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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