Sistema di produz. dell'energia - Nuovo Progetto

al muscolo deve giungere, attraverso il nervo motore, un ordine per la contrazione; se il movimento è volontario l’ordine parte da una zona ben precisa del cervello

il segnale trasmesso dal nervo innesca nelle cellule muscolari una serie di reazioni chimiche che liberano energia chimica

l’energia chimica si trasforma in energia meccanica causando accorciamento delle cellule muscolari.

L’evento 1 è più di pertinenza nervosa, mentre gli eventi 2 e 3 sono tipicamente di fisiologia muscolare in quanto descrivono il funzionamento del motore biologico.

Un muscolo può solo contrarsi e quindi accorciarsi, rilassarsi e quindi allungarsi. Questo fenomeno è possibile perché all'interno del Sarcomero, Actina e Miosina, scivolando fra loro, determinano l'accorciamento del Sarcomero stesso. Questo micro accorciamento, ripetuto per milioni di Sarcomeri presenti nei miofilamenti, permette la contrazione muscolare. L'energia indispensabile affinché questo fenomeno accada, è prodotta dalla scissione della molecola di ATP (Adenosintrifosfato), presente nel muscolo in piccole quantità con la possibilità di riformarsi.

L'ATP cedendo energia sotto forma di un radicale fosforico, si trasforma in ADP (adenosindifosfato), per poi ritornare ad essere ATP entro pochi secondi con il riacquisto di energia. La continua trasformazione di ADP in ATP è detta: Metabolismo Cellulare. Il metabolismo cellulare può avvenire sfruttando una fonte di energia ottenibile in due modi:

1) In presenza di ossigeno (metabolismo aerobico).

Nei muscoli sono stipate riserve di zuccheri sotto forma di glicogeno e di grassi. Attraverso il circolo sanguigno, poi altre riserve dell’organismo possono essere mobilizzate in caso di bisogno. In condizioni particolari, all’interno delle membrane cellulari, quando zuccheri e grassi vengono a contatto con l'ossigeno trasportato dal sangue, bruciano producendo l'energia utile al metabolismo cellulare: l'effetto della combustione produce acqua, anidride carbonica ed energia. Il metabolismo aerobico, più efficiente nel consumare i grassi, è possibile alla sola condizione che il movimento delle fibre muscolari rispetti determinati criteri. E' il caso di attività anche di lunga durata, ma a bassa intensità come la camminata, la corsa lenta, la bicicletta, ecc. Attività nelle quali la frequenza cardiaca (n° di battiti per minuto) non superi un certo valore della frequenza cardiaca massima (220 - età, moltiplicato per il 60/75 %).

Dopo un breve tempo d'attività sono consumati i grassi di deposito, transitati nei muscoli attraverso la circolazione del sangue. Questa è l'attività fisica che porta al dimagrimento. All’aumentare dell’intensità del lavoro muscolare, la velocità con cui si consumano le molecole di ATP è maggiore di quella con cui si riformano e l'ossigeno introdotto nell’organismo è insufficiente ad ossidare i substrati metabolici: entra in funzione il secondo sistema metabolico per ottenere energia.

Utilizzo nel tempo delle diverse fonti di energia La riserva più immediata di energia utilizzabile durante la contrazione muscolare e il creatinfosfato (CP). Tuttavia la sua concentrazione nel corpo è esigua, con conseguente capacita molto limitata; circa quella che servirebbe per correre 100 metri. La caratteristica di questa fonte di energia è l'immediatezza di utilizzo e la grande potenza muscolare erogabile.

In questa condizione il sangue non penetra agevolmente nei tessuti muscolari in particolare perché la contrazione stessa del muscolo rallenta il flusso sanguigno arterioso. Il muscolo è isolato ed i grassi non possono essere ossidati opportunamente.

Gli zuccheri presenti all'interno del muscolo vengono scissi, ma in assenza di ossigeno non possono essere ossidati, ma soltanto ridotti ad Acido Lattico dopo avere ceduto una parte della loro energia. Questo è il metabolismo anaerobico lattacido. Negli sforzi intensi e brevi (massimo 10 secondi) non vi è produzione di acido lattico perché i muscoli utilizzano gli zuccheri per una quantità di ATP inferiore. La ricostituzione dell'ATP avviene per mezzo del Creatinfosfato (CP), questo è il metabolismo anaerobico alattacido.

La moneta di scambio energetica: l'AT P

Nel dettaglio quando un muscolo si contrae ed esercita una forza, l'energia usata per comandare la contrazione proviene da una sostanza speciale presente nelle cellule e conosciuta come ATP, adenosina trifosfato. L'ATP è la sorgente d’energia del corpo, allo stesso modo di come la benzina è la sorgente di energia di un motore di automobile. Quanto più rapidamente ed efficacemente le cellule muscolari producono l'ATP, tanto maggiore sarà il lavoro che le cellule saranno in grado di svolgere prima di stancarsi. Anche se c'è una certa quantità di ATP immagazzinata in una cellula muscolare, la sua disponibilità è limitata. Ciò vuol dire che le cellule muscolari devono produrre continuamente ATP per poter continuare a lavorare. Le cellule muscolari alimentano la riserva di ATP utilizzando tre diversi percorsi biochimici, ovvero diverse sequenze di reazioni chimiche: i sistemi energetici aerobico ed anaerobico lattacido e alattacido.

La parola aerobico vuol dire in presenza di ossigeno. Il sistema energetico aerobico per la produzione di ATP è predominante quando alle cellule viene fornita una quantità di ossigeno sufficiente a soddisfare le esigenze di produzione di energia, come avviene, ad esempio, quando il muscolo è in riposo. La maggior parte delle cellule, comprese le cellule muscolari, contiene delle strutture chiamate mitocondri. I mitocondri sono le sedi della produzione d’energia aerobica (ATP). Più grande è il numero di mitocondri in una cellula, maggiore è la capacità di quella cellula di produrre energia aerobica.

Le altre due vie alternative di approvvigionamento energetico di ATP si attivano quando le cellule rice- vono una quantità di ossigeno insufficiente a soddisfare i fabbisogni energetici. In assenza di insufficienti quantitativi d’ossigeno, come accade quando una cellula muscolare ha bisogno di produrre una grossa forza molto rapidamente per sollevare un grosso peso, la cellula passa al sistema energetico anaerobico, che fornisce una fonte di ATP rapidamente disponibile.

"Anaerobico" significa in assenza di ossigeno. La produzione anaerobica di ATP avviene all'interno delle cellule, ma al di fuori dei mitocondri. Molte cellule, come quelle del cuore, del cervello e di altri organi, hanno una capacità anaerobica estremamente limitata. Pertanto queste cellule devono essere continuamente rifornite di ossigeno, altrimenti muoiono. Per esempio se una arteria coronaria (che fornisce sangue ed ossigeno al muscolo cardiaco) si ostruisce per accumulo di deposito di colesterolo, ci sarà un ridotto flusso di sangue attraverso questa arteria, chiamato ischemia. II minor flusso di sangue può portare ad una insufficienza dell'ossigeno fornito al muscolo cardiaco, sia durante il riposo che durante l'esercizio fisico, la qual cosa spesso produce una sensazione di dolore e/o di pressione al torace, chiamata angina pectoris. Se viene a mancare il supporto di ossigeno, come avviene quando si forma un grumo di sangue in corrispondenza di una occlusione dell'arteria, l'area del muscolo cardiaco (miocardio) che si trova oltre il blocco subisce un infarto miocardico, spesso chiamato attacco di cuore. Se il fenomeno coinvolge gran parte del miocardio, il risultato è un fatale attacco di cuore. Nel cervello l'ischemia può portare ad un ictus. Diversamente dal cuore e dal cervello, i muscoli scheletrici, come i tricipiti ed i quadricipiti, hanno una notevole capacità anaerobica. Il corpo usa un processo chimico estremamente complesso per produrre l'ATP. I lipidi (acidi grassi) ed i carboidrati (glucosio) sono le due sostanze (substrati) che le cellule del corpo usano per produrre la maggior parte di ATP. Le proteine, che sono costituite da varie combinazioni di amminoacidi, non rappresentano una fonte di energia preferenziale; in un atleta con un regime alimentare equilibrato, le proteine giocano un ruolo minore nella produzione di energia. Tuttavia, quando una dieta non fornisce una sufficiente quantità di calorie, il corpo è capace di utilizzare le proteine immagazzinate nei tessuti muscolari per produrre l'energia occorrente. Anche se questo non è certo un processo ideale. A riposo, in condizioni normali, quando il sistema cardiopolmonare è in grado di fornire la quantità adeguata di ossigeno ai mitocondri delle cellule muscolari, sia gli acidi grassi che il glucosio sono utilizzati per produrre l'ATP. La decisione di metabolizzare grassi, proteine o zuccheri è presa dalla cellula muscolare in base al tipo di attività fisica e alla disponibilità di substrato.

In altre parole, a riposo, la maggior parte di ATP necessaria viene prodotta aerobicamente, utilizzando sia il glucosio che gli acidi grassi. Infatti, a riposo, il corpo produce all'incirca una caloria al minuto. Circa il 50% di questa caloria per minuto deriva dal grasso, anche se la persona non è allenata. In un atleta ben allenato i grassi forniscono fino al 70% della spesa calorica a riposo.

Quando l'intensità dell'esercizio aumenta, il sistema cardiovascolare compie tutti gli sforzi possibili per aumentare la sua fornitura di ossigeno ai mitocondri dei muscoli in lavoro per produrre aerobicamente il quantitativo di ATP necessario. Seguitando ad aumentare l'intensità dell'esercizio, ad un certo punto, determinato sia dal livello di fitness dell’atleta, sia dalle sue caratteristiche genetiche, il sistema cardiovascolare diventa incapace a fornire sufficiente ossigeno ai muscoli che lavorano; allora i muscoli fanno ricorso al sistema anaerobico per produrre rapidamente l'ATP. L'intensità d’esercizio alla quale non è più disponibile un adeguato apporto di ossigeno è chiamata soglia anaerobica, la quale viene raggiunta prima dello sforzo massimo.

II sistema anaerobico, tuttavia, non può essere utilizzato per un periodo prolungato. La fonte primaria per la produzione anaerobica di ATP è il glucosio, che è contenuto nei muscoli e nel fegato come glicogeno, una grande molecola costituita da catene di glucosio. Una seconda sorgente per la produzione di ATP è il fosfato creatina, una molecola che può essere rapidamente separata per ottenere un aiuto alla produzione di ATP. Tuttavia, così come per la riserva di ATP nei muscoli, c'è una disponibilità estremamente limitata di fosfato creatina. Alcune ricerche svolte circa 20 anni fa (J. Bergstom ed altri) hanno mostrato che, anche in un atleta ben allenato, i muscoli immagazzinano solo la quantità di fosfato creatina e di ATP, che insieme sono chiamati fosfageni, sufficiente a 10 secondi di sforzo massimo.

Per riassumere, fin tanto che una cellula muscolare é aerobica, essa utilizza sia i grassi che il glucosio per produrre ATP. Il sistema aerobico produce molto più ATP di quanto ne produca il sistema anaerobico, soprattutto perché i grassi danno 9 calorie di energia per grammo, mentre il glucosio e le proteine solo 4 calorie per grammo.

Inoltre i prodotti di scarto della produzione aerobica di ATP sono l'acqua e l'anidride carbonica (CO2); entrambi sono tollerati abbastanza bene dal corpo, così che la produzione di energia aerobica non provoca una fatica muscolare. Poiché l'acqua è un prodotto di scarto della produzione aerobica di ATP è fondamentale sostituire l'acqua eliminata bevendo moltissimo ogni giorno. Pertanto più ci si allena, più acqua bisogna bere. Comunque, non soltanto è molto minore l'ATP prodotto anaerobicamente di quello prodotto aerobicamente per ogni molecola di substrato usata, ma i prodotti di scarto della produzione anaerobica di ATP comprendono l'acido lattico. All'aumentare dei livelli di acido lattico e di altri prodotti di scarto nel muscolo, sarà sempre più difficile consentire al muscolo contrazioni continuate. Si ritiene che l'acido lattico sia la causa principale dei dolori repentini (bruciori) in un muscolo che si sta esercitando. Oltre alla formazione di acido lattico i muscoli mandano altri segnali quando non riescono più a produrre aerobicamente il quantitativo necessario di ATP. Uno di questi è l'iperventilazione, definita come una respirazione più veloce del necessario, che rappresenta il segnale che la produzione anaerobica di ATP è predominante. Quando non è disponibile ossigeno in quantità sufficiente, il muscolo segnala al cervello la necessità di aumentare il ritmo e la profondità del respiro. Tuttavia poiché il fattore limitante non è la respirazione ma l'estrazione di ossigeno dal muscolo, l'iperventilazione è un processo futile. L’ATP è un composto che contiene tre gruppi fosforici il cui legame chimico è altamente energetico. Infatti, l’ATP una volta formato, ha facilità a cedere un gruppo fosforico liberando energia.

Il processo chimico che il corpo utilizza per produrre l'ATP dipende da alcune proteine del corpo chiamate enzimi. Gli enzimi sono necessari per avviare la reazione chimica che produce l'ATP, sia aerobicamente che anaerobicamente. Gli enzimi che metabolizzano i grassi sono diversi da quelli che metabolizzano i carboidrati. Inoltre vengono usati enzimi diversi per metabolizzare i carboidrati aerobicamente, da quelli usati per metabolizzare i carboidrati anaerobicamente. Così quando ci si esercita con una intensità al di sotto della soglia anaerobica, gli enzimi aerobici che metabolizzano il grasso ed i carboidrati sono dominanti nella produzione di ATP. Ma quando l'esercizio viene svolto in prossimità della soglia anaerobica, gli enzimi anaerobici hanno un ruolo dominante nella produzione di ATP.L'allenamento aerobico porta ad un aumento delle capacità del sistema aerobico, ma ha un piccolo effetto sugli enzimi anaerobici. Pertanto l'allenamento aerobico aumenta significativamente la nostra capacità a bruciare grassi. L'allenamento anaerobico, d'altro canto, porterà principalmente ad un miglioramento funzionale del sistema degli enzimi anaerobici. Tutto ciò rappresenta un'altra applicazione del principio di specificità dell'allenamento e del fattore d’adattamento metabolico dell’atleta.

La capacità totale di consumo d’ossigeno a livello cellulare è conosciuta come massimo consumo di ossigeno o V02 massimo. Questa espressione rappresenta la nostra massima capacità aerobica. Il V02 massimo dipende da due fattori: (1) la distribuzione di ossigeno ai muscoli che stanno lavorando attraverso il sangue, o emissione cardiaca, e (2) la capacità di estrarre l'ossigeno dal sangue per renderlo disponibile all’interno della cellula muscolare ai mitocondri (organuli cellulari con funzione di produzione di energia aerobica). Il consumo massimo di ossigeno è rappresentato dalla seguente formula:

V02 max = emiss. cardiaca max * estraz. ossigeno max

V02 (il volume di ossigeno consumato) è misurato sia in millilitri di ossigeno consumato per chilogrammo di peso corporeo per minuto (ml di ossig./Kg/min), sia in litri di ossigeno consumato per minuto (lt di ossig./min). Possiamo ora indicare quanto ossigeno è usato a riposo e confrontarlo con una ipotetica capacità aerobica massima di un atleta che pesa 70 Kg. Se il suo battito cardiaco a riposo è di 60 bpm, il volume unitario SV è di 70 ml/battito (ricordando che : emiss. cardiaca = battito cardiaco * volume unitario), e l'estrazione di ossigeno è di 6 ml di O2/100 ml di sangue; pertanto il suo V02 a riposo è:

V02 = 60 bpm * 70 ml/battito * 6 ml ossig. /l00 ml

Questo equivale a 252 ml di O2/min. Diviso per i 70 Kg. il V02 a riposo è circa 3,5 ml/Kg/min. Durante un esercizio massimale il nostro ipotetico atleta ha un battito di 180 bpm, un volume unitario di 115 ml/battito ed una estrazione di ossigeno di 15 ml di O2/100 ml di sangue. Pertanto il suo massimo VO2 è:

VO2 max = l80bpm * 115ml/batt. * l5ml ossig. /l00ml

che equivale a 3,105 ml di ossig./min ovvero 44,4 ml/Kg/min. Benché l'esempio si riferisca ad una ipotetica persona in condizioni medie, esso illustra chiaramente come i nostri corpi abbiano una enorme capacità di incrementare il consumo di ossigeno: in questo esempio è stato registrato un incremento di più di 12,5 volte. Mentre gli aumenti sia del battito che del volume unitario giustificano l'aumento dell'emissione cardiaca durante l'esercizio, l'aumento dell’estrazione di ossigeno (indicata anche come differenza di ossigeno arterio-venosa) è provocata da diversi fattori.

Durante l'esercizio numerosi cambiamenti intervengono a rendere più agevole il prelievo dell'ossigeno dalle molecole di emoglobina ed il suo successivo uso per la produzione di energia aerobica nei muscoli. Questi cambiamenti comprendono aumenti della temperatura, dell'acidità, e del livello della CO2 nel flusso sanguigno.

II valore di V02 a riposo pari a 3,5 ml/Kg/min viene anche chiamato un equivalente metabolico, o 1 MET. Le attività sono spesso descritte in termini di MET; per esempio, nella pallavolo si ha un campo di 3-6 MET e nella danza aerobica un campo di 6-9 MET. Per determinare il V02 equivalente ad un dato valore di MET basta moltiplicare quest'ultimo per 3,5. I medici spesso prescrivono gli esercizi in base al valore di MET, soprattutto per quei pazienti che seguono un programma di riabilitazione cardiaca.

Con l'allenamento aerobico non solo si verifica un aumento del V02 max, ma si provoca anche un aumento della percentuale dello sforzo massimo alla quale si presenta la soglia anaerobica. In pratica questo vuol dire che un individuo è capace di produrre ATP aerobicamente con una efficienza che cresce con il progredire dell’allenamento. Inoltre una persona che pratica uno sport aerobico generalmente può svolgere attività più intense di quanto possa fare una persona non allenata.