Energía para el movimiento humano y sistemas energeticos

En el presente trabajo sé discutirán los mecanismos por medio de los cuales el organismo obtiene la energía para realizar los movimientos y su trabajo físico.

El concepto de energía y su utilización en el cuerpo humano es quizás uno de los principales vínculos entre la fisiología y la educación física. La definición de este concepto es importante para poder responder algunas preguntas tales como: ¿Qué mecanismos intervienen en las transformaciones energéticas del cuerpo humano y cómo podemos adaptarnos a los diferentes tipos de movimientos y actividades físicas?. Las actividades físicas y el movimiento humano se enmarcan en un amplio rango, desde aquellas que requieren grandes cantidades de energía en períodos cortos de tiempo hasta actividades que exigen un pequeño pero sostenido aporte de energía.

Uno de los propósitos de este trabajo consiste en explicar cómo el conocimiento de los conceptos relacionados con la energía se puede aplicar al deporte y la educación física; además, se dan a conocer los sistemas energéticos del cuerpo humano.

A continuación se definirán algunos términos relacionados con el suministro de energía humana:

Energía

La energía es la capacidad para realizar un trabajo. De las seis formas de energía existentes, nos ocuparemos de dos formas en especial: la mecánica y la química. En el tenis, cuando movemos una raqueta para golpear la pelota, se realiza trabajo mecánico, lo mismo que en el béisbol, golf u otros deportes que utilicen implementos parecidos. De igual manera, se puede realizar trabajo mecánico desplazando el centro de gravedad del cuerpo en dirección frontal, como es el caso de una carrera. La energía asociada con el movimiento se denomina energía cinética. La energía de un objeto asociada a la posición que este ocupa en el espacio, como ocurre en un arco extendido y al sostenerlo a un nivel superior en contra de la fuerza de gravedad es la energía potencial.

La energía química representa igualmente una fuente de energía potencial. Por ejemplo, en el cuerpo humano los alimentos se degradan mediante reacciones químicas liberando energía que a su vez se utiliza para sintetizar otros componentes químicos. Estos últimos compuestos son considerados como ricos en energía y al degradarse liberan la energía contenida en los enlaces químicos de su estructura y dicha energía es utilizada por los músculos esqueléticos para realizar trabajo mecánico. Los músculos convierten en energía mecánica sólo una parte de la energía química contenida en los alimentos consumidos.

La unidad de medida más común de la energía es la caloría (cal). Una caloría es la cantidad de energía calórica requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1ºC. Una kilocaloría (kcal) o (Cal) es igual a 1.000 calorías y es la unidad que se utiliza con mayor frecuencia para describir el contenido energético de los alimentos y los requerimientos energéticos de diversas actividades físicas (generalmente cuando las personas hablan de la cantidad de calorías que tiene un alimento en realidad sé están refiriendo a kilocalorías).

Trabajo

Desde el punto de vista físico el trabajo mecánico (T) es el producto de una fuerza (F) deslazada una distancia x(d); es decir:

T = F x d

Trabajo = fuerza x distancia

Por ejemplo, si un individuo pesa 75 kgs.(fuerza) y sube por una escalera de 3 mts. de altura (espacio), realizará un trabajo mecánico equivalente a 75 kg x 3 mts = 225 kg-m. Aunque los términos de trabajo y energía se pueden utilizar algunas veces en forma intercambiable, se puede señalar que es posible emitir energía sin realizar trabajo mecánico. Por ejemplo, al sostener un peso con el brazo (codo) extendido, se requiere energía, pero no se realiza trabajo mecánico desde el punto de vista físico, ya que el peso permanece sin desplazarse.

Potencia

La potencia (W) o (P) es el trabajo realizado por unidad de tiempo (t), o es la capacidad para ejercer la máxima fuerza en el menor tiempo posible, como también es desplazar una fuerza a la máxima velocidad posible.

P =T/t = (F x d)/t

P = (F x V)

En donde: F = fuerza y V = velocidad.

En nuestro ejemplo anterior, si el individuo sube por la escalera en 2 segundos (t), habrá producido una potencia de (75 kg x 3 mt)/2 seg = 112,5 kg-m/seg).

En la mayoría de las actividades deportivas, poder suministrar la máxima energía en el período más breve representa el factor primordial para el éxito.

Metabolismo aeróbico y anaeróbico

El término metabolismo se refiere al conjunto de reacciones químicas que se realizan en el organismo. El término aeróbico se refiere a la presencia de oxígeno, mientras que el término anaeróbico significa sin oxígeno. Por lo tanto, el metabolismo aeróbico se refiere a una serie de reacciones químicas que requieren de la presencia y utilización de oxígeno. El metabolismo anaeróbico, por otra parte, no requiere de la presencia y utilización del oxígeno en sus reacciones químicas

Sistemas energéticos

Las diferentes actividades deportivas tienen requerimientos específicos de energía. Por ejemplo, el maratón y la natación de larga distancia, son en su mayor parte actividades de baja potencia, que requieren de un aporte de energía durante largos períodos, mientras que las carreras de velocidad, los saltos y los lanzamientos necesitan un suministro de energía a alta velocidad por un período breve. Otras actividades deportivas, como se verá más adelante, requieren de una mezcla de ambas potencias. Se pueden satisfacer los diversos requerimientos de energía porque existen tres formas diferentes claramente definidas por medio de las cuales se puede proveer energía a los músculos para el trabajo (Fox, 1984).

La energía que entra al organismo en forma de alimento, es transferida a una molécula llamada adenosintrifosfato o simplemente ATP. Esta constituye un transportador de energía y es la única molécula que puede ser utilizada por la célula muscular para obtener la energía necesaria para realizar sus funciones. En el músculo esquelético, en función de la actividad física desarrollada se distinguen tres tipos de fuentes o sistemas energéticos:

• 1. Sistema anaeróbico-aláctico o sistema de los fosfágenos (ATP-PC) o (ATP-FC)

ATP (adenosíntrifosfato)

PC (fosfocreatina o creatinfosfato)

Los símbolos PC y FC significan fosfocreatina

• 2. Sistema anaeróbico láctico y/o sistema de ácido láctico y/o glucólisis anaeróbica

• 3. Sistema aeróbico u oxidativo

Hidratos de carbono

Grasas

Proteínas

Cada uno de estos sistemas tiene distintas capacidades y potencias energéticas. La capacidad energética es la capacidad que tiene el sistema de proporcionar la energía total (volumen) necesaria para poder realizar la función muscular, mientras que la potencia del sistema energético es la máxima cantidad de energía (o trabajo) aportada por dicho sistema en un minuto y se expresa en moles de ATP/min (Fox, 1984). La capacidad energética del atleta se refiere entonces a la capacidad que tienen estos tres sistemas para proporcionar la energía para la función muscular. El nivel de aptitud física no mejora si no se produce un incremento en las capacidades energéticas del músculo esquelético. En la tabla 2.1 se presentan las capacidades y potencias de los tres sistemas energéticos. Se puede apreciar que, en cuanto a la capacidad, el sistema aeróbico es capaz de aportar gran cantidad de energía, mientras que los otros dos sistemas tienen una capacidad más limitada. Con referencia a la potencia, la relación es inversa y en este caso es sistema de fosfágeno es capaz de aportar una mayor cantidad de energía por unidad de tiempo, tornándose el sistema aeróbico en el menos potente de los tres (Puig, 1988).

Tabla 2.1

Capacidad y potencia de los sistemas energéticos

Tomado de Mathews y Fox, 1976, 1984

2.5.1 Sistema anaeróbico aláctico o sistema de los fosfágenos

Este sistema proporciona la energía necesaria para la contracción muscular al inicio del ejercicio y durante actividades físicas de muy alta intensidad y corta duración (generalmente menores de 30 segundos). Este sistema está constituido por el ATP y la PC que se encuentran almacenados o en reserva en mínimas cantidades en las células musculares. El ATP sirve de enlace entre la energía liberada en las reacciones exergónicas del organismo y las demandas energéticas propias de la célula (López y Fernández, 1998). Nuestras células musculares utilizan el ATP de forma directa para conseguir y obtener otras formas de energía (mecánica).

Los almacenes de adenosintrifosfato al igual que los de la fosfocreatina (a los cuales se les denomina colectivamente fosfágenos) en la célula muscular son muy pequeños.

Cuando se descompone la PC (cuando se elimina su grupo fosfato) se libera gran cantidad de energía y el producto final de esta reacción es Creatina (C) y fosfato inorgánico (Pi). La energía liberada es inmediatamente utilizada para la resíntesis del ATP. En otras palabras, con la misma rapidez con que el ATP se descompone durante la contracción muscular, lo vuelve a formar de inmediato el ADP (adenosindifosfato) y el Pi por la energía liberada durante la descomposición del PC almacenado. Es decir, el ATP debe ser reciclado constantemente en las células; parte de la energía necesaria para la resíntesis del ATP en la célula muscular se realiza rápidamente y sin la participación del oxígeno a través de la transferencia de energía química desde otro componente rico en fosfatos de alta energía, la fosfocreatina (PC). La hidrólisis del ATP en ADP + Pi, mediada por la enzima ATPasa, puede transferir energía a otros componentes o posibilitar la realización de trabajo muscular o provocar una síntesis metabólica (López y Fernández, 1998).

Debido a las bajas reservas musculares de ATP y PC (aproximadamente 0,3 moles en las mujeres y 0,6 moles en los hombres), la cantidad de energía obtenible a través de este sistema es limitada; sin embargo, la utilidad de éste (sistema) radica en la rápida disponibilidad de la energía antes que en su cantidad. Esto es sumamente importante con respecto a los tipos de actividad física que se puede realizar. Actividades tales como las carreras de velocidad, los saltos, las patadas, el "swing" y otras actividades parecidas que requieren de sólo unos segundos para completarse, 30 segundos o menos, dependen de los fosfágenos almacenados como su fuente primordial de energía (Fox, 1984). Este es un sistema anaeróbico en el cual la reacción es muy rápida y no requiere de la presencia y consumo de oxígeno.

2.5.2 El sistema de ácido láctico o glucólisis anaeróbica

Este sistema constituye la segunda fuente de obtención de ATP. En este sistema la descomposición parcial de la glucosa (azúcar) provee la energía necesaria con la cual se elabora el ATP. La primera etapa del catabolismo de la glucosa celular es la glucólisis, que proporciona la energía necesaria para mantener la contracción muscular desde unos pocos segundos hasta algunos minutos de duración (López y Fernández, 1998). Una limitación de este sistema es que la descomposición parcial de la glucosa produce ácido láctico (de ahí el nombre del sistema) lo cual provoca una acidosis metabólica con consecuencias desfavorables en el funcionamiento normal de la célula; además, cuando se acumula en los músculos y en la sangre se produce una instauración progresiva de fatiga muscular y por lo tanto el cese del trabajo muscular.

A través de esta glucólisis anaeróbica sólo se formas 2 moléculas de ATP en comparación a los 36 ATP que se obtienen por oxidación. La importancia de este sistema radica en el hecho que tiene la capacidad de suministrar una rápida provisión de energía en forma de ATP. Las actividades o pruebas que se realizan a intensidades máximas o casi máximas durante períodos de entre 30 segundos y 3 minutos, como las carreras de 400 – 800 metros, dependen en gran medida de este sistema para la producción de energía.

La intensidad de trabajo a la que comienzan a elevarse los niveles de lactato sanguíneo por encima de los niveles normales es diferente para cada persona, denominándose a este fenómeno metabólico umbral anaeróbico. Este evento fisiológico es de gran importancia en fisiología del ejercicio por su utilización en la prescripción individualizada de cargas de entrenamiento (López y Fernández, 1998). Es importante señalar que la participación metabólica de la glucólisis anaeróbica no implica necesariamente el cese del metabolismo aeróbico, sino que existe un solapamiento de ambos sistemas con el predominio de uno u otro según la actividad física desarrollada. Por otro lado, el aumento de la concentración de lactato en sangre no implica necesariamente condiciones anaeróbicas, ya que la falta o ausencia de oxígeno sólo es una de las razones que provocan el aumento del lactato.

El sistema aeróbico es aquel que suministra ATP mediante la degradación completa de la glucosa hasta CO2 y H20, utilizando también otros combustibles diferentes como los lípidos y en menor proporción las proteínas. Este proceso de degradación es multienzimático y está acoplado a la fosforilación oxidativa, proceso que implica el consumo de oxígeno y constituye la principal forma de producción de ATP (Puig, 1988). Una vez que la glucosa se absorbe a nivel del intestino delgado y pasa a la sangre, es transportada hasta el hígado, donde se convierte en glucosa-6P al entrar en el hepatocito; posteriormente y en función de las necesidades energéticas del organismo, la glucosa-6P puede: a) reconvertirse en glucosa y salir de la célula hepática hacia otras células del organismo (músculo esquelético), b) oxidarse en el ciclo de Krebs y cadena de electrones para formar el ATP necesario para mantener la función hepática, c) almacenarse en forma de glucógeno en el hígado, y d) degradarse en acetil-CoA para la conversión posterior en ácidos grasos y transporte a través de la sangre hasta los adipocitos. Durante el ejercicio el glucógeno hepático se convierte en glucosa que pasa a la sangre circulante, de manera que la glicemia aumenta o permanece estable dependiendo de la intensidad del ejercicio, disminuyendo sólo después de ejercicios intensos de muy larga duración (López y Fernández, 1998). El sistema aeróbico, por lo tanto, es especialmente útil para elaborar ATP durante actividades prolongadas que requieren resistencia, tales como la maratón, la natación de larga distancia, el "cross country" en esquí, etc.

La especificidad metabólica del entrenamiento se deriva del conocimiento de la dinámica de los sistemas energéticos musculares. Para cualquier ejercicio dado, la fuente energética predominante dependerá de la cantidad total y de la tasa de energía requerida por el mismo. Si se quiere mejorar la capacidad del sistema de fosfágeno, tomando por ejemplo el caso de una carrera de 100 metros planos, se requiere un programa de ejercicios de alta intensidad y corta duración (suponiendo que el atleta ya tenga una base aeróbica de sustentación). Para recorrer 100 metros planos en 9,9 segundos, se estima que se requieren tan sólo un total de 0,43 moles de ATP, equivalente a una tasa media de utilización de 2,6 moles de ATP/min. (Fox, 1984). Debido a la gran potencia requerida para esta prueba, el único sistema capaz de proporcionar ATP a esta velocidad, es el de fosfágeno, según se puede apreciar en la tabla 2.1. Cuando se habla de la especificidad metabólica del entrenamiento, se hace referencia a que el programa principal de ejercicios debe poseer las características adecuadas para fomentar la actividad predominante del sistema energético utilizado en la especialidad deportiva a entrenar, para así lograr un aumento en la capacidad del mismo. Esta es la razón por la cual el entrenamiento específico debe estar dirigido a una actividad particular como bien lo expresa Fox.

Continuum energético

El concepto de continuum energético es un concepto que vincula la forma en que se suministra el ATP, es decir, la forma de participación de los distintos sistemas energéticos y el tipo de actividad física que se realiza. Cualquier sea el tipo de actividad física que se realice el costo energético estará dado por la magnitud del ejercicio más no tanto por la intensidad o velocidad del mismo. Por ejemplo, si un atleta corre 1.000 metros en tres minutos o los recorre en cinco minutos, utiliza la misma cantidad de ATP. Lo que varía es la velocidad con que se gasta el ATP. En el primer caso se necesita ATP a una mayor velocidad que en el segundo caso; por lo tanto, si la cantidad total de ATP requerida es la misma en ambos casos, la velocidad con que éste es requerido indicará el sistema energético participante. De esta forma existe una relación entre la distancia recorrida, la velocidad del recorrido, y el sistema energético participante. A medida que aumenta la distancia de la prueba disminuye la velocidad de la misma y el sistema energético utilizado se desplaza del sistema de fosfágeno al de ácido láctico y al aeróbico.

Existe por lo tanto un continuum energético que tiene en un extremo actividades físicas breves pero de gran intensidad, en las cuales el sistema de fosfágeno aporta la mayor parte del ATP; en el otro extremo se encuentran las actividades de larga duración e intensidades bajas suplidas casi exclusivamente por el sistema aeróbico. En el centro de este continuum se encuentran las actividades físicas que dependen en gran medida del sistema de ácido láctico para la obtención de energía; aquí se encuentran ubicadas las actividades físicas que requieren una combinación del metabolismo aeróbico y anaeróbico.

Debido a la gran cantidad de actividades deportivas, cada una de las cuales requiere habilidades y destrezas particulares, resulta muy difícil examinar cada actividad deportiva en particular para determinar el sistema energético participante. Por esta razón se ha desarrollado una escala denominada escala del continuum energético que utiliza el tiempo como común denominador para clasificar las actividades. El tiempo se define como el período necesario para realizar actos que requieren pericia, o para completar el juego o la prueba determinada.

En la figura 2.1 se puede observar la escala del continuum energético (Puig, 1988).

Figura 2.1. Escala del continuum energético.

La figura de la escala del continuum energético presenta en el centro dos columnas de números encerrados en dos rectángulos encabezados por las palabras aeróbico y anaeróbico. Estos números representan valores porcentuales de participación de los sistemas aeróbico y anaeróbico en diferentes actividades físicas. En los extremos izquierdo y derecho de la figura están listadas una serie de actividades físicas. Por ejemplo, en el extremo superior derecho está levantamiento de pesas y en el extremo superior derecho aparece 100 metros planos. De acuerdo a la figura podemos observar que la participación del sistema aeróbico en el levantamiento de pesas es prácticamente 0%, mientras que la participación del sistema anaeróbico es de aproximadamente el 100%; así mismo, se puede apreciar que la participación del sistema aeróbico en la carrera de 100 metros planos es casi del 0% y que la participación del sistema anaeróbico es casi del 100%.

En un ejemplo dado por Fox se puede apreciar con mayor claridad la estructuración de la escala del continuum. El autor presenta como ejemplo un partido de baloncesto que en la escuela secundaria americana dura 32 minutos (4 tiempos de 8 minutos), y en la universidad dura 40 minutos (dos tiempos de 20 minutos). Estos tiempos tan prolongados para completar el juego (32 y 40 minutos respectivamente) indican claramente que el sistema aeróbico participa en el suministro de energía. Sin embargo, jugar baloncesto requiere aptitudes como el salto, el lanzamiento, la defensa, la velocidad, las cuales implican todas movimientos breves y de gran intensidad, realizados de una manera intermitente durante el tiempo que dura el juego. Tales aptitudes son en gran parte anaeróbicas, por lo que se puede concluir que el baloncesto no tiene solamente un componente anaeróbico sino también otro anaeróbico. Otras actividades que se encuentran dentro de esta misma categoría general incluyen al béisbol, el fútbol, la esgrima, el golf, el tenis, el voleibol, la lucha, el hockey sobre hielo y otras más.

En otros deportes como las carreras pedestres, la natación, el ciclismo, el esquí, el remo, el patín, el tiempo de la prueba se refiere principalmente a la duración de la misma, siendo independiente el tipo de actividad. Si se organizan los diferentes deportes de acuerdo con el tiempo de la prueba, se puede observar que la carrera de 1.500 metros, en el cual los buenos corredores tienen tiempos de 4 ó 5 minutos, se agrupa dentro del continuum energético de la prueba de natación estilo libre de 400 metros., en el cual los buenos nadadores tienen tiempos parecidos. Lo mismo ocurre con respecto a la carrera de 800 metros, la prueba de natación de 200 metros y el patinaje de 1.500 metros. En la figura 2.1 se puede apreciar la participación porcentual de los sistemas aeróbico y anaeróbicos en diferentes actividades deportivas (Bowers y Fox, 1995).

Utilizando el denominador común (tiempo) se puede apreciar en la figura 2.2 el porcentaje de ATP aportado por los tres sistemas energéticos en relación con el tiempo de la actividad o el desarrollo de potencia. Cuanto más breve sea el tiempo de una actividad mayor será la potencia requerida por esa actividad y más rápidos los requerimientos de energía, y viceversa. La figura 2.2 muestra la interacción entre los tres sistemas energéticos. Por ejemplo, los sistemas de ATP-PC y el aeróbico son imágenes especulares el uno del otro; a medida que se incrementa el porcentaje de ATP aportado por uno de los sistemas, decrece el otro. Ambos sistemas son responsables del suministro de casi la totalidad del ATP para las actividades situadas en los extremos del continuum. Si se mejoran estos sistemas por medio del entrenamiento, se producirá un mejoramiento de la performance.

Si se observa con detenimiento en la figura 2.2 la curva de la relación entre la energía aportada por el sistema de ácido láctico y el tiempo de la prueba se puede apreciar que durante las actividades de gran intensidad con tiempos cortos de actuación este sistema contribuye con muy poca energía, si es que aporta algo. Lo mismo ocurre para las actividades de baja intensidad con tiempos de actuación prolongadas. Sólo en el caso de actividades situadas entre estos dos extremos el sistema de ácido láctico aporta gran parte del requerimiento total de ATP (Bowers y Fox, 1995). La explicación de esta diferencia se debe fundamentalmente a dos causas, primero, requiere tiempo activar el sistema de ácido láctico, esto significa que cuando los tiempos de ejecución de las actividades son inferiores o iguales a este tiempo de activación, el sistema de ácido láctico aporta escasas cantidades de energía. En segundo término, el sistema de ácido láctico limita el tiempo de la ejecución porque sobreviene fatiga muscular debido a la acumulación de ácido láctico. Por lo tanto, con la finalidad de demorar la fatiga provocada por el ácido láctico durante actividades prolongadas, la contribución energética por la vía del sistema de ácido láctico se debe mantener en un nivel bajo.

Figura 2.2 Interacción de los tres sistemas energéticos. (Bowers y Fox, 1995)

Aunque el concepto de continuum resulta esencial para una buena comprensión de las interacciones de los sistemas energéticos, no es fácil aplicar el propio continuum a los diversos deportes. Por consiguiente, se han elaborado algunas normas mediante las cuales se puede determinar, con mayor facilidad, el principal o principales sistemas energéticos que participan en el desarrollo de la mayor parte de las actividades deportivas. Tal información resulta esencial para el desarrollo de programas adecuados de entrenamiento.

Se puede dividir el continuum energético de las actividades o pruebas en cuatro áreas de acuerdo con el tiempo requerido para su ejecución:

• Area uno: Incluye todas las actividades que requieren tiempos menores de 30 segundos. En estas actividades el sistema energético predominante es el del fosfágeno (ATP-PC). Ejemplos de algunas actividades deportivas encuadradas en ésta área del continuum son: el lanzamiento de martillo, el lanzamiento de bala, la carrera de 100 metros planos, los golpes en tenis, el robo de base en béisbol, las carreras de los delanteros en fútbol.

• Area dos: Incluye actividades deportivas que requieren entre 30 segundos y 1,5 minutos (90 segundos); en este caso los sistemas energéticos predominantes son el sistemaa de ATP-PC y el de ácido láctico. Ejemplos de actividades deportivas en esta área son: la prueba de natación estilo libre de 100 metros, las acrreras pedestres de 200 y 400 metros, la prueba de patinaje de 500 metros, las pruebas gimnásticas.

• Area tres: Incluye actividades deportivas que requieren entre 1,5 y 3 minutos. Aquí participan también dos sistemas energéticos que son el de ácido láctico y el aeróbico. Las actividades deportivas de esta área incluyen las carreras pedestres de 800 y 1.500 metros, las pruebas de natación estilo libre de 200 y 500 metros, el boxeo (asaltos de 3 minutos) y la lucha (asaltos de 2 minutos).

• Area cuatro: Incluye actividades deportivas que requieren tiempos mayores de 3 minutos. Aquí en principal proveedor de ATP es el sistema aeróbico. Ejemplos de actividades que están en esta área son: el trote, la maratón, las pruebas de campo travieso tanto en carrera como en esquí y ciclismo, la prueba de natación de 1.500 metros estilo libre.

Enviado por:

Denny Partidas