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Fisiología de la carga física

La fisiología del ejercicio físico es una disciplina científica que estudia cómo el cuerpo humano responde, se adapta y prospera ante el esfuerzo físico. Abarcando numerosos subtemas, desde la biología molecular hasta la biomecánica, ayuda a comprender los procesos que permiten alcanzar una mejor forma física y mantener la salud, ya sea que seas un atleta élite o simplemente quieras llevar una vida más activa. En este artículo abordaremos:

  • Mecanismos de contracción muscular: procesos celulares y moleculares que permiten a los músculos generar fuerza.
  • Sistemas de producción de energía: ATP-PCr, glucolítico y oxidativo, que suministran energía a los músculos.
  • Respuesta de los sistemas cardíaco y respiratorio: cómo se adaptan durante el ejercicio físico.

Al profundizar en estos temas, entenderemos mejor cómo el cuerpo convierte los nutrientes en movimiento, mantiene cargas de diferentes intensidades y regula funciones vitales como el ritmo cardíaco y la respiración para satisfacer las demandas físicas.

Mecanismos de contracción muscular

Todos los movimientos físicos – ya sea levantar pesas, esprintar en la pista o simplemente subir escaleras – se basan en la contracción muscular. Miles de fibras musculares se contraen y relajan para generar fuerza. En esta sección examinaremos los eventos a nivel celular que permiten el desarrollo de la fuerza muscular: la teoría del filamento deslizante, la unión neuromuscular, así como la importancia del calcio y el ATP para la producción de fuerza.

1.1 Teoría del filamento deslizante

La teoría del filamento deslizante, propuesta a mediados del siglo pasado por los investigadores Andrew Huxley y Rolf Niedergerke (y otros científicos), explica cómo las fibras musculares esqueléticas se acortan y generan tensión. Las fibras musculares esqueléticas están compuestas por miofibrillas, que a su vez están formadas por unidades repetitivas llamadas sarcómeros. En ellos hay dos filamentos proteicos principales:

  • Actina (filamentos delgados): Filamentos delgados anclados a la línea Z en cada sarcómero. La actina tiene dos proteínas reguladoras – troponina y tropomiosina – que controlan la interacción de la actina con la miosina.
  • Miosina (filamentos gruesos): Filamentos gruesos con "cabezas" sobresalientes que pueden unirse a los sitios activos de la actina. Estas cabezas realizan el golpe de fuerza principal durante la contracción muscular.

Cuando la fibra muscular recibe un impulso eléctrico (potencial de acción) de la neurona motora, del retículo sarcoplásmico se liberan iones de calcio (Ca2+) al citosol de la célula.

“El calcio se une a la troponina, cambiando la posición de la tropomiosina y exponiendo los sitios de unión de la actina. Las cabezas de miosina se unen a la actina formando puentes cruzados. Usando la energía del ATP, las cabezas de miosina realizan el "golpe de fuerza" y tiran de los filamentos de actina hacia el centro, acortando el sarcómero.”

1.2 Unión neuromuscular (NMJ)

La contracción muscular comienza antes incluso del sarcómero – en la unión neuromuscular (NMJ), donde la terminal del axón de la neurona motora se encuentra con la membrana de la fibra muscular (sarcolema). Etapas principales:

  • El potencial de acción se propaga por la neurona motora hasta su terminal.
  • El neurotransmisor sintetizado acetilcolina (ACh) se libera de las vesículas hacia la hendidura sináptica.
  • El ACh se une a los receptores en la membrana muscular, generando un impulso eléctrico que se propaga por la sarcolema.
  • El impulso se propaga por los túbulos T, estimulando la liberación de calcio de la red sarcoplásmica, iniciando así el ciclo de contracción.

La unión neuromuscular es un punto clave de control y posible fatiga o disfunción. Si la liberación de ACh o la actividad de los receptores se altera (como ocurre en la miastenia gravis), la contracción muscular se debilita o no ocurre.

1.3 Papel del ATP y el calcio

Adenosín trifosfato (ATP) – fuente inmediata de energía para la contracción muscular. Cada interacción entre la cabeza de miosina y la actina (puente cruzado) requiere una molécula de ATP. Después del golpe de fuerza, el ATP se une a la cabeza de miosina para separarla de la actina. Luego, el ATP se hidroliza, “recargando” la cabeza para una nueva etapa de contracción. Al mismo tiempo, el calcio debe mantenerse en alta concentración en el citosol celular para que la tropomiosina no bloquee los sitios activos de la actina. Cuando el impulso neuronal termina, el calcio se devuelve activamente a la red sarcoplásmica (también usando ATP), lo que permite que el músculo se relaje.

2. Sistemas de producción de energía: ATP-PCr, glucolítico y oxidativo

No importa si la contracción muscular es corta o larga, siempre requiere un único requisito común: una cantidad constante de ATP. Como el cuerpo almacena solo una cantidad limitada de ATP, los músculos tienen varios sistemas de producción de energía para renovar continuamente el ATP. Estos sistemas difieren en capacidad (cuánto ATP pueden producir) y potencia (qué tan rápido se puede producir ATP).

2.1 Sistema ATP-PCr (fosfágeno)

El sistema ATP-PCr (trifosfato de adenosina y fosfocreatina) es el que suministra energía más rápidamente, pero también el de menor duración. Funciona cuando se requiere un esfuerzo rápido y explosivo, como levantar pesas pesadas, saltar desde parado o correr 100 m en una distancia de hasta 10 s.

Fosfocreatina (PCr), almacenada en las células musculares, dona un fosfato a la molécula de ADP (adenosindifosfato), formando ATP. La reacción está catalizada por la enzima creatina quinasa:

“PCr + ADP → Cr + ATP”

Dado que el músculo almacena una cantidad limitada de PCr, este sistema es efectivo solo por unos segundos. Aunque tiene una gran potencia, esta fuente de energía solo es suficiente para actividades muy breves.

2.2 Sistema glucolítico (anaeróbico)

Si la carga intensa dura más de 10–15 s, los músculos pasan al sistema glucolítico, también llamado glucólisis anaeróbica. Durante este proceso, la glucosa (de la sangre) o el glucógeno (almacenado en músculos o hígado) se descompone en piruvato, produciendo 2–3 ATP por cada molécula de glucosa. Cuando falta oxígeno, el piruvato se convierte en lactato.

  • Producción de ATP: Aproximadamente 2 ATP por una molécula de glucosa sin oxígeno, adecuado para cargas de intensidad media (alrededor de 1–2 minutos), por ejemplo, para correr 400 m.
  • Factor limitante: La acumulación de lactato e iones de hidrógeno reduce el pH muscular, altera la actividad enzimática y causa fatiga ("sensación de ardor").
  • Ventaja: La producción de ATP es bastante rápida y sin usar oxígeno, cubriendo esfuerzos de corta y media duración con alta intensidad.

2.3 Sistema oxidativo (aeróbico)

Durante actividad física prolongada (más de 2–3 minutos) predomina el sistema oxidativo (aeróbico). Usa oxígeno para descomponer completamente carbohidratos, grasas y en menor medida proteínas, por lo que la producción de ATP es mucho mayor. El sistema oxidativo incluye:

  • Glicólisis aeróbica: Cuando hay suficiente oxígeno, el piruvato se convierte en acetil-CoA en las mitocondrias, ingresando al ciclo de Krebs.
  • Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico): El acetil-CoA se oxida liberando electrones.
  • Cadena de transporte de electrones (ETC): Los electrones viajan a través de complejos proteicos, creando condiciones para la síntesis de grandes cantidades de ATP.

La respiración aeróbica genera aproximadamente 30–36 ATP por cada molécula de glucosa, y la oxidación de ácidos grasos puede producir aún más ATP. Sin embargo, esto requiere un suministro adecuado de oxígeno, lo que explica por qué la capacidad del sistema cardiorrespiratorio es crucial en ejercicios de resistencia y por qué el cuerpo recurre a vías anaeróbicas cuando la intensidad supera la capacidad de suministro de oxígeno.

3. Respuesta de los sistemas cardíaco y respiratorio al ejercicio físico

Cuando los músculos comienzan a trabajar más activamente, los sistemas cardíaco y respiratorio se ajustan para satisfacer la mayor demanda de oxígeno y nutrientes, así como para eliminar los desechos metabólicos, como el dióxido de carbono y el lactato. Estos cambios ocurren casi de inmediato al iniciar el ejercicio para que los tejidos reciban los recursos necesarios.

3.1 Adaptaciones del sistema cardiovascular

Sistema cardiovascular – incluye el corazón, los vasos sanguíneos y la sangre. Durante el ejercicio, sus respuestas son de las más importantes:

3.1.1 Frecuencia cardíaca (FC)

Al comenzar la actividad física, la frecuencia cardíaca aumenta debido a la mayor actividad del sistema nervioso simpático y la disminución del tono parasimpático. Esto permite un suministro más rápido de oxígeno al cuerpo y la eliminación de CO2. La frecuencia cardíaca puede aumentar hasta la frecuencia cardíaca máxima (FCmax), que se calcula aproximadamente con la fórmula (220 − edad), aunque existen diferencias individuales.

3.1.2 Volumen sistólico (VS)

Volumen sistólico muestra cuánto sangre expulsa el ventrículo izquierdo en una contracción. Durante ejercicio moderado e intenso, el VS generalmente aumenta debido al mayor retorno venoso, causado por las contracciones musculares y la mayor actividad simpática. Esto explica el mecanismo de Frank-Starling: cuanto más se llena el ventrículo (mayor volumen diastólico final), más fuerte se contrae.

3.1.3 Gasto cardíaco (Q)

Gasto cardíaco (Q) es el producto de la frecuencia cardíaca y el volumen sistólico:

“Q = FC × VS”

Durante el ejercicio físico intenso, el gasto cardíaco puede aumentar varias veces – hasta 20–25 l/min (y a veces más en atletas de élite), en comparación con ~5 l/min en reposo. Esto permite suministrar más oxígeno y nutrientes para satisfacer las mayores demandas metabólicas.

3.1.4 Redistribución del flujo sanguíneo y presión arterial

  • Vasodilatación en los músculos activos: Con el entrenamiento, las arteriolas en los músculos activos se dilatan para aumentar el flujo sanguíneo. Al mismo tiempo, las áreas menos importantes (por ejemplo, órganos digestivos) se contraen (vasoconstricción) para redirigir la sangre hacia donde más se necesita.
  • Cambios en la presión arterial: La presión arterial sistólica (cuando el corazón se contrae) normalmente aumenta durante el esfuerzo, mientras que la presión arterial diastólica (cuando el corazón se relaja) puede no cambiar o incluso disminuir ligeramente, dependiendo de la respuesta vascular.

3.2 Adaptaciones del sistema respiratorio

El sistema respiratorio (pulmones y vías respiratorias) realiza el suministro de oxígeno y la eliminación de dióxido de carbono. Durante el esfuerzo, experimenta adaptaciones inmediatas y a largo plazo:

3.2.1 Aumento de la ventilación

La ventilación (circulación de aire dentro y fuera de los pulmones) puede aumentar de 6–8 l/min en reposo a más de 100 l/min durante un esfuerzo intenso. Se regula:

  • De forma nerviosa: Los propioceptores en músculos y articulaciones envían señales a los centros respiratorios en el cerebro (bulbo raquídeo y puente) para aumentar la respiración antes de grandes cambios en los gases sanguíneos.
  • De forma humoral: El aumento de CO2, la disminución del pH y la caída del O2 (detectados por quimiorreceptores) también estimulan una respiración más profunda y frecuente.

3.2.2 Volúmenes y capacidades pulmonares

  • Volumen corriente (VC): Cantidad de aire inhalado o exhalado durante la respiración normal. Durante el esfuerzo, aumenta para satisfacer la mayor demanda de oxígeno.
  • Frecuencia respiratoria (FR): Número de inhalaciones por minuto. Al aumentar la intensidad, puede duplicarse o triplicarse en comparación con el estado de reposo.
  • Ventilación minuto: Producto del volumen y la frecuencia respiratoria. Aumenta considerablemente para satisfacer las necesidades metabólicas.

3.2.3 Captación de oxígeno (VO2) y VO2 max

VO2 – tasa de consumo de oxígeno, un indicador importante para describir la producción de energía aeróbica. VO2 max – es la tasa máxima de utilización de oxígeno durante un esfuerzo intenso, que refleja el nivel de preparación y resistencia del sistema cardiorrespiratorio. Los atletas de élite en resistencia suelen tener valores muy altos de VO2 max, lo que garantiza la capacidad para un trabajo aeróbico prolongado.

3.3 Interacción de los sistemas cardíaco y respiratorio

La coordinación de los sistemas cardíaco y respiratorio determina un suministro eficiente de oxígeno y una eliminación de dióxido de carbono. La hemoglobina en los glóbulos rojos, influenciada por cambios locales de temperatura y pH, puede modificar dinámicamente su afinidad por el oxígeno para liberar más a los músculos durante el trabajo intenso. A medida que aumenta la intensidad de la carga, estos cambios químicos (por ejemplo, mayor CO2, temperatura más alta y pH más bajo) fomentan una mayor liberación de oxígeno de la hemoglobina, en función de las crecientes demandas.

4. Adaptaciones a largo plazo del entrenamiento

Aunque estos mecanismos reflejan respuestas momentáneas, la actividad física regular provoca adaptaciones a largo plazo que aumentan las capacidades del organismo. Estas incluyen:

  • Adaptaciones musculares: Aumenta el número de mitocondrias, la capilarización y la actividad enzimática durante el entrenamiento aeróbico. La hipertrofia muscular (mayor volumen de fibras musculares) ocurre con el entrenamiento de fuerza, además de mejorar la fuerza y la coordinación neuromuscular.
  • Adaptaciones cardiovasculares: Aumenta el volumen sistólico, disminuye la frecuencia cardíaca en reposo y crece el volumen sanguíneo total en personas que realizan entrenamientos de resistencia. Tanto los deportistas de resistencia como los de fuerza presentan un aumento de la masa del ventrículo izquierdo, aunque esto se manifiesta de diferentes maneras.
  • Adaptaciones del sistema respiratorio: Aunque los volúmenes pulmonares no aumentan significativamente en la mayoría de las personas, el entrenamiento de resistencia mejora la eficiencia de la ventilación y la capacidad para tolerar una mayor frecuencia respiratoria sin experimentar gran incomodidad.

Estas adaptaciones facilitan las actividades diarias, reducen la fatiga y mejoran significativamente los resultados deportivos. También disminuyen el riesgo de padecer enfermedades crónicas, como trastornos cardiovasculares, diabetes tipo 2 u osteoporosis.

5. Importancia práctica y aplicación

Al comprender la fisiología del esfuerzo físico, los especialistas (entrenadores, fisioterapeutas, médicos) pueden prescribir programas efectivos e individualizados para diversos objetivos: control de peso, aumento del volumen muscular, mejora del rendimiento deportivo o garantía de la salud cardiovascular. Algunos aspectos prácticos:

  • Especificidad del entrenamiento: Dependiendo de la intensidad y duración de la carga, predominan diferentes sistemas de producción de energía. Los entrenamientos dirigidos a los sistemas ATP-PCr (fuerza rápida), glucolítico (intervalos intensos) u oxidativo (resistencia) aseguran la dirección adecuada de las adaptaciones necesarias.
  • Sobrecarga progresiva: El cuerpo se adapta a un aumento gradual de la carga de entrenamiento. Incrementando consistentemente la carga sobre los músculos, la producción de energía y los sistemas cardiovascular y respiratorio, se logra un progreso continuo.
  • Recuperación y periodización: Días de descanso estructurados y ciclos de entrenamiento (periodización) permiten que los sistemas fisiológicos se recuperen y supercompensen, previniendo el agotamiento y la estancación de resultados.
  • Control de la intensidad: Indicadores como la frecuencia cardíaca, VO2 max, umbral de lactato y la percepción subjetiva del esfuerzo (RPE) ayudan a determinar zonas de entrenamiento que maximizan el desarrollo sin causar estrés excesivo.

Conclusión

La fisiología del ejercicio revela las impresionantes capacidades del cuerpo humano para adaptarse y funcionar. La contracción muscular a nivel celular se basa en la interacción de actina y miosina, controlada por ATP y regulada por impulsos nerviosos y señalización de calcio. Los sistemas de producción de energía suministran en tiempo real a los músculos utilizando fosfocreatina, glucólisis anaeróbica o vías oxidativas para satisfacer las demandas del esfuerzo, ya sea un movimiento explosivo corto o una tarea de resistencia prolongada. Mientras tanto, los sistemas cardiovascular y respiratorio colaboran para suministrar oxígeno, eliminar desechos metabólicos y mantener la homeostasis bajo condiciones de diversas intensidades. El entrenamiento regular induce adaptaciones beneficiosas, desde los músculos y el sistema cardiovascular hasta la respiración y el metabolismo.

Este conocimiento no solo ayuda a alcanzar altas metas deportivas, sino también a evaluar cómo mantener mejor el cuerpo durante toda la vida. Ya sea que el objetivo sea correr un maratón, aumentar la fuerza o mejorar la salud general, la fisiología del ejercicio ofrece pautas que muestran cómo convertir el potencial en realidad.

Referencias

  • McArdle, W.D., Katch, F.I., & Katch, V.L. (2014). Fisiología del Ejercicio: Nutrición, Energía y Rendimiento Humano (8ª ed.). Lippincott Williams & Wilkins.
  • Wilmore, J.H., Costill, D.L., & Kenney, W.L. (2019). Fisiología del Deporte y el Ejercicio (7ª ed.). Human Kinetics.
  • American College of Sports Medicine (ACSM). https://www.acsm.org/
  • Brooks, G.A., Fahey, T.D., & Baldwin, K.M. (2005). Fisiología del Ejercicio: Bioenergética Humana y Sus Aplicaciones (4ª ed.). McGraw-Hill.
  • OpenStax (2023). Anatomía y Fisiología. https://openstax.org/details/books/anatomy-and-physiology

Limitación de responsabilidad: Este artículo está destinado a fines educativos y no reemplaza las consultas médicas profesionales. Para un programa de entrenamiento individualizado, se recomienda consultar a un profesional de la salud calificado o a un entrenador certificado.

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