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Apuntes bioquímica del ejercicio fisico y el deporte...

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INDICE:!

- TEMA 1. Metabolismo del ejercicio: una perspectiva histórica.!

- TEMA 2. Estructura, función y bioquímica del músculo esquelético.!

- TEMA 3. Bioenergética. Vías metabólicas para la producción de energía.!

- TEMA 4. Las proteínas. Relevancia en el ejercicio físico/ deporte.!

- TEMA 5. Los hidratos de carbono. Importancia en el ejercicio físico/deporte.!

- TEMA 6. Los lípidos. Papel durante el ejercicio físico/ deporte.!

- TEMA 7. Principios de regulación metabólica.! - TEMA 8. Bioquímica del ejercicio de alta intensidad.! - TEMA 9. Bioquímica del ejercicio de resistencia.! - TEMA 10. Bioquímica del ejercicio intermitente de alta intensidad.!

- TEMA 11. Bases bioquímicas de la adaptación al ejercicio dependiendo de diversos factores.!

- TEMA 12. Bases moleculares del efecto del ejercicio físico sobre la salud.!

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Evaluación! Seminario " " Trabajo en grupo" Examen desarrollo"

4 puntos! 3 puntos! 3 puntos!

Datos del profesor,Víctor Manuel Luque Almagro.! Email: [email protected]! Tlfno: 957218318! Departamento de bioquímica y biología molecular ! Edificio Severo Ochoa,1ª planta, ala norte! Campus de Rabanales

Cada seminario debe de ser de unos 15 min.! ———————————————————————————————————————————!

TEMA 1: Metabolismo del ejercicio: un perspectiva histórica. Fase de la historia del metabolismo del ejercicio.! Periodo inicial: ¿Qué fuente de energía era buena para el ejercicio?—> Se pensaba que solo los carbohidratos eran la única fuente de energía .! Luego ya se demostró que los lípidos también y en menor medida los aminoácidos. ! Si sintetizamos mucha proteína mitocondrial, lo que estamos favoreciendo que haya un mayor nº de mitocondria en el músculo. Y en consecuencia, ¿Qué pasará? Que habrá mayor cantidad de energía. Por lo tanto podemos afirmar, que el entrenamiento nos facilita llevar a cabo un deporte, porque durante ese entrenamiento, estamos sintetizando proteína mitocondrial, y estamos generando mayor numero de mitocondrias en nuestro músculo que una persona que no entrena.! Y esas mitocondrias cuando estemos realizando el deporte ( ej. Maratón) vamos a tenerlas disponibles para general mucha energía! ! El numero de mitocondria en el músculo es lo que hará tener un mayor rendimiento deportivo ya que produciremos más energía. ¿Qué reserva principal de energía hay en el músculo?!

- Glucógeno—> se demostró que el entrenamiento favorecía el almacenamiento de glucógeno en el músculo.!

- Proteínas.!

Actualmente, se habla sobre la regulación metabólica, ! Genómica del ejercicio.! Si un gen se expresa da lugar a una proteína, esa proteína cuando desempeñe su función va a dar lugar a un fenotipo. La mayoría de nuestras células tienen el genoma, los genes se expresan o no y si se expresan dan lugar a una proteína y esta a un fenotipo.! Habla sobre la epigenómica y como modifica la organización del genoma.! Nuestro genoma nos determina si podemos hacer más o menos deporte, y a la vez el deporte, modifica nuestro genoma, esto se denomina epigenómica. La epigenómica es como el ejercicio físico cambia nuestro genoma. La epigenómica trata de la modificación de la organización del genoma.!

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El genoma está organizado en 23 pares de cromosomas, y esos cromosomas son DNA + proteínas ( en las cuales se envuelven nuestro DNA, nuestro genoma). ! ¿Qué pasa si los genes están muy unidos a esas proteínas? Que no pueden activarse, no pueden expresarse, no pueden producir la proteína que modifican, pero si soltamos ligeramente el DNA que está ligados a esas proteínas, es decir lo relajamos, pueden generar la proteína correspondiente. ! La epigenómica se trata de que el DNA está unido íntimamente a proteínas y la modificación de esa interacción es lo que se denomina epigenómica. O también el genoma está metido…! Existen metilación(CH3) que producen modificaciones, tanto activar con inactivar un gen. ! Tanto la interacción de proteínas como la metilación posibilita que algunos genes se expresen y otros no. ! Según un articulo del 2014 se demuestra que el ejercicio, el entrenamiento, influye en esta metilación del genoma. Es decir, si una persona no hace ejs , puede tener el gen metilado pero inactivo, en una persona que entrene de forma regular, puede tener la expresión de ese gen pero no metilada. ! Actualmente se está estudiando que factores que tienen que suceder para que se realice la metilación que favorezca la práctica deportiva.! No se sabe todavía como el ejercicio influye en que los genes se metilen o se desmetilen. ! ! "

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21/III/18!

Potenciación de la angiogénesis—> desarrollo de los vasos sanguíneos.! proteinas quinasa! Si un músculo se desarrolla porque hace mucho deporte, requiere mucho aporte de energía y de nutrientes, y este aporte se lo vas proporcionar el sistema cardiovascular. También hay una potenciación de las miofibras /células musculares.! ¿Cuál es el mecanismo molecular bioquímico que activa todos estos procesos? Se produce a través de una ruta de señalización porque tenemos que cuando hacemos ejercicio se generan una serie de estímulos que van a activar unas proteínas dentro de las células llamadas proteínas quinasa. Estas proteínas lo que hacen es fosforilar otras proteínas, y al fosforilarlas, las activan o las inactivan. ! Esas proteínas quinasa que se activarían por acción de los estímulos asociados al deporte, activan una ruta de señalización fosforilando una serie de proteínas que hay más abajo, hasta que finalmente se llega a unas dianas que fundamentalmente es el epigenoma. ! Hay una proteína fundamental para la regulación del metabolismo , que se llama AMPK . Esta proteína es una quinasa dependiente de AMP, que está involucrada en la respuesta adaptativa durante el entrenamiento, y también en la respuesta aguda al ejercicio (En una persona que no

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esté acostumbrada a correr y hoy se mete 10 km, esta proteína participa en el metabolismo de esa persona).! Esta proteína al ser dependiente de AMP, se va a activar cuando haya poca emergía (recordemos que cuando hay mucho AMP es porque hay poco ATP). La señal entonces va a ser el AMP. El AMP se va a unir a la proteína quinasa, la va a activar y esa proteína quinasa fosforilará otra proteína y ésta, va a desencadenar una serie de respuestas que proporcionará que en última instancia se genere la activación de genes encaminados a proporcionar energía.! En conclusión, esta proteína reguladora es fundamental cuando se requiere energía, ya que activa los mecanismos que producen la energía que necesitamos.

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Genómica, es el estudio de todos los genes, de un organismo, su genoma.! Proteómica, es el estudio de todas las proteínas de un ser vivo, el qué ocurre con ellas cuando estamos en una condición determinada. ! ¿cómo mejoran la salud los cambios inducidos por el ejercicio?!

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TEMA 2: Estructura, función y bioquímica del músculo esquelético. (La contracción muscular no deja de ser un )Mecanismo de tansducción de la energía—> Es el paso de un tipo de energía a otro.! ¿Qué tipo de transducción de energía se produce en el músculo cuando hacemos ejercicio? Pasamos energía de tipo química (ATP) a energía mecánica. ! Células satélite—>De todas las células musculares, algunas se diferencian a miofibras y otras no se terminan de diferenciar, estas son las células satélite. Estas células satélite están camufladas en el músculo. Son células que son capaces de llegar a desarrollarse como miofibras, pero están a la espera de que ocurra una rotura muscular para trasformarse. Son las responsables de la hipertrofia. Esto sucede cuando las células satélite se diferencian a células musculares maduras. ! El retículo sarcoplasmatico—> su función es la de almacenar calcio. ! Sarcolema—> membrana que envuelve a la célula muscular! El calcio y el ATP producen la contracción muscular. ! Dispositiva 6.! Aquí tenemos una cabeza de miosina que va a unirse a una actina. ¿Qué tenemos entre medias? Dos proteínas , la tropomiosina, la pequeña, y la troponina, que tienen tres unidades A, B y C.! En la contracción muscular la cabeza de la miosina se una a la actina y luego se mueve. Pero si tenemos la tropomiosina y la troponina en medio, no puede haber dicha interacción. ! Ahora bien, tenemos calcio unido a una de las cabezas de la troponina, pero esa cantidad de calcio es insuficiente para que se una la cabeza de la miosina a la actina. ¿Qué ocurre? Que cuando aumentamos la cantidad de calcio en la célula porque el R. Sarcoplásmico lo libera. Cuando el calcio liberado se une a las unidades de la troponina, hace que cambie la conformación y hace que se desplace posibilitando la unión de la miosina con la actina. ! Pero esto solo ocurre cuando el calcio está unido a la troponina. Si no tenemos calcio, la unión de la actina y de la miosina está impedida por el complejo troponina-tropomiosina. !

! ¿Cómo contraemos el músculo a través del cerebro?.! Primero tiene que surgir la idea de movimiento. Es una señal nervioss que se va a transmitir desde el SNC a través de una neurona motora alpha (1º motoneurona) que sale del cerebro y discurre a través de la médula espinal. De ahí el impulso nervioso sale de la médula hacia el músculo, dándole la orden de que se contraiga o no, es a través de la neurona motora beta (2º motoneurona). Esta 2º neurona es la que se une al músculo y la que le va a dar la orden, ¿Cómo? Dando la orden de que el R. Sarcoplásmico libere el calcio y desencadenando el proceso descrito anteriormente.! !

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Unidad motora.! Está formada por una 1º motoneurona, una 2º motoneurona, y las distintas fibras musculares que esa neurona beta está inervando. !

Fenómeno Acoplamiento excitación-contracción! Excitación es lo que trae la neurona y lo que va a provocar en el músculo, y esa excitación se va a acoplar y provocar la excitación.! Para este fenómeno es imprescindible dos estructuras: ! - Los túbulos T. ! - R. Sarcoplásmico. Donde tenemos calcio en altas concentraciones! ¿Cómo ocurre el acoplamiento?!

Tenemos aquí la motoneurona beta, la fibra muscular. La neurona en el axón lleva el impulso nervioso (diferencia de carga a través de la membrana) llega a la terminación neurona de esa motoneurona beta lo que provoca es la liberación de neurotransmisores (Acetilcolina, ACh), que estaban acumulados en unas vesículas, al espacio que hay entre la motoneurona y la célula muscular (sinapsis). La célula muscular tiene receptores para ese neurotransmisor. Cuando la célula muscular reconoce ese neurotransmisor, se excita. Esto provoca una despolarización de la membrana muscular, y se va transmitiendo por toda la célula muscular, llegando a los túbulos. Los túbulos T están en contacto íntimo con el R. Sarcoplásmico, por lo que el impulso nervioso llega hasta él y provoca la apertura de unos canales/proteínas que están en su membrana. A través de estos canales se libera el calcio al espacio sarcoplasmático. ! Al igual que se libera el calcio, éste se tiene que reabsorber, de lo contrario, se produciría una contracción continua, una contracción tetánica. Esto lo hace a través de unos canales que hay en la membrana del R. Sarcoplásmico. Estos canales son una Bomba ATPasa de Calcio , que requiere energía para meter el Calcio. ! La liberación del Calcio es a favor de gradiente, por lo tanto no necesita energía. Sin embargo, para realizar la contracción muscular y para reabsorber el calcio se necesita ATP.!

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¿Qué ocurre si tenemos mutaciones en estas proteínas transportadoras de calcio que hacen que no funcionen correctamente?! Hace que no se pueda liberar calcio, imposibilitando la contracción muscular.! !

mM —> milimolar! Tipos de fibras musculares.!

Una motoneurona solo inerva a un solo tipo de fibra muscular.! Tipos de contracción muscular. ! - Isométrica! - Isotónica! Hay un pequeño desfase temporal entre que se propaga el potencial de acción y se produce la contracción muscular. El periodo que hay entre que se excita la célula muscular y se libera el calcio, se llama periodo de latencia. ! La fatiga muscular.! Se define como la capacidad de mantener una potencia o fuerza durante contracciones musculares repetidas. ¿A nivel muscular qué pone el limite? Muchas veces depende del tipo de ejercicio que hagamos. ! Se puede distiguir entre :! - Fatiga muscular central! - Fatiga muscular periférica !

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La causa de que se produzca la fatiga muscular es el acúmulo o falta (depleción) de determinadas moléculas.! Una de las causas de la fatiga muscular es el acúmulo de protones ¿Por qué?! Digamos que los protones están relacionados con el ácido láctico, el cual es ácido, si tienes muchos protones tienes el pH bajo. Son condiciones ácidas. Cuando una persona hace deporte durante muchas horas, el pH de sus células va ligeramente disminuyendo hasta que se llega a un límite que el cuerpo, como mecanismo de defensa, activa una serie de mecanismos moleculares que te hacen para para no tener problemas serios por culpa de la acidificación del pH.! Radicales libres —> son moléculas que están relacionadas con el oxígeno, pero son mucho más oxidativas y nos producen daños. Durante el deporte se produce radicales libres, y estos van a actuar sobre al ADN, sobre las proteínas, dañándonos. !

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3/IV/18!

- Calambres: Es una contracción sostenida involuntaria, y puede ser debida a una insuficiente -

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oxigenación ( Por lo que no tenemos ATP, y entonces no podemos soltar la contracción de la miosina y actina), a la producción de acido láctico o a una pérdida de líquido, sales y minerales (Contrarrestar con bebidas isotónicas).! Contractura muscular: Es una contracción sostenida más duradera que un calambre, y puede producirse por una tensión nerviosa, una mala postura, a un excesivo ejercicio, fibromialgia( es debida fundamentalmente a una sensibilización del SN y esto provoca que las neuronas siempre envían impulso nerviosos que hacen que nuestros músculos estén continuamente contraídos. Estas personas sufren de un Sd de desensibilización central, es decir, una fatiga crónica.! Rigor mortis: A nivel bioquímico, se debe también al efecto del ATP sobre la contracción muscular. Ante la muerte ocurre un equilibrio de reacciones. En los seres vivos las reacciones químicas no están en equilibrio, ya que esto es incompatible con la vida. Nuestras reacciones están en un estado estacionario. ¿Qué ocurre cuando aparece la muerte? A muerte hace que nuestras reacciones que están en estado estacionario lleguen al equilibrio, y en el equilibrio ya no se puede hacer ningún trabajo. En el equilibro también ocurre que el calcio que se encuentra en grandes cantidades en el Retículo sarcoplásmico desaparece, y se va a distribuir uniformemente en el sarcoplasma (citoplasma) y esto va a provocar una contracción muscular. Al suceder esto, se va a consumir ATP y como nuestro organismo ha muerto, ya no es capaz de sintetizar más, pero el calcio seguirá presente, y entonces ¿qué ocurrirá? Que la actina y miosina no se van a poder liberar, y así se produce el Rigor mortis.!

- bebidas isotónicas: ! Cuando hacemos un ejercicio intenso, perdemos líquido sales y minerales. ¿Qué pasa si bebemos agua sin más? El agua va a entrar rápidamente dentro de las células y esto va hacer que estas aumenten de volumen y se puedan ``romper´´. Cuando realizamos ejercicio al perder líquido, la concentración de compuestos aumenta. Entonces al suceder esto nos entra la sensación de sed. ¿Qué ocurre si en vez de beber agua sin más bebemos agua + sales y minerales? Pues que el agua entrará en la célula de una manera más controlada porque la concentración de sales dentro y fuera de la célula es más equilibrada.!

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TEMA 3: BIOENERGÉTICA Los seres humanos somos, como todos los seres vivos, un sistema abierto, puesto que compartimos energía y materia, esto es lo que nos posibilita estar vivos.! ! Equilibrio estático y equilibrio dinámico min 16’! - Equilibrio estático: Tenemos un sistema con dos componentes A y B. Entre este sistema que es cerrado, se comparte energía, pero no materia entre los dos compartimentos. Eso significa que en esos compartimentos la materia se tiene que distribuir de manera uniforme, es decir, hay una evolución hacia el equilibrio, y cuando un medio está en equilibrio no puede desempeñar ningún trabajo. En conclusión, los sistemas cerrados se caracterizan por un equilibrio químico incompatible con la vida.! !

- Equilibrio dinámico: Nosotros los seres vivos

somos sistemas abiertos y estamos en estado estacionario. ¿Qué es el estado estacionario? Imaginamos tres compartimentos, el A, B y C. En el compartimento A tenemos una sustancia que es suministrada al B y éste al mismo tiempo al C. Aquí vamos a tener siempre la misma concentración, pero esta concentración se está perdiendo a la vez eu ganando, es decir, hay un equilibrio dinámico. Este equilibrio dinámico es lo que permite que haya una realización de trabajo!

! Cadena de transporte electrónico.! ! Hay un caso muy claro en las células mitocondriales de este gradiente de energía, en el que continuamente se está pasando de donde hay mucha concentración a poca.!

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En la mitocondria hay una cadena de transporte electrónico. Esta cadena, está formada por varios componentes proteicos que lo que van hacer es transportar electrones. A la mitocondria llega un compuesto que suelta un electrón que es el NADH, suelta el electrón al primer componente de la cadena, y se va a pasando de uno a otro hasta que finalmente llega el electrón al O2 y cuando el oxígeno coje el electrón lo que hace es formar agua (H2O). Por eso necesitamos oxígeno a nivel celular. ¿Qué es lo que ocurre en ese transporte de electrones desde el NADH hasta el O2? Ese paso es termodinámicamente favorable, es decir, durante ese se librea energía. ¿ para que es utilizada? Para bombear protones al espacio intermembranoso. ! Si recordamos las mitocondrias tienen una membrana interna y otra externa y un espacio intermembranoso con unas crestas. Pues esto está diseñado para que se genere un gradiente de

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protones y tengamos en el espacio intermembranoso una alta concentración de protones y en espacio intermitocondrial, tengamos pocos protones. Esto es un gradiente.! Aquí tenemos una proteína que se llama la ATPsintasa. Cuando esta proteína mete los protones que hay en exceso , los suelta para que vayan fuera, esto libera energía. Todo lo que sea pasar de un sitio muy concentrado a otro muy poco, libera energía (1). ! En el proceso 2, que es todo lo contrario, requiere energía ya que pasamos de donde hay poco a donde hay mucho.! La energía necesaria para el bombeo de electrones la suministra la cadena de electrones y posteriormente esos electrones que han sido acumulados se sueltan para que se sintetice ATP. Esta es la teoría quimiohosmótica, en donde el ATP se sintetiza en la fosforilación oxidativa.! ! Metabolismo! Catabolismo:! Está integrado por todas aquellas reacciones que toman nutrientes ricos en energía y los degradan a productos simples liberando la energía. ¿Para qué se utiliza esa energía? Para formar ATP y NAD(P)H (Este compuesto es el que suministra los electrones a la cadena de trasporte electrónico, y en última instancia permite también ATP).! El ATP se puede sintetizar a través de la fosforilación oxidativa (principal mecanismo) y mediante fosforilación a nivel de sustrato.! En estas reacciones catabólicas ocurre la síntesis de ATP a nivel de sustrato (NAD(P)H...