP que tiene una tasa máxima casi instantánea de catálisis, la producción de ATP en la glicólisis no alcanza su tasa máxima de regeneración hasta unos 10-15 segundos de ejercicio y es mantenida a una tasa elevada por varios segundos más. En un periodo de 30 segundos de ejercicio, la contribución de la glicólisis a la rotación de ATP es casi el doble de la de CrP. Se ha estimado que durante un sprint de 30 segundos el sistema de fosfágeno es responsable del 23% de la provisión de energía, el 49% proviene de la glicólisis y el 28% procede de la respiración mitocondrial. En contraste, durante un sprint máximo de 10 segundos se ha estimado que la energía es proporcionada en un 53% por el sistema de fosfágeno, el 44% por la glicólisis y el 3% por la respiración mitocondrial.

La máxima capacidad de regeneración de ATP de la glicólisis es alcanzada cuando una tasa de trabajo requiriendo una carga de energía mayor que la captura máxima de oxígeno (VO2 max) del individuo es realizada por el mayor tiempo posible, lo que en promedio para un atleta entrenado está entre 2 y 3 minutos.

Importancia de la producción de lactato

El carbohidrato es el único nutrimento cuya energía almacenada puede ser utilizada para generar ATP vía glicólisis. Cuando el carbohidrato en forma de glucosa o glicógeno es catabolizado durante el desempeño de alta intensidad, solamente ocurre un rompimiento u oxidación parcial, comparado con la oxidación completa que se observa en la respiración mitocondrial. Esto es debido a que la producción de piruvato ocurre a tasas que exceden la capacidad de las mitocondrias para tomar el piruvato. Para prevenir la inhibición por producto de la glicólisis y una reducción en la tasa de regeneración glicolítica de ATP, debe ser removida la mayor cantidad posible de piruvato del citosol. Mientras que algún piruvato es transportado fuera de las fibras musculares en contracción, la mayoría es convertida en lactato vía la reacción de lactato deshidrogenasa:

Piruvato +NADH + H+ → Lactato + NAD+, catalizada por lactato deshidrogenasa.

Durante un sprint de 100 metros, los niveles de lactato en sangre pueden elevarse de 1.6 mM a 8.3 mM.

La producción de lactato durante el ejercicio fue descubierta a principios del siglo 19 por Berzelitus, quien encontró que los músculos de venados cazados tenían niveles elevados de ácido láctico. Sin embargo, fue hasta comienzos del siglo 20 que comenzó a comprenderse la bioquímica del metabolismo energético. Esto llevó a varios estudios que indicaron que el lactato era un producto de desecho de la glicólisis y una de las causas principales de la fatiga muscular. Sin embargo, alrededor de los 1970s, esta visión comenzó a ser desafiada y ahora se ha demostrado que el lactato es de hecho benéfico durante el ejercicio intenso. La producción de lactato en el músculo durante el ejercicio intenso es benéfico para remover piruvato, sosteniendo una tasa elevada de glicólisis y regenerando el nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) en el citosol, el cual es el substrato de la reacción de la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa. Esta reacción, al ser una reacción de deshidrogenasa, es también una reacción de oxidación-reducción. Dos electrones y 1 protón son removidos del gliceraldehido-3-fosfato y utilizados para reducir NAD+ (forma oxidada) a NADH (forma reducida). Sin suficiente disponibilidad de NAD+ en el citosol, la tasa de esta reacción sería drásticamente más lenta, constriñendo la tasa de regeneración de ATP de la glicólisis. Esta es una función tremendamente importante de la producción de lactato.

Un beneficio adicional de la producción de lactato concierne al amortiguamiento (buffering) metabólico de protones. La reacción de de lactato deshidrogenasa utiliza 2 electrones y 1 protón de NADH y un segundo protón de la solución para reducir el piruvato en lactato. Como tal, la producción de lactato retrasa, no causa, el desarrollo de acidosis metabólica.

En resumen, la producción muscular de lactato es esencial para remover piruvato, regenerar NAD+ para sostener una tasa elevada de regeneración de ATP en la glicólisis y contribuir al amortiguamiento metabólico de protones. Es justo establecer que no podríamos sostener el ejercicio de alta intensidad por arriba de 10-15 segundos sin la producción de lactato.

Glicólisis y producción de lactato

Dada la necesidad de producción de lactato para proporcionar suficiente NAD+ para apoyar un flujo sostenido y elevado de substrato a través de la glicólisis, es benéfico combinar la glicólisis y el lactato para valorar el balance de substratos y productos netos para el sistema glicolítico. Esto también es benéfico para revelar la fuente de liberación de protones durante el ejercicio intenso.

Es claro que la producción de lactato contribuye al reciclado de los protones liberados durante la glicólisis y que los protones liberados de la hidrólisis del ATP durante el trabajo celular deben ser removidos de la célula o el citosol, o el amortiguamiento estructural o metabólico para evitar el desarrollo de la acidosis metabólica. Una vez más, es claro que la producción de lactato es benéfica, no dañina, para la contracción muscular y el metabolismo durante el ejercicio intenso. Sin embargo, a pesar de la clara evidencia bioquímica contra el concepto de que el ácido láctico causa la acidosis metabólica, permanece una fuerte inercia en la ciencia para continuar el uso de una explicación simplista de la acidosis causada por el ácido láctico. El campo de la fisiología ácido-base está experimentando un cambio y desafíos tremendos para encontrar una mejor explicación y validar científicamente la verdadera causa de la acidosis metabólica.

Respiración mitocondrial

La resíntesis de ATP por respiración mitocondrial ocurre en las mitocondrias e involucra la combustión (oxidación) de combustible en presencia de oxígeno suficiente. El combustible puede ser obtenido de fuentes dentro del músculo (ácidos grasos y glicógeno) y fuera del músculo (ácidos grasos libres en sangre -provenientes del tejido adiposo- así como de la glucosa en sangre -tanto de la ingestión dietaria como del hígado).

Las reacciones involucradas en la respiración mitocondrial se han estructurado de acuerdo a la fuente de substrato.

Oxidación de carbohidratos

La conexión entre las mitocondrias y la glicólisis es completa cuando el piruvato y los electrones y protones de la reducción glicolítica de NAD+ a NADH son transferidos hacia la mitocondria como substratos para la respiración mitocondrial. En el pasado los estudiosos se han referido al involucramiento de la glicólisis en la oxidación completa de carbohidratos como ‘glicólisis aerobia’, en contraste con el término ‘glicólisis anaerobia’ cuando el piruvato es convertido en lactato. Antes de los 1980s, se asumía que el grado de oxigenación celular era el único responsable de la oxidación completa de piruvato vía respiración mitocondrial. Ahora sabemos que este es un supuesto incorrecto, pues si el ejercicio es suficientemente intenso, el lactato será producido siempre, independientemente de la oxigenación normal o aún en hiperoxigenación (como cuando se respira oxígeno puro). El etiquetado de la glicólisis basándose diferencialmente en términos asociados a la presencia o ausencia de oxígeno es inconsistente con la bioquímica de la glicólisis. Adicionalmente, permanece el hecho de que la ruta glicolítica completa es independiente de la presencia de oxígeno. Nombres alternativos más correctos desde el punto de vista bioquímico serían ‘glicólisis láctica’ versus ‘glicólisis aláctica’ para condiciones de ejercicio intenso o en estado estacionario, respectivamente.

Oxidación de lípidos

El palmitato es la principal forma de ácidos grasos catabolizada en el músculo esquelético en reposo y durante la contracción muscular. El palmitato es un ácido graso de 16 carbonos y cuando se encuentra en el citosol del músculo esquelético debe ser activado por la adición de coenzima A (CoA) antes del transporte a la mitocondria. Esta reacción es irreversible debido al cambio de energía tan grande. Todos los ácidos grasos con 15 o más carbonos requieren activación para su transporte a la mitocondria.

Ácido graso + CoA + ATP → Acil-CoA graso + PPi + AMP, catalizada por acil-CoA sintetasa.

La membrana mitocondrial interna es impermeable a los ácidos grasos de cadena larga; por lo tanto, las moléculas de acil-CoA son transportadas hacia la mitocondria vía el transportador de carnitina. Una vez dentro de la mitocondria, los ácidos grasos saturados, como el palmitato, son secuencialmente degradados 2 carbonos a la vez en la ruta de β-oxidación de 4 reacciones, liberando acetil-CoA, 1 NADH y 1 FADH por ciclo.

Nótese que la acetil-CoA producida en la β-oxidación entra luego al ciclo del ácido tricarboxílico (TCA, por sus siglas en inglés, o ciclo de Szent-Györgyi-Krebs como se le denomina en algunos textos) como aquella acetil-CoA derivada de la oxidación de piruvato. Los productos de la oxidación de ácidos grasos por acetil-CoA son idénticos. Las diferencias entre la oxidación de ácidos grasos y la oxidación de carbohidratos deben ocurrir por lo tanto antes de y durante la producción de acetil-CoA. Cuando se hace una comparación entre los productos de la oxidación de glucosa, glicógeno y palmitato a 8 moléculas de acetil-CoA, la oxidación de carbohidratos rinde una mayor proporción de NADH a FADH2, más CO2 y un mayor rendimiento de ATP, aún cuando se tome en cuenta el transporte de glicerol-3-fosfato menos eficiente en ATP para la transferencia de electrones de la glicólisis (NADH + H+) hacia la mitocondria. Esto ocurre a través del transportador de glicerol-3-fosfato, el cual es prominente en el músculo y así permite que el músculo mantenga una tasa muy alta de fosforilación oxidante. Cuando el NADH de citosol transportado por el transportador de glicerol-3-fosfato es oxidado por la cadena respiratoria, se producen 1.5 ATP, más que 2.5 ATP. Esto es debido a que flavina adenina dinucleótido (FAD), no NAD+, es el aceptor de electrones. FAD permite que NADH sea transportado hacia la mitocondria contra un gradiente de concentración; esto ocurre a costa de 1 molécula de ATP por cada 2 electrones. El mayor rendimiento de ATP significa que para una tasa dada de regeneración de ATP, habría menos demanda de consumo de oxígeno. Adicionalmente, dicha regeneración de ATP ocurre von una mayor producción de CO2, explicando la menor relación de intercambio respiratorio (RER, por sus siglas en inglés) durante el ejercicio para una mayor dependencia de la oxidación de lípidos en lugar de una oxidación de carbohidratos.

Oxidación de aminoácidos

El músculo tiene una provisión disponible de aminoácidos para utilizarse en el catabolismo y esta comprende lo que se conoce como la poza de aminoácidos libres. Sin embargo, la contracción muscular continuada, especialmente cuando el abastecimiento de carbohidratos y/o la provisión es inadecuada, requiere el catabolismo de proteínas para sostener la cantidad de aminoácidos libres. Así, el ejercicio prolongado en tiempos de una pobre nutrición de carbohidratos incrementa la degradación de proteínas y la oxidación de aminoácidos. El ejercicio intenso también incrementa la oxidación de aminoácidos, pero involucra un catabolismo mínimo de proteínas debido a la naturaleza de corto plazo del ejercicio intenso.

En conclusión, la interacción y contribución relativa de los 3 sistemas energéticos durante el ejercicio en incremento y en periodos de ejercicio exhaustivo máximo son de considerable interés teórico y práctico. Los sistemas de energía responden de manera diferente en relación a las demandas de energía altas, con frecuencia sostenidas y usualmente diversas a que son sometidos durante las actividades diarias y las actividades deportivas. El análisis de la literatura sugiere que virtualmente todas las actividades físicas derivan algo de energía de cada uno de los 3 procesos de abastecimiento de energía. No hay duda de que cada sistema está mejor adaptado para proporcionar energía para un tipo diferente de evento o actividad, aunque esto no implica exclusividad. De forma similar, los sistemas de energía contribuyen secuencialmente pero en una forma traslapara a las demandas de energía durante el ejercicio.

El sistema anaeróbico (no mitocondrial) es capaz de responder inmediatamente a las demandas de energía impuestas por el ejercicio y es capaz de apoyar las producciones extremadamente altas de aplicación de fuerza y poder en el músculo. Desafortunadamente, el sistema anaeróbico tiene una capacidad limitada, de forma que una interrupción de trabajo o una reducción en la producción de poder al nivel que puede ser cubierto por el metabolismo aeróbico puede notarse durante periodos extendidos de ejercicio intenso. El sistema de energía aeróbica responde sorprendentemente rápido a las demandas del ejercicio intenso, aunque debido a la tasa relativamente baja de rotación de ATP, es incapaz de cumplir las demandas de energía al comienzo del ejercicio, independientemente de la intensidad del ejercicio o el ejercicio intenso. Sin embargo, parece ahora evidente que el sistema aeróbico juega un papel significativo en la determinación del desempeño durante el ejercicio de alta intensidad, con un esfuerzo máximo de ejercicio de 75 segundos derivando aproximadamente la misma cantidad de energía de los sistemas energéticos aeróbico y anaeróbico.