Metabolismo Aerobico e Anaerobico: Differenze e Implicazioni nell'Esercizio Fisico

Aerobico ed anaerobico sono due accezioni utilizzate per distinguere i processi di produzione dell'energia cellulare che si attivano in presenza o assenza di ossigeno all'interno di un organismo vivente. In generale, l'insieme dei processi di produzione di energia che avvengono in una cellula costituisce quello che viene definito metabolismo cellulare. Attraverso il metabolismo, la cellula ottiene i nutrienti ed elimina i rifiuti.

Una volta assunte le biomolecole attraverso il cibo, esse vengono degradate fino ad ottenere sostanze più semplici quali acqua ed anidride carbonica. Anaerobico ed anaerobico sono termini utilizzati anche per definire i microrganismi che sono capaci di vivere in ambienti in cui l'ossigeno è presente o meno.

In particolar modo parliamo di microrganismi batterici che hanno sviluppato processi metabolici che gli permettono di produrre energia anche in assenza di ossigeno, oppure di quei batteri che riescono a produrre energia in presenza ed assenza di ossigeno grazie alla attivazione di differenti processi metabolici.

Respirazione Cellulare e Fermentazione

La respirazione cellulare è un processo metabolico per la maggior parte di tipo aerobico che avviene all'interno dei mitocondri negli eucarioti e sulla membrana citoplasmatica nei procarioti. Questo meccanismo consente il trasporto di elettroni e protoni dal glucosio all'ossigeno formando H2O; in più gli atomi di carbonio vengono liberati sotto forma di CO2. Questo consente di produrre energia (ATP) e degradare le molecole complesse derivate dall'ingestione del cibo.

In maniera generale possiamo dividere la respirazione cellulare in tre fasi:

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1. Glicolisi: è l'unica parte anaerobica del processo di respirazione cellulare. Questo processo avviene all'interno del citosol cellulare e consente di scindere una molecola di glucosio in due molecole di acido piruvico o piruvato attraverso dieci differenti reazioni catalizzate da diversi enzimi.
2. Ossidazione del piruvato: è il secondo passaggio della respirazione cellulare che avviene nella matrice mitocondriale. Attraverso dei catalizzatori enzimatici il piruvato (con tre atomi di C) viene convertito in un gruppo acetilico a due atomi di carbonio (Acetil Coenzima A). Questa molecola entra nel ciclo dell'acido citrico (anche detto ciclo di Krebs) ove viene ossidata completamente in CO2. Contemporaneamente viene prodotta ATP poiché ad ogni ciclo, gli elettroni disponibili vengono trasferiti a NAD+ e FAD i quali sono ridotti in NADH e FADH2.
3. Fosforilazione Ossidativa: si tratta dell'ultimo passaggio della respirazione cellulare che avviene sempre a livello mitocondriale. Tutti gli elettroni immagazzinati dalle molecole trasportatrici di NAD+ e FAD vengono trasferiti all'O2 generando un gradiente di ioni H+ che viene sfruttato per sintetizzare l'ATP a partire dall'enzima ATP sintasi.

La fermentazione è il processo metabolico che si attiva in assenza di ossigeno e pertanto risulta essere di tipo anaerobico. In questo processo avviene regolarmente la glicolisi ma non si attiva la fosforilazione ossidativa con relativo trasferimento di elettroni all'O2.

1. Lattica: il piruvato prodotto dalla glicolisi viene convertito in lattato il quale accumula in maniera temporanea gli elettroni e quando l'ossigeno torna a livelli normali, viene riconvertito in piruvato e NADH così da poter cedere gli elettroni alla catena di trasporto.
2. Alcolica: Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene convertito in alcol etilico e CO2 in un processo a due passaggi in cui anche il NADH viene convertito in NAD+. La fermentazione alcolica è quel processo che avviene nella panificazione durante la lievitazione.

Come abbiamo accennato in precedenza, vi sono organismi che possono sopravvivere in assenza o in presenza di ossigeno ma anche in entrambi i casi.

• Anaerobi obbligati: sono organismi che vivono solo in ambienti che non presentano alcuna traccia di ossigeno poiché privi di enzimi necessari alla fosforilazione ossidativa. Tra questi vi sono i batteri che causano il botulismo (Clostridium Botulinum ) ed il tetano (Clostridium Tetani).
• Anaerobi facoltativi: sono organismi che possono scegliere di utilizzare la via ossidativa o fermentativa a seconda della disponibilità di ossigeno nell'ambiente. Tra questi possiamo citare il batterio Escherichia Coli che colonizza il tratto gastrointestinale umano ed i batteri del genere Lactobacillus utilizati per produrre lo yogurt e il siero del latte.
• Aerobi obbligati: sono organismi che vivono solo in ambienti in cui domina l'ossigeno. Questi infatti non hanno la possibilità di effettuare le reazioni di fermentazione poiché sprovvisti degli enzimi necessari.

Sistemi Energetici Durante l'Attività Fisica

La cellula muscolare ha a disposizione riserve limitate di ATP (2,5 g/Kg di muscolo, per un totale di circa 50g). Tali riserve sono sufficienti soltanto per lavori massimali della durata di circa un secondo. Nel muscolo, come in altre cellule, esiste una riserva importante di gruppi fosforici attivi chiamata fosfocreatina o creatina fosfato (CP) o fosfageno. La creatina fosfato si forma nel muscolo a riposo associando ad una molecola di creatina una molecola di fosfato inorganico.

Nel meccanismo anaerobico alattacido l'ossigeno non interviene e proprio a questa caratteristica si deve l'aggettivo "anaerobico". Il sistema anaerobico alattacido ha una latenza molto breve, una potenza elevata ed una capacità estremamente ridotta. Le riserve di fosfocreatina, infatti, si esauriscono rapidamente (circa 4-5 secondi). Durante l'attività muscolare intensa e di breve durata, il decremento della forza sviluppata è direttamente collegato al depauperamento delle riserve muscolari di fosfocreatina. ATP e fosfocreatina stivate nei muscoli vengono usate contemporaneamente nel corso di sforzi brevi ed intensi. Anche questo sistema energetico non utilizza ossigeno.

Nel citoplasma delle cellule il glucosio muscolare viene trasformato in acido lattico attraverso una serie di 10 reazioni catalizzate da enzimi. Dal momento che il piruvato in presenza di O2 partecipa alla produzione di ATP, la glicolisi è anche la prima fase della degradazione aerobica dei carboidrati. Sono presenti nei muscoli isoforme di LDH che favoriscono la conversione di piruvato in lattato tipico delle fibre veloci.

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Ristoro: subordinato alla eliminazione dell'acido lattico con resintesi di glucosio, con energia fornita dai processi ossidativi (pagamento del debito di O2 lattico); questo sistema di resintesi è importante nelle attività intense, di durata compresa tra i 15" e 2' (es. In condizioni di riposo od esercizio fisico moderato la risintesi di ATP è garantita dal metabolismo aerobico. Capacità: alta (fino a 2000 Kcal). Dipende da riserva di glicogeno e di lipidi. Soprattutto la durata di utilizzo dipende da intensità di esercizio e grado di allenamento.

Notiamo per l'ennesima volta, come ATP e fosfocreatina (CP) abbiano un ruolo essenziale nei primi secondi di esercizio (attività di potenza) e come tra i 15 ed i 50 secondi subentri il massimo contributo della glicolisi anaerobica, con produzione di lattato.

Esercizi Aerobici vs. Anaerobici

La distinzione tra esercizi aerobici e anaerobici è data non tanto dalla tipologia dell’esercizio ma dal coinvolgimento di uno o dell’altro metabolismo energetico. Come vedi dalla tabella, a prescindere dall’attività svolta c’è sempre un intervento di entrambi i metabolismi - non c’è un interruttore “on/off”, un metabolismo non esclude l’altro e agiscono in contemporanea.

Gli esercizi, per essere anaerobici, devono avere una durata breve, intervallati da delle pause e un’intensità almeno moderato-alta. Tra gli altri parametri c’è sicuramente cosa preferisci personalmente. Svolgere un allenamento che ti gratifica è indispensabile: cominciare iper-motivati è facile, perseverare nel lungo periodo è più difficile. L’altro fattore da considerare c’è la dieta: “mi alleno per mangiare di più” non è sempre la filosofia migliore da seguire.

Ogni forma di attività fisica, se ben organizzata ed eseguita, è in grado di apportare numerosi benefici psicofisici. Sul piano metabolico cellulare, il tipo di tessuto maggiormente impegnato nell'esercizio è quello striato dei muscoli - gestiti dal sistema nervoso e vincolati alle ossa grazie ai tendini. Le diverse forme di esercizio prevedono quindi una differente stimolazione periferica e, con essa, anche centrale-metabolica.

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• Il metabolismo aerobico "consuma" glucosio, acidi grassi e amminoacidi, sfruttando l'azione ossigeno. Non produce molecole di scarto ad azione limitante sulla performance e l'unico fattore limitativo è la disponibilità di glucosio. In poche parole l'energia è prodotta aerobicamente fino a quando l'ossigeno fornito ai muscoli durante l'esercizio attraverso il sistema cardiovascolare è sufficiente.
• Il sistema anaerobico fornisce la maggior parte dell'energia indispensabile per gli allenamenti di forza. Durante il riposo, ma anche durante sforzi moderati, i vostri muscoli lavorano in modo aerobico, perché consumano in prevalenza ossigeno. Pertanto, i nostri muscoli scheletrici continuano a produrre energia anche quando il sistema cardiovascolare non è in grado di fornire abbastanza ossigeno ai muscoli, generando energia anaerobicamente, cioè senza ossigeno.

Tipologie di allenamento e metabolismi coinvolti:

• alattacido con utilizzo dei fosfageni muscolari (adenosin tri fosfato e creatin fosfato) e senza la rimanenza di acido lattico (utilizzata soprattutto nell'espressione di forza massimale e velocità pura).
• lattacido con utilizzo del glucosio e rimanenza di acido lattico (utilizzata ogni qual volta il precedente metabolismo, oppure quello aerobico, non risultano in grado di coprire la domanda energetica).
• Quello aerobico degli allenamenti di resistenza.

Se l'allenamento è prevalentemente aerobico a bassa o media intensità e prolungato: avviene un miglioramento della capacità aerobica di base, con miglior efficienza cardiaca, una più intensa capillarizzazione dei muscoli interessati, aumento della fitness bronco-polmonare, specializzazione delle unità motorie nella via ossidativa e quindi aumento dei mitocondri e degli enzimi deputati. Migliorano colesterolemia, glicemia, trigliceridemia e pressione sanguigna. Si assiste a una riduzione statistica del rischio di patologie metaboliche, aterosclerosi ed eventi vascolari. Il costo energetico è basso nell'unità di tempo, ma è possibile protrarre lo sforzo fino ad ottenere alti costi calorici complessivi. L'EPOC (Excess Postexercise Oxygen Consumption) è modesto e il bisogno di recupero rigenerativo altrettanto moderato.

Se l'allenamento è di base aerobico ma oltrepassa la soglia anaerobica: tutti gli effetti sopra indicati aumentano, a patto che il volume di allenamento rimanga considerevole. Migliorano ovviamente le capacità anaerobiche lattacide. L'autonomia si riduce, aumentano l'EPOC e la necessità di recupero rigenerativo tra gli allenamenti, mentre il monte calorico speso complessivamente si riduce.

Se l'allenamento è anaerobico di media durata: più l'intensità aumenta, calando il volume, meno cospicui si rivelano gli adattamenti citati nel punto uno. Aumentano le caratteristiche d'oltre-soglia anaerobica, la capacità di utilizzare il glucosio e la gestione dei carboidrati alimentari. Si riduce drasticamente l'impiego dei grassi durante la sessione, aumenta l'EPOC, aumenta il bisogno di recupero rigenerativo e si abbatte il costo calorico globale.

Se l'allenamento è anaerobico di breve durata: subentra la prevalenza del metabolismo anaerobico alattacido. Non si verificano gli adattamenti aerobici del punto 1. Migliorano la forza e/o la velocità, aumenta il trofismo muscolare e viene prevenuto il catabolismo dello stesso (come avviene con la terza età), si garantisce un ottimo mantenimento della massa ossea, ne trae solitamente vantaggio la funzionalità globale - ma questo dipende molto dal tipo di esercizi scelti e dalla condizione di base della persona.

Attenzione! Anche senza prendere come esempi eclatanti il bodybuilder da un lato e il maratoneta olimpico dall'altro, è evidente che le differenze fra i due modelli siano principalmente a carico della massa muscolare. Il fondista è tendenzialmente "esile", con muscolatura affusolata e quantitativamente modesta. Esempi classici sono la corsa, il nuoto, il ciclismo o la camminata veloce.

Caratteristiche degli esercizi aerobici e anaerobici

• Il sistema energetico aerobico è relativamente lento, perché per produrre energia necessita che l’ossigeno venga trasportato ai muscoli attraverso il flusso sanguigno. Durante gli esercizi di natura aerobica, che tendono ad essere di intensità moderata ma prolungata, cuore e polmoni sono impegnati attivamente nel fornire l’ossigeno necessario.
• Questo tipo di esercizio è caratterizzato da attività brevi e ad alta intensità, dove l’energia è prodotta senza l’uso diretto dell’ossigeno. Durante gli esercizi anaerobici il corpo è sottoposto a uno sforzo intenso per un breve lasso di tempo, necessitando così di una fonte immediata di energia. Questa energia deriva da riserve già presenti e prontamente disponibili all’interno del corpo, come l’adenosintrifosfato (ATP) e il glucosio muscolare.
• L’allenamento anaerobico è eccellente per migliorare la forza muscolare, la potenza e la massa muscolare.

Fonte di energia: Il sistema anaerobico utilizza fonti di energia immediatamente disponibili, come l’adenosintrifosfato (ATP) già presente nelle cellule, o il glucosio, ma senza il coinvolgimento dell’ossigeno. Questo sistema è attivato rapidamente, il che lo rende ideale per sforzi brevi e intensi, ma ha una capacità limitata nel tempo a causa dell’accumulo di acido lattico. Al contrario, il sistema aerobico utilizza l’ossigeno per produrre energia e, grazie alla sua capacità di ossidare i grassi, offre una fonte di energia praticamente illimitata.

È tuttavia importante comprendere che è concettualmente più corretto considerare gli esercizi aerobici e anaerobici come estremi di un continuum, piuttosto che come categorie nettamente separate. Questa scala va da attività “prevalentemente aerobiche” a quelle “prevalentemente anaerobiche”. Molti sport e forme di esercizio fisico, infatti, incorporano elementi di entrambi. Un esempio classico è la combinazione di una camminata, che è per lo più un’attività aerobica, con l’aggiunta di brevi sprint, che sono invece prevalentemente anaerobici.

Il sistema ATP-PC (anaerobico alattacido) è predominante nei primi secondi di attività intensa, ma il suo contributo diminuisce molto rapidamente. La glicolisi anaerobica prende il sopravvento subito dopo, fornendo energia per un periodo più esteso rispetto all’ATP-PC, ma anch’essa diminuisce progressivamente.

• L’attività aerobica, come camminare, correre, nuotare o andare in bicicletta, è efficace nel bruciare un elevato numero di calorie durante l’esercizio.
• In conclusione, mentre l’attività aerobica è spesso considerata più efficace per la perdita di peso immediata data la sua capacità di bruciare un grande numero di calorie, l’attività anaerobica è altrettanto importante per aumentare la massa muscolare e migliorare il metabolismo nel lungo termine.

Benefici degli allenamenti

• L’attività aerobica, come corsa e nuoto, utilizza l’ossigeno per produrre energia, migliorando resistenza e salute cardiovascolare.
• L’allenamento aerobico offre molti vantaggi oltre al miglioramento della resistenza fisica. Favorisce la salute cardiovascolare, abbassando la pressione sanguigna e migliorando il profilo lipidico.
• Diversamente dall’aerobico, l’allenamento anaerobico non utilizza l’ossigeno per produrre energia. Definito come esercizio a “fiato corto”, si identifica in attività brevi e intense. Sprint, sollevamento pesi ed esercizi di forza in generale rientrano in questa categoria.
• L’allenamento anaerobico è ideale per migliorare la forza, la potenza e l’ipertrofia muscolare. La pratica regolare porta a un aumento della massa muscolare, il che può contribuire a un metabolismo basale più elevato, consentendo di bruciare più calorie anche a riposo.
• L’inclusione di esercizi aerobici nella routine di allenamento porta a una significativo miglioramento della capacità cardiorespiratoria. Questo tipo di esercizio, attraverso attività come corsa o nuoto, stimola il cuore e i polmoni, rendendoli più efficienti nel trasporto e nell’utilizzo dell’ossigeno.
• L’allenamento aerobico costringe il corpo a sviluppare una rete di capillari più ampia, migliorando la circolazione sanguigna e assicurando che un maggior quantitativo di nutrienti e ossigeno raggiungano i muscoli attivi.
• Il lavoro anaerobico serve principalmente per potenziare e definire i muscoli.

Un piano di allenamento bilanciato dovrebbe contemplare la distribuzione di sessioni aerobiche e anaerobiche su base settimanale.

Consigli utili:

• Non saltare mai il riscaldamento prima di iniziare un workout e lo stretching dopo. La fase dedicata al riscaldamento ha una funzione importante: preparare i muscoli a sottoporsi al meglio agli sforzi.
• Ricordati di controllare sempre che la tua postura sia quella giusta mentre fai gli esercizi (ma anche quando non ti stai allenando). Chiaramente, la posizione giusta dipende dall’esercizio, ma in linea generale la schiena va mantenuta diritta affinché le spalle e il petto siano in una posizione adeguata.
• Non esagerare con l’intensità dei movimenti. L’allenamento fisico - affinché funzioni e non danneggi il tuo corpo - deve essere fatto in maniera graduale e secondo le tue possibilità.
• Non trattenere il respiro quando ti alleni. La respirazione serve per ossigenare i tessuti ed i muscoli: se trattieni il respiro non fai altro che ostacolare questa naturale funzione.

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