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El oxígeno respirado por los organismos aerobios y liberado por las plantas mediante la fotosíntesis, participa en la conversión de nutrientes en energía (ATP) y es imprescindible para la vida. La fisiología del oxígeno estudia como las células del cuerpo humano precisan de este componente para poder vivir. Su disminución provoca hipoxia y la falta total de él anoxia, pudiendo provocar la muerte del organismo.
El contenido necesario mínimo para mantener estas funciones vitales es un contenido intracelular de 5 a 8 mmHg. Esto pudiendo incluso mantenerse las funciones vitales de la célula con niveles tan bajos como 1 a 3 mmHg. Sin embargo, en estas condiciones la célula se convierte en hipóxica, se reactiva el metabolismo anaerobio que culmina en la producción de ácido láctico en los animales.
Para volver a reactivar la respiración aerobia y el metabolismo con el fin de producir las moléculas de adenosín trifosfato (ATP), la célula debe acceder al oxígeno molecular nuevamente. El oxígeno hiperbárico aumenta la difusión y perfusión del oxígeno a los tejidos. Esto para que estas células hipóxicas puedan acceder al oxígeno necesario y producir una reactivación mitocondrial.
En condiciones normales, dentro de la célula, el 80 % del oxígeno es utilizado por la mitocondria. En la mitocondria, la presión del oxígeno puede ser cercana a cero, pero no puede interrumpirse en ningún momento; es imperceptible pero imprescindible. Para mantener la integridad celular, así como sus funciones facultativas, es necesario que las mismas cuenten con una cantidad de energía suficiente, obtenidas a través del metabolismo del oxígeno (aerobiosis) mediante la degradación de un compuesto de alta energía (ATP).
El oxígeno en las celulas
Las mitocondrias son orgánulos que se encuentran en todas las células (a excepción de los hematíes) y en todas las zonas del citoplasma celular; aunque su número varía de menos de 100 a varios miles, dependiendo de la cantidad de energía que requiere la célula. Tienen una forma y tamaño variables; algunas miden solo algunos cientos de nanómetros de diámetro y tienen forma globular. Mientras que otras son alargadas o filamentosas y ramificadas midiendo desde 1 a 7 micras.
Las mitocondrias se reproducen por sí mismas, pues disponen de un ADN propio similar al del núcleo celular. Esto significa que una mitocondria puede formar una segunda, una tercera, etcétera, siempre que la célula necesite cantidades mayores de ATP. La estructura básica está compuesta por dos membranas de bicapa lipídica-proteica: una membrana externa y otra interna.
Los plegamientos múltiples de la membrana interna forman compartimentos en los que se unen las enzimas oxidativas. Además, la cavidad interna de la mitocondria está llena con una matriz que contiene grandes cantidades de enzimas disueltas. Estas son necesarias para la extracción de la energía de los nutrientes, las proteínas, los lípidos, ARN, ADN y ribosomas (mitorribosomas).
Estas enzimas actúan asociadas a las enzimas oxidativas de los compartimentos para provocar la oxidación de los nutrientes. Así pues, formando CO₂ y H₂O y al mismo tiempo, liberando energía que es la que se usará para sintetizar el ATP. No debe olvidarse que en la mitocondria también se producen importantes reacciones de síntesis y no exclusivamente catabólicas. Las mitocondrias son organelas que no se dedican exclusivamente a la producción de energía como se creía antes. Esto puesto que dentro de sus funciones se incluye su rol regulador en el balance redox y biosíntesis de compuestos orgánicos. Además de señalización mediante la producción de especies reactivas de oxígeno.
Composición celular
Estructuralmente, como se mencionó antes, están compuestas por dos membranas; una externa lisa y una interna muy plegada. En esta última se encuentran proteínas de transporte, las proteínas de la cadena respiratoria y el complejo enzimático ATP-sintetasa. Además, se definen dos espacios: el espacio intermembrana, limitado entre la membrana externa y la interna; y el espacio intramembranoso o matriz, limitado por la membrana interna.
El consumo de glucosa con necesidad del oxígeno, además de la producción neta de ATP, aumenta la producción necesaria de las especies reactivas de oxígeno (EROS o ROS por reactive oxygen species). Estas incluyen iones de oxígeno, radicales libres y peróxidos tanto inorgánicos como orgánicos. Las EROS también pueden generarse en el citosol, aunque en menor medida, debido a una menor utilización de oxígeno en este espacio.
La generación de estas moléculas tiene lugar en la membrana mitocondrial interna, durante el proceso de fosforilación oxidativa. Cinco (5) grandes proteínas están implicadas en este proceso: complejo I o NADH deshidrogenasa, complejo II o succinato deshidrogenasa, complejo III o ubiquinolcitocromo c reductasa, complejo IV o citocromo c oxidasa y el complejo V o ATP sintetasa.
Los electrones son donados desde el NAD reducido y el flavín adenín dinucleótido (FAD) reducido a los complejos I y II respectivamente, aunque parte de los electrones se fugan de estos complejos, reduciendo al oxígeno. Los electrones pueden fugarse desde el complejo I, quien libera anión superóxido a la matriz mitocondrial o desde el complejo III, liberándose anión superóxido a la matriz mitocondrial y al espacio intermembrana.
En el proceso final y en relación con el complejo IV citocromo C oxidasa, se necesita el oxígeno para que se combine con los protones y libere agua y se produzca la fosforilación oxidativa de la molécula de adenosín difosfato para formar finalmente adenosín trifosfato.
Respiración celular
Como la vida representa un trabajo constante de todas las células del organismo, se requiere de una hidrólisis constante de millones de moléculas de ATP. Además de consecuentemente, la reposición de este para que el proceso pueda continuar. Hay que recordar que una oxidación básicamente es un proceso que se produce por la incorporación de oxígeno (respiración aeróbica mitocondrial); pero también lo es la pérdida de aceptores de oxígeno (e- o H+`). En este caso (con la respiración anaeróbica o citoplasmática) es también posible producir ATP, pero su rendimiento es muchísimo menor.
Los tres principios inmediatos son suministradores de acetilos que la coenzima A introduce en el ciclo tricarboxílico de Krebs. Para obtener estos acetilos los hidratos de carbono complejos han debido desdoblarse hasta glucosa, tras sufrir la glucólisis (ruta anaeróbica de 10 pasos) y el piruvato resultante, aún debe sufrir su descarboxilación (dependiente de la vitamina B1 activa) que convertirá este compuesto de tres carbonos en otro de dos carbonos (acetilo).
Las proteínas para uso energético se desdoblan en aminoácidos suministradores del sustrato elemental que se incorpora en el ciclo de Krebs. Las grasas suministran los ácidos grasos. Estos, para penetrar en la mitocondria, pueden hacerlo con su larga cadena alifática a través de una variedad de Coenzima A, el Acil-coenzima A que tiene la particularidad de precisar de la Carnitina para su funcionamiento.
Una vez dentro de la mitocondria se convierten en dos carbonos=acetilos (proceso conocido como beta oxidación), aptos para penetrar en el ciclo de Krebs en su primer escalón uniéndose al oxalacetato (4c), para formar ácido cítrico (6c) y seguir las sucesivas descarboxilaciones generadoras de CO₂ y energía para la fosforilación acoplada (transformación de ADP o adenosina di fosfato en ATP o adenosina trifosfato).
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