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

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• 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

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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

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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

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∆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)

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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

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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

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• 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