LABORATORIO DE FISIOLOGÍA DEL EJERCICIO EN LA UPO

Desde hoy aparece en el Catálogo de Servicios Tecnológicos de la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla la información sobre el Laboratorio de Fisiología del Ejercicio que se pone a disposición de los deportistas y del público en general.
Este servicio está dirigido a cualquier persona que practique o quiera practicar deporte, sea cual sea su nivel, pero especialmente viene a cubrir un importante hueco en la asistencia a deportistas que no sean de alto rendimiento.
Se realizarán pruebas de esfuerzo y valoraciones tanto de salud como de rendimiento, a cargo de profesionales altamente cualificados y con un equipamiento de primer nivel, todo ello con el soporte de la Facultad del Deporte y del Grupo de Investigación Ejercicio, Salud y Alto Rendimiento (CTS-595).
El Laboratorio estará dirigido por José Naranjo Orellana, Doctor en Medicina y Cirugía, y Alfredo Santalla Hernández (Doctor en Ciencias del Deporte), ambos Profesores Titulares de Fisiología del Ejercicio de la UPO.
Los interesados pueden solicitar información a través del formulario de contacto o a través de este blog.

FRONTIERS IN PHYSIOLOGY

Para quien no la conozca, en éste enlace puede acceder a una interesante revista de libre acceso y relativamente joven cuyo título es bastante sugestivo y habla por sí mismo: Frontiers in Physiology.

Contiene 27 secciones diferentes en las que se publican artículos en la frontera del conocimiento. Particularmente recomiendo las secciones Frontiers in Exercise Physiology y Frontiers in Fractal Physiology.

Que la disfruteis.

BIOENERGÉTICA DURANTE EL EJERCICIO -4: EL CICLO DE KREBS

La tercera alternativa que dejamos apuntada para el piruvato, su transformación en Ac.CoA, lo incorpora a la vía oxidativa que tiene lugar en el interior de la mitocondria y que conocemos como Ciclo de Krebs[1] o ciclo del ácido cítrico, al final del cual se produce dióxido de carbono (CO2) y agua y se generan 34 moléculas de ATP, que junto a las producidas en los pasos hasta piruvato dan un balance neto de 36 ATP por cada molécula de glucosa o 37 ATP por cada molécula de glucógeno.

El Ciclo de Krebs es el destino final para la oxidación de las diferentes moléculas combustibles: glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos, siendo el Ac.CoA la puerta común de entrada.
En el caso de los ácidos grasos libres es necesario un proceso de oxidación previo que los convierta en Ac.CoA para su incorporación al Ciclo de Krebs. Este proceso, llamado beta-oxidación, consiste en un ciclo de reacciones que debe convertir una molécula de n átomos de carbono (el ácido graso de que se trate) en n/2 moléculas de dos átomos de carbono (Ac.CoA), de tal forma que en cada paso del ciclo la molécula original es acortada en dos átomos de carbono con un balance neto de 5 ATP, a los que habrá que sumar 12 ATP que produce cada Ac.CoA al incorporarse al Ciclo de Krebs.
Veamos un ejemplo. El palmitato es un ácido graso de 16 átomos de carbono que al final de la beta-oxidación dará lugar a ocho moléculas de Ac.CoA, para lo que habrá necesitado siete ciclos de reacciones. El balance de ATP producido por la oxidación completa del palmitato será el siguiente: 5 ATP por cada ciclo de reacción hacen un total de 35 ATP a los que debemos sumar 12 por cada Ac.CoA que se incorpora al ciclo de Krebs, es decir 96; lo que arroja un total de 131 ATP. Queda claro que en términos absolutos, las grasas son mucho más energéticas que los azúcares.

[1] Krebs,H.A. y Jhonson, W.A.; 1937. The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues. Enzymologia, 4:148-156

BIOENERGÉTICA DURANTE EL EJERCICIO -3: METABOLISMO ANAERÓBICO

Las moléculas de piruvato producidas en la metabolización de la glucosa tienen tres posibles caminos mediante su conversión en etanol, lactato o acetil coenzima A (Ac.CoA). Aunque las reacciones que conforman la glucolisis anaeróbica son prácticamente idénticas en todos los organismos vivos, el destino final del piruvato puede presentar variaciones; así, la conversión en etanol es exclusiva de algunos microorganismos como las levaduras (proceso conocido como fermentación alcohólica).
La degradación hacia lactato, por acción de una enzima llamada lactato deshidrogenasa (LDH), tiene lugar como proceso predominante en una gran variedad de microorganismos, mientras que en el humano es una vía alternativa, aunque de gran importancia en algunas situaciones particulares como el ejercicio intenso. Esta opción tiene dos inconvenientes fundamentales: su nula aportación energética (no añade más moléculas de ATP a las ya producidas hasta piruvato) y, sobre todo, la acidificación del medio celular. Por este motivo las reacciones de piruvato a lactato pueden parecer un camino sin salida, una especie de vía muerta, lo que sin duda ha contribuido a la mala prensa del lactato y a muchas de las falsas creencias que existen sobre él.
El lactato, a pesar de los inconvenientes que puede generar en el sujeto que realiza ejercicio intenso de forma sostenida, cumple dos funciones fundamentales en todo el entramado del aporte de energía a la célula. En primer lugar, el lactato es el punto de partida de una importante vía para la síntesis de glucosa que tiene lugar de forma predominante en el hígado y en las células miocárdicas; en ella se sigue en cierto modo el camino inverso al de la glucolisis, es decir, de lactato a piruvato y de aquí a glucosa. Esta vía es el ciclo de Cori.
En segundo lugar, el aporte NAD+ es imprescindible para la segunda parte de la glucolisis (que es donde se generan los 4 ATP); pues bien, en el paso de piruvato a lactato se produce el NAD+ necesario para mantener activa la glucolisis en condiciones anaeróbicas. Por tanto, es evidente que en las explicaciones relativas al ejercicio físico se ha estado tratando injustamente al lactato durante mucho tiempo considerándolo, con absoluto desconocimiento, como un deshecho inútil y perjudicial.

BIOENERGÉTICA DURANTE EL EJERCICIO -2: EL ATP.

La combinación de desoxiribosa con adenina forma la adenosina, una molécula con capacidad para unirse a una, dos o tres moléculas de ácido fosfórico dando lugar respectivamente a adenosina monofosfato (AMP), difosfato (ADP) o trifosfato (ATP). Los enlaces químicos formados con los fosfatos son de muy alta energía, de manera que la liberación de uno de estos fosfatos rompiendo el enlace correspondiente y transformando una molécula de ATP en ADP, es la principal fuente de energía para la célula.
Sin embargo, la cantidad de ATP que existe en la célula es extremadamente baja, de tal forma que en el caso del músculo sólo aportaría energía para una contracción no superior a un par de segundos.
Este problema queda resuelto por la existencia de otras fuentes de fosfato entre las que destaca la fosfocreatina, cuya concentración celular es de 3 a 5 veces mayor que la de ATP, y que por acción de la creatin-quinasa (CK) libera su fósforo que es captado por el ADP para sintetizar ATP quedando creatina libre.
De esta manera, el ATP y la fosfocreatina (conocidos como fosfágenos o fosfatos de alta energía) son capaces de suministrar energía a la célula muscular durante unos pocos segundos, antes de que se produzca su total agotamiento. Para entonces pueden ocurrir dos cosas: que el ejercicio ya haya finalizado por tratarse de un esfuerzo de muy corta duración (un salto, un golpe, un lanzamiento, ...), en cuyo caso el sistema de los fosfágenos habrá cumplido su misión y las reservas de ATP y fosfocreatina podrán reponerse durante el reposo, o que el esfuerzo continúe, en cuyo caso ya se habrán puesto en marcha otras vías capaces de suministrar energía durante mas tiempo y que utilizarán como sustrato fundamentalmente la glucosa procedente del glucógeno muscular.
Este papel primordial jugado por el ATP en los intercambios de energía en los seres vivos fue descubierto en 1941 por Fritz Lipman[1] y Herman Kalckar[2].
La energía que se obtiene a partir de los glúcidos, las grasas o, en su caso, las proteínas, procede de numerosas reacciones intermedias en las que la energía que va liberándose de forma gradual “se invierte” en ATP. De ésta forma, la rentabilidad energética de un sustrato concreto o de una determinada reacción se mide en términos de cuánto ATP ha generado.
La glucosa sanguínea y el glucógeno muscular se transforman en glucosa-6-fosfato y ésta, a través de diversos pasos intermedios, termina convirtiéndose en piruvato (concretamente dos moléculas de piruvato por cada molécula de glucosa-6-fosfato, ya que se pasa de una molécula de seis átomos de carbono a otra de tres). En este trayecto hasta piruvato (llamado glucolisis anaeróbica o vía de Embden-Meyerhof) se generan en total 4 moléculas de ATP, pero se consumen dos en las fases iniciales (de glucosa a fructosa 1-6 difosfato) ya que tienen lugar dos fosforilaciones sucesivas (ganancia de grupos fosfatos) que requieren un suministro de energía externa, por lo que el balance neto es de 2 ATP por cada molécula de glucosa que entra en la vía. En el caso de que la glucosa 6 fosfato proceda del glucógeno muscular, el balance neto es de 3 ATP por cada molécula de glucógeno, ya que tiene lugar una fosforilación menos (la que va de glucosa a glucosa 6 fosfato).
[1] Lipmann, F.; 1971. Wanderings of a biochemist. Wiley-Interscience Ed.
[2] Kalckar, H.M.; 1969. Biological Phosphorylations. Prentice-Hall Ed.

BIOENERGÉTICA DURANTE EL EJERCICIO -1: LAS BIOMOLÉCULAS.

Los seres vivos estamos constituidos por moléculas muy especiales llamadas biomoléculas (“moléculas de la vida”) que en su mayoría (a excepción del agua) son orgánicas y giran en torno al carbono. La singularidad de éste elemento está en que no supera el 0,2 % de la composición química de la corteza terrestre mientras que constituye el 9,5 % de nuestros átomos (¡47,5 veces más!), lo que significa que los seres vivos somos auténticos reservorios de carbono en el planeta.
La totalidad de las biomoléculas orgánicas están formadas por la combinación de átomos de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y en menor proporción nitrógeno (N) y fósforo (P). El C, H y O juntos constituyen el 99,8 % del total de átomos de un ser vivo.
Hay cuatro grandes grupos de biomoléculas orgánicas: los glúcidos, que están formados por átomos de C, H y O con una proporción doble de H que de C y O (CH2O); los lípidos, formados por los mismos elementos pero en diferentes proporciones; las proteínas, que añaden el N a su composición (CHON) y los nucleótidos que añaden P (CHONP).
Los GLÚCIDOS, que también se conocen como hidratos de carbono o carbohidratos, tienen su expresión más sencilla en los llamados monosacáridos, cuyo número de átomos de carbono les da nombre genérico (por ejemplo, triosas los monosacáridos de tres C o pentosas los de cinco).
Los monosacáridos más importantes son la ribosa (5C), la fructosa (6C) y la glucosa (6C) y desde un punto de vista puramente químico son alcoholes con un grupo aldehído o cetona.
Cualquiera de estos monosacáridos puede unirse a otras moléculas iguales formando largas cadenas denominadas polisacáridos. Así, la glucosa de los vegetales forma dos tipos diferentes de polisacáridos: la celulosa y el almidón. La primera no tiene valor energético, sino que se utiliza con una finalidad estructural formando parte de las hojas y tallos, mientras que el almidón es el principal suministrador de energía de las plantas y nuestra principal fuente de glucosa procedente de cereales y tubérculos como la patata.
En los animales la glucosa forma un polisacárido llamado glucógeno que es un auténtico reservorio de energía y que se almacena principalmente en las células hepáticas y musculares. Cuando la cantidad de glucosa llegada a la célula es mayor que la necesitada para producir energía en ese momento, todo el excedente se agrupa en moléculas de glucógeno por acción de una enzima denominada glucógeno-sintetasa. Cuando se da la situación contraria se procede a la degradación del glucógeno para formar glucosa y de ello se ocupa la glucógeno-fosforilasa.
Todo este mecanismo está regulado por varias hormonas, principalmente la Insulina y el Glucagón, que se producen en el páncreas, y las llamadas “hormonas del estrés” (Adrenalina, Nor-adrenalina y Cortisol) producidas por las glándulas suprarrenales. La Insulina se encarga de retirar de la sangre los excesos de glucosa estimulando su conversión en glucógeno mientras que el glucagón se encarga de lo contrario. Las otras hormonas, que se ponen en funcionamiento en situaciones en las que se necesita energía de forma inmediata para afrontar una situación que tiende a romper el equilibrio (como el ejercicio), estimulan la degradación del glucógeno para formar glucosa, al igual que el glucagón.
Los LÍPIDOS son un grupo heterogéneo de sustancias cuyo constituyente más elemental son los ácidos grasos, formados por cadenas de átomos de carbono con un grupo ácido (-COOH) en su extremo. Los ácidos grasos se unen a un alcohol (glicerol) formando los triglicéridos, que es la forma de almacenarse en el cuerpo humano cuando no son utilizados en la producción de energía. Hasta su almacén en el adipocito, los ácidos grasos ingeridos en la comida circulan por la sangre como ácidos grasos libres unidos a la albúmina o en forma de triglicéridos unidos a proteínas y formando lipoproteínas que se clasifican según su densidad sea alta (HDL = hight density lipoprotein), baja (LDL = low density lipoprotein) o muy baja (VLDL = very low density lipoprotein).
Las PROTEINAS no tienen utilidad energética en condiciones normales, sin embargo esta situación puede variar durante el ejercicio físico intenso. A diferencia de los glúcidos y lípidos, el ser humano no posee medio de almacenar las proteínas, por lo que todas las proteínas presentes son funcionales y su importancia es tal que la estructura de cada una de ellas está codificada en el material genético.
Los constituyentes elementales de las proteínas son los aminoácidos, cuya estructura es una cadena de átomos de carbono con un grupo amino (-NH2) en un extremo y un grupo ácido (-COOH) en el otro. Existen 20 aminoácidos diferentes, de cuyas posibles combinaciones surgen la totalidad de las proteínas.
Los aminoácidos ingeridos en la comida se emplean en la síntesis de proteínas, para lo que necesitan insulina que se encuentra elevada después de las comidas. Los que no se emplean en la síntesis proteica pueden ser oxidados para producir energía o convertidos en glúcidos y grasas. De esta manera, la concentración total de aminoácidos existentes en el organismo (conocida como reserva funcional) se mantiene dentro de unos márgenes muy estrechos.
Los NUCLEÓTIDOS están formados por la unión de una pentosa (monosacárido de cinco átomos de carbono), una base nitrogenada y ácido fosfórico.
Los dos glúcidos que forman los nucleótidos son la ribosa y la desoxiribosa y las bases nitrogenadas con las que pueden combinarse son cinco: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) y uracilo (U), de forma que si combinamos ribosa con A, G, C y U obtenemos el ácido ribonucleico o ARN, mientras que si se combina desoxiribosa con A, G, C y T obtenemos el ácido desoxirribonucleico o ADN, ambos fundamentales en la codificación, almacenamiento y transmisión de la información a nivel celular.
Centraremos nuestra atención en un nucleótido muy particular llamado a jugar un papel trascendental en la producción de energía: el ATP.

LA IRREVERSIBLIDAD TEMPORAL Y LOS PROCESOS FISIOLÓGICOS.

Los sistemas biológicos operan lejos del equilibrio porque, en condiciones de salud, son sistemas disipativos abiertos que están sujetos a continuos cambios de masa, energía, entropía e información con el medio que le rodea. Los seres vivos, por tanto, se comportan como sistemas complejos regidos por dinámicas no lineales
Los sistemas complejos tienen como característica su organización a múltiples escalas, tanto a nivel espacial como temporal, y con propiedades fractales. Esta propiedad se observa también en las dinámicas de los procesos fisiológicos que en sujetos sanos son las más complejas y están reguladas por mecanismos de control que carecen de una escala de tiempo única y sencilla.
Este grado de complejidad permite a los seres vivos ajustarse a los continuos cambios experimentados por todas las variables tanto internas como externas. Sin embargo, la complejidad se pierde con la enfermedad y con el envejecimiento, de forma que es en situaciones extremas (próximas a la muerte) cuando se alcanza un estado que se acerca al máximo equilibrio.
La capacidad de auto-organización de los seres vivos está relacionada con la uni-direccionalidad del flujo de energía a través de los límites del sistema y, por tanto, con la irreversibilidad de los procesos subyacentes. Dado que la pérdida de esta capacidad se asocia a la enfermedad y al envejecimiento, la pérdida de irreversibilidad en el tiempo puede ser un marcador de patología.
En la práctica, en lo que a señales fisiológicas se refiere, la irreversibilidad temporal consiste en la pérdida de consistencia de las propiedades estadísticas de una señal cuando se invierte en el tiempo su lectura, de forma que se crean dos “trayectorias” asimétricas. Bajo la hipótesis de que la irreversibilidad temporal es una propiedad fundamental de los sistemas biológicos que operan lejos del equilibrio, Madalena Costa ha demostrado que el índice de asimetría es mayor en los sistemas fisiológicos sanos (que exhiben las dinámicas más complejas) y que disminuye con la patología y con el envejecimiento.
Por otra parte, las series de tiempo fisiológicas generan fluctuaciones complejas en múltiples escalas de tiempo dependientes, como ya hemos dicho, de la existencia de diferentes sistemas reguladores jerarquizados e interrelacionados. Por tanto, es importante que la medida de irreversibilidad tenga en cuenta esta múltiple escala inherente a los sistemas fisiológicos, dando lugar a lo que se denomina Irreversibilidad Temporal Multiescala (MTI).
Estas ideas desafían claramente los mecanismos tradicionales de control basados en la homeostasis clásica, poniendo en crisis nuestras “seguridades” para entender los procesos fisiológicos. Sin embargo, es posible que tengamos que revisar nuestra forma de pensar y considerar el hecho de que la homeostasis clásica podría no ser más que un estado particular de una situación dinámica mucho más compleja.

DELTA EFICIENCIA EN CICLISTAS DE CLASE MUNDIAL

Recientemente ha aparecido un interesante artículo en Medicine and Science in Sports and Exercise, en el que he tenido el honor de colaborar con Alfredo Santalla (Universidad Pablo de Olavide, Sevilla) y Nicolás Terrados (Centro de Medicina del Deporte del Principado de Asturias).
En este artículo se analiza durante una prueba de esfuerzo en cicloergómetro hasta el agotamiento, el cambio en la eficiencia muscular a lo largo de cinco temporadas en 12 ciclistas profesionales de clase mundial (entre ellos dos ganadores y varios podios tanto del Tour de Francia como de la Vuelta a España).
Se utiliza como medida de la eficiencia muscular la “Delta Efficiency” (DE), calculada como el inverso de la pendiente de la regresión lineal entre la cantidad de energía gastada (y) y la energía aportada (x), ambas expresadas en kcal/min, y tomando para el cálculo la zona comprendida entre el final de la primera carga (100 vatios) y la potencia en la cual el RER era 1 (entre 350 y 400 vatios).
El hallazgo interesante de este trabajo es que la DE aumentó del primer al quinto año (p<0,01) sin cambios en el VO2max, observándose en la quinta temporada una correlación inversa significativa entre ambos parámetros (r=-0,62; p=0,032) que no existía el primer año. Igualmente se encontró esta correlación el quinto año (pero no el primero) entre el porcentaje de aumento de la DE y del VO2max (r=-0,63; p=0,029).
Estos resultados sugieren que el aumento de la eficiencia muscular (DE) puede ser una forma de mantener el rendimiento a lo largo de los años, especialmente en aquellos ciclistas con menor VO2max.

Santalla A, Naranjo J, Terrados N. Muscle Efficiency Improves over Time in World-Class Cyclists. Med. Sci. Sports Exerc. 2009; 41(5):1096–1101. (Abstract en PubMed)

LOS LÍMITES DEL RENDIMIENTO HUMANO

¿Pueden determinarse los límites del rendimiento físico de un ser humano?
John Einmahl, un matemático holandés de la Universidad de Tilburg, publicó en 2008 un estudio basado en la Teoría del Valor Extremo (EVT) que calcula el límite absoluto para los record de catorce disciplinas atléticas (J. Einmahl, J.R. Magnus. Records in athletics through extreme-value theory (2008). Journal of the American Statistical Association 103:1382-1391). Esta teoría se basa en la estimación de la probabilidad de eventos que son más extremos que aquellos observados.
Los cálculos de Einmahl parten de las mejores marcas de 1.546 atletas masculinos y 1.024 atletas femeninas de élite de cada una de las catorce disciplinas estudiadas.
El problema de estos cálculos está en resistir el paso del tiempo. Así, el record de 100 m lisos en poder de Asafa Powell (9:77) está aún muy lejos del límite calculado por Einmahl (9:29) y lo mismo ocurre, por ejemplo, con el record femenino de maratón (Paula Radcliffe, 2:15:25) que admitiría todavía una mejora de 8 minutos y 50 segundos.
Sin embargo, el análisis de Einmahl predecía un límite absoluto para el record masculino de maratón de 2:04:06, lo que suponía un margen de mejora de tan solo 49 segundos sobre el record que en ese momento tenía el keniata Paul Tergat (2:04:55). Pero con posterioridad al artículo de estos matemáticos holandeses, el record del mundo de maratón ha sido batido dos veces por Haile Gebrselassie, estando en la actualidad en 2:03:59, siete segundos por debajo del límite propuesto.
Sin duda, es un problema apasionante.