Metabolismo muscular: síntesis de ATP

ATP es la fuente de energía

Lo crea o no, monté mi bicicleta desde St. Louis, MO, hasta Chicago, IL, cuando estaba en la universidad. Una de mis partes favoritas de ese viaje (además del entrenamiento para el viaje) fue comer todo lo que quisiera. Comí tanto de lo que me apeteciera comer, y todavía estaba en forma como un violín. Nuestros músculos comprenden una gran cantidad de nuestra masa corporal y requieren una enorme cantidad de energía para contraerse. Como mis músculos se contraían mucho mientras andaba en bicicleta, necesitaban mucha energía. Incluso en reposo, nuestros músculos requieren mucha energía. ¿Dé dónde viene la energía?

El ATP (trifosfato de adenosina) proporciona la energía para la contracción muscular.

En última instancia, la energía proviene de los alimentos que comemos. Sin embargo, las células musculares no usan azúcar, grasas o proteínas para contraerse. Más bien, nuestras células convierten la energía almacenada en esas moléculas de nutrientes en energía almacenada dentro de ATP (trifosfato de adenosina). Esa es la molécula de energía universal para las células vivas. El ATP, a su vez, proporciona la energía necesaria para la contracción muscular. El ejercicio muscular devora miles de millones de moléculas de ATP cada segundo. En esta lección, describiremos cómo nuestras células musculares utilizan la energía de los nutrientes para producir ATP y, por lo tanto, contraerse.

ATP y fosfato de creatina

Mientras descansa, el músculo esquelético produce más ATP del que necesita. Como el ATP no es muy estable, el exceso de ATP transfiere energía a la creatina . Esa es una molécula hecha por nuestros músculos a partir de aminoácidos. Esta es la reacción: ATP + Creatina -> ADP + Fosfato de Creatina (CP) .

Entonces, verá, el fosfato se transfiere del ATP a la creatina para producir fosfato de creatina. Como el fosfato de creatina, o fosfocreatina, es más estable que el ATP, proporciona una forma eficaz de almacenar energía. Durante la contracción, la proteína contráctil miosina descompone el ATP produciendo ADP y fosfato. La energía almacenada en el fosfato de creatina se utiliza para recargar el ADP de la siguiente manera: CP + ADP -> Creatina + ATP .

Entonces, ya ve, el fosfato ahora se transfiere de nuevo al ADP para producir ATP, y el ATP se puede usar para la contracción. Estas reacciones son catalizadas por la enzima que llamamos creatina fosfocinasa (o CPK ) y está ubicada en la célula muscular. La CPK se filtra al torrente sanguíneo cuando los músculos están dañados. Por ejemplo, esto sucede con un infarto de miocardio o un ataque cardíaco, que resulta en daño del músculo cardíaco. Las pruebas clínicas se utilizan para medir los niveles circulantes de CPK y, por lo tanto, evaluar el nivel de daño muscular.

Es importante tener en cuenta que las reservas de ATP y CP se agotan en unos 15 segundos de ejercicio. Eso no es mucho. Por tanto, la célula debe ser capaz de generar o sintetizar ATP si quiere seguir funcionando.

Glucólisis

El proceso de descomposición del azúcar que se usa para producir ATP se llama glucólisis.

El comienzo de la síntesis de ATP en la célula se denomina glucólisis . Durante la glucólisis, se libera energía de la descomposición del azúcar y se usa para producir ATP. Específicamente, la glucosa se descompone en ácido pirúvico (o piruvato) en el citoplasma de la célula. La glucólisis es un proceso anaeróbico , ya que no requiere oxígeno molecular. Permítanme señalar rápidamente que la glucólisis puede ocurrir en presencia de oxígeno, simplemente no la necesita.

Sin embargo, en ausencia de oxígeno molecular, la glucólisis es la única fuente de ATP. Durante la glucólisis, cada molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de ácido pirúvico. Este es un proceso de varios pasos y produce cuatro moléculas de ATP. Sin embargo, dos moléculas de ATP se utilizan al principio del proceso de glucólisis y eso produce una ganancia neta de solo dos ATP por glucosa que pasa por la glucólisis. Eso no es mucho. Permítanme señalar rápidamente que el ácido pirúvico se convierte en ácido láctico en ausencia de oxígeno. El ácido láctico, al menos en parte, es responsable de los calambres musculares.

Debido a que solo se obtienen dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, necesitamos mucha glucosa para apoyar el metabolismo anaeróbico. El glucógeno es una molécula grande formada por un montón de moléculas de glucosa individuales y proporciona una reserva de glucosa para las células musculares. Sin embargo, con el tiempo, nuestras reservas de glucógeno se agotan y se necesita la síntesis aeróbica de ATP, de lo que hablaremos a continuación.

Metabolismo aeróbico

El metabolismo aeróbico simplemente se refiere a la síntesis de ATP utilizando oxígeno. Esto representa aproximadamente el 95% del ATP utilizado en condiciones de reposo.

El metabolismo aeróbico ocurre dentro de las mitocondrias de las células musculares. Cuando las demandas de energía son relativamente bajas y el oxígeno está fácilmente disponible, el trabajo principal de la glucólisis es suministrar a las mitocondrias ácido pirúvico que luego las mitocondrias usarán para producir ATP. Sin embargo, cuando la demanda de energía aumenta y el suministro de oxígeno es limitado, por ejemplo, al comienzo del ejercicio, la glucólisis por sí sola proporciona el ATP que necesitamos para la contracción.

Con una actividad prolongada, el sistema cardiovascular se pondrá al día y entregará suficiente oxígeno para que la célula pueda cambiar al metabolismo aeróbico. Eso es bueno porque nuestras reservas de glucógeno no son ilimitadas. Además, el metabolismo aeróbico es más eficiente que el metabolismo anaeróbico. Si recuerda, en el metabolismo anaeróbico solo se obtienen dos moléculas de ATP por glucosa, mientras que con el metabolismo aeróbico, cada molécula proporciona suficiente energía para 34 moléculas de ATP. ¡Eso es un buen negocio!

El metabolismo aeróbico se puede dividir en dos partes: el ciclo del ácido cítrico , también conocido como ciclo de Krebs o ciclo del ácido tricarboxílico, y la fosforilación oxidativa . Ahora, en general, lo que sucede aquí es que el ácido pirúvico se descompone en dióxido de carbono y agua. En el curso de la descomposición del ácido pirúvico, se libera energía. ¿Cómo ayudan estos procesos a producir ATP?

En condiciones aeróbicas, el ácido pirúvico libera electrones a medida que el ácido pirúvico se descompone en las mitocondrias. Estos electrones transportan mucha energía que, en última instancia, se utiliza para producir ATP. Un paso final en la fosforilación oxidativa es la producción de agua a partir de iones de hidrógeno y oxígeno molecular. Más específicamente, los electrones negativos liberados del ácido pirúvico son recogidos por iones de hidrógeno positivos y reaccionan con el oxígeno para producir agua. La reacción es: 1/2 O2 + 2e- + 2H + -> H2O .

Resumen de la lección

En resumen, la contracción muscular depende de la energía obtenida de la hidrólisis de ATP ; ATP, nuevamente, es la molécula de energía universal para todas las células. En condiciones de reposo, las células musculares pueden producir mucho ATP para apoyar la contracción. Como el ATP es una molécula inestable y se produce más ATP del necesario en condiciones de reposo, el exceso de ATP es degradado por la creatina fosfoquinasa , que cataliza la síntesis de creatina fosfato (CP) a partir de ATP y creatina. En condiciones extenuantes, el fosfato de creatina se puede utilizar para regenerar ATP a partir de ADP.

Después de unos 15 segundos de ejercicio, el ATP y CP se agotan y la célula debe generar más ATP para soportar la contracción. Al principio del ejercicio, cuando el suministro de ATP es bajo y el suministro de oxígeno es limitado, la glucólisis (o la descomposición de la glucosa en ácido pirúvico) produce dos moléculas de ATP por glucosa. La glucólisis no requiere oxígeno y depende de una fuente continua de glucosa procedente de las reservas de glucógeno.

Con una actividad prolongada, el sistema cardiovascular puede satisfacer la mayor demanda de oxígeno molecular, y el músculo cambiará al metabolismo aeróbico , es decir, la síntesis de ATP en las mitocondrias utilizando oxígeno molecular. El metabolismo aeróbico produce 34 ATP por glucosa, por lo que se aprovecha mejor la glucosa restante. El metabolismo aeróbico utiliza tanto el ciclo del ácido cítrico como la fosforilación oxidativa , que producen 34 ATP utilizando energía de una sola molécula de glucosa.

Los resultados del aprendizaje

Al final de esta lección, podrá:

• Expresar la importancia del ATP
• Explicar las funciones de la creatina fosfoquinasa y el fosfato de creatina en la generación de ATP.
• Describir cómo se produce el ácido pirúvico en la glucólisis.
• Resumir cómo el metabolismo aeróbico genera 34 moléculas de ATP por molécula de glucosa.