Il sistema di produzione dell’energia (metabolismi energetici)
Il sistema di produzione dell’energia (metabolismi energetici)
Non me ne vogliano i lettori, ma non potevo proprio, prima di parlare di calorie, carboidrati, grassi e proteine, non trattare i metabolismi energetici. Questi sono alla base della fisiologia della contrazione muscolare e diventano fondamentali nella comprensione dell’utilizzo dei macronutrienti a scopo energetico.
Quando un muscolo si contrae ed esercita una forza, l’energia usata per comandare la contrazione proviene da una molecola speciale presente nelle cellule e conosciuta come ATP, adenosina trifosfato. IJATP è la sorgente di energia del corpo tanto quanto 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 vi 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: 1) aerobico, il sistema prevalentemente usato negli sport di endurance che produce ATP tramite l’ossidazione di grassi e carboidrati nel ciclo di Krebs; 2) anaerobico lattacido, il sistema prevalentemente usato negli sport di velocità, che produce ATP trasformando il glucosio in acido lattico; 3) anaerobico alattacido, il sistema utilizzato negli sport di potenza esplosiva, che utilizza le riserve precostituite di ATP e quelle immediatamente risintetizzate a partire dal creatinfosfato. Un concetto importante da fissare subito è che anche se sono separati, comunque lavorano simultaneamente e la predominanza dell’uno sull’altro dipenderà dall’intensità e dalla durata dell’esercizio.
I sistemi energetici aerobico e anaerobico
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, per 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 di energia aerobica (ATP). Più grande è il numero di mitocondri in una cellula, maggiore è la capacità di quella cellula di produrre energia aerobica.
Gli altri due sistemi energetici sono le fonti primarie di ATP quando le cellule ricevono una quantità di ossigeno insufficiente a soddisfare i fabbisogni energetici. In assenza di sufficienti quantitativi di ossigeno, come accade quando una cellula muscolare ha bisogno di produrre una grande 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 aU’interno delle cellule, nel citoplasma, 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. Diversamente dal cuore e dal cervello, i muscoli scheletrici hanno una notevole capacità anaerobica. Un atleta deve conoscere le modalità di produzione dell’energia aerobica e anaerobica sia in funzione delle sostanze (i nutrienti) utilizzate per la produzione di ATP, sia in funzione dell’intensità dell’esercizio, dove il riposo e il massimo sforzo rappresentano gli estremi della possibile intensità. Il corpo usa un processo chimico estremamente complesso per produrre l’ATP. Tuttavia, anche una conoscenza di base del processo può aiutare molto l’atleta nella fase di impostazione di un programma di allenamento e relativa alimentazione e integrazione. I lipidi (acidi grassi) e i carboidrati (glucosio) sono le due sostanze (substrati) che le cellule del corpo usano per produrre la maggior parte dell’ATP. Le proteine, che sono costituite da varie combinazioni di aminoacidi, non rappresentano una fonte di energia preferenziale; in un atleta nutrito con una dieta equilibrata, le proteine giocano un ruolo minore nella produzione di energia. Tuttavia, quando una dieta non fornisce una sufficiente quantità di calorie, il corpo è in grado di utilizzare le proteine immagazzinate nei tessuti muscolari per produrre l’energia occorrente tramite un processo biochimico chiamato “neoglucogenesi”, che comporta lo smantellamento delle proteine e la loro trasformazione in glucosio, anche se questo non è certo un processo ideale in quanto catabolico. A riposo, quando il sistema cardiopolmonare è facilmente in grado di fornire la quantità adeguata di ossigeno ai mitocondri delle cellule muscolari, sia gli acidi grassi sia il glucosio sono utilizzati per produrre l’ATP, ma in maniera prevalente gli acidi grassi.
In altre parole, a riposo, la maggior parte dell’ATP necessario viene prodotta aerobicamente, utilizzando sia il glucosio sia gli acidi grassi. Infatti, a riposo, il corpo consuma all’incirca una Kcal al minuto. Circa il 50% di queste calorie 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 (si consideri che, comunque, circa 100 g di glucosio al giorno sono utilizzati dal solo cervello).
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, a un certo punto, determinato sia dal livello di allenamento dell’atleta sia dalle sue caratteristiche genetiche, il sistema cardiovascolare diventa incapace di fornire sufficiente ossigeno ai muscoli che lavorano; allora i muscoli fanno ricorso al sistema anaerobico per produrre rapidamente l’ATP.
L’intensità di esercizio alla quale non è più disponibile un adeguato apporto di ossigeno è chiamata soglia anaerobica, la quale viene raggiunta prima dello sforzo massimo. Il 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 creatinfosfato (PCr), una molecola dalla quale può essere rapidamente separata una molecola di fosforo (P) per ricostituire una molecola di ATP partendo da una molecola di ADP (adenosindifosfato). Tuttavia, così come per la riserva di ATP nei muscoli, c’è una disponibilità estremamente limitata di fosfato creatina. Alcune ricerche (J. Bergstom e 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, e questa fondamentalmente rispecchia la capacità del sistema anaerobico alattacido. La glicolisi, cioè la scissione del glucosio, è il preludio di entrambe le vie, è una catena di nove reazioni, catalizzata ciascuna da un enzima specifico, e avviene nel citosol.
Nel corso di queste reazioni una molecola di glucosio (C6H1206), contenente 6 atomi di carbonio, viene gradualmente trasformata in 2 molecole di piruvato, contenenti ciascuna 3 atomi di carbonio. La molecola di piruvato, prodotto finale della glicolisi (durante la quale vengono prodotte 2 molecole di ATP), può andare incontro a ulteriore demolizione: 1) in maniera aerobica attraverso le reazioni del ciclo di Krebs e della catena di trasporto degli elettroni (catena respiratoria) che avvengono all’interno dei mitocondri e che sono estremamente dipendenti tra di loro; 2) in maniera anaerobica attraverso il processo di fermentazione che avviene nel citosol e che porta alla formazione di acido lattico.
Descrivere il ciclo di Krebs
A questo punto vorrei spendere due parole in più per descrivere il ciclo di Krebs, perché la comprensione di quest’ultimo (grande cruccio di tutti gli studenti all’esame di biochimica) può essere molto utile per capire i complicati meccanismi che portano l’organismo all’utilizzo di un substrato energetico piuttosto che di un altro. Il ciclo di Krebs è la base della via aerobica e la molecola di piruvato, prima di iniziare il ciclo di Krebs, entra nel mitocondrio, perde una molecola di C02 e diventa un gruppo acetile contenente 2 atomi di carbonio. Il gruppo acetile si lega a una molecola di coenzima A, tramite la quale entra nel ciclo di Krebs. Il gruppo acetile legato al coenzima A (AcetilCoA) si lega a una molecola di ossalacetato (composto da 4 atomi di carbonio) formando acido citrico (composto da 6 atomi di carbonio). L’acido citrico subisce una serie successiva di ossidazioni (perde 2 atomi di carbonio sotto forma di 2 molecole di CO,, genera una molecola di ATP, 2 di NADH, una di FADH,; il potere riducente del NADH e del FADH, verrà utilizzato per produrre ATP nella catena respiratoria) sino a riformare la molecola di ossalacetato che ricomincia il ciclo legandosi a un altro gruppo acetile.
Ebbene, ritengo che proprio la disponibilità di ossalacetato rappresenti un semaforo importante per l’utilizzo dei grassi o dei carboidrati. Lòssalacetato si forma da due molecole di piruvato che normalmente derivano dalla glicolisi del glucosio. Se ce scarsa disponibilità di glucosio ci sarà una scarsa produzione di piruvato, il che comporta un rallentamento della funzionalità del ciclo di Krebs. Da qui la frase: “i grassi bruciano al fuoco dei carboidrati”. Se non ce abbastanza ossalacetato, questo non si può legare al gruppo acetile proveniente dall’ossidazione degli acidi grassi e quindi questi gruppi acetile seguono una via diversa e danno origine ai corpi chetonici. Ma ancor prima della formazione dei corpi chetonici l’organismo tenta di compensare questa carenza di ossalacetato tramite la conversione degli aminoacidi neoglucogenetici in piruvato. In realtà entrambi i meccanismi, la produzione di corpi chetonici e la neoglucogenesi, non sono metabolismi biochimici ideali per l’atleta in quanto il primo induce un aumento di acidosi metabolica che è già tendenzialmente alta nell’atleta superalienato (se non si verifica un particolare adattamento metabolico che richiede una dieta specifica e un determinato tempo) e il secondo un catabolismo proteico che non aiuta a livello muscolare.
Per riassumere, fintanto che una cellula muscolare è aerobica, essa utilizza sia i grassi sia il glucosio per produrre ATP, ma è comunque necessaria sempre almeno una quantità di carboidrati per evitare la chetosi e la neoglucogenesi.
Il sistema aerobico produce molto più ATP
Il sistema aerobico produce molto più ATP di quanto ne produca il sistema anaerobico, in quanto tra ciclo di Krebs e catena respiratoria si arriva a 36 molecole di ATP rispetto alle 2 della glicolisi anaerobica. Inoltre i prodotti di scarto della produzione aerobica di ATP sono l’acqua e l’anidride carbonica (C02); 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. Più ci si esercita, più acqua bisogna bere. Quando un muscolo in esercizio sfrutta il metabolismo anaerobico, esso utilizza il glucosio (e limitatamente il sistema fosfageno) per produrre ATP.
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.
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 sia anaerobicamente. Gli enzimi che metabolizzano i grassi sono diversi da quelli che metabolizzano i carboidrati. Inoltre per metabolizzare i carboidrati aerobicamente vengono usati enzimi diversi 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 e 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 a un aumento delle capacità del sistema aerobico, ma ha un piccolo effetto sugli enzimi anaerobici. Pertanto l’allenamento aerobico aumenta significativamente la nostra capacità di bruciare grassi. L’allenamento anaerobico, d’altro canto, porterà principalmente a un miglioramento funzionale del sistema degli enzimi anaerobici. Tutto ciò rappresenta un’altra applicazione del principio di specificità dell’allenamento.
Data di Pubblicazione: 2 ottobre 2017
