Exercício Físico - Bioquímica Fisiológica

Exercício Físico - Bioquímica Fisiológica

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica

Luis António Proença D. Madeira (monitor) Isto não é um documento oficial do Instituto de Bioquímica Fisiológica

EXERCÍCIO FÍSICO1
1. EXERCÍCIO ANAERÓBIO – REGULAÇÃO METABÓLICA1
A concentração das enzimas reguladoras da glicose é controlada por:2
Se repararmos que na contracção muscular ocorrem as reacções…2
2. EXERCÍCIO AERÓBIO – REGULAÇÃO METABÓLICA3

Exercício Físico O Sistema Nervoso e a Resposta Cardiovascular durante o Exercício Aeróbio.4

Metabolismo dos Hidratos de Carbono no Exercício de Endurance5
Metabolismo dos Ácidos Gordos durante o exercício de Endurance6
3. O EFEITO DO TREINO7
 Alterações cardiovasculares e outras7
 Mudança Estruturais no músculo7

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica

Exercício Físico o O Exercício começa no cérebro, na decisão de contrair os músculos. Os nervos somátcios apropriados são activados e observa-se sucessiva libertação de acetilcolina. Esta liga-se nos receptores nicotínicos das junções neuromusculares. Dá-se a onda de despolarização que se espalha pela membrana do músculo até aos túbulos T. Aí estimula-se a saída de Ca2+ (em reservas de retículo sarcoplasmático) para o citoplasma celular. Os iões de Ca2+ ligam-se à tropomiosina dos filamentos finos causando modificação conformacional e assim expondo os locais de ligação da miosina à actina. As “cabeças” de miosina ligam-se à actina e observa-se deslocação relativa dos filamentos e assim contracção muscular Durante este processo dá-se a hidrólise do ATP a ADP + Pi. A libertação de Ca2+ leva à glicogenólise pelo processo.

o o o o o o o o o o o o o o o o Com a hidrólise do ATP o músculo é um potencial candidato a perder a energia sob essa forma. Verifica-se aliás que a contracção apenas pode ser mantida durante 1 segundo(s) com o ATP presente (livre). Assim o “buffer” do ATP é feito inicialmente pela fosfocreatina. A presença de esta substância aumenta 4x a capacidade de porduzir contracções rápidas. Assim é facil perceber que apenas podemos manter uma contracção durante 4s. Os fosfogénio musculares (ATP e fosfocreatina) têm de ser recuperadas e isto ocorre inicialmente pela glicólise e glicogenólise muscular. o O processo da glicólise pode aumentar na teoria 1000x a sua intensidade. No entanto é obvio que o substracto tem de ser disponibilizado primeiro. Este, a glicose 6-P é obtido pela glicogenólise. Há dois aspectos importantes. O primeiro diz respeito ao aumento da actividade da fosforilase do glicogénio graças ao

Acetilcolina Adrenalina

ATP ADPcAMP ATP

Ca 2+

Fosforilase Cinase bFosforilase Cinase a

Glicogénion Glicogénion-1 + Glicose 1-P

ATPADP+ Pi

Contracção Muscular

Proteína Cinase

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica aumento do Ca2+ intracelular. O segundo, muitas vezes ignorado, o aumento da concentração de fosfato inorgânico. Este provém da cisão do ATP durante a contracção. Como sabemos que o ATP provém da fosfocreatina o Pi vem em última análise desta mesma. o Assim a quebra do glicogénio e a contracção muscular estão intimamente assiciadas e é desprezável a accção hormonal o O aumento do fluxo através da glicólise, agora que há substracto suficiente requer a alteração da actividade enzimática.

o ATP -> ADP + Pi (diminuição de ATP; Aumento de Pi) o 2ADP -> ATP –AMP (aumento de AMP) o Pcr + ADP –> ATP + Cr (diminuição da Fosfocreatina) o Percebemos que a actividade a Fosfofrutocinase tende a aumentar. o No entanto estes efeitos alostéricos ocorrem a velocidades incompatíveis com as necessidades contrácteis. Assim percebe-se a necessidade de existirem ciclos de substracto.

o Assim o exercício intenso é derivado da glicólise anaeróbia. Não há necessidade de aumento de O2 . No entanto esta glicólise produz oxidação incompleta da glicose obtendo como produto o Ácido láctico. Este vai dissociar-se em lactato e H+ . Logo há aumento da [H+ ] causa do cansaço e fadiga muscular. A baixa do pH é

F6P

Fosfofrutocinase

Repouso... F1,6P

Frutose 1,6 bfase

F6P F1,6P

2000 Fosfofrutocinase

Frutose 1,6 bfase

F6P F1,6P

51000 Fosfofrutocinase

1000 Frutose 1,6 bfase

...PreparadoInício!

Indutores Enzimáticos Frutose 1,6 Bifosfatase Fosfofrutocinase AMP - + ATP + - Pi - +

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica causadora de contracções de intensidade muito menor pois diminui a interacção miosina actina, diminui a adesão do cálcio à troponina e diminui a actividade da fosfofrutocinase. o A capacidade de efectuar este tipo de exercício depende da quantidade de fibras glicolíticas tipo I e da sua dimensão. Esta última pode ser aumentada pelo treino. Também se pode recorrer a dietas específicas: ingestão de Creatina para aumentar a [fosfocreatina] muscular ou a ingestão de bicarbonato de sódio que leva a um melhor buffer de pH aumentando o período até à fadiga.

o É importante frisar que esta radicalização do exercício aeróbio e não aeróbio é inútil. Não existem formas puras de cada exemplo, excepto em condições extremas (ex. Maratona) o A característica principal do exercício aeróbio é a sua manutenção durante longos períodos de tempo. Isto significa que produtos armazenados for a do músculo são usados e necessitam de ser 100% oxidados para que a produção de ácido láctico não ocorra. o A oxidação total de substractos leva também a um ganho energético muito maior.

Assim não é surpreendente que as fibras musculares responsáveis por este processo sejam mais oxidativas. Estas são de contracção lenta, tipo 1. Para que estas fibras sejam eficientes tem de se suprir as necessidades de O2 e outros substratos, tendo de existir uma eficiente remoção de CO2 , ritmo este compatível com o da contracção. Isto implica mudanças coodenadas do aparelho circulatório. o Os produtos usados no catabolismo aeróbio (exercício aeróbio) dependem da intensidade do exercício. o A contribuição da Gordura para o trabalho muscular apresenta características peculiares. Pensava-se, e é logico, que seria forçoso que mais cedo ou mais tarde a energia fornecida ao músculo tenderia a ser 9% TAG (basta compreender que temos muito maior quantidade destes armazenados e não há necessidade de os preservar, por oposição à glicose essencial para outros tecidos. Para além de os TAG serem uma forma “leve” de armazenar energia). No entanto, recentes estudos demonstram que os TAG apenas podem suportar até 60% do exercício. Sinteticamente demonstra-se em atletas de alta competição (de endurance) que o poder de contracção decresce para 50% após se esgotarem as reservas de Glicogénio. Em indivíduos menos treinados, por calorimetria indirecta, observa-se que o consumo de O2 associado à oxidação de NEFA é de Apenas 60% o Assim a máxima contracção muscular requer a oxidação de hidratos de carbono associada à oxidação de gorduras. Demonstra-se então que o tempo que somos capazes de manter o exercício físico a um nível elevado depende unica e exclusivamente das resevas de glicogénio. Os maratonistas referem que a deplecção de glicogénio com a expressão “hitting the wall”.

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica o Experiencias com diferentes dietas levaram a possibilidade de definir que as concentrações iniciais de glicogénio são muito importantes para se poderem definir metas superiores.

o Podemos definir 2 componentes do sistema nervoso envolvidos na regulação metabólica durante o exercício aeróbio. o Um deles os nervos somáticos que conduzem o estímulo da contracção para os músculos apropriados (recordar o efeito da quebra de glicogénio e respectiva contracção muscular). Esta verdade aplica-se em qualquer condição de exercício, isto é, mesmo em exercício aeróbio, mesmo após a ingestão de glicose. o O outro, consiste na acção do sistema nervoso simpático, e respectivo aumento de adrenalina produzida nas glândulas suprarenais, que permite, pelos mecanismos já sabidos, activar o sistema cardiovascular e mobilizar as reservas energéticas (glicogénio hepático e TAG). o Uma das consequências fisiológicas de enorme importância é o aumento da frequência cardíaca pois permite aumentar a chegada de sangue aos músculos. Este aumento é devido principalmente ao SNS que actua em receptores βadrenérgicos do coração. Um aumento do débito cardíaco induz aumento da irrigação muscular, mas é em si insuficiente. Verifica-se que o SNS actua também no músculo liso das artérias no sentido de diminuir a passagem de sangue nos tecidos, mas no músculo existem receptores colinérgicos nos vasos que vão fazer o aumento do calibre. Assim é aumentado o efeito de irrigação muscular. o A passagem de sangue no músculo é tambem aumentada por factores locais como o aumento da [H+ ] que leva ao relaxamento da musculatura lisa. Percebe-se então o O aumento da utilização do O2 e sucessiva produção de CO2 requer um aumento do ritmo respiratório. Isto obtém-se por estimulação directa do núcleo cardiopneumo-entérico do tronco cerebral devido à baixa de pH. o Outras hormonas estão relacionadas com o exercício aeróbio e controlam a disponibilidade energética. GH e cortisol são ambas excretadas em resposta a este tipo de exercício, e o aumento da sua concentração ocorre durante os 30-60m iniciais. São respostas lentas que parecem estar envolvidas apenas em exercícios de longa duração. A concentração de Glucose no plasma pode variar positivamente ou negativamente mas a concentração de insulina tende a diminuir com o exercício de endurance. Isto representa a inibição α-adrenérgica da sua secreção no pâncreas causada pelo aumento da adrenalina circulante. A secreção de glicagina pode aumentar no entanto não é um factor importante à excepção em exercícios estenuantes e prolongados. A resposta denominada STRESS é exactamente isto: Aumento de Adrenalina, GH, Glicagina e Cortisol. o No fundo, o SNS permite aumentar o débito cardíaco e dirigir o excesso de sangue para onde este é necessário (músculo e pulmão).

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica o A oxidação de Glicose é capaz de suprir as necessidades energéticas durante o exercício aeróbio. Sabe-se (por calorimetria indirecta) que oxidamos 2,5g de Glicose por minuto (50% da energia gasta, 80/2=40kj). A quantidade de glicose disponºivel no sangue e espaço extracelular é de 12g. Assim mesmo que a pudessemos utilizar toda apenas seria capaz de fornecer energia por alguns minutos. Por isso temos de usar o glicogénio hepático. São cerca de 100g, como se repara apenas serve para 1h de exercício físico. A utilização do glicogénio hepático é inferior em indivíduos bem treinados pois o glicogénio usado preferencialmente é o muscular. Mesmo somando as 2 fontes de glicogénio apenas poderiamos contrair durante 2h. Este é o tempo que um maratonista leva a acabar a maratona. Se a reserva de glicogénio desaparece com ela a performance também. A maratona é portanto o exercício pesado mais longo que o ser humano consegue suportar. o A gliconeogénese hepática é ignorada mas não por acaso. Esta não é importante.

Não nos podemos esquecer que a circulação hepática diminui muito pela estimulação do SNS. Ainda mais, a gliconeogénese hepática deve-se predominantemente ao lactato muscular o que indica que já foi tido em conta com o cálculo da energia do glicogénio muscular (oxidação incompleta). o Que factores são responsáveis pela mobilização das reservas de glicogénio? o Em músculos que trabalham, o efeito da activação neuronal da contracção é o factor mais importante. Por exemplo, em indivíduos que exercitam apenas uma perna demonstra-se que a [glicogénio] na perna exercitada diminui enquanto que na outra é mantido constante. Tal como foi discutido antes a estimulação da contracção está intimamente relacionada com a quebra do glicogénio. Um aumento da concentração de adrenalina também contribui potenciando o efeito da estimulação neuronal (por si só não é um factor!) o No fígado o decréscimo da quantidade de glicogénio não está perfeitamente explicada. A glicagina seria um factor simpático…, pois tornaria tudo bastante óbvio. Mas como foi justficado antes a sua concentração não é alterada durante o exercício (convem recordar no entanto que a concentração desta hormona é diferente nos tecidos periféricos do que é no fígado). A variação da glicose é aleatória. Mas é certo que a insulina desce. O que leva a poder afirmar que a razão glicagina/insulina aumenta o que favorece a actividade da fosforilase do glicogénio. Pode haver alguns efeitos da estimulação directa do fígado por parte do SNS mas nunca foi testada em humanos. o Note-se que embora a concentração de glicose no sangue não varie muito o seu turnover varia, e bem, (x3 –x4)… o Um outro aspecto importante é o facto de uma molécula de glicogénio ser armazenado com 3 moléculas de H2 O. Assim com a mobilização deste a água é libertada sendo muito importante pois 300g de glicogénio fornecem 1L de H2 O.

Esta vai ser útil na sudação e remoção dos resíduos musculares.

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica o A actividade da hexocinase muscular é suficiente para suprir todas as necessidades energéticas do músculo. No entanto já foi referido que o desaparecimento do glicogénio hepático leva à diminuição da performance. Assim a utilização simultânea de ácidos gordos e glicose produz o exercício físico de alto rendimento durante o maior tempo possível. Há evidência experimental que demonstra que o aumento da disponibilidade de NEFA leva a uma diminuição da entrada de glicose no músculo e diminuição da Glicólise. o Os ácidos gordos oxidados durante o exercício físcico provém de duas fontes:

TAG musculares e TAG do tecido adiposo. o O estudo sobre o controlo dos factores que influenciam a sua utilização não é claro nas respostas. Mas entende-se que os TAG musculares decrescem com o exercício físico estenuante. A regulação da mobilização dos TAG do tecido adiposo é muito bem sabida. Não é certo no entanto qual dos estímulos é mais importante: β-adrenérgica ou a adrenalina.

o A estimulação adrenérgica tem a ajuda do decréscimo insulínico no sangue. Em exercícios prolongados o GH e o cortisol ajudam ao aumento da lipólise periférica aumentado a concentração da lipase hormono-dependente. o Os ácidos gordos do tecido adiposo são libertados e transportados no sangue associados à albumina para entrada e oxidação muscular. Este passo é muito importante, pois limita o ritmo de oxidação, levando a um máximo de oxidação de NEFA de 60%. A razão parece residir no facto dos NEFA circularem associados à albumina. Ao dependerem da sua quantidade quando se inicia a acção do SNS o sangue que chega ao tecido adiposo diminui logo talvez seja insuficiente a quantidade da mesma para o transporte. Este facto também explicava porque é que em acidentes (fracturas) onde a vaso constrição do tecido adiposo faz gorar as previsões da concentração de NEFA no plasma local. Embora alguma parte deles sejam esterificados de novo parece haver evidência indicativa que muitos deles são armazenados sob a forma de NEFA (potencial prejuizo para a célula).

o Mesmo em actividades mais intensas que VO2 65% (tomada como base para estudos) o músculo não é capaz de oxidar mais NEFA. A razão parece residir no facto do metabolismo da glicose produzir Acetil-CoA com tal intensidade que alguma falha o transporte para oxidação e é utilizada pela Acetil-CoA carboxilase para síntese de Malonil-CoA potente inibidor da CPT-1 que impossibilita a β- oxidação dos NEFA. o Assim podemos afirmar que o metabolismo dos Ácidos Gordos em exercício físico foge à regra do que tomamos como certo pelo que aprendemos. É também evidente que a capacidade de manter um exercício físico de elevada intensidade durante muito tempo não foi uma prioridade evolutiva do Homo Sapiens Sapiens…

Universidade de Lisboa Faculdade de Medicina Bioquímica Fisiológica o O treino tem um conjunto de efeitos que são muito complexos. No caso do exercício ser anaeróbio as mudanças trazidas pelo treino são uma maior massa muscular associada a contracções mais potentes. A massa muscular aumenta graças à hipertrofia e não à hiperplasia (as células crescem em vez de se multiplicarem). Há uma determinação genética para o número de fibras tipo I. o As mudanças associadas ao treino de endurance são mais variadas. São basicamente fruto das necessidades acrescidas de O2 e de outros substractos e da maior capacidade muscular de os utilizar. É curioso verificar que a actividadade da glicogénio fosforilase não é alterada (como seria de esperar) antes é a glicogénio sintase que aumenta. Talvez a explicação resida na não limitação da contracção por parte da Glicogénio fosforilase. o Resumo dos Efeitos o Aumento do débito cardíaco e distribuição; o Aumento da função respiratória o Aumento da Massa magra o Diminuição da gordura corporal o Aumento da força óssea o Aumento da densidade dos capilares o Aumento do número de mitocôndrias o Aumento do tamanho das mitocôndrias o Aumento da concentração da mioglobina o Aumento do GLUT 4 o Aumento da sensibilidade à insulina o Aumento da LpL o Aumento do TCA e β-oxidação o Aumento da Glicogénio Sintentase

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