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El metabolismo en general y del músculo en particular, es una de las partes de la fisiología del ejercicio más estudiada. Dos textos donde se expone el metabolismo durante el ejercicio son el de Hargreaves y el de Newsholme. Este tema será abordado de forma integradora, analizando los siguientes apartados: aumento de la actividad metabólica, utilización de sustratos y regulación metabólica.
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Siguiendo con la idea señalada en la introducción, estos tres apartados se desarrollarán en relación con el esfuerzo dinámico y de duración prolongada por ser el más representativo desde el punto de vista de la salud e incluso del rendimiento. Aunque desde el punto de vista metabólico muchos deportes no demandan energía sostenida y durante mucho tiempo, no es menos cierta la dependencia de las vías metabólicas que utilizan el oxígeno. Por ejemplo, una carrera de 100 metros lisos, teórica y metabólicamente, se podría desarrollar “sin respirar”; sin embargo, no se conoce a ningún velocista que realice este tipo de pruebas sin respirar.
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Aumento de la actividad metabólica
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Aunque la mayor demanda de energía provocada por el ejercicio físico atañe a todo el organismo, la atención se centrará en la respuesta metabólica del tejido muscular. Se puede decir que el músculo dispone de tres sistemas para obtener energía:
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Sistema anaeróbico aláctico, cuyo sustrato energético son los depósitos de enlaces ricos en energía: trifosfato de adenosina (ATP) y fosfocreatina (Pcr). Con este tipo de sustratos se pueden realizar esfuerzos de una intensidad superior a la correspondiente al consumo máximo de oxígeno, pero, naturalmente, con una duración muy limitada (inferior a 15 s).
Sistema anaeróbico láctico, permite la obtención de energía a partir de la degradación de la glucosa o su depósito, el glucógeno, en condiciones de baja presión parcial de oxígeno. La intensidad se encuentra muy próxima al consumo máximo de oxígeno y la duración con este tipo de fuente energética es de 1 a 2 min.
Sistema aeróbico, utiliza la oxidación de las biomoléculas, sobre todo de carbohidratos y ácidos grasos. El depósito de estos sustratos permite realizar esfuerzos de muy larga duración, pero a una intensidad por debajo del consumo máximo de oxígeno, lo cual también permite la entrada de suficiente oxígeno en relación con la demanda.
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La utilización de cada uno de los sistemas está en función de la intensidad y duración del esfuerzo, aunque es necesario tener siempre presente la interrelación y “solapamiento” que se produce. La figura 88-10 (modificada de Keul) muestra un modelo de obtención de energía en función de los tres sistemas de energía señalados (anaeróbico aláctico, anaeróbico láctico y aeróbico), en relación con la duración del ejercicio. Note cómo a partir de los 30 s, la energía que aporta el sistema anaeróbico aláctico es nula. No obstante, es probable que esto no sea así. Por ejemplo, durante un maratón ¿de dónde obtiene la energía un atleta que produce un cambio de ritmo brusco y sostenido? Según ilustra la figura 88-10 se podría responder que es el sistema anaeróbico láctico el que aporta la energía necesaria para que el atleta “pegue un tirón”. Aunque no existen pruebas científicas, se cree que además de esta alternativa, el músculo podría utilizar la fosfocreatina. Por tanto, aunque el modelo es muy admitido, es necesario tener presente la interrelación entre los tres sistemas para evitar “un vacío metabólico”.
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La disponibilidad de glucógeno en los músculos les confiere una capacidad metabólica diferente e independiente de otros tejidos y órganos. No obstante, esta independencia no es absoluta, sino relativa, pues los depósitos de glucógeno son finitos. Por otra parte, la baja actividad de la lipoproteína lipasa de la fibra muscular determina que la utilización de los ácidos grasos se encuentre condicionada por el aporte del tejido adiposo. Estas dos condiciones, relativa independencia del metabolismo glucídico y la baja actividad de la enzima lipoproteína lipasa, obliga necesariamente a otros tejidos y órganos (tejido adiposo e hígado) a mantener una elevada actividad metabólica para suministrar combustible al músculo durante ejercicios prolongados.
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La estimulación adrenérgica que se produce durante el ejercicio desencadena la puesta en marcha de la mayor parte de las vías metabólicas en función de la intensidad y duración del ejercicio. Esta activación de las vías metabólicas va acompañada del correspondiente incremento de flujo sanguíneo (véase antes bajo el subtítulo Redistribución del gasto cardíaco: presión arterial, circulación local y retorno venoso). Sin embargo, el hecho de que la acción del sistema nervioso vegetativo (SNV) sea a través de mecanismos neuronales, dificulta el mantenimiento de una movilización sostenida de sustratos, sobre todo cuando se prolonga el ejercicio. Este control se consigue por mecanismos hormonales, que de alguna manera se encuentran coordinados con el SNV mediante mecanismos centrales. La acción de las catecolaminas desencadena un descenso de la relación insulina/glucagon, que tiene trascendentales efectos metabólicos: aumentar la sensibilidad del músculo a las catecolaminas; incrementar la activación de la lipólisis y gluconeogénesis, y mantener una elevada velocidad de producción de glucosa hepática. Otras hormonas intervienen controlando la liberación de sustratos y, por tanto, su utilización (cortisol), o en el control hidroelectrolítico (sistema renina-angiotensina-aldosterona y sistema ADH-sed).
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Utilización de sustratos
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El cuadro 88-4 muestra la contribución de determinados sustratos al consumo de oxígeno en los músculos de la pierna durante un ejercicio submáximo y duración creciente.
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Dos hechos se infieren del análisis elemental del cuadro 88-4:
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A medida que avanza la duración del esfuerzo, se incrementa la utilización de los ácidos grasos y disminuye la del glucógeno muscular.
Como el porcentaje de energía aportado por la glucosa permanece constante, se deduce un mantenimiento de la glucemia.
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Por otra parte, considerando que la cantidad total de glucosa hepática disponible es de sólo 90 g, significaría que un corredor de maratón sólo podría sostener el ritmo de carrera 20 min si su sustrato fuera la glucosa que aporta el hígado (5 g de glucosa/min). Ello implica la necesidad de utilizar el glucógeno muscular y los ácidos grasos liberados por el tejido adiposo.
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Por consiguiente, durante ejercicios de duración prolongada los sustratos utilizados son el glucógeno y los ácidos grasos. La utilización y el consiguiente descenso del glucógeno muscular es gradual durante los esfuerzos continuos. No se conoce con exactitud cómo contribuyen cuantitativa y cualitativamente los ácidos grasos al rendimiento. Sin embargo, como se muestra en la figura 88-11, conforme disminuye la utilización del glucógeno muscular, se incrementa la obtención de energía procedente de la beta oxidación.
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Admitiendo que los principales combustibles son el glucógeno y los ácidos grasos, ¿puede el músculo utilizar otros sustratos para sostener un ejercicio de larga duración? Por ejemplo, ¿puede emplear los ácidos grasos existentes en el propio tejido muscular? Según diferentes estudios, la baja actividad de la lipoproteína lipasa muscular hace difícil la utilización de los ácidos grasos. Igualmente, la utilización de los cuerpos cetónicos no parece ser una alternativa metabólica por diversas razones: aumento de la producción hepática, órgano donde se forman, la liberación podría desencadenar una alteración del estado ácido-base.
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Otra de las incógnitas planteadas ha sido la participación de los aminoácidos en la producción de energía durante los esfuerzos prolongados. Aunque muy debatido, parece existir consenso en que el catabolismo de los aminoácidos, que naturalmente se produce, tenga por objeto el aporte de energía al músculo. La mayor actividad catabólica podría tener más un sentido de regulación general.
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En resumen, parece que los carbohidratos cumplen una función principal en la obtención de energía durante los esfuerzos de duración prolongada. Los ácidos grasos suministrados por el tejido adiposo suministran la energía alternativa al objetivo de preservar al músculo de un agotamiento de glucógeno. Así, para ilustrar la importancia del glucógeno, el cuadro 88-5 muestra las diferencias en la utilización del glucógeno muscular durante el esfuerzo prolongado entre dos personas, entrenada y sin entrenamiento, los valores se expresan en µM/g de músculo fresco.
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Regulación metabólica
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Cualquier célula posee mecanismos internos de regulación que le permiten controlar el flujo metabólico. La importancia de los mecanismos de control interno de las vías metabólicas radica en que son mecanismos “de orden local” y no permiten la coordinación entre los diferentes tejidos y órganos. Dado que los esfuerzos aeróbicos se asemejan al estado de ayuno, su mecanismo de regulación es similar y se deben considerar dos aspectos: 1) el control de la movilización y transporte de sustratos (glucosa y ácidos grasos) y 2) control interno del consumo de sustratos. Estos aspectos deben tomarse de forma conjunta, de manera que el hígado y el tejido adiposo deben de liberar los sustratos a la misma velocidad que el tejido muscular los consume.
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La regulación interna se refiere al control de las enzimas clave, generadores de flujo metabólico. Los mecanismos de regulación externa se refieren a las hormonas, que actuando sobre los mecanismos de regulación interna, permiten la coordinación entre tejidos y órganos. Tanto la descripción profunda de los mecanismos de regulación interna como el control neurohormonal salen de los objetivos de este capítulo. Para una mayor información el lector puede revisar los capítulos correspondientes en la Parte IX, Fisiología del sistema endocrino o textos de bioquímica.
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Regulación o control de la movilización y transporte de sustratos
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A medida que aumenta la duración del ejercicio, se incrementa la utilización de los ácidos grasos libres y el mantenimiento de la glucosa en la sangre; por consiguiente, se requiere un control de la actividad hepática y del tejido adiposo.
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Mantenimiento de la glucemia. La liberación de glucosa por el hígado viene condicionada por la activación de la fosfolipasa (paso de la forma inactiva a activa), que es estimulada por el incremento de las concentraciones de catecolaminas y glucagon, e inhibida por el descenso en la concentración de insulina. Además, el descenso de la glucemia activa la regulación recíproca entre la fosforilasa y la sintasa a nivel hepático.
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Cuando se activa la liberación de glucosa hepática procedente de precursores no glucogénicos, entonces se produce una regulación compleja de la gluconeogénesis en función de la producción y entrada de dichos precursores. Muchos investigadores opinan que los ciclos de Cori y de la alanina pueden llegar a ser cualitativamente importantes durante esfuerzos de larga duración.
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Incremento de la movilización y transporte de ácidos grasos. Además del control interno, la actividad hormonal sobre tejido adiposo, músculo e hígado mejora la movilización de sustratos. El descenso de insulina y aumento de las catecolaminas condiciona la activación de la lipoproteína lipasa del tejido adiposo y, por consiguiente, la liberación de ácidos grasos a la sangre. Otro problema que tiene el organismo para que se consuman los ácidos grasos liberados por el tejido adiposo es el transporte de éstos. La insolubilidad en el plasma de los ácidos grasos determina que se unan a la albúmina para poder ser transportados.
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Regulación o control del consumo de sustratos
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El flujo de sustratos, glucosa y ácidos grasos, no asegura que el tejido muscular sea capaz de utilizarlos. La activación de las vías metabólicas (glucogenólisis y β-oxidación) por mecanismos de regulación interna y control hormonal de la entrada y consumo de sustratos, permite equilibrar el aumento en la sangre.
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La activación de la glucogenólisis se produce por la mayor actividad de la fosforilasa debido a cambios en la concentración de reguladores internos, glucosa 6 fosfato, ATP, AMP y Pi. Por otra parte, el consumo de glucosa “extramuscular” procedente del hígado se encuentra regulado por mecanismos locales y hormonales. Los transportadores de glucosa (GLUT1-GLUT4) son estimulados por diferentes factores, como la concentración de calcio en el retículo sarcoplasmático y el oxígeno. Por otra parte, la insulina, al favorecer la entrada de la glucosa, puede intervenir en el control del consumo de glucosa por el músculo. No obstante, es objeto de controversia la necesidad de una determinada concentración de insulina para acelerar el consumo de glucosa por el músculo.
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El aumento de ácidos grasos en el músculo, que provienen de la circulación, pone en marcha el ciclo glucosa/ácidos grasos, estimulándose las enzimas acilCoA sintasa, carnitoil transferasa y enzimas de la β-oxidación, que permiten su utilización. El ciclo glucosa/ácidos grasos desciende la utilización y oxidación completa de la glucosa. Ello determina que la contribución de la glucosa sólo sea para compensar la energía que no pueden suministrar la β-oxidación y la glucogenólisis. La sensibilidad del ciclo aumenta notablemente por la presencia de hormonas en los dos tejidos, adiposo y muscular. El incremento de cortisol y catecolaminas, así como el descenso de insulina, favorecen la liberación de ácidos grasos a la sangre. Como al mismo tiempo se produce un aumento del flujo de sangre a los músculos, el resultado es un desplazamiento del ciclo hacia la degradación de los ácidos grasos, facilitado por la acción de las citadas hormonas.
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Interrelación entre la liberación y consumo de sustratos
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La interrelación entre la regulación de la disponibilidad de sustratos y su utilización determina el rendimiento alcanzado por el organismo durante el ejercicio prolongado. Se estima que la glucosa sanguínea aporta la energía durante unos 4 min, el glucógeno hepático unos 18 min, el glucógeno muscular 71 min, y los triacilglicéridos 4.018 min. El mantenimiento de la glucemia significa que todos los mecanismos de control deben de atender al mantenimiento de esta variable rígida, pues están condicionados por el consumo de este sustrato por el sistema nervioso, que es un tejido glucosa-dependiente no estricto. Por tanto, quizá la liberación de glucosa por el hígado no sea para abastecer de este sustrato al tejido muscular, sino para atender a la mayor demanda del sistema nervioso.
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La interrelación entre el metabolismo individual de cada órgano y tejido, comprometidos en el ejercicio prolongado, podría llevarse a cabo por los mecanismos internos y externos antes mencionados. Sin embargo, llama la atención la liberación de hormonas y neuromoduladores que al parecer no ejercen funciones directas sobre el metabolismo energético. Por ejemplo, ¿qué sentido metabólico puede tener el incremento de la concentración de prolactina o de endorfinas? A juzgar por los efectos fisiológicos de estas dos hormonas, no debería producirse un incremento de su concentración. ¿Cómo explicar entonces el incremento de la concentración de determinadas hormonas o neuromoduladores? En general, el ejercicio es un estímulo para la liberación de la mayor parte de las hormonas, dado que representa para el organismo un estrés. Esto también podría explicar el hecho de que algunas hormonas aumentan su concentración antes de iniciarse el ejercicio, indicando una respuesta de anticipación, y relacionándose, quizá, con la acción “directora” del comando central.
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Por otra parte, el análisis de la respuesta hormonal al ejercicio de resistencia presenta algunos problemas metodológicos que hacen difícil explicar el sentido fisiológico. En primer lugar, hay que tener presente la variación circadiana de muchas hormonas. En segundo, el transporte de hormona por la sangre. Un tercer problema es el aclaramiento de la hormona. Debido a estas consideraciones metodológicas, la interpretación de los hallazgos experimentales de los numerosos trabajos relativos a la respuesta hormonal durante el ejercicio es considerablemente compleja.
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A pesar de las dificultades señaladas, la liberación de hormonas y neuromoduladores durante el ejercicio tiene tres objetivos: 1) atender a la mayor actividad metabólica, principalmente del tejido muscular, 2) mantener constantes las variables rígidas, glucemia y temperatura y 3) atender a una situación de “urgencia” como es el ejercicio.
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La figura 88-12 indica cómo las hormonas intervendrían en el control de dos variables rígidas: la glucemia y la temperatura. El control de la glucemia se consigue a través de la movilización de la glucosa hepática, activando la glucogenólisis (1); la movilización de ácidos grasos libres, con el consiguiente ahorro de glucosa (2); la síntesis de glucosa (gluconeogénesis) y descenso de la entrada de glucosa en las células para forzar su sustitución por ácidos grasos libres como combustibles, a partir de la liberación de los sustratos por los tejidos adiposo y muscular, necesarios para la formación de glucosa (3).
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Según esta perspectiva, tendría sentido que sólo las hormonas con función en el control de estas dos variables, glucemia y temperatura, modificaran su concentración en el plasma. Así, tanto las hormonas glucorreguladoras (glucagon, insulina, cortisol y catecolaminas) como aquellas que intervienen en el control hidroelectrolítico y, por tanto, participan en la termoregulación (antidiurética y aldosterona), deberían modificar su concentración. Sin embargo, como se ha señalado, el ejercicio es el principal factor de estrés para el organismo.
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Algunos investigadores han analizado la respuesta hormonal según ejerzan una acción directa o indirecta. Así, aquellas hormonas que sin tener un efecto “directo” sobre la movilización y utilización de los sustratos, aumentan su concentración en el plasma durante el ejercicio, se consideran como “permisivas”. Esta forma de catalogar alude al hecho de facilitar la acción de otras hormonas que ejercen un control directo sobre el metabolismo energético. La importancia tanto de las hormonas permisivas como de las que contribuyen a incrementar el metabolismo se ha puesto de manifiesto básicamente mediante dos procedimientos experimentales: 1) bloqueo hormonal y 2) efectos que producen las variaciones hormonales por un proceso patológico. Se ha demostrado que el hipotiroidismo interfiere con la capacidad de otras hormonas para movilizar el combustible. Por otra parte, cuando se suministra propranolol de forma selectiva se comprueba que no se bloquea la glucogenólisis, aunque es más difícil mantener la glucemia.
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En resumen, las hormonas con acción directa sobre la movilización y utilización de sustratos aumentan su concentración, mientras que las hormonas permisivas facilitan la función de las primeras, constituyéndose en hormonas de “estrés”. Esto explicaría resultados experimentales relativos a la respuesta y adaptación al entrenamiento y su aplicación al tratamiento de enfermedades como la diabetes.