Fisiología Molecular del Ejercicio

En palabras de Henning Wackerhage (2014), a través de la historia de la ciencia, las disciplinas científicas se han diversificado en sub-disciplinas científicas. Dentro de la fisiología del ejercicio una sub-disciplina emergente es la fisiología molecular del ejercicio. El término es una versión más corta de “fisiología celular y molecular del ejercicio”, que fue utilizado en primer lugar por Frank W. Booth para describir la investigación en esta área (Booth, 1988).

La definición propuesta en la reciente publicación de Wackerhage (2014) es:

“La fisiología molecular del ejercicio es el estudio de la fisiología del ejercicio utilizando métodos de biología molecular”.

Los fisiólogos moleculares del ejercicio estudian, en especial, los mecanismos de transducción de señales que causan adaptación al ejercicio y, la genética en el deporte y los rasgos relacionados al ejercicio (Spurway and Wackerhage, 2006).

Dr. Hermann Zbinden Foncea, Laboratorio de ciencias del ejercicio, Centro de Investigación en Salud, Universidad Finis Terrae, Santiago de Chile.

La fisiología molecular del ejercicio evolucionó históricamente desde la tendencia de la fisiología del ejercicio, como en otras ciencias de la vida en el siglo veinte, de las fronteras de la investigación desde el nivel de todo el cuerpo vía sistemas de órganos hacia células y moléculas. Esto no significa que los estudios moleculares reemplacen a la investigación precedente. La investigación molecular complementa la realizada previamente.

La bioquímica del ejercicio preparó el campo para la fisiología molecular del ejercicio. Los bioquímicos del ejercicio comenzaron a utilizar los métodos invasivos como sus principales métodos de estudio. Esto condujo a una necesidad de aprendizaje en la utilización de “métodos húmedos” de laboratorio y nuevos equipamientos. Esto incluye químicos, pipetas, medidores de pH, centrífugas, espectrofotómetros y microscopios. Los fisiólogos del ejercicio centrados en el músculo, debieron familiarizarse con la técnica de biopsia muscular que fue introducida en el campo por Jonas Bergstrom.

Los bioquímicos del ejercicio han utilizado especialmente espectrofotometría y fluorometría en el análisis de metabolitos, enzimas e histoquímica para cuantificar o visualizar la actividad de metabolitos y enzimas. La investigación ha demostrado que las propiedades de la fibra muscular, mitocondria, enzimas, metabolitos y proteínas se adaptan al ejercicio, y que los atletas de elite difieren en su proporción de tipos de fibra. Este conocimiento complementó la evidencia de la función de los sistemas respiratorio y cardiovascular. A pesar de estos avances, los métodos bioquímicos no permitieron responder cuestiones fundamentales como los mecanismos que causan las adaptaciones al ejercicio o, cómo las variaciones en la secuencia del ADN de un individuo se conectan con su capacidad de ejercicio.

Las claves de la era de la biología molecular fueron los métodos que permitieron a los biólogos aislar, visualizar, cuantificar y manipular las moléculas que componen los organismos. Hasta los 80’s las respuestas eran en su mejor intento semi-científicas y conceptos vagos que involucraban sobrecarga o una mala interpretación de la “supercompensación” o “sobrecompensación” de glucógeno. Desde los 80’s comenzó a ser progresivamente claro que la adaptación al ejercicio envuelve cambios en la expresión genética y las vías de transducción de señales conectan las señales asociadas con la respuesta adaptativa al ejercicio. En ese contexto la fosforilación proteica, un descubrimiento por el cual Edmond H. Fischer y Edwin G. Krebs ganaron el Premio Novel en Química en 1992, resultó ser el mecanismo clave. Los fisiólogos del ejercicio necesitaban aprender métodos como el Western Blot para detectar proteínas; la subsiguiente introducción de ciertos anticuerpos específicos permitió la medición de la forforilación de proteínas de señalización sin la utilización de trazadores radiactivos.

Desde entonces muchos descubrimientos han sido realizados hasta hoy. A continuación se mencionan algunos de los citados por Wackerhage (2014), en relación al ejercicio:

Con respecto a la respuesta de crecimiento del músculo al ejercicio, Keith Baar y Karyn A. Esser analizaron la traducción o actividad de síntesis proteica en el músculo luego de la estimulación eléctrica de alta intensidad y midieron la fosforilación de p70S6K (Baar and Esser, 1999). Encontraron evidencia indirecta de la participación de p70S6K, que es un miembro de la vía de regulación de crecimiento mTOR, en la regulación del crecimiento muscular. En relación a la adaptación del ejercicio de endurance, el descubrimiento de AMP kinasa por D. Grahame Hardie, fue un descubrimiento clave. Hardie colaboró con William W. Winder para demostrar por primera vez la activación de AMP kinasa en respuesta al ejercicio de endurance. Hardie y otros luego elucidaron las muchas adaptaciones agudas y crónicas que son disparadas por la activación de AMP kinasa y así identificaron AMP kinasa como el principal regulador de la respuesta adaptativa a la modificación del recambiode energía. Posteriormente, un equipo liderado por Bruce Spiegelman, identificó el co-factor de transcripción PGC-1, que fue luego conectado con AMP kinasa, como un regulador clave de la biogénesis mitocondrial (Puigserver et. al., 1998; Lin et. al., 2002).

Agradecimientos:

Al Dr. Hermann Zbinden Foncea, por las imágenes del Laboratorio de ciencias del ejercicio, Centro de Investigación en Salud, Universidad Finis Terrae, Santiago de Chile.

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Referencias

·D. G. Hardie, D. Carling. The AMP-activated protein kinase - Fuel gauge of the mammalian cell? Eur. J. Biochem. 246, 259-273, 1997.

·D. G. Hardie, D. Carling, M. Carlson. THE AMP-ACTIVATED/SNF1 PROTEIN KINASE SUBFAMILY: Metabolic Sensors of the Eukaryotic Cell?. Annual Review of Biochemistry. Vol. 67: 821-855, 1998.

·Henning Wackerhage. Molecular Exercise Physiology: An Introduction. Routledge, Taylor and Francis Group, 2014.

·Jiandie Lin, Pere Puigserver, Jerry Donovan, Paul Tarr and Bruce M. Spiegelman. Peroxisome Proliferator-activated Receptor γ Coactivator 1β (PGC-1β), A Novel PGC-1-related Transcription Coactivator Associated with Host Cell Factor. J. Biol. Chem. 2002, 277:1645-1648.

·Keith Baar, Karyn Esser. Phosphorylation of p70S6kcorrelates with increased skeletal muscle mass following resistance exercise. American Journal of Physiology - Cell Physiology Published. Vol. 276no. C120-C127, 1999.

·Puigserver, P., Wu, Z., Park, C.W., Graves, R., Wright, M., and Spiegelman, B.M. (1998). A cold-inducible coactivator of nuclear receptors linked to adaptive thermogenesis. Cell 92, 829–839.

·W. W. Winder , D. G. Hardie. Inactivation of acetyl-CoA carboxylase and activation of AMP-activated protein kinase in muscle during exercise. American Journal of Physiology - Endocrinology and Metabolism. Vol. 270no. E299-E304, 1996.

·Zhidan Wu, Pere Puigserver, Ulf Andersson, Chenyu Zhang, Guillaume Adelmant, Vamsi Mootha, Amy Troy, Saverio Cinti, Bradford Lowell, Richard C. Scarpulla, Bruce M. Spiegelman. Mechanisms Controlling Mitochondrial Biogenesis and Respiration through the Thermogenic Coactivator PGC-1. Cell 98, 115–124. 1999.

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