Imagen de Dominio Público CC-BY-2.0. Autor: Agência Brasil Fotografias Fuente
Saludos amigos, hoy les voy a hablar sobre el ejercicio físico desde el punto de vista de la fisiología y la bioquímica, este es un tema que me gusta mucho porque además de ser estudiante de medicina, me gusta el mundo de los deportes.
Todos sabemos que es importante una adecuada alimentación y entrenamiento, para poder tener un rendimiento óptimo en la disciplina en que nos desenvolvamos. En este post les explicare a detalle cómo se desarrolla la fuerza, la potencia y la resistencia muscular, y las vías metabólicas de donde proviene toda esta energía; además, les extrapolare esas bases teóricas a la práctica de algunos deportes.
El rendimiento óptimo en una disciplina deportiva, depende de la fuerza que nos aportan los músculos, la potencia y el tiempo que podamos realizar esa actividad antes de agotarnos, son conceptos diferentes y para entenderlos vamos a definirlos.
Fuerza
Como habría de esperarse, la fuerza de un músculo está determinada principalmente por su tamaño, es decir, mientras más grande es, más fuerte es. La fuerza máxima de contracción es de unos 3-4 kg/cm2 de superficie transversal del músculo. Por ejemplo, una persona con una superficie transversal en los músculos cuádriceps de 100 cm2, puede desarrollar una fuerza contráctil de 350 kg.
Potencia
La potencia es una medida de la cantidad de trabajo que el músculo realiza en una unidad de tiempo. Entonces la potencia depende de la fuerza, de la distancia de contracción y el número de contracciones por minuto. La potencia la vamos expresar en kg-m/min. Por ejemplo, un músculo capaz de levantar 10 kg a una altura de 1 m, o que puede mover dicho peso 1 m de distancia de forma lateral, podemos decir que este músculo posee 10 kg-m/min de potencia.
La potencia máxima que se puede alcanzar por un deportista entrenado, con todos los músculos trabajando es:
- Primeros 8-10 segundos, 7.000 kg-m/min
- Al siguiente minuto, 4.000kg-m/min
- Los siguientes 30 minutos, 1.700 kg-m/min
Si analizamos esto, nos damos cuenta que la potencia no se mantiene constante durante todo el ejercicio, podríamos entenderlo como que el músculo se va agotando y va perdiendo su potencia.
Resistencia
El otro componente que explica el éxito que tengamos en una actividad física es la resistencia. Este factor, está determinado principalmente por la cantidad de glucógeno almacenado en el músculo, el cual a su vez, es aportado por la dieta.
La cantidad de glucógeno que se almacena consumiendo una dieta rica en hidratos de carbono es de 40 g/kg de músculo; en una dieta mixta, 20 g/kg de músculo; en una dieta rica en grasa, 6 g/kg de músculo.
El glucógeno es la forma como almacenamos la glucosa en nuestros músculos, y la glucosa, proviene principalmente de los hidratos de carbono o también conocidos como carbohidratos. Entonces, una persona con una dieta rica en hidratos de carbono, tendrá más resistencia que una persona cuya dieta se base principalmente en grasas o proteínas.
La resistencia la podemos definir como, el tiempo con que el músculo puede mantener la actividad que esté realizando, de forma constante, hasta agotarse. Con una dieta rica en hidratos de carbono es de 240 min, con una dieta mixta es de 120 min, y con una dieta rica en grasas es de 85 min.
Los músculos, se apoyan en varios sistemas metabólicos para generar la energía necesaria para llevar a cabo la actividad que vayan a realizar, antes de describir esos sistemas metabólicos vamos a hablar del ATP (trifosfato de adenosina), este es la fuente final de donde se obtiene la energía para provocar la contracción muscular.
Imagen elaborada por el autor
Los enlaces que unen los últimos dos radicales de fosfato a la molécula de adenosina, son enlaces de alta energía. Al liberarse cada enlace de fosfato se genera 7.300 calorías por mol de ATP, es decir, una molécula de ATP va a aportar 14.600 calorías a la actividad contráctil hasta convertirse en AMP. Al liberarse un enlace fosfato el ATP se transforma en ADP (difosfato de adenosina), y al liberarse otro enlace fosfato se convierta en AMP (monofosfato de adenosina).
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El AMP resultante, solo es capaz de mantener la potencia muscular máxima durante unos 3 segundos, por lo que resulta fundamental la formación continua de ATP para mantener un óptimo rendimiento.
Sistemas metabólicos empleados por el músculo para generar energía
Sistema de Fosfocreatina-creatina:
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Este compuesto, como podemos notar tiene un enlace fosfato de alta energía, al liberarse el enlace se desdobla en creatina y un ion fosfato. Este tiene algo particular, y es que, al liberarse el enlace fosfato, se libera más energía (10.300 calorías por mol) que la generada en los enlaces fosfatos en la molécula de ATP. Además, la mayoría de las células musculares poseen mayor cantidad de fosfocreatina que de ATP (2 a 4 veces más).
Esta energía que se libera, al ser mayor, es capaz de reconstruir el enlace fosfato de la molécula de ATP. Esto tiene la ventaja que se produce en una pequeña fracción de segundo, es decir, la energía que aporta el sistema fosfocreatina, está disponible de forma instantánea para la contracción muscular, al igual que la energía que aporta el ATP.
El ATP y el sistema fosfocreatina, en conjunto se denominan como “sistema de fosfágenos”, estos aportan la máxima potencia muscular durante los primeros 8-10 segundos de la actividad física.
Sistema del glucógeno-ácido láctico:
El glucógeno almacenado en los músculos nos a aportar energía de la siguiente manera, primero se desdobla en glucosa y luego la glucosa pasa por un proceso llamado glucólisis, el resultado final de este proceso son dos moléculas de piruvato (ácido pirúvico), y se libera energía suficiente para formar cuatro moléculas de ATP por cada molécula de glucosa; sin embargo, se debieron emplear dos ATP para el proceso, es decir, la ganancia neta son dos moléculas de ATP. La glucólisis es un proceso que no necesita de oxígeno, es decir, es un metabolismo anaeróbico.
Ya tenemos cuatro moléculas de ATP disponibles para ser usadas, y dos moléculas de piruvato que también nos sirven como fuente de energía. El piruvato entra en la mitocondria de la célula cuando hay oxígeno para formar más ATP; sin embargo, cuando el oxígeno no es suficiente, el piruvato es transformado en ácido láctico. Entonces, gran parte del glucógeno almacenado se convierte en ácido láctico; pero, mientras esto ocurre se forma cantidades considerables de ATP, todo esto en ausencia de oxígeno.
Este proceso de formación de ATP en ausencia de oxígeno, se produce 2.5 veces más rápido que el ATP que se produce en la mitocondria en presencia de oxigeno; sin embargo, solo es la mitad de rápido que el sistema de los fosfágenos, y solo aporta 1.3-1.6 min de máxima actividad muscular con poco menos de potencia.
Sistema aeróbico
Como ya les mencione, en presencia de oxigeno los productos derivados de la glucosa, además de los productos de los ácidos grasos y los aminoácidos, pasan al interior de las mitocondrias para producir grandes cantidades de energía en forma de ATP.
Este sistema produce grandes cantidades de ATP, podríamos decir que tiene la desventaja que lo hace de forma más lenta que los otros sistemas; sin embargo, lo hace de forma ilimitada, porque aunque se agoten las reservas de ATP, de fosfocreatina o de glucógeno, mientras hayan nutrientes disponibles sigue trabajando.
Tiempo de acción de estos sistemas:
- Sistema de fosfágenos, primeros 8-10 segundos
- Sistema de glucógeno-ácido láctico, siguientes 1.3-1.6 minutos
- Sistema aeróbico, el tiempo siguiente mientras hayan nutrientes disponibles
La velocidad con que estos sistemas generan ATP es de:
- Sistema de fosfágenos, 4 moles de ATP/min
- Sistema de glucógeno-ácido láctico, 2.5 moles de ATP/min
- Sistema aeróbico, 1 mol de ATP/min
Recuperación de los sistemas después del ejercicio
Como la energía que aporta el sistema de la fosfocreatina es mayor que la que aporte el ATP, esta es capaz se reconstruir los enlaces fosfato de alta energía del ATP; este sistema, a su vez, puede ser reconstruido con la energía que se genera en el sistema del glucógeno-ácido láctico; además, este sistema junto con los otros, pueden ser reconstruidos con la energía proveniente del sistema oxidativo.
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Para reconstituir el sistema del glucógeno-ácido láctico, principalmente se debe eliminar el exceso de ácido láctico que se encuentra en los líquidos corporales, este es el responsable de que sintamos fatiga. El ácido láctico en presencia de suficiente energía procedente del metabolismo aeróbico es eliminado de dos maneras:
- Una pequeña parte se transforma en piruvato, que posteriormente se metabolizara en la vía oxidativa.
- El resto se transforma en glucosa, principalmente en el hígado. La glucosa formada, se utilizara para reestablecer las reservas de glucógeno en los músculos.
En lo que respecta al sistema aeróbico, en las fases iniciales del ejercicio intenso, se agota una parte de su capacidad para generar energía aeróbica, esto es producto de la deuda de oxígeno, y del colapso de las reservas de glucógeno.
La deuda de oxígeno está calculada en unos 11.5 litros, esto lo podemos explicar de la siguiente manera:
El cuerpo posee una reserva de 2 litros de oxígeno, este se agota en aproximadamente 1 min durante el ejercicio intenso a través del metabolismo aeróbico. Cuando cesa el ejercicio, se necesita respirar mayor cantidad de oxigeno que el respirado en condiciones normales para reestablecer los depósitos de este (esto explica porque hiperventilamos después de haber cesado el ejercicio); además, se necesitan aproximadamente 9 litros más, para poder restituir el sistema de los fosfágenos y el sistema del glucógeno-ácido láctico.
Para la recuperación de las reservas de glucógeno muscular, ya les había mencionado que gran parte del ácido láctico formado, se transforma en glucosa; a su vez, esta se transforma en glucógeno. Sin embargo, para la reposición completa de las reservas de glucógeno se necesitan días, en contraposición con los otros dos sistemas que solo requieren minutos u horas.
La recuperación del glucógeno muscular, está condicionada por el tipo de dieta de la persona. Con una dieta rica en hidratos de carbono se necesitan dos días para la reposición completa de las reservas; por el contrario, una persona en ayunas o incluso, siguiendo una dieta rica en grasas o proteínas, se necesitan más de cinco días.
Nutrientes que se utilizan durante la actividad física
La energía que proviene de la oxidación de los hidratos de carbono, las proteínas y las grasas, nuestro organismo la utiliza para transformar el ADP en ATP, el cual se almacenara para que lo utilicemos como moneda de cambio y obtener energía durante la actividad física.
Los músculos utilizan hidratos de carbono en las primeras fases del ejercicio, estos provienen de las reservas musculares de glucógeno y del hígado, el cual también almacena gran cantidad de glucógeno, este se libera a la sangre en forma de glucosa y luego es captado por los músculos para producir energía.
Los componentes energéticos de elección para la actividad muscular intensa son, el glucógeno muscular almacenado y la glucosa en sangre, por esta razón, es que durante la realización de una actividad física intensa, los deportistas en ocasiones emplean el uso de soluciones glucosadas, estas proporcionan hasta un 30-40% de la energía que se requiere durante ejercicios prolongados.
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Como acabamos de ver en el gráfico, una vez que se acaban las reservas de glucógeno y la glucosa en sangre proveniente de los hidratos de carbono, el músculo necesita buscar otra fuente de energía, esta la obtiene del metabolismo de las grasas y las proteínas. Después de acabarse las reservas de glucógeno, en un ejercicio intenso de más de 3 horas de duración, el 65-85% de la energía aportada proviene de las grasas principalmente.
El entrenamiento deportivo a los músculos
Es importante saber estas dos premisas para tener éxito durante el entrenamiento.
- Los músculos que empleen poca fuerza de contracción, aunque se entrenen por varias horas, aumentan muy poco su fuerza.
- Los músculos que se contraen con más del 50% de su fuerza máxima, aunque se contraigan pocas veces durante el día, ganaran fuerza de forma rápida.
En base a esto, se ha demostrado que seis contracciones casi máximas, en tres series, al menos 3 días a la semana, aumentan de forma óptima la fuerza muscular sin sufrir fatiga.
Al someterse a una rutina de entrenamiento siguiendo estas premisas, se ha demostrado que la fuerza muscular sufre un aumento del 30% en las primeras 6-8 semanas, y luego alcanza una casi una meseta.
Durante el entrenamiento, también aumenta la masa muscular, esto se produce por un proceso que conocemos como hipertrofia muscular. El tamaño de los músculos está determinado principalmente por la herencia, y por los niveles de secreción de testosterona; sin embargo, con el entrenamiento pueden crecer en tamaño un 30-60% adicional. Los nutrientes esenciales para aumentar la masa muscular son los aminoácidos presentes en las proteínas.
Práctica
Ya que conocemos los sistemas metabólicos que usa el músculo para obtener energía, y el papel de los nutrientes en el aporte de dicha energía, vamos aplicarlo a la práctica de algunas actividades físicas.
Actividades físicas de corta duración donde se requiere fuerza, máxima potencia y poca resistencia
El levantamiento de pesas así como una carrera de 100 m planos, son actividades donde se requiere potencia más que otra cosa, estos son deportes donde se realiza actividad física intensa en corto tiempo (segundos).
- Sistema energético empleado:
Aquí el sistema que aporta casi exclusivamente la energía, es el de los fosfágenos, porque sabemos que este aporta energía procedente del ATP y de la fosfocreatina almacenada, los primeros 8-10 segundos de la actividad física. Entonces, no necesitamos de una carga extra de carbohidratos, lo que necesitamos son las reservas de ATP y de fosfocreatina.
- Nutrientes esenciales:
Los deportes que requieren potencia como principal determinante para tener éxito, requieren dietas ricas en proteínas, las proteínas son importantes para desarrollar masa muscular, y como sabemos la potencia depende de entre otras cosas de la fuerza; y esta a su vez, depende de la superficie transversal del músculo.
Entonces, el sistema de los fosfágenos se utiliza para actividades físicas de intensidad máxima y corta duración.
Actividades físicas de duración intermedia donde se combine la fuerza, la potencia y la resistencia
El futbol y el tenis son deportes donde se requiere de fuerza, potencia y resistencia. Estos deportes se llevan a cabo, en promedio, en más de una hora, dentro de la cual se requiere del uso del uso de la fuerza por algunos segundos.
- Sistema energético empleado:
Aquí se requiere de los tres sistema que les mencione; sin embargo, podríamos decir que predomina ligeramente el sistema del glucógeno-ácido láctico, porque es el que me aporta potencia extra durante esas actividades de duración intermedia.
- Nutrientes esenciales:
Para este tipo de deportes se requiere de una dieta mixta, que combine carbohidratos, grasas y proteínas; pero, con predominio de carbohidratos, ya que estos principalmente me aportan la energía las primeras horas.
Actividades físicas de larga duración donde se requiere principalmente resistencia
El ejemplo que podemos poner aquí es el de una maratón, una persona que corre maratones no necesita de fuerza o de potencia, sino de resistencia.
- Sistema energético empleado:
Para llevar a cabo esta actividad, lo que predomina es el sistema aeróbico, como sabemos el sistema de los fosfágenos me aporta energía los primeros 8-10 segundos, y el sistema del glucógeno-ácido láctico, 1.3-1.6 min. Sin embargo, es el sistema aeróbico quien aporta energía de forma ilimitada mientras se tenga la disposición de nutrientes.
- Nutrientes esenciales:
Los deportes de resistencia, requieren de dietas ricas en carbohidratos, como sabemos la resistencia depende de la cantidad de glucógeno almacenado en los músculos y en el hígado; entonces, necesitamos de un gran aporte de carbohidratos. Una dieta rica en proteínas seria poco útil, incluso podría decirse que influiría de forma negativa en el rendimiento, esto es porque si desarrollas masa muscular, sería un peso extra que tocaría cargar durante todo ese tiempo, por eso es que vemos que los maratonistas son personas delgadas.
Espero este post haya servido para comprender como deberíamos basar nuestra dieta en relación al tipo de actividad que estemos realizando, y para entender de forma más detallada lo que realizan nuestros músculos para convertir esos nutrientes en energía y estar preparados para la actividad.
Referencias
John E. Hall. Guyton y Hall, Tratado de fisiología médica. 12th. España: McGraw Hill; 2011.