GSSI - 2015 - Universidade do Futebol

SSE#98: Fatores Metabólicos na Fadiga
Mark Hargreaves, Ph.D., FACSM
Department of Physiology
The University of Melbourne
Victoria, Australia
PONTOS PRINCIPAIS
A manutenção da força muscular durante o exercício depende da geração de energia
química (ATP) por meio de metabolismo não oxidativo (anaeróbico) e oxidativo
(aeróbico).
A fadiga se desenvolve quando os compostos necessários para produzir o ATP terminam
ou quando os subprodutos do metabolismo se acumulam no músculo. Essas alterações
metabólicas podem causar fadiga por meio da ação nos processos neurais que ativam os
músculos. Isso pode comprometer tanto o sistema nervoso central como o periférico. As
reduções dos níveis musculares de ATP, creatinafosfato e glicogênio, além da baixa
disponibilidade de glicose no sangue podem comprometer o desempenho dos músculos
esqueléticos. A glicemia baixa também pode afetar as funções. Os aumentos nos níveis
intramusculares de magnésio, ADP, fosfato inorgânico, íon de hidrogênio, e espécies
reativas de oxigênio podem comprometer a função muscular. O aumento da amônia e a
hipertermia também podem contribuir para a fadiga, provavelmente em conseqüência de
efeitos no sistema nervoso central. Programas adequados de treinamento e intervenções
nutricionais acentuam a resistência à fadiga e ao desempenho de exercícios por meio da
melhoria da capacidade de músculos manterem a produção de ATP.
INTRODUÇÃO
A adenosina trifosfato (ATP) é a fonte imediata de energia química para a contração
muscular. Como os depósitos intramusculares de ATP são pequenos, a regeneração
contínua de ATP é fundamental para a manutenção da produção de força muscular
durante o desempenho sustentável no exercício. Em condições de produção de muita
energia (como aquelas observadas durante o exercício de sprint de alta intensidade), isso
é obtido por meio da produção não oxidativa de ATP (anaeróbica) seguido de uma quebra
de creatinafosfato (PCr) ou da degradação do glicogênio muscular em lactato. Quando há
uma baixa produção de energia para desempenho prolongado de endurance, o
metabolismo oxidativo ou aeróbico dos carboidratos (glicogênio muscular e glicose
presente no sangue) e de lipídios (ácidos graxos derivados de depósitos de triglicérides,
nos músculos ou no tecido adiposo) oferece praticamente todo ATP necessário para
processos celulares que dependem de energia dentro do músculo esquelético. Esses
processos metabólicos e sua importância durante o exercício já foram bem descritos
(Covle, 2000; Sahlin et al., 1998).
Atenção considerável foi dada aos mecanismos potenciais de fadiga responsáveis pelo
declínio da força e/ou da produção de energia pelo músculo esquelético durante o
exercício e o papel que os fatores metabólicos desempenham nessas alterações. Esses
fatores metabólicos podem ser categorizados de forma abrangente como a depleção de
substratos de energia (ATP e outros compostos bioquímicos utilizados na produção de
ATP) e acúmulo de derivados metabólicos (Tabela 1).
REVISÃO DE PESQUISAS
Potenciais sítios da fadiga
A fadiga é um processo multifatorial que reduz o desempenho no exercício e no esporte.
Pode ser definido, de forma mais ampla, como a incapacidade de manter a força e energia
necessárias ou esperadas ou como uma redução na capacidade de gerar força ou energia.
Embora a fadiga possa envolver muitos sistemas orgânicos, os músculos esqueléticos e
sua capacidade de gerar força têm sido o foco de atenção. Dessa forma, na busca de
potenciais locais de fadiga, é necessário considerar as etapas envolvidas na ativação do
músculo esquelético. Essas etapas estão resumidas na Figura 1 e representam potenciais
locais de fadiga ou processos que podem ser comprometidos pela depleção do substrato
e/ou pelo acúmulo de derivados metabólicos.
Os cientistas que investigam o exercício costumam considerar tanto os mecanismos
centrais como os periféricos na etiologia da fadiga e, na verdade, os dois níveis
contribuem para uma redução do desempenho dos músculos esqueléticos durante o
exercício. Informações mais detalhadas sobre os aspectos da fadiga central e periférica
podem ser encontradas em duas abrangentes revisões (Fitts, 1994; Gandevia, 2001).
Depleção do Substrato
A disponibilidade reduzida dos principais agentes bioquímicos envolvidos na produção
de energia podem limitar a oferta de ATP durante o exercício e comprometer os músculos
esqueléticos e a função do sistema nervoso central. Esses substratos incluem PCr, o
glicogênio muscular e a glicose sanguínea.
ATP. Vários estudos demonstram que a concentração de ATP em amostras de fibras
musculares mistas é relativamente bem protegida durante o exercício intenso, com
uma queda de 30-40%.
No entanto, nas análises de fibras musculares individuais, os níveis de ATP podem cair
significativamente nas fibras tipo II, após exercícios intensos e limitar a capacidade dessas
fibras em contribuir para o desenvolvimento de energia (Casey et al., 1996). Além disso,
pode haver uma redução temporal e espacial na disponibilidade de ATP dentro do microambiente local de algumas das principais enzimas dependentes de ATP (miosina ATPase,
Na+/K+ ATPase, Ca2+ ATPase do retículo sarcoplasmático) e dentro dos canais de
liberação de Ca2+ do retículo sarcoplasmático. Essa diminuição de ATP pode contribuir
para a fadiga conforme demonstrado em ratos por Dutka e Lamb (2004). Nesse
experimento, uma redução na concentração de ATP afetou o acoplamento excitaçãocontração e a produção de força em fibras musculares esqueléticas desprovidas de
membrana. Em seres humanos, durante os exercícios de alta intensidade e de curta
duração, e nos últimos estágios de exercícios prolongados mais extenuantes, grandes
aumentos nos subprodutos gerados pela quebra do ATP implicam que as taxas de
utilização de ATP podem ser maiores que as taxas de ressíntese de ATP (Sahlin et al.,
1998).
PCrUm outro fosfato de alta energia, a creatinafosfato -- PCr, desempenha papel
importante para ajudar a oferecer ATP novamente durante a atividade muscular (PCr +
ADP <=> Cr + ATP). As concentrações de PCr no músculo podem ser quase totalmente
depletadas totalmente após o exercício máximo (Bogdanis et al., 1995; Casey et al.,
1996), e essa depleção contribui para o rápido declínio na produção de energia observada
durante o referido exercício (Sahlin et al., 1998). A recuperação da capacidade de geração
de energia após o exercício máximo está intimamente ligado à ressíntese de PCr
(Bogdanis et al., 1995). A maior disponibilidade de PCr no músculo é uma possível
explicação do melhor desempenho durante os exercícios de alta intensidade como
observado algumas vezes após a suplementação dietética de creatina (Casey & Greenhaff,
2000). As concentrações de PCr podem também estar diminuídas em grande parte das
fibras musculares no ponto de fadiga durante os exercícios sub-máximos prolongados
coincidindo com a depleção de glicogênio muscular, talvez refletindo uma incapacidade
de manter uma taxa suficiente de ressíntese de ATP (Sahlin et al., 1998). No entanto,
outros estudos não observaram essas alterações em fosfatos de alta energia com exercícios
prolongados (Baldwin et al., 2003).
Glicogênio muscularA associação entre a fadiga e as reduções nos depósitos de
glicogênio muscular durante exercícios prolongados e extenuantes foi observada de forma
consistente por praticamente 40 anos (Hermansen et al., 1967). Estudos anteriores
realizados na Escandinávia relatavam a prática de técnica de supersaturação de glicogênio
(glycogen loading) que podem melhorar o desempenho dos exercícios de endurance em
eventos que duram menos que 90 min (Hawley et al., 1997). A disponibilidade de
glicogênio muscular também pode ser importante para a manutenção de exercícios de alta
intensidade e intermitentes (Balsom et al., 1999). Apresentou-se a hipótese de a ligação
entre a depleção de glicogênio muscular e a fadiga muscular represente uma incapacidade
de manter uma taxa suficiente de ressíntese de ATP, secundária à disponibilidade
reduzida de piruvato e dos principais intermediários metabólicos (Sahlin et al. 1990). Por
outro lado, um outro estudo observou pouca alteração dos níveis musculares de ATP,
PCr, ou intermediários metabólicos após o exercício até causar fadiga com diferentes
disponibilidades de glicogênio no músculo antes do exercício (Baldwin et al., 2003). Não
se pode excluir a possibilidade de que ocorra depleção de glicogênio em pontos principais
dentro do músculo, algo impossível de ser determinado em uma amostra de biópsia
muscular. Por outro lado, é possível que a depleção de glicogênio cause fadiga por outros
mecanismos além do metabolismo energético do músculo comprometido. Por exemplo,
observou-se que a depleção de glicogênio muscular pode comprometer o acoplamento
contração-excitação (Chin & Allen, 1997; Stephenson et al., 1999). Independentemente
do(s) mecanismo(s) subjacente(s), existe uma forte associação entre a depleção de
glicogênio muscular e a fadiga durante os exercícios prolongados e extenuantes.
Glicemia. Na ausência da suplementação de glicose (por exemplo, por meio de ingestão
de carboidratos), os níveis de glicemia declinam progressivamente durante exercícios
prolongados, assim como há depleção dos níveis de glicogênio hepático. A
disponibilidade reduzida de glicose no sangue está associada às taxas reduzidas de
oxidação de carboidratos e fadiga, e o aumento dos níveis de glicose por meio de ingestão
de carboidratos aumenta a oxidação desses nutrientes e melhora do desempenho no
endurance (Coyle et al., 1983, 1986). Parte disso pode ocorrer devido a uma maior
captação de glicose no músculo (McConell et al., 1994) e ao aumento do equilíbrio
energético muscular (Spencer et al., 1991), mas não parece estar ligado à atenuação da
utilização do glicogênio muscular (Coyle et al., 1986). Como a glicose é o principal
substrato para o cérebro, a glicemia baixa (hipoglicemia) também pode reduzir a captação
de glicose no cérebro e assim contribuir à fadiga central (Nybo & Secher, 2004). Dessa
forma, o benefício ergogênico da ingestão de carboidratos durante os exercícios
prolongados extenuantes pode ser decorrente de um melhor balanço energético cerebral
e da manutenção do papel do sistema nervoso central (Nybo & Secher, 2004). Estudos
recentes também observaram melhoria na função física e mental com a ingestão de
carboidratos durante exercícios intermitentes como aqueles que se aplicam em esportes
coletivos (Welsh et al., 2002; Winnick et al., 2005).
Acúmulo de Derivados Metabólicos
A ativação das vias metabólicas que produzem ATP também resulta em aumento dos
níveis musculares e plasmáticos de vários derivados metabólicos que contribuem
potencialmente para a fadiga durante o exercício. Entre eles estão magnésio (Mg2+),
ADP, fosfato inorgânico (Pi), lactato e íon de hidrogênio (H+), amônia (NH3), espécies
reativas de oxigênio e calor.
Mg2+, ADP, Pi. Durante a quebra rápida da ATP e PCr, há um aumento nos níveis de
Mg2+, APD e Pi dentro do músculo esquelético. O aumento de Mg2+ pode inibir a
liberação de Ca2+ do retículo sarcoplásmico e comprometer a produção da força,
principalmente em combinação com níveis reduzidos de ATP no músculo (Dutka &
Lamb, 2004). Concentrações elevadas de ADP no músculo podem reduzir a força e
retardar o relaxamento muscular prejudicando os miofilamentos contráteis e a captação
de Ca2+ captação no retículo sarcoplasmático (MacDonald & Stephenson, 2004). Um
aumento em Pi também reduz a força contrátil e a liberação de Ca2+ daquela estrutura.
Esse último efeito parece ser devido à precipitação de fosfato de cálcio dentro do retículo
sarcoplasmático (Allen & Westerblad, 2001). Os aumentos de ADP como de Pi também
reduzem a liberação de energia durante a quebra de ATP (Sahlin et al., 1998).
Lactato, H+.A rápida quebra de glicogênio e glicose no músculo durante o exercício
intenso causa um grande aumento na produção do ácido lático. De forma geral, o íon
lactato não parece ter qualquer efeito negativo significativo na capacidade de geração de
força pelo músculo esquelético, embora existam dados conflitantes na literatura. Uma
conseqüência mais importante é o aumento na concentração intramuscular de H+ (pH
reduzido e acidose) que está associado a uma alta taxa de quebra de ATP, a produção nãooxidativa de ATP e os movimentos de íons fortes (por exemplo, K+) através da membrana
celular do músculo. Há uma ampla crença de que o aumento de H+ pode interferir no
acoplamento excitação-contração e na produção de força nos miofilamentos. No entanto,
em muitas das preparações de músculos isolados estudados em temperaturas fisiológicas,
a acidose não parece exercer efeito negativo significativo. Compatíveis com essas
descobertas são as observações de que a força isométrica máxima (Sahlin & Ren, 1989)
e a energia dinâmica (Bogdanis et al., 1995) se recuperam com relativa rapidez após
exercício intenso, apesar de um pH muscular constantemente baixo. Em contraste, a
capacidade de manter a força isométrica e a produção de energia em seres humanos é
comprometida pela acidose, sendo que uma possível explicação seria o turnover reduzido
de ATP (Sahlin & Ren, 1989). Deve-se notar que no músculo esquelético humano, a
acidose pode inibir a quebra de glicogênio (Spriet et al., 1989) e a produção oxidativa de
ATP (Jubrias et al., 2003). Além disso, a ingestão de bicarbonato de sódio, um agente
alcalinizante, retarda o tempo necessário para o surgimento da fadiga durante os
exercícios de alta intensidade após sprints repetidos (Costill et al., 1984), embora seja
difícil separar os vários mecanismos que contribuem para a fadiga nessas condições.
Observa-se também que uma adaptação fundamental ao treinamento de sprint (Sharp et
al., 1986) e ao treinamento de alta–intensidade com intervalos (Weston et al., 1997)
reflete-se no aumento na capacidade tampão do músculo esquelético.
Amônia (NH3). A Amônia pode ser produzida pelo músculo esquelético como um
derivado da quebra de ATP ou de aminoácidos. Durante o exercício, existe um aumento
da liberação de NH3 pela contração dos músculos esqueléticos para dentro do sangue e
um aumento correspondente nos níveis plasmáticos de NH3. Como a NH3 pode cruzar a
barreira hematoencefálica, o aumento de NH3 plasmático aumenta a captação cerebral de
NH3, e isso pode influenciar os neurotransmissores cerebrais e causar a fadiga central
(Nybo & Secher, 2004). Mais estudos devem ser realizados para se examinar o papel da
NH3 na etiologia da fadiga. No entanto, a ingestão de carboidrato atenua o acúmulo de
NH3 plasmático (Snow et al., 2000) e a captação de NH3 no cérebro (Nybo & Secher,
2004) durante exercícios prolongados, e esse é um potencial mecanismo subjacente ao
efeito ergogênico da ingestão de carboidratos.
Um outro aspecto da fadiga central durante exercícios prolongados envolve as potenciais
interações entre o metabolismo dos aminoácidos de cadeia ramificada (BCAA; leucina,
isoleucina e valina), a captação de triptofano cerebral e os níveis de serotonina no cérebro.
O triptofano é um precursor da serotonina e a captação de triptofano no cérebro está
relacionada tanto à concentração de triptofano livre no plasma quanto à razão das
concentrações plasmáticas de triptofano livre e BCAA. Durante o exercício, uma queda
nos níveis plasmáticos de BCAA e um aumento de triptofano no plasma pode causar um
aumento nos níveis de serotonina no cérebro e a fadiga central (Nybo & Secher, 2004).
Sugeriu-se a ingestão de BCAA como uma estratégia para manter os níveis de BCAA no
plasma e a reduzir a captação de triptofano no cérebro, mas isso não parece ser eficaz
(Van Hall et al., 1995). Uma estratégia melhor é a ingestão carboidratos, que prejudica o
aumento de ácidos graxos livres no plasma induzido pelos exercícios. Como os ácidos
graxos livres e o triptofano competem pelos pontos de ligação da albumina no plasma, o
nível reduzido de ácidos graxos livres durante o exercício com a ingestão de carboidratos
atenua o aumento da razão entre triptofano livre e BCAA (Davis et al., 1992).
Espécies reativas de oxigênio. Durante o exercício, espécies reativas de oxigênio como
peróxido de hidrogênio e ânions superóxidos podem ser produzidos pelo metabolismo
oxidativo e outras reações celulares (Reid, 2001). Em níveis baixos, Esses metabólitos
podem desempenhar um papel importante na regulação da função dos músculos
esqueléticos, mas seu acúmulo em níveis mais altos está associado à fadiga (Barclay &
Hansel, 1991; Moopanar & Allen, 2005). Há vários antioxidantes enzimáticos (dismutase
superóxido, catalase, glutiona peroxidase) dentro do músculo esquelético que degradam
as espécies reativas de oxigênio e há antioxidantes não-enzimáticos como a glutationa
reduzida, ?-caroteno e vitaminas E e C que podem neutralizar as espécies reativas de
oxigênio (Reid, 2001).
A administração do composto N-acetilcisteína pode aumentar os antioxidantes nãoenzimáticos no músculo esquelético. Esse efeito está associado à redução da fadiga
durante a estimulação muscular (Reid et al., 1994) e ao aumento do desempenho de
endurance no ciclismo em indivíduos treinados (Medved et al., 2004). Estudos com a
suplementação de vitaminas E e C são contraditórias, mas os níveis de antioxidantes
enzimáticos endógenos aumentam com o treinamento.
Calor.Somente 20% do consumo de oxigênio durante o exercício é convertido em
trabalho mecânico, enquanto aproximadamente 80% resulta em calor, o principal
derivado metabólico de exercícios extenuantes. Apesar de a maior parte desse calor ser
dissipado, em exercício de alta intensidade e quando a temperatura e/ou umidade
ambientais encontram-se aumentadas, pode haver um aumento significativo da
temperatura central do corpo (hipertermia) que pode causar a fadiga e, em casos extremos,
a morte. A hipertermia pode comprometer tanto os processos centrais quanto os
periféricos envolvidos na produção de força muscular e da energia (Nybo & Secher, 2004;
Todd et al., 2005) e comprometer o desempenho de exercícios de sprint (Drust et al.,
2005) e de endurance (Gonzalez-Alonso et al., 1999). As estratégias para minimizar o
impacto negativo da temperatura central e muscular elevada no desempenho de exercícios
incluem a aclimatização ao calor, o pré-resfriamento (Gonzalez-Alonso et al., 1999) e a
ingestão de líquidos (Hamilton et al., 1991).
RESUMO
A produção aumentada de ATP por meio das vias metabólicas oxidativa e não-oxidativa
no músculos esquelético é essencial para manutenção da força e energia durante o
exercício. No entanto, a depleção de substrato e o acúmulo de derivados metabólicos são
as potenciais causas de fadiga. A disponibilidade reduzida de PCr pode limitar a produção
de energia durante os exercícios de sprint, enquanto a depleção de carboidratos é a
principal limitação ao desempenho no endurance. Durante o sprint, quantias aumentadas
de Pi e H+ podem contribuir para a fadiga e durante os exercícios prolongados
extenuantes, o acúmulo de NH3, espécies reativas de oxigênio e calor podem limitar o
desempenho. Programas de treinamento adequados e intervenções nutricionais são
possíveis estratégias para aumentar a resistência à fadiga e melhorar o desempenho nos
exercícios.
TABELA 1. Fatores Metabólicos na fadiga
Depleção de Substrato
ATP
Creatinafosfato
Glicogênio muscular
Glicose sanguínea
Derivados Metabólicos
Íons de magnésio (Mg2+)
Adenosina difosfato (ADP)
Fosfato inorgânico (P)
Íons de lactato
Íions de hidrogênio (H*)
Amônia
Espécies reativas de oxígênio
Calor
Fonte:
www.gssi.com.br