En tu bicicleta: ¿Cómo los músculos responden al ejercicio? Understand article

Traducido por Jorge J. Pérez-Maceira. Todos sabemos que el ejercicio nos pone en forma y es saludable – pero, ¿Qué cambios tienen lugar en nuestras células para que esto suceda?

Imagen cortesía de Let Ideas
Compete; fuente de la imagen:
Flickr

La próxima vez que usted esté trabajando en el gimnasio, o recorriendo las calles corriendo o haciendo jogging, piense en esto: la idea de “memoria muscular” – el ejercicio de hoy tiene efectos en nuestros músculos años a partir de ahora – nunca se ha demostrado científicamente. ¿Existe realmente?, y si es así, ¿Cómo funciona?

Figura 1: Una aguja de
biopsia se utiliza para tomar
un fragmento de músculo de
la pierna de un participante
en el estudio. Este tejido
puede revelar cambios que
se producen en las fibras
musculares en respuesta a
diferentes tipos de ejercicio

Imagen cortesía de Maléne
Lindholm y Susanna Wallman
Appel

Estas son algunas de las preguntas que esperamos responder en nuestra investigación en curso, que tiene por objeto precisar los cambios que se producen en los músculos cuando hacemos ejercicio, y cómo nuestros músculos “saben” que responder de manera diferente a, por ejemplo, el entrenamiento de resistencia en comparación con el entrenamiento de fuerza.

Ayudándonos a investigar estas cuestiones tenemos un gran equipo de voluntarios. No sólo deben entrenar (ciclos de entrenamiento) hasta el agotamiento en el gimnasio, sino que antes y después de un vigoroso régimen de ejercicio de varias semanas de duración, se toma una pequeña muestra de su músculo de la pierna con anestesia local (figura 1). El objetivo de nuestra investigación es ayudar a las personas a optimizar sus programas de formación para el máximo estado físico (fitness), y potencialmente para ayudar a desarrollar nuevos tratamientos para las personas que no pueden hacer ejercicio debido a que están paralizados o que tienen enfermedades de las articulaciones.

Figura 2: Antes de los
estudios sobre el ejercicio,
los participantes realizan
una prueba en la que se
recoge todo su aire exhalado
y la cantidad de oxígeno
consumido por el cuerpo es
medido. Esto proporciona
información sobre el nivel de
condición física del corazón y
músculos de cada
participante

Imagen cortesía de Maléne
Lindholm y Susanna Wallman
Appel

Evaluamos el estado físico de los voluntarios antes y después de la participación en los estudios a través de la medición de su consumo máximo de oxígeno. Los ciclos en una bicicleta estática contra el aumento de la resistencia hasta el agotamiento, mientras que usa una máscara para analizar su consumo de oxígeno (figura 2). Esto nos da información sobre la capacidad de bombeo del corazón y el metabolismo de los músculos que trabajan – ambos factores asociados con el nivel de condición física de una persona.

Luego se estudia el tejido muscular de las biopsias, ya sea por corte y tinción del tejido, viéndolo bajo un microscopio (figura 3), o por ruptura del tejido y medición de los niveles de las moléculas particulares.

Por supuesto, ya sabemos que el ejercicio regular produce beneficios para la salud. Los individuos físicamente activos tienen un riesgo menor de desarrollar enfermedades cardiovasculares, diabetes tipo II y ciertos tipos de cáncer. Incluso una cantidad moderada de actividad física diaria, por ejemplo, 30 minutos de caminata a paso ligero, es suficiente para conferir muchos de los beneficios.

Figura 3: Un microscopio se
utiliza para visualizar los
cambios que ocurren dentro
de las fibras musculares en
respuesta al ejercicio. Los
diferentes tipos de tinción
pueden revelar estructuras
diferentes dentro de la
célula. En este caso, una
modificación de las histonas
específica se tiñe en rojo,
con los núcleos de color
azul y de la membrana
celular de color verde. Para
averiguar si ha ocurrido un
cambio, nosotros lo
comparamos con una imagen
tomada antes del
entrenamiento. Haga clic
sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de Maléne
Lindholm y Susanna Wallman
Appel

No es sólo una cuestión de la cantidad de ejercicio que hacemos, sino también qué tipo y cuan intenso es: diferentes tipos de ejercicios producen diferentes efectos en el cuerpo. Los entrenamientos de fuerte resistencia, como levantamiento de pesas, hacen que los músculos esqueléticos crezcan, proporcionando una mayor fuerza, mientras que el ejercicio de resistencia regular, por ejemplo, carreras de larga distancia, en bicicleta o aerobic, mejoran el estado físico y reducen la fatiga.

¿De qué manera el ejercicio de resistencia regular conduce a estos efectos? Con el tiempo, el corazón adquiere la capacidad de bombear grandes movimientos y después de un par de meses de entrenamiento, los nuevos vasos sanguíneos pequeños (capilares) se forman alrededor de las células musculares para asegurar un buen suministro de oxígeno. Además, el número de mitocondrias – las “centrales energéticas” de la célula – se incrementa. En el interior de las mitocondrias, las enzimas utilizan el oxígeno para convertir el azúcar y las grasas digeridas en energía utilizable. La mayor cantidad de mitocondrias de los músculos, hace que más azúcar y grasas sean metabolizadas y más energía pueden liberar.

Pero lo que aún no comprendemos es exactamente como el ejercicio causa dichos cambios. Estamos persiguiendo esta cuestión a lo largo de dos líneas: en primer lugar, ¿Cómo el ejercicio conduce a una mayor cantidad de mitocondrias en las células del músculo esquelético? Y segundo, ¿Cómo el ejercicio cambia la forma en que se utiliza ADN en la célula?

Construyendo mitocondrias

Las mitocondrias se construyen a partir de moléculas de proteína, por lo que los factores que estimulan la producción de proteínas mitocondriales pueden aumentar el número de mitocondrias en una célula. Un factor que actúa como un regulador clave de la producción de proteínas mitocondriales es una molécula denominada PGC-1α (figura 4).

Figura 4: PGC-1α es un factor conocido por regular el número de mitocondrias en las fibras del músculo esquelético, lo que afecta la resistencia. Los cambios que ocurren durante el ejercicio estimulan la producción de esta proteína, que actúa en concierto con los factores de transcripción (PPAR y NRF-1) para producir componentes mitocondriales. Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imagen cortesía de Susanne Mükusch
Impresión artística de una
sección transversal de una
mitocondria, que muestra la
estructura de la membrana
interna plegada. Haga clic
sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de Mariana
Ruiz Villarreal; fuente de la
imagen: Wikimedia Commons

Para que un gen se exprese – es decir, que se utilice para producir una proteína – la información del ADN almacenada en el núcleo debe primero ser copiada, o transcrita, en una molécula de ARNm. Las moléculas de ARN salen del núcleo a los sitios de la célula donde las moléculas de proteína se construyen.

El proceso de transcripción es controlada por las moléculas que se unen al ADN denominadas factores de transcripción. Estos se unen a la cadena de ADN en puntos muy específicos, ya sea bloqueando o promoviendo el proceso de transcripción. PGC-1α actúa en concierto con los factores de transcripción para promover la expresión de muchos genes que codifican para las proteínas mitocondriales.

Recientemente hemos descubierto que una variante de PGC-1α no está presente en todas antes de hacer ejercicio, pero los altos niveles de ellas se pueden encontrar después de sólo una hora de ciclismo.

Esto sugiere que ciertos genes se activan exclusivamente por el ejercicio, y esto puede ser un indicio de los efectos del entrenamiento sobre la salud. Ahora estamos investigando posibles moduladores proteicos de PGC-1α, que pueden estar ligados a esta proteína para aumentar o disminuir su actividad en el fomento de la producción de proteínas mitocondriales.

Factores epigenéticos

También estamos estudiando el posible impacto del ejercicio sobre la epigenética. Los cambios epigenéticos afectan a cómo el ADN se utiliza, sin afectar a la información genética codificada en él. En nuestras células, el ADN se enrolla alrededor de unas proteínas en forma de moneda denominadas histonas. La colocación de pequeñas moléculas químicas en la cadena de ADN o en las histonas afecta a la capacidad de los factores de transcripción para llegar a sus genes diana. Por ejemplo, la adición de un grupo metilo (CH3) a la molécula de ADN generalmente hace a los genes adyacentes menos accesibles y por lo tanto menos activos, mientras que fijando un grupo acetilo (COCH3) a las histonas generalmente relaja la parte de la cadena de ADN, haciendo que sea más accesible para la transcripción (figura 5).

Figura 5: Adición de un grupo metilo (CH3) a la molécula de ADN generalmente hace que los genes adyacentes menos accesibles y por lo tanto menos activos (A), mientras que fijar un grupo acetilo (COCH3) a las histonas generalmente relaja la parte de la cadena de ADN, por lo que es más accesible para la transcripción (B)
Imagen adaptada con el permiso del Fondo Común NIH (para ver el original, véase: http://commonfund.nih.gov/Epigenomics/epigeneticmechanisms.aspx)

Utilizando el material de las biopsias de nuestros voluntarios, nuestro objetivo es ver si estos efectos epigenéticos permanecen después de un período prolongado sin entrenamiento físico, y si ellos influyen en cómo un individuo responde a un período posterior de la formación. Con base en los resultados de estos experimentos, vamos a ser capaces de investigar si la “memoria muscular” realmente existe y si es así, ¿Cómo sucede esto?.

Agradecimientos

Las autoras desean agradecer al Profesor Asociado Carl Johan Sundberg por darnos la oportunidad de trabajar en su laboratorio y por la información valiosa de este artículo.

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Resources

  • Para aprender más sobre el papel del ejercicio en la prevención y el tratamiento de diferentes enfermedades, consulte:
  • Para obtener más información acerca de los efectos fisiológicos del ejercicio, consulte:
    • Wilmore JH, Costill DL, Kenney WL (2007) Physiology of Sport and Exercise 4th edition. Champaign, IL, USA: Human Kinetics. ISBN: 9780736055833

    • El GCSE Bitesize de la página web de la BBC tiene un recurso denominado “efectos del entrenamiento y el ejercicio” (‘effects of training and exercise’). Está dirigido a estudiantes de 14 a 16 años.

    • El video “¿Cómo responde el cuerpo al ejercicio? (‘How the body responds to exercise’) en la página web del dominio de US Teachers (Maestros de USA).

    • El video “¿De dónde sacas la energía? (‘Where do you get your energy’) en la página web del dominio de US Teachers (Maestros de USA).

  • Los siguientes artículos de investigación proporcionan más información acerca de los detalles científicos:

Author(s)

Maléne Lindholm y Susanna Wallman Appel está llevando a cabo su investigación doctoral sobre los efectos del ejercicio sobre la función del músculo esquelético humano y los beneficios de salud concurrentes. Ambas tienen títulos de máster en biomedicina por el Karolinska Institutet (Instituto Karolinska) en Estocolmo, Suecia, donde también enseñan fisiología.


Review

El ejercicio es una actividad que se relaciona (o debe estar relacionada) con cada ser humano del planeta y, como tal, ha recibido mucha atención desde hace décadas. Aunque los beneficios potenciales del ejercicio son bien conocidos, la causa de estas ventajas es en gran parte desconocida. Este artículo ofrece una visión general de algunos de los factores genéticos que podrían estar implicados en los resultados positivos observados en el estado físico de un individuo que hace ejercicio.

Los biólogos y otras personas con al menos una modesta compresión de la genética, incluyendo estudiantes avanzados de biología de secundaria, probablemente encontrarán la información proporcionada en este artículo muy interesantes. Incluso podrían estar motivados a pensar en formas alternativas en las que el ejercicio puede dar lugar a beneficios para la salud.


Michalis Hadjimarcou, Chipre




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CC-BY-NC-ND