Sistemas bioenergéticos

El fosfato de creatina (CP), al igual que el ATP, se almacena en las células musculares. Al descomponerse, se libera una cantidad considerable de energía. Esta energía liberada está ligada al requerimiento energético necesario para la resíntesis de ATP.

Las reservas musculares totales de ATP y CP son pequeñas. Por lo tanto, la cantidad de energía que se puede obtener a través de este sistema es limitada. El fosfágeno almacenado en los músculos activos se agota generalmente en segundos de actividad intensa. Sin embargo, la utilidad del sistema ATP-CP radica en la rápida disponibilidad de energía, más que en su cantidad . Esto es importante con respecto a los tipos de actividades físicas que los humanos son capaces de realizar. ^{[ 4 ] : 9–11}

El sistema de fosfágenos (ATP-PCr) se encuentra en el citosol (una sustancia gelatinosa) del sarcoplasma del músculo esquelético y en el compartimento citosólico del citoplasma del músculo cardíaco y liso del miocito . ^{[ 9 ]}

Durante la contracción muscular:

H₂O + ATP → H⁺ ⁺ ADP + Pi ₍ asistido _por Mg²⁺ , utilización de ATP para ^la contracción muscular por la ATPasa )

H ⁺ + ADP + CP → ATP + Creatina (con la ayuda de Mg ²⁺ , catalizada por la creatina quinasa , el ATP se utiliza de nuevo en la reacción anterior para la contracción muscular continua)

2 ADP → ATP + AMP (catalizado por la adenilato quinasa /mioquinasa cuando se agota la CP, el ATP se vuelve a utilizar para la contracción muscular)

Músculo en reposo:

ATP + Creatina → H ⁺ + ADP + CP (con asistencia de Mg ²⁺ , catalizada por la creatina quinasa )

ADP + Pi _→ ATP (durante la glucólisis anaeróbica y la fosforilación oxidativa )

Cuando el sistema de fosfágenos se ha agotado de fosfocreatina (fosfato de creatina), el AMP resultante producido a partir de la reacción de la adenilato quinasa (mioquinasa) está regulado principalmente por el ciclo de nucleótidos de purina . ^{[ 10 ]}

Este sistema se conoce como glucólisis anaeróbica . La glucólisis se refiere a la descomposición del azúcar. En este sistema, la descomposición del azúcar proporciona la energía necesaria para la síntesis de ATP. Cuando el azúcar se metaboliza anaeróbicamente, se descompone solo parcialmente y uno de los subproductos es el ácido láctico . Este proceso genera suficiente energía para cubrir las necesidades energéticas de resintetizar ATP.

Cuando los iones H ⁺ se acumulan en los músculos, provocando una disminución del pH sanguíneo, se produce fatiga muscular temporal . Otra limitación del sistema láctico, relacionada con su naturaleza anaeróbica, es que solo se pueden resintetizar unos pocos moles de ATP a partir de la descomposición del azúcar. Por lo tanto, no se puede confiar en este sistema durante periodos prolongados.

El sistema del ácido láctico, al igual que el sistema ATP-CP, es importante principalmente porque proporciona un suministro rápido de energía ATP. Por ejemplo, los ejercicios que se realizan a máxima intensidad durante 1 a 3 minutos dependen en gran medida del sistema del ácido láctico. ^{[ 1 ]} En actividades como correr 1500 metros o una milla, el sistema del ácido láctico se utiliza predominantemente para el sprint final de la carrera. ^{[ 4 ] : 11–12}

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  Glucólisis: La primera etapa se conoce como glucólisis, la cual produce 2 moléculas de ATP, 2 moléculas reducidas de nicotinamida adenina dinucleótido ( NADH ) y 2 moléculas de piruvato que pasan a la siguiente etapa: el ciclo de Krebs . La glucólisis tiene lugar en el citoplasma de las células corporales normales o en el sarcoplasma de las células musculares.
• El ciclo de Krebs: esta es la segunda etapa, y los productos de esta etapa del sistema aeróbico son una producción neta de un ATP, una molécula de dióxido de carbono , tres moléculas de NAD ⁺ reducido y una molécula de flavina adenina dinucleótido (FAD) reducido. (Las moléculas de NAD ⁺ y FAD mencionadas aquí son transportadores de electrones, y si están reducidas, se les han añadido uno o dos iones H ^{+ y dos electrones). Los} metabolitos son para cada vuelta del ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs da dos vueltas por cada molécula de glucosa de seis carbonos que pasa por el sistema aeróbico, a medida que dos moléculas de piruvato de tres carbonos entran en el ciclo de Krebs. Antes de que el piruvato entre en el ciclo de Krebs, debe convertirse en acetil coenzima A. Durante esta reacción de enlace, por cada molécula de piruvato convertida en acetil coenzima A, también se reduce un NAD ⁺ . Esta etapa del sistema aeróbico tiene lugar en la matriz de las mitocondrias de las células .
• Fosforilación oxidativa: la última etapa del sistema aeróbico produce la mayor cantidad de ATP, un total de 34 moléculas de ATP. Se denomina fosforilación oxidativa porque el oxígeno es el aceptor final de electrones e iones de hidrógeno (de ahí el término oxidativo) y se añade un fosfato adicional al ADP para formar ATP (de ahí el término fosforilación ).

Esta etapa del sistema aeróbico ocurre en las crestas (pliegues de la membrana de las mitocondrias). La reacción de cada NADH en esta cadena de transporte de electrones proporciona energía suficiente para 3 moléculas de ATP, mientras que la reacción del FADH₂ _produce 2 moléculas de ATP. Esto significa que 10 moléculas de NADH permiten la regeneración de 30 ATP, y 2 moléculas de FADH₂ _permiten la regeneración de 4 moléculas de ATP (en total 34 ATP de la fosforilación oxidativa, más 4 de las dos etapas anteriores, lo que produce un total de 38 ATP en el sistema aeróbico). El NADH y el FADH₂ _se oxidan para permitir que el NAD⁺ ^y el FAD se reutilicen en el sistema aeróbico, mientras que los electrones y los iones de hidrógeno son aceptados por el oxígeno para producir agua, un subproducto inocuo.

Los triglicéridos almacenados en el tejido adiposo y en otros tejidos, como el músculo y el hígado, liberan ácidos grasos y glicerol en un proceso conocido como lipólisis . Los ácidos grasos se convierten en acetil-CoA más lentamente que la glucosa, ya que primero deben pasar por la beta-oxidación. Los ácidos grasos tardan unos 10 minutos en producir suficiente ATP. ^{[ 5 ]} Los ácidos grasos son la principal fuente de combustible en reposo y durante el ejercicio de baja a moderada intensidad. ^{[ 1 ]} Aunque más lentos que la glucosa, su rendimiento es mucho mayor. Una molécula de glucosa produce, mediante la glucólisis aeróbica, un neto de 30-32 ATP; ^{[ 11 ]} mientras que un ácido graso puede producir, mediante la beta-oxidación, un neto de aproximadamente 100 ATP, dependiendo del tipo de ácido graso. Por ejemplo, el ácido palmítico puede producir un neto de 106 ATP. ^{[ 12 ]}

Normalmente, los aminoácidos no constituyen la mayor parte de los sustratos energéticos. Sin embargo, en momentos de crisis glucolítica o de ATP, los aminoácidos pueden convertirse en piruvato, acetil-CoA e intermediarios del ciclo del ácido cítrico. ^{[ 13 ]} Esto resulta útil durante el ejercicio intenso o el ayuno, ya que proporciona ATP más rápidamente que los ácidos grasos; sin embargo, conlleva el riesgo de catabolismo proteico (como la degradación del tejido muscular) para mantener la reserva de aminoácidos libres. ^{[ 13 ]}

El ciclo de nucleótidos de purina se utiliza en momentos de crisis glucolítica o de ATP, como el ejercicio extenuante o el ayuno. ^{[ 14 ] [ 13 ]} Produce fumarato , un intermediario del ciclo del ácido cítrico, que entra en la mitocondria a través del sistema de transporte de malato-aspartato, y desde allí produce ATP mediante fosforilación oxidativa.

Durante el ayuno o al consumir una dieta baja en carbohidratos / cetogénica , el hígado produce cetonas. Las cetonas son necesarias ya que los ácidos grasos no pueden atravesar la barrera hematoencefálica, los niveles de glucosa en sangre son bajos y las reservas de glucógeno se agotan. Las cetonas también se convierten en acetil-CoA más rápidamente que los ácidos grasos. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Después de que las cetonas se convierten en acetil-CoA en un proceso conocido como cetólisis , ingresan al ciclo del ácido cítrico para producir ATP mediante fosforilación oxidativa.

Cuanto más tiempo se agotan las reservas de glucógeno de una persona, mayor es la concentración sanguínea de cetonas, generalmente debido a la inanición o a una dieta baja en carbohidratos (βHB 3 - 5 mM). El ejercicio aeróbico prolongado de alta intensidad, como correr 32 kilómetros (20 millas), donde las personas experimentan un agotamiento extremo , puede generar cetosis post-ejercicio; sin embargo, el nivel de cetonas producidas es menor (βHB 0,3 - 2 mM). ^{[ 17 ] [ 18 ]}

El etanol (alcohol) se convierte primero en acetaldehído, consumiendo NAD ⁺ dos veces, antes de transformarse en acetato. El acetato se convierte luego en acetil-CoA. Cuando se consume alcohol en pequeñas cantidades, la relación NADH/NAD ⁺ se mantiene suficientemente equilibrada para que el ciclo de Krebs utilice el acetil-CoA para la fosforilación oxidativa. Sin embargo, incluso cantidades moderadas de alcohol (1-2 copas) dan como resultado más NADH que NAD ⁺ , lo que inhibe la fosforilación oxidativa. ^{[ 19 ]}

Cuando se altera la relación NADH/NAD ^{+ (mucho más NADH que NAD +} ), se habla de pseudohipoxia . El ciclo de Krebs necesita NAD ⁺ y oxígeno para la fosforilación oxidativa. Sin suficiente NAD ⁺ , el metabolismo aeróbico alterado simula la hipoxia (oxígeno insuficiente), lo que resulta en un uso excesivo de la glucólisis anaeróbica y una relación piruvato/lactato alterada (piruvato bajo, lactato alto ). La conversión de piruvato en lactato produce NAD ⁺ , pero solo lo suficiente para mantener la glucólisis anaeróbica. En el consumo crónico excesivo de alcohol (alcoholismo), se utiliza el sistema microsomal de oxidación del etanol (MEOS) además de la alcohol deshidrogenasa. ^{[ 19 ]}