lunes, 16 de noviembre de 2015

Evolución - biología evolutiva

Fisiología del ejercicio

El aeróbico ó la aeróbica es un tipo de deporte aeróbico que se realiza al son de la música. El aeróbic reúne todos los beneficios del ejercicio aeróbico, además de ejercitar capacidades físicas como la flexibilidad, coordinación, orientación, ritmo, etc. El aerobic ha sido y sigue siendo muy popular entre las mujeres, aunque cada vez hay más hombres que lo practican, dejando de lado el tópico sobre que es un deporte de mujeres. El ritmo de las sesiones de aeróbic varía en función de la edad del público que lo practica. Las canciones utilizadas marcan la intensidad en cada momento de la clase. El aeróbic también debe incluir ejercicios de calentamiento y estiramientos. Existen otras modalidades de este deporte, como la practicada en la piscina (puede denominarse aeróbic acuático), la que incorpora una plataforma de baja altura (step), o la que combina ejercicios aeróbicos contonificación muscular.
En el año 1968, el doctor Kenneth H. Cooper introdujo un tipo de ejercicio físico para entrenar el corazón y los pulmones y puso la primera piedra sobre el concepto de aeróbic en los Estados Unidos. Su libro Aerobics (Aeróbicos) condujo al entrenamiento gimnástico de los ejercicios aeróbicos. Las primeras prácticas de aeróbic están relacionadas con el ámbito militar, puesto que el doctor Kenneth H. Cooper era médico de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos de América. Hasta principios de los años noventa el aerobic convirtió en la popular actividad que es hoy en día.

Tipos de aeróbic

  • Circuit-Aerobics
  • Aquagym
  • Bodystyling
  • Intervall-Aerobics
  • Box-Aerobics
  • Step-Aerobics
Aquaeróbic I aqua-aerobics I aeróbica acuática o hidrogimnasia.









El ácido láctico, o su forma ionizada, el lactato (del lat. lac, lactis, leche), también conocido por su nomenclatura oficial ácido 2-hidroxi-propanoico o ácido α-hidroxi-propanoico, es un compuesto químico que desempeña importantes roles en varios procesos bioquímicos, como la fermentación láctica. Es un ácido carboxílico, con ungrupo hidroxilo en el carbono adyacente al grupo carboxilo, lo que lo convierte en un ácido α-hidroxílico (AHA) de fórmula H3C-CH(OH)-COOH (C3H6O3). En solución puede perder el hidrógeno unido al grupo carboxilo y convertirse en el anión lactato.
El ácido láctico es quiral, por lo que se pueden encontrar dos enantiómeros (isómeros ópticos). Uno es eldextrógiro ácido D-(+)-láctico o d-ácido láctico (en este caso, el ácido (R)-láctico); el otro es el levógiro ácido L-(-)-láctico o ℓ-ácido láctico (en este caso, ácido (S)-láctico), que es el que tiene importancia biológica. La mezcla racémica (cantidades idénticas de estos isómeros) se llama d,ℓ-ácido láctico.

Historia

Fue refinado por primera vez por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele en 1780 a partir de leche agria. En 1808,Jöns Jacob Berzelius descubrió que se libera ácido láctico en los músculos al realizar esfuerzos físicos intensos.2Su estructura fue determinada por Johannes Wislicenus en 1873.
En 1856 Louis Pasteur descubrió el lactobacillus y su rol en la producción de ácido láctico. Este ácido comenzó a ser producido comercialmente por la compañía alemana Boehringer Ingelheim en 1895.
En 2006 la producción global de ácido láctico alcanzó 275,000 toneladas con un crecimiento promedio anual de 10%.3

Importancia biológica

El ácido ℓ-láctico se produce a partir del ácido pirúvico a través de la enzima lactato deshidrogenasa (LDH) en procesos de fermentación. El lactato se produce continuamente en el metabolismo y sobre todo durante el ejercicio, pero no aumenta su concentración hasta que el índice de producción no supera al de eliminación. Este depende de varios factores, como los transportadores monocarboxilatos, concentración de LDH y capacidad oxidativa en los tejidos. La concentración de lactatos en la sangre usualmente es de 1 o 2 mmol/l en reposo, pero puede aumentar hasta 20 mmol/l durante un esfuerzo intenso. Se debe considerar que, a pH fisiológico en el cuerpo humano, es decir 7.35, se encuentra sólo en su forma disociada, es decir, como lactato y no como ácido.
El aumento de la concentración de lactatos ocurre generalmente cuando la demanda de energía en tejidos (principalmente musculares) sobrepasa la disponibilidad deoxígeno en sangre. Bajo estas condiciones la piruvato deshidrogenasa no alcanza a convertir el piruvato a Acetil-CoA lo suficientemente rápido y el piruvato comienza a acumularse. Esto generalmente inhibiría la glucólisis y reduciría la producción de Adenosín trifosfato (el ATP sirve para acumular energía), si no fuera porque lalactato deshidrogenasa reduce el piruvato a lactato:
piruvato + NAD + H+ → lactato + NAD+
La función de la producción de lactato es oxidar NADH + H para regenerar la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) necesaria para la glucólisis, y por tanto para que continúe la producción de ATP.
El lactato producido sale de la célula muscular y circula por el torrente sanguíneo hasta el hígado, dónde se vuelve a transformar en glucosa por gluconeogénesis. Al ciclo que comprende la glicólisis en la célula muscular y su reciclaje por gluconeogénesis en el hígado se le conoce como ciclo de Cori.
El hígado y el corazón tienen la facultad de oxidar el lactato de la sangre convirtiéndolo de nuevo a piruvato.
La fermentación de ácido láctico también la producen las bacterias Lactobacillus. Estas bacterias pueden encontrarse en la boca, y pueden ser las responsables del progreso de la caries previamente iniciada por otras bacterias.

En medicina

En medicina es uno de los compuestos de la solución láctica de Ringer, que es una solución que se inyecta intravenosamente a las personas cuando han sufrido una pérdida de sangre a causa de un traumatismo, cirugía o quemadura. La solución está compuesta por 129 mmol/L de Na, 109 mmol/L de cloro y 28 mmol/L de L-lactato. Es una solución que se usa alternativamente a la salina fisiológica (0.9%) para recuperar volumen. La diferencia de iones fuertes hace que el hartman (solución láctica de Ringer) sea utilizado por algunos como terapia en la hipovolemia. No obstante, por tener menos tonicidad (osmolaridad) que la solución salina, algunos prefieren esta. El efecto sobre el equilibrio ácido-base de la salina será promover acidosis (por el cloro), mientras el efecto del hartman será más alcalinizante por la diferencia de iones fuertes y por el acido lactico.

Ejercicio y lactato

Durante el ejercicio intenso, cuando hay demasiada demanda de energía, el lactato se produce más rápidamente que la capacidad de los tejidos para eliminarlo y la concentración de lactato comienza a aumentar. Es un proceso benéfico, porque la regeneración de NAD+ asegura que la producción de energía continúe y así también el ejercicio.
Al contrario de lo que mucha gente cree, el incremento de la cantidad de lactato no es causante directo de la acidosis ni es responsable de las agujetas. Esto se debe en primer lugar a que el ácido láctico no es capaz de liberar el catión hidrógeno, y en segundo lugar a que el lactato (ácido láctico) no se encuentra en estado ácido sino en su forma base como lactato. Análisis de la ruta glucolítica indican que no hay suficientes cationes hidrógenos presentes como para formar ácido láctico o cualquier otro tipo de ácido. Es destacable que a pH fisiológico, y a nivel de la célula muscular (miocito), y de acuerdo al pKa ácido del ácido láctico (pKa:3.86), lo que se encuentra es la base, el lactato, y no el ácido láctico, debido a que estará totalmente disociado en estas condiciones.
La acidosis que muchas veces se asocia a la producción de lactato durante ejercicios extremos proviene de una reacción completamente distinta y separada.4 Cuando se hidroliza (se "separa" en agua) el ATP se libera un catión hidrógeno. Este catión es el principal responsable de la disminución del pH. Durante ejercicios intensos elmetabolismo oxidativo (aerobiosis) no produce ATP tan rápido como lo demanda el músculo. Como resultado, la glucólisis se transforma en el principal productor de energía y puede producir ATP a altas velocidades. Debido a la gran cantidad de ATP producido e hidrolizado en tan poco tiempo, los sistemas amortiguadores de los tejidos se ven agotados, causando una caída del pH y produciendo acidosis. Éste es uno de los factores, entre tantos, que contribuye al dolor muscular agudo experimentado poco después del ejercicio intenso[cita requerida].

Obtención

Fermentación láctica

La obtención de ácido láctico con enzimas o microorganismos vivos pueden producir isómeros dextrógiro o levógiros, dependiendo de la enzima involucrada en el proceso.

Síntesis en laboratorio

Puede obtenerse una mezcla racémica a partir de etanol, cianuro de sodio y ácido sulfúrico:
2 CH_3 - CHOH + 2 NaCN + 2 H_2SO_4 + 4 H_2O \Rightarrow 2 CH_3-CH(OH)-COOH + Na_2SO_4 + (NH_4)2SO_4
El proceso termina con un ataque nucleofílico del cianuro al grupo carbonilo del aldehído formando el nitrilo del ácido láctico de forma racémica. El nitrilo essaponificado en presencia de agua y un exceso de ácido sulfúrico para dar el ácido libre.

Ocurrencia

Se encuentra en el jugo de la carne, en la leche ácida, en los músculos y en algunos órganos de algunas plantas o animales. Suele mencionarse como origen de lasagujetas, el dolor muscular provocado por el ejercicio repentino sin tener costumbre o previo calentamiento. (ver importancia biológica).

Aplicaciones y usos

Cosmética

Se utiliza como la alternativa más amplia al uso de la glicerina como suavizante. Es usado principalmente como químico anti-edad para suavizar contornos; reducir el daño producido por la luz solar; para mejorar la textura y el tono de la piel, y el aspecto en general.
Sin embargo deben tomarse serias precauciones al utilizar cosméticos con ácido láctico, porque aumentan la sensibilidad a los rayos ultravioleta del sol.

Alimentos

El ácido láctico es utilizado en varios productos como regulador de acidez. Aunque puede obtenerse de la lactosa (azúcar de la leche), la mayor parte del ácido láctico empleado comercialmente deriva del uso de bacterias como la Bacillus acidilacti, Lactobacillus delbrueckii o Lactobacillus bulgaricus para fermentar fuentes decarbohidratos como la maicena y las patatas. Así, lo que comúnmente se denomina "leche ácida" en alimentos vegetarianos o veganos tienen ácido láctico como ingrediente.

Otras aplicaciones



PRODUCCIÓN BIOTECNOLÓGICA DE ÁCIDO LÁCTICO
   El ácido láctico tiene un amplio rango de aplicaciones en la industria alimenticia, química, farmacéutica, química y cosmética, entre otras. Recientemente se ha acelerado la investigación en L (+) y D (-), ácido láctico, por vía biotecnológica, debido a su posibilidad de transformación en poli-láctico biodegradable (PLA). Los esfuerzos en la investigación del ácido láctico, están enfocados a disminuir los costes de producción a través de nuevos sustratos, nuevas tecnologías de fermentación y separación, y nuevos microorganismos capaces de alcanzar altas concentraciones de ácido láctico, altos rendimientos y altas productividades.

INTRODUCCIÓN
   El ácido láctico fue descubierto en 1780 por el químico sueco Scheele, quien lo aisló de leche agria, fue reconocido como producto de fermentación por Blonodeaur en 1847 y tan solo en 1881, Littlelon inicia la fermentación a escala industrial. Es un compuesto muy versátil utilizado en la industria química, farmacéutica, de alimentos y de plásticos
   Existen dos isómeros ópticos, el D (-), láctico y el L (+) láctico y una forma racémica constituida por fracciones equimolares  de las formas D (-) y L (+). A diferencia del isómero D (-), la configuración L (+) es metabolizada por el organismo humano.
   Ambas formas isoméricas del ácido láctico pueden ser polimerizadas y se pueden producir polímeros con diferentes propiedades dependiendo de la composición.

Propiedades del ácido láctico
Fórmula
C3H6O3
Peso molecular
90,08
Índice de refracción
1,4414
Punto de fusión
L(+) y D(-) 52,8 a 54 ºC
Punto de ebullición
125-140 ºC
Gravedad específica
1206
Calor de combustión
3616 cal/g
Viscosidad
40,33 mNsm-2
Densidad
1,249
Constante dieléctrica
22ε
   

PRODUCCIÓN INDUSTRIAL
   El ácido láctico puede ser obtenido por vía química o biotecnológica. La producción química, esta basada en la reacción de acetaldehído con ácido cianhídrico (HCN) para dar lactonitrilo, el cual puede ser hidrolizado a ácido láctico; otro tipo de reacción se basa en la reacción a alta presión de acetaldehído con monóxido de carbono y agua en presencia de ácido sulfúrico como catalizador. La síntesis química tiene la desventaja que el ácido láctico producido es una mezcla de D y L ácido láctico óptimamente inactivo, por lo cual el 90% del ácido láctico producido en el mundo es elaborado por vía biotecnológica.
   La producción biotecnológica está basada en la fermentación de sustratos ricos en carbohidratos por bacterias u hongos y tiene la ventaja de formar enantiómeros D (-) o L (+), óptimamente activos. La producción biotecnológica depende del tipo de  microorganismo utilizado, la inmovilización o recirculación del microorganismo, el pH, la temperatura, la fuente de carbono, la fuente de nitrógeno, el modo de fermentación empleado y la formación de subproductos.
   Las bacterias que pueden utilizarse para la producción de ácido láctico son cocos y bacilos Gram positivos, anaerobios facultativos, no esporulados, inmóviles y catalasa negativo, pertenecientes a los géneros Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostc, Tetragenococus,…
   Las bacterias del ácido láctico (LAB) tienen requerimientos nutricionales complejos debido a su limitada habilidad para sintetizar aminoácidos y vitamina B. La mayoría de LAB producen únicamente una forma isomérica de ácido láctico. Las especies de los géneros Aerococcus, Carnobacterium, producen únicamente isómeros L, mientras las especies del género Leuconostc producen únicamente isómeros D. Sin embargo, algunas LAB producen formas racémicas donde el isómero predominante depende de cambios en la aireación, cantidad de NaCl, tipo de fermentación, incrementos en el pH y concentración de sustrato.
   Acorde con los productos finales de la fermentación de los hidratos de carbono las LAB se dividen en homofermentativas y heterofermentativas. En el metabolismo homofermentativo, se produce predominantemente ácido láctico y las bacterias usan la hexosa. Algunas de las bacterias que tienen este metabolismo son delbruekii, helveticus, etc. La estequiometría clásica de la fermentación homoláctica es la siguiente:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi               2CH3-CHOH-COOH + 2 ATP

   En la fermentación heteroláctica hay formación de xilulosa-5 fosfato por el sistema de la glucosa-6 fosfato deshidrogenada. La estequimetría heteroláctica a partir de glucosa es la siguiente:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi               CH3-CHOH-COOH + CH3CH2OH+CO2+ 2ATP

   El ácido láctico además puede ser producido en mayor o menor proporción por bacterias que no suelen incluirse en el grupo láctico, tal es el caso de Bifidobacterium, algunas especies de Bacillus, Clostridium,…
   De las LAB, Lactobacillus delbrueckii es el microorganismo más utilizado en la producción a gran escala de ácido láctico, ya que tiene la ventaja de producir únicamente isómeros L (+), consumir eficientemente glucosa y ser un microorganismo termófilo con temperatura óptima de crecimiento 41.5ºC, lo que reduce costes de enfriamiento y esterilización, así como riesgos de contaminación microbiológica en el fermentador. Este microorganismo crece bien a un pH entre 5,5 y 6,5 por lo que el ácido producido debe ser continuamente neutralizado.
   Los hongos utilizados en la producción de ácido láctico son mohos y levaduras que pertenecen a los géneros Rhizopus, Zymomonas, Saccharomyces. Desde finales de los años 80, se ha venido estudiando ampliamente Rhizopus oryzae para la producción biotecnológica de ácido láctico ya que presenta la ventaja de que no requiere fuente de nitrógeno orgánico para su crecimiento, tiene la habilidad de producir directamente grandes cantidades de L (+) ácido láctico de almidón y es fácilmente separado del medio de fermentación en el proceso de recuperación y purificación. Sin embargo la dificultad que presenta la producción de ácido láctico con moho es su forma física ya que el gran tamaño de los micelios o sus agregados puede provocar un aumento en la viscosidad del medio de fermentación lo que causa un alto incremento en la demanda de oxígeno y resistencia a la transferencia de masa en el proceso fermentativo, lo que a su vez aumenta los tiempos de fermentación, aumenta los subproductos formados especialmente etanol, y disminuye los rendimientos en conversión.
   En la producción biotecnológica de ácido láctico con bacterias o con hongos, se utilizan como sustratos, sacarosa proveniente de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera, pero debido a que el azúcar puro es de alto coste se han venido investigando otros sustratos (desechos agrícolas)  para disminuir los costes de producción. Sin embargo la producción de ácido láctico de estas fuentes renovables requiere de los siguientes pasos:
1) Hidrólisis del sustrato hasta azúcares fermentables.
2) Fermentación de azúcares a ácido láctico.
3) Separación de biomasa y partículas sólidas del medio de fermentación.
4)  Purificación del ácido láctico obtenido.

   En la obtención comercial con bacterias lácticas, al sustrato puro se le adiciona una fuente de vitaminas y de cofactores, se utiliza una mezcla de de 10 a 15% de glucosa, cantidades menores de fosfato de amonio, extracto de levadura y 10% neutralizante. El medio se inocula y se agita sin aireación para optimizar la neutralización del ácido formado. La fermentación dura entre 2 a 4 días y se termina cuando todo el azúcar es consumido, con el fin de facilitar la purificación. Al final de la fermentación el medio es ajustado a pH 10 y si se utiliza carbonato de calcio, el medio es calentado para solubilizar el lactato de calcio y coagular proteínas presentes. Posteriormente el medio se filtra para eliminar sustancias insolubles, así como biomasa. El ácido libre se obtiene por adición de ácido sulfúrico seguido de filtración para eliminar el sulfato de calcio formado. El ácido láctico es entonces concentrado por evaporación.
   Debido a que el tipo de fermentación descrito  ( en discontinuo) está limitado por el daño que sufren las células por la acumulación en el medio de fermentación de la forma no disociada del ácido, se han investigado otros modos de fermentación como son la fermentación en discontinuo con alimentación intermitente y la fermentación en continuo y se han desarrollado una serie de procesos basados en la eliminación del producto por filtración y concentración de las células usando una unidad de retención. La fermentación en discontinuo con alimentación intermitente es un proceso en el cual el birreactor es alimentado de continua o secuencialmente con sustrato, sin la eliminación del medio de fermentación, mientras que la fermentación en continuo la corriente de producto posee la misma composición que el líquido presente en el reactor. La fermentación en continuo da en la mayoría de los casos mayores concentraciones y mayores rendimientos, comparado con la fermentación en discontinuo.

RECUPERACIÓN Y PURIFICACIÓN
   La separación, purificación y preconcentración del ácido láctico obtenido de los medios de fermentación es difícil debido a la alta afinidad del ácido por el agua y a su baja volatilidad. En la mayoría de los procesos, el ácido láctico es recuperado bajo la forma de lactato de calcio, y los tratamientos posteriores van a depender de la pureza deseada e incluyen: tratamiento con carbón activo, purificación con resinas de intercambio iónico, extracción con solventes o esterificación con metanol seguido por destilación e hidrólisis.
   Sin embargo, con el fin de limpiar los residuos generados en el proceso, se han desarrollado otros métodos de recuperación y purificación que incluyen clarificación de medios de fermentación por microfiltración con flujo cruzado, tratamientos con resinas, entre otras.
   Comparado con técnicas de adsorción, precipitación o filtración por membranas, el método de extracción por solventes con componentes organofosforados, aminas terciarias o amonios cuaternarios, es más selectivo y favorece la eficacia del proceso y la pureza del producto obtenido. Sin embargo los solventes orgánicos plantean dos problemas: son tóxicos para los microorganismos y el pH óptimo de la extracción y de la fermentación no coinciden, por lo que se ha propuesto el uso de membranas poliméricas de Triacetato de celulosa con sales de amonio cuaternario como fase móvil y o-nitrofeniloctil éter como plastificante, para la separación in situ de ácido láctico.
   En cuanto a la electrodiálisis, es un proceso que ha sido diseñado para separar, purificar y concentrar sales de ácidos de medios de fermentación. El método permite separar el ácido a medida que se produce, eliminando la necesidad de agregar agentes neutralizantes. La concentración de ácido en el medio de cultivo por este sistema permanece en niveles muy bajos, por lo cual se ha evaluado una modificación al mismo que emplea la electodiálisis periódica acoplada a un sistema de control de pH, lo que hace que se aumente la concentración de lactato en el medio y se disminuyan los tiempos de fermentación. Con este método de fermentación se aumenta la productividad 1,5 veces respecto a la electrodiálisis convencional.
   La electrodiálisis puede además utilizarse después de la fermentación tipo batch y más recientemente se han propuestos sistemas en continuo que tienen la ventaja de mantener constante el volumen del medio de fermentación y de disminuir las pérdidas de glucosa en la solución recuperada, por este método se logra obtener 19,5 veces más ácido láctico que con la electrodiálisis convencional y 9,7 veces más ácido láctico comparado con la electrodiálisis intermitente.
   A pesar de todos estos avances la mayoría de industrias productoras de ácido láctico emplean aún los procesos de precipitación para la purificación de ácido láctico, lo cual genera una tonelada de yeso por cada tonelada de ácido láctico producido que se desecha al ambiente como residuo.

USOS Y ESPECIFICACIONES
   El ácido láctico y sus derivados como  sales y ésteres son ampliamente utilizados en la industria alimenticia, química, farmacéuticas, del plástico, textil, la agricultura, alimentación animal entre otros.
   En la industria alimenticia se usa como acidulante y conservante. Las industrias químicas lo utilizan como solubilizador y como agente controlador de pH. En la producción de pinturas y resinas, puede ser utilizado como solvente biodegradable. En la industria de plásticos es utilizado como precursor del ácido poliláctico (PLA), un polímero biodegradable con interesantes usos en la industria y la medicina; se considera ésta la principal aplicación del ácido y la causa por la cual a aumentado considerablemente su demanda.

CONCLUSIONES
   A pesar de que la producción industrial de ácido láctico se inició hace más de 100 años, la investigación sigue aún muy activa, básicamente ésto es debido a dos factores: las nuevas aplicaciones que se le han encontrado al ácido por la posibilidad que ofrece de polimerizarse y producir plásticos biodegradables; y el coste, que resulta alto para aplicaciones a gran escala. Los investigadores proponen disminuir los costes de producción mediante el empleo de sustratos más baratos como desechos agroindustriales, a través del uso de microorganismos más eficientes y mediante la configuración de procesos integrados de purificación que permiten obtener L (+) y D (-) ácido láctico puro. De otro lado, la eficacia del proceso biotecnológico que se mide en términos de concentración de ácido láctico, rendimiento del producto relacionado con el sustrato consumido y velocidad de producción, es muy variado y éstos parámetros están marcadamente dependientes del microorganismo utilizado, de la fuente de carbono, de la fuente de nitrógeno, del pH, la temperatura y del modo de fermentación



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