Come fanno i muscoli a prendere energia per lavorare durante una sessione di allenamento di un’ora o una gara di uno sport di resistenza? Come viene garantito l’apporto di energia durante l’allenamento quando vengono esaurite le scorte facilmente e velocemente reperibili?
Negli articoli precedenti abbiamo capito che nessuno dei tre sistemi energetici svolge la sua azione in solitaria, ma agiscono in maniera simultanea man mano che viene prolungato il tempo di attività fisica, questo avviene a causa dell’esaurimento dei substrati energetici inizialmente coinvolti e della formazione e accumulo di lattato nei muscoli.
Il Sistema aerobico è il sistema energetico prettamente utilizzato durante gli sforzi fisici che si protraggono nel tempo perché in grado di “funzionare” grazie all’utilizzo di Ossigeno (da qui il nome di aerobico). Dal punto di vista fisiologico il nome corretto è “Sistema Ossidativo” ed è il più complesso dei tre a livello di meccanismi e processi biochimici. È proprio questo il processo aerobico, visto il ricorso all’Ossigeno.
Tale produzione ossidativa di ATP avviene all’interno di speciali organelli cellulari chiamati mitocondri, i quali nei muscoli si trovano accanto le miofibrille. Man mano che l’attività fisica viene protratta nel tempo, i muscoli richiedono un rifornimento costante di energia per poter continuare a produrre la forza di contrazione necessaria; a differenza dei sistemi anaerobici (in assenza di Ossigeno) di produzione di ATP, il sistema ossidativo possiede una formidabile capacità di liberare energia.
Il metabolismo aerobico è, quindi, il processo principalmente chiamato in causa nelle discipline di resistenza e rappresenta un impegno notevole per l’organismo.
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I Processi del Metabolismo Aerobico
Infatti, la produzione ossidativa di ATP interessa ben tre processi:
- Glicolisi aerobica
- Ciclo di Krebs
- Sistema di trasporto degli elettroni
TUTTI questi 3 processi agiscono in sintonia in quanto il prodotto finale di un processo diventa il prodotto iniziale di ossidazione del processo successivo!
Glicolisi Aerobica
La glicolisi (scissione del glucosio) può avvenire sia per via aerobica sia per via anaerobica; la presenza di ossigeno determina solo il destino del prodotto finale che in questo caso diventa l’acetil CoA, il quale entra nel ciclo di Krebs per essere ossidato e dare forma a 2 moli di ATP. La glicolisi aerobica prevede la stessa serie di reazioni della glicolisi anaerobica (veloce), ma differisce nel risultato perché è presente ossigeno sufficiente. Viene creato il piruvato come prodotto finale della scomposizione del glucosio.
Prima di entrare nel ciclo di Krebs, il piruvato viene convertito in acetil coenzima A (Acetil-CoA) attraverso una reazione di collegamento chiamato decarbossilazione ossidativa.
Ciclo di Krebs
Nella seconda fase nel sistema aerobico si inserisce l’acetil-coenzima A, che viene prodotto dalla glicolisi aerobica. Gli acidi grassi (dai grassi) e gli aminoacidi (dalle proteine) vengono convertiti in acetil-coenzima A attraverso una serie di complesse reazioni chimiche. Entrano nel circolo di Krebs insieme all’acetil-coenzima A dalla glicolisi e vengono scomposte.
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Sistema di Trasporto degli Elettroni
Il ciclo di Krebs a sua volta è abbinato a una serie di reazione chiamate sistema di trasporto degli elettroni che si occupa di “smaltire” l’Idrogeno all’interno delle cellule. L’idrogeno prodotto nel ciclo di Krebs più l’idrogeno prodotto durante la glicolisi, lasciati senza controllo, causerebbero una maggiore acidità cellulare. Quest’ultimo processo alla fine fornisce energia sottoforma di ATP.
La catena di trasporto degli elettroni è il percorso più complesso e produttivo dell’intero sistema energetico aerobico. Dove il sistema anaerobico glicolitico sintetizza solo due molecole di ATP, quello aerobico ne produce 38, sebbene in maniera molto lenta. Il sistema ossidativo di trasformazione energetica può generare fino a 39 molecole di ATP da una molecola di glicogeno!
Nota: le molecole NAD⁺ e FAD sono trasportatori di elettroni.
Ossidazione dei Grassi
L’ossidazione può derivare anche dai grassi, tra cui gli acidi grassi liberi (FFA), gli acidi grassi intramuscolari e gli acidi grassi di deposito del tessuto adiposo (trigliceridi). Prima di poter essere utilizzati per produrre energia, i trigliceridi devono essere degradati nelle componenti fondamentali: una molecola di glicerolo e tre molecole di acidi grassi liberi (FFA). Questo processo viene compiuto da enzimi chiamati lipasi e per questo motivo prende il nome di lipolisi.
Durante il riposo o esercizi a bassa intensità, i muscoli attingono energia dalle riserve lipidiche. Questo percorso è lento rispetto al glucosio, ma molto redditizio: ad esempio, un solo acido grasso come il palmitato può generare oltre 100 molecole di ATP. Quando le riserve di zuccheri si esauriscono, come durante il digiuno o le diete chetogeniche, il fegato sintetizza corpi chetonici. I chetoni vengono trasformati in acetil-CoA, entrando così nel ciclo di Krebs.
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L'etanolo, una volta ingerito, viene trasformato in acetato e poi in acetil-CoA. Quindi, in piccole quantità, può essere utilizzato dal ciclo di Krebs per produrre energia. Tuttavia, già con dosi moderate si altera l'equilibrio tra NAD+ e NADH, bloccando di fatto il metabolismo aerobico.
Metabolismo Energetico e Lavoro Muscolare
Il Metabolismo energetico nel lavoro muscolare presuppone che esista una relazione tra intensità dell’esercizio e consumo di grassi. L'energia necessaria per soddisfare le richieste energetiche dell'organismo deriva in percentuale diversa dall'ossidazione di CARBOIDRATI (glucosio plasmatico e glicogeno muscolare), PROTEINE E LIPIDI (acidi grassi del tessuto adiposo e trigliceridi muscolari). LO STATO DI SALUTE DEL SOGGETTO (patologie metaboliche quali ad esempio il diabete, modificano notevolmente l'utilizzo delle fonti energetiche).
Nell'attività fisica non intensa (25%-30% di VO2 max) l'energia è fornita principalmente dal metabolismo lipidico con liberazione di acidi grassi dai trigliceridi del tessuto adiposo (diete dimagranti) mentre i trigliceridi intramuscolari ed il glicogeno in questo tipo di attività, non contribuiscono in maniera determinante alla produzione energetica. Gli acidi grassi vengono trasportati nel circolo sanguigno legati ad una proteina, l'albumina, e vengono poi rilasciati nei muscoli dove costituiscono il substrato per i processi ossidativi. La massima attivazione del metabolismo di acidi grassi viene raggiunta mediamente dopo 20-30 minuti dall'inizio dell'esercizio fisico.
La mobilizzazione degli acidi grassi dal tessuto adiposo, il successivo trasporto nel circolo sanguigno, l'entrata all'interno delle cellule e poi nei mitocondri è infatti un processo piuttosto lento. Inoltre, all'inizio dell'esercizio vengono utilizzati principalmente gli acidi grassi ematici e solo successivamente, quando il loro livello plasmatico diminuisce, aumenta la liberazione di acidi grassi dal tessuto adiposo.
Se l'attività fisica è di bassa intensità ma si protrae per almeno un'ora vi è un depauperamento delle riserve di glicogeno ed una maggiore utilizzazione di lipidi che arrivano a coprire circa l'80% della richiesta energetica. La progressiva prevalenza del metabolismo lipidico nel corso di attività fisica prolungata dipende dall'assetto ormonale che si instaura per cui nella prima ora si utilizza il 50% di grassi (37% di FFA) nella terza il 70% (50% di FFA).
Aumenta il VO2 max, quindi aumenta la disponibilità di OSSIGENO che è IL FATTORE LIMITANTE DELL'UTILIZZO DEGLI ACIDI GRASSI A SCOPO ENERGETICO. L'allenamento di tipo aerobico consente quindi una maggiore liberazione di ATP dalla β ossidazione ed aumenta la resistenza della cellula indipendentemente dalle scorte di glicogeno.
Nell'attività fisica di MEDIA O MODERATA intensità si riduce il ruolo degli acidi grassi plasmatici e aumenta l'energia derivante dall'ossidazione dei trigliceridi muscolari fino a pareggiare il conto tra queste due fonti (si riduce il contributo percentuale degli acidi grassi ma in termini assoluti rimane costante). Nel passaggio da una fase di riposo ad una di lavoro sub massimale la maggior parte dell'energia è fornita dal glicogeno muscolare analogamente a quanto avviene nel lavoro ad alta intensità; nei successivi 20 minuti il glicogeno di origine epatica e muscolare fornisce il 40-50% dell'energia mentre il resto viene garantito dai lipidi con un piccolo contributo delle proteine.
Se l'esercizio si protrae a lungo il fegato non è più in grado di immettere in circolo glucosio sufficiente a soddisfare le richieste muscolari e la glicemia diminuisce (addirittura di 45 mg/dl durante 90 min di intenso esercizio). Il senso di affaticamento si manifesta quando c'è deplezione estrema di glicogeno nel fegato e nei muscoli indipendentemente dalla disponibilità di ossigeno a livello muscolare.
L'attività fisica di ELEVATA INTENSITA' (75-90% del VO2 MAX) non può essere protratta per oltre 30-60 minuti anche nei soggetti allenati. Dal punto di vista fisiologico si ha liberazione di catecolamine, glucagone ed inibizione della secrezione di insulina. L'assetto ormonale che si instaura stimola la glicogenolisi epatica e muscolare. Durante questo tipo di attività il 30% della richiesta energetica è coperta dal glucosio plasmatico, mentre il rimanente 70% è coperto per la maggior parte da glicogeno muscolare (un’ora di attività porta alla deplezione del 55% delle scorte, 2 ore azzerano sia il glicogeno muscolare che quello epatico).
Inoltre l'elevata richiesta energetica causa l'aumento della produzione di acido lattico che si accumula nel muscolo e nel sangue inibendo la lipolisi nel tessuto adiposo. In condizioni di scarsa ossigenazione il glucosio, insieme alle riserve di fosfati muscolari è l'unica fonte energetica utilizzabile. Ad un determinato carico di lavoro, più è alto il VO2 max e più alto sarà il contributo dei grassi nel metabolismo energetico.
Gli amminoacidi (AA) sono quelli delle proteine alimentari e in piccola parte del muscolo o circolanti nel sangue. Nota: per utilizzare gli acidi grassi stoccati in trigliceridi è sempre necessario che avvenga un processo di scissione (FFA + glicerolo). Gli acidi grassi dei trigliceridi muscolari non contribuiscono in maniera determinante alla produzione energetica.
Quindi, anche mantenendo un'intensità bassa, se lo sforzo è di breve durata, la miscela dei substrati sarà costituita da percentuali simili di grassi adiposi e glucosio del glicogeno muscolare. In sintesi, avviene che: la glicemia si riduce, di conseguenza anche l'insulina, con aumento opposto del glucagone. Si osservano cambiamenti metabolici anche con il trascorrere del tempo oltre la prima ora di esercizio, nella quale si utilizza il 50% di grassi (37% di FFA adiposi).
Allenamento Aerobico
Con il termine allenamento aerobico si fa riferimento all’impiego di energia che utilizza ossigeno per produrre ATP, fornita poi alle fibre muscolari che lavorano. Il sistema aerobico è quello che produce il maggior quantitativo di energia per ogni tipo di attività non esplosiva in natura. Detto in maniera scarna e sintetica, l’allenamento aerobico è la base di ogni tipo di allenamento.
Tutte le attività che non prevedono un periodo di riposo che duri per un tempo compreso tra il minuto e il minuto e mezzo richiedono l’intervento del sistema aerobico per una ulteriore fornitura di energia. Al contrario, se è necessario una rapida iniezione di energia ai muscoli per uno sforzo intenso, entra in gioco il sistema energetico anaerobico per la fornitura di ATP. Un sistema anaerobico non virtuoso limita molto anche le prestazioni anaerobiche; impiega infatti più tempo a rimuovere gli scarti dei prodotti del sistema anaerobico e a stoccare di nuovo materiale utile alla produzione di energia anaerobica.
Il sistema aerobico può essere allenato e sviluppato in diversi modi, con allenamenti differenti. Ad esempio:
- Interval training: l’allenamento ad intervalli per la resistenza sul lungo periodo del sistema aerobico dovrebbe avere un rapporto lavoro-riposo pari a 1:1 o 1:2.
- Allenamento fartlek (termine svedese che si traduce con l’espressione gioco di velocità): un tipo di allenamento ad intervalli in cui chi lo pratica varia la velocità e lo sforzo in base a quanto pensa di poter continuare a quel livello.
- Corsa di due minuti a velocità moderata o alta, seguita da due minuti a bassa intensità (recupero attivo).
Metabolismo Aerobico: Il Motore del Movimento
Qualsiasi movimento richiede energia. Ciò implica l’innesco di una cascata di eventi finalizzati all’attivazione dei diversi meccanismi energetici necessari per produrla. Trattandosi di sistemi biologici l’energia (che nel nostro organismo ha la forma di una sostanza chimica denominata ATP) viene ricavata dalle riserve presenti nell’organismo ed introdotte con l’alimentazione: principalmente grassi e carboidrati (CHO).
Per estrarre l’energia contenuta in questi alimenti l’organismo mette in atto un processo di passaggi biochimici che vanno sotto il nome di “metabolismo”. Alla fine del processo dello zucchero o del grasso ingerito con la dieta (e momentaneamente stivato nei muscoli, nel fegato e nel tessuto adiposo) rimane solo acqua ed anidride carbonica, oltre, ovviamente, ad una certa quantità di ATP.
In altri termini, quello che accade nel motore di un’automobile, dove la benzina di per sé non è sufficiente a far muovere la macchina, ma deve essere trasformata, nel processo della combustione, in energia (l’esplosione che avviene nel cilindro) e calore (che va disperso attraverso il radiatore). Come è noto a chi ricorda i vecchi carburatori di una volta, tutto ciò avviene solamente se la benzina viene miscelata con l’aria (o, meglio, con l’ossigeno presente nell’aria), come avviene quando brucia lo stoppino di una candela, che, in assenza di aria, si spegne rapidamente.
Nel nostro organismo avviene la stessa cosa. Gli zuccheri ed i grassi per essere metabolizzati completamente e dar luogo alla produzione di ATP, con anidride carbonica ed acqua, come sostanze di scarto, hanno bisogno della presenza di ossigeno, che viene trasportato a livello cellulare dal torrente sanguigno. Per questo motivo, tutte le attività ricavano l’energia loro necessaria dal metabolismo “aerobico”.
Da quanto detto si potrebbe pensare che ogni movimento umano sia di tipo aerobico. In realtà così non è. Perché? La spiegazione è molto semplice. L’ossigeno è presente nell’aria dalla quale deve passare nel torrente sanguigno e da qui scaricato alle cellule. Ciò significa che il processo deve coinvolgere l’apparato respiratorio e quello cardiovascolare. Tutto ciò richiede un certo tempo di attivazione e, pertanto, il metabolismo aerobico predomina con attività di bassa intensità, dopo i primi 2’30” circa di esercizio e lavora a pieno regime dopo circa 20 minuti.
Come fa l’organismo, dunque, a trovare l’energia per le situazioni di emergenza o di pericolo e che sono anche tipiche degli sport di potenza, se quella proveniente dal metabolismo aerobico tarda ad attivarsi per il poco tempo a disposizione? Ebbene l’organismo è dotato di sistemi alternativi di emergenza: uno è in grado di metabolizzare parzialmente gli zuccheri (e solo quelli) con una produzione di ATP modesta, tuttavia sufficiente a coprire sforzi molto intensi ma di media durata, e con accumulo di acido lattico come prodotto intermedio (metabolismo anaerobico lattacido); l’altro è costituito dal deposito intramuscolare di una sostanza, denominata Creatin Fosfato (CP), ricca di energia pronta per l’uso, ma in quantità molto limitate, sufficienti per pochi secondi e senza accumulo di acido lattico (definito, impropriamente, metabolismo anaerobico alattacido).
E’ facile, a questo punto, definire le attività di tipo “aerobico”: sono, tipicamente ma non esclusivamente, quelle di durata superiore ai 4-5 minuti, ma soprattutto quelle con intensità dello sforzo non massimale e costante, ossigenazione continua e regolare come la camminata veloce, il jogging, il nuoto, lo sci di fondo, il ciclismo etc. Sono attività aerobiche, ovviamente, anche quelle costituite dalla normale vita quotidiana, quando l’intensità dello sforzo è molto bassa (vedere la televisione, camminare, fare shopping, mangiare, dormire, etc).
Quando lo sforzo diventa molto intenso e di breve durata (sprint, da soli od anche se avvengono alla fine o durante una gara aerobica, velocità prolungata, allenamenti di forza, ecc.) siamo nel campo delle attività anaerobiche, lattacide se di media durata ed alattacide se di pochi secondi.
Una ultima cosa va ricordata, per completezza di informazione: nell’organismo non esiste una separazione netta dei sistemi metabolici, quale quella che apparentemente è stata appena disegnata. In realtà, qualsiasi sforzo si faccia, tutti i sistemi metabolici sono attivati contemporaneamente; solo che uno o l’altro dei sistemi metabolici partecipano in misura predominante e prevalente a seconda della durata e dell’intensità.
Per terminare si ricorda che una delle caratteristiche più interessanti delle attività aerobiche è che, per il fatto di protrarsi a lungo, richiedono elevate quantità di energia e quindi richiedono il consumo di grandi quantità di zuccheri e di grassi. Anzi, per motivi di natura biochimica, la cui trattazione esula da queste pagine, meno intenso e più lungo è lo sforzo, maggiore è il contributo dei grassi rispetto agli zuccheri.
Qualche Concessione in Più a Chi Si Muove
Un altro vantaggio dell’attività fisica è che aumentando la spesa energetica ci si può concedere qualche strappo di più a tavola. Un concetto introdotto dalle linee guida americane del 2005 che hanno fissato, per ciascun livello energetico, un certo numero di calorie discrezionali (“libere”), che sono quelle che restano dopo aver soddisfatto il fabbisogno di sostanze nutritive con le porzioni consigliate di alimenti, nella loro versione più magra o senza zuccheri aggiunti. Le calorie discrezionali aumentano all’aumentare dell’attività fisica.
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