o desafio bioenergético do exercício físico...alta demanda energética é sustentada por pouco...

Bioenergética

Bioquímica do Exercício 2019 - EEFERP

Prof. Dr. Tiago R. Figueira

O desafio bioenergético do exercício físico

Objetivos

Compreender o desafio bioenergético que representa o exercício físico

Na sequência, compreender detalhadamente os sistemas metabólicos que sustentam a regeneração

de ATP no repouso e no exercício

Sumário

1. Introdução: glossário e conceitos básicos

2. Quantificação do desafio bioenergético durante o exercício

3. Alta demanda energética é sustentada por pouco tempo: relação com a bioenergética

Introdução: glossário e conceitos básicos

Matéria

• tudo aquilo que contém massa

• Massa é a medida de quantidade de matéria

Energia

• tudo aquilo que realiza trabalho

• é a capacidade de transformar a matéria ou produzir movimento

4

Introdução: glossário e conceitos básicos

Potência:

• fluxo de energia • quantidade de energia liberada por unidade de tempo

Unidade de medida: Watts (W)

1 W = 1J/s 1 kcal = ~4,2 kJ

5

Introdução: glossário e conceitos básicos

Em organismos vivos, energia é necessária para promover trabalho biológico

6

• Síntese de biomoléculas

• Transferência de informação genética

• Gradientes elétrico e químico

• Trabalho mecânico

• Produção de luz

O Exercício Físico Aumenta a Demanda por Energia (hidrólise de ATP)

ADP+Pi

ATP Processos Celulares

(eg. contração muscular)

A performance física em algumas atividades reflete a capacidade do organismo re-sintetizar ATP

Sumário

1. Introdução: glossário e conceitos básicos

2. Quantificação do desafio bioenergético durante o exercício

3. Alta demanda energética é sustentada por pouco tempo: relação com a bioenergética

Evidências fundamentais do desafio

bioenergético durante o exercício em humanos

9

• É fácil a mensuração do trabalho biológico mecânico externo • Liberação de energia na

forma mecânica

Raciocinemos “do meio externo” para o “interno”

A capacidade de liberar energia mecânica tem um amplo espectro

10

Homem de 70 kg

0 200 400 600

Potência mecânica no cicloergômetro (W)

saudável não treinado

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Potência mecânica no cicloergômetro (W)

saudável não treinado

atleta de elite (sprinter)

11

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Potência mecânica no cicloergômetro (W)

saudável não treinado

atleta de elite (sprinter)

Qual é a quantidade de energia requerida pelo organismo para sustentar estes trabalhos ?

Biologia e duas leis da termodinâmica norteiam a resposta

Qualitativamente podemos responder

12

Se um corpo libera energia mecânica em uma

determinada taxa (ex. 600 W), o total de energia química

liberada por unidade de tempo, internamente, será um

valor superior.

ΔH = ΔG + TΔS

Entropia •Energia não útil ao sistema

Energia útil •Entalpia (total de energia)

A eficiência do organismo humano na produção de trabalho mecânico

13

ΔH = ΔG + TΔS

Do total de energia :

• ~20% (15-24%) trabalho mecânico

• o restante para 100% é calor

Custo energético da geração de trabalho mecânico

14

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

10

20

30

40

50

60

70

80

somente atletas

"sprin

ters"

De

ma

nd

a d

e e

ne

rgia

to

tal

(ve

ze

s a

ta

xa

de

re

po

uso

)

Potência mecânica (W)

Custo energético do estado de repouso = ~1,23 kCal/min

X (W) Y (vezes)

Energia (kCal/min)

25 3 3,8

325 16 20

600 29 35

Sumário

1. Introdução: glossário e conceitos básicos

2. Quantificação do desafio bioenergético durante o exercício

3. Alta demanda energética é sustentada por pouco tempo: relação com a bioenergética

Alta demanda energética (energia por unidade de tempo) é sustentada por pouco tempo

16

∆E ∆T

Elevada Potência

Exercício tolerado por pouco tempo

∆E ∆T

Baixa Potência

Exercício tolerado por mais tempo

Analisemos os records mundiais em provas do atletismo (fonte: IAAF)

17

Distance (km) Word record time (s) Speed (km/h)

0,1 9.58 37.58

0.2 19.19 37.52

0.4 43.03 33.47

0.8 100.91 28.54

1.0 131.96 27.28

1.5 206.00 26.21

1.6 223.13 25.81

2.0 284.79 25.28

3.0 440.67 24.51

5.0 757.35 23.77

10.0 1577.53 22.82

20.0 3386.00 21.26

30.0 5207.40 20.74

∆E ∆T

20 22 24 26 28 30 32 34 36 380

1200

2400

3600

4800

Tim

e t

ole

rate

d (

s)

Speed of locomotion (km/h)

Records mundiais: tempo vs. velocidade

18 ∆E ∆T

Taxa de trabalho mecânico Ou gasto energético por

unidade de tempo = Intensidade de Esforço

4 16 64 256 1024 40962022242628303234363840

Spee

d of

loco

mot

ion

(km

/h)

Time tolerated (s)

Se o gráfico for invertido e o eixo X for em escala log, temos

19

20 22 24 26 28 30 32 34 36 380

1200

2400

3600

4800

Tim

e tole

rate

d (

s)

Speed of locomotion (km/h)

200 m (19,19s)

1000 m (132s)

4 16 64 256 1024 40962022242628303234363840

Spee

d of

loco

mot

ion

(km

/h)

Time tolerated (s)

Essa três zonas resultam do recrutamento diferencial de três sistemas distintos de

liberação de energia

20

Os três sistemas de liberação de energia química são nomeados:

21

Sistema Anaeróbio Imediato

Metabolismo Aeróbio

Sistma Anaeróbio Lático

CrP Glicolítico Oxidativo

(Resp. Mitocondrial)

Os três sistemas de liberação de energia degradam diferentes substratos

22

Metabolismo Anaeróbio Imediato

Metabolismo Aeróbio

Metabolismo Anaeróbio Lático

Estoques endógenos fosfatados (ex. CP)

Carboidratos

Ácidos graxos

Aminoácidos

Diferenças bioenergéticas primordiais entre os três sistemas

São bem distintos em relação:

•Capacidade (total de energia)

•Potência (taxa de transformação de energia)

Anaeróbio Imediato Anaeróbio Lático

Metabolismo Aeróbio

Capacidade

Potência

Questões

1. Quais teorias permitem concluirmos que o gasto energético aumenta durante o exercício em comparação ao repouso?

2. Quais os trabalhos biológicos celulares ocorrem em maior intensidade durante o exercício?

3. Quem é o intermediário energético que sustenta os trabalhos celulares? Qual é a forma de energia contida nele?

4. Quais sistemas energéticos regeneram o ATP?

5. Em um determinado tipo de exercício cíclico, como a corrida, qual é o gasto energético?

6. Qual a relação da intensidade com o recrutamento dos sistemas metabólicos e com a tolerância ao exercício?

Recapitulação final

25

• O exercício pode elevar muito a demanda energética em relação ao basal

• Altas intensidades de esforço (fluxo energético) são toleradas por pouco tempo

• A intensidade de esforço influencia o sistema energético predominantemente recrutado

• O ATP é o intermediário energético e já foi discutido anteriormente que seu ∆G é mutável

Referências

Referências

1. Brooks GA, Fahey TD, Baldwin KM. Exercise physiology: human bioenergetics and its applications. 4o ed. Nova York: McGraw-Hill; 2004. 876 p.

2. Dorel S, Hautier CA, Rambaud O, Rouffet D, Van Praagh E, Lacour J-R, et al. Torque and Power-Velocity Relationships in Cycling: Relevance to Track Sprint Performance in World-Class Cyclists. Int J Sports Med. 2005;26(9):739–46.

3. Mourão-Junior CA, Abramov DM. Biofísica Essencial. Primeira. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan; 2015. 196 p.

4. Nelson DL, Cox MM. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6o ed. Porto Alegre: Artmed; 2014. 1220 p.

5. Nicholls DG, Ferguson SJ. Bioenergetics 3. 3o ed. Londres: Elsevier; 2002. 297 p.

6. Nickleberry BL, Brooks GA. No effect of cycling experience on leg cycle ergometer efficiency. Med Sci Sports Exerc. 1996;28(11):1396–401

7. Pazin N, Bozic P, Bobana B, Nedeljkovic A, Jaric S. Optimum loading for maximizing muscle power output: the effect of training history. Eur J Appl Physiol. 2011;111(9):2123–30.

8. Swain DP. Energy cost calculations for exercise prescription: an update. Sports Med. 2000;30(1):17–22. 27