L'energia richiesta dai muscoli per compiere un lavoro è garantita da una singola molecola chiamata ATP (Adenosintrifosfato). Nelle cellule muscolari è presente una quantità molto piccola di ATP, con una concentrazione pari a 5 mmol per kilogrammo: in un uomo di circa 70 kg, con una buona massa muscolare, abbiamo circa 70g di ATP, distribuito ovviamente in tutti i muscoli del corpo.
Nel muscolo sono presenti dei meccanismi che controllano che il livello di ATP non scenda sotto un terzo del valore usuale: la quantità di ATP effettivamente disponibile può quindi supportare sforzi molto brevi, poco più di un secondo ad intensità massimale.
Questi substrati sono utilizzati da tre diversi sistemi energetici, ognuno con caratteristiche specifiche, sistemi energetici che sono coinvolti in misura diversa nei diversi sport.
In sport che richiedono un impegno molto pesante, dal sollevamento pesi allo sprint, i muscoli coinvolti possono arrivare ad una spesa energetica che è 120 volte superiore rispetto a quella del muscolo a riposo, spesa che può essere sostenuta soltanto per pochi secondi. In attività di endurance l’energia spesa è 20-30 volte superiore alla spesa a riposo: un’attività del genere può essere sostenuta per tempi decisamente più lunghi.
Il contributo dei diversi sistemi varia nei diversi sport e dipende ovviamente da intensità e durata dell’esercizio e da fattori specifici dell’atleta, in particolar modo fitness e stato di allenamento.
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Il Sistema Anaerobico Alattacido
Il meccanismo energetico utilizzato negli sport di potenza, dove cioè prevalgono quei movimenti rapidi, che esprimono massima potenza in tempi limitati, è il meccanismo anaerobico alattacido. Essenzialmente, avviene per la scissione delle molecole di ATP (adenosintrifosfato), le quali perdendo un radicale fosforico - Pi, liberano energia utilizzata dal muscolo per la contrazione, diventando ADP (adenosindifosfato).
Questa reazione é resa possibile dalle riserve di ATP e CP proprie del muscolo. Nei primi due secondi del gesto, infatti, il muscolo utilizza le proprie riserve di ATP, che vanno peraltro incontro a rapido esaurimento. È a questo punto che interviene la fosfocreatina (CP), dando luogo ad un processo che scinde le molecole di CP, le quali perdono il loro radicale fosforico-P, che servirà a reintegrare l'ATP trasformatosi in ADP.
Tutto questo processo, come già detto, ha una durata massima di 7-8 secondi per espressioni massimali, ma dipende in larga misura dal soggettivo contenuto di ATP e CP nei muscoli del velocista, il quale solitamente, a seguito dell'allenamento specifico, ne ha un contenuto più alto rispetto ad un soggetto normale.
Questo meccanismo energetico è quello utilizzato in sforzi massimali, ma che hanno in quanto tali, una durata molto limitata, di circa 7-8 sec massimo. Tuttavia è indubbio che, limitatamente alla sola partenza e relativa accelerazione, ossia fino ad un massimo di 40-50m, il solo meccanismo utilizzato è quello anaerobico alattacido.
Eseguire uno strappo, uno degli esercizi della pesistica olimpica, correre i 100 metri, lanciare o saltare, sono tutti esercizi caratterizzati da una elevata intensità mantenuta per tempi brevissimi, al massimo una decina di secondi. In queste condizioni l’energia necessaria è fornita quasi esclusivamente dalla riserva intramuscolare di fosfageni: ATP e fosfocreatina. Nel muscolo la concentrazione di fosfocreatina è di circa 20mmol/kg, una quantità 4 volte maggiore rispetto all’ATP presente.
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La riserva muscolare di ATP e fosfocreatina è sufficiente a fornire l’energia necessaria per una camminata veloce di un minuto circa, una corsa da maratoneta di una trentina di secondi e uno sprint di 5-8 secondi. Già in una gara come i 100 metri piani, che al buon Bolt richiede un tempo di 9″58 (quando è in gran forma), il sistema dei fosfageni non è in grado di fornire energia per la durata dell’intera corsa e infatti lo sprinter non può mantenere velocità massimale durante l’intera prova e rallenta in maniera apprezzabile nella parte finale.
Durante un lavoro molto intenso l’intera riserva muscolare di fosfocreatina è quasi completamente utilizzata nel giro di una ventina di secondi e, se l’esercizio continua, l’accumulo dei prodotti dell’idrolisi dei fosfageni stimola l’attivazione dei processi di glicogenolisi e glicolisi.
L’utilizzo del sistema dei fosfageni non richiede ossigeno e non porta alla produzione di acido lattico: si parla di sistema energetico anaerobico alattacido, in grado di fornire una elevatissima energia per unità di tempo, estremamente rapido, con tempi di recupero ridotti ma con una ridotta quantità di substrato, in grado di coprire il fabbisogno energetico di sforzi intensi ma di breve durata.
Inizialmente avviene l'idrolisi dell'ATP ad opera dell'enzima ATPasi:
ATP + H20 + H -----> ADP + Pi + H + energia
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La CP viene scissa in C (creatina) e Pi (radicale fosforico che verrà utilizzato per riformare ATP) grazie all'intervento dell'enzima creatinfosfochinasi CKP.
ADP + CP -----> ATP + C
A questa reazione va ad aggiungersi quella catalizzata dalla miochinasi MK che porta due molecole di ADP alla formazione di ATP e AMP
ADP + ADP -----> ATP +AMP
Il Sistema Anaerobico Lattacido
È infatti il meccanismo anaerobico lattacido che assume rilevanza maggiore in specialità come i 200m e soprattutto i 400m (con ostacoli e non). In minima percentuale, è anzi anche presente nella gara dei 100m.
Nella glicolisi, il glucosio -proveniente dal sangue o dalle scorte di glicogeno presenti nel muscolo- è fosforilato e quindi convertito in piruvato con formazione di due molecole di ATP e riduzione di NAD a NADH. Il piruvato prodotto deve essere rimosso affinché la reazione di glicolisi possa continuare.
La quantità di acido lattico che si forma, e che passa poi nel sangue in forma di lattato, dipende dall’intensità dell’esercizio e aumenta in maniera esponenziale quando il lavoro richiesto superi il 55% dalla capacità massimale aerobica (55% della VO2max).
L’accumulo di acido lattico nel muscolo o nel sangue non è causa dei dolori avvertiti in conseguenza di questo tipo di sforzi e non è nemmeno la causa principale di affaticamento che è invece dovuto alla progressiva deplezione dei fosfageni e alla progressiva riduzione del pH muscolare che da valori prossimi alla neutralità, pH 7.0, cala fino a 6.3 andando ad interferire con i processi di glicolisi - in particolar modo con quelli di fosforilazione del fruttosio durante i primi stadi del processo, catalizzata dalla 6-fosfofruttochinasi - e con i processi di contrazione muscolare.
Il recupero richiede la rimozione del lattato, il ripristino del normale pH e il recupero delle scorte di ATP, PCr e glicogeno del muscolo. Il recupero completo dei fosfageni richiedi 5-10 minuti ma oltre il 50% delle scorte è ripristinato in 30-60 secondi. Rimozione del lattato e ripristino del pH intramuscolare richiedono più tempo.
Parte del lattato diffonde nel sangue e in parte verrà utilizzato a livello del fegato per produrre glucosio (ciclo di Cori), oppure può essere utilizzato da tessuti in grado di ossidarlo con grande efficienza, come il tessuto cardiaco.
Il Sistema Aerobico
Infine, nell'allenamento generale del velocista, importante è anche la cura del meccanismo aerobico, cioè quello dell'ossidazione dei substrati nutritivi tramite l'utilizzo dell'ossigeno.
Quando i tempi dell’attività si dilatano il sistema dei fosfageni e la glicolisi non sono più in grado di garantire tutta l’energia necessaria. Il contributo dei sistemi anaerobici si riduce progressivamente e aumenta gradualmente l’importanza dei processi ossidativi, possibili soltanto in presenza di ossigeno.
L’organismo può utilizzare due diversi substrati per i processi ossidativi: carboidrati e lipidi. In presenza di ossigeno il piruvato prodotto durante la glicolisi viene traslocato nei mitocondri e quindi convertito a acetil-CoA per azione dell’enzima piruvato deidrogenasi. Sempre nei mitocondri avviene la β-ossidazione degli acidi grassi, grazie alla quale viene prodotto altro acetil-CoA.
L’acetil-CoA entra quindi in un ciclo di reazioni che ne determinano la completa ossidazione ad acqua ed anidride carbonica, il ciclo di Krebs o degli acidi tricarbossilici. Durante questo ciclo degli elettroni vengono trasferiti a NAD e FAD+ che a loro volta li cedono ad un complesso sistema di trasporto presente sulla membrane del mitocondrio. Il trasferimento degli elettroni fornisce l’energia necessaria a rigenerare ATP dall’ADP.
Ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa possono avvenire soltanto in presenza di ossigeno: si parla di sistema energetico aerobico. L’energia fornita per unità di tempo è bassa mentre la latenza con cui l’energia è fornita è elevata, dell’ordine di qualche minuto. La quantità di energia che può essere fornita è elevatissima e dipende dalla disponibilità dei substrati e dall’intensità di lavoro: a intensità medio-basse è praticamente limitata soltanto dalla quantità di lipidi disponibile, mentre a intensità medio alte è la quantità di glicogeno ad essere fattore limitante.
Al ritmo tipico di un maratoneta le riserve muscolari di glicogeno possono durare circa 80 minuti, un tempo insufficiente a coprire l’intero percorso. Parte dell’energia necessaria proviene dall’utilizzo delle scorte epatiche di glicogeno, costantemente rinnovate a partire da glicerolo, alanina e lattato, e parte dall’ossidazione dei lipidi. Se lo sforzo continua a lungo anche il glicogeno epatico comincia a scarseggiare mentre l’ossidazione dei grassi, relativamente lenta, non riesce a garantire l’energia necessaria all’attività.
A basse intensità l’ossidazione dei grassi fornisce la maggior parte dell’energia, ma quando l’intensità aumenta il contributo dei carboidrati diventa progressivamente più importante fino a coprire la quasi totalità della richiesta energetica quando si raggiungono intensità prossime alla VO2max.
Integrazione dei Sistemi Energetici
Pesisti, mezzofondisti e maratoneti sono atleti che per la loro prestazione dipendono in maniera diretta da uno specifico sistema energetico. Diversa è la situazione per atleti impegnati in giochi di squadra come calcio, rugby, basket o pallavolo, o in sport come il tennis, caratterizzati da un’alternanza di brevi momenti ad elevata intensità, ripetuti nel corso dell’allenamento/gara e fasi ad intensità ridotta, la cui durata è molto variabile.
I parametri che determinano l’impegno reale sono molti: durata della gara, ruolo del giocatore, sprint o altri tipi di impegno ad elevata intensità effettuati. Il principale fattore a determinare affaticamento e limitare la prestazione è la progressiva riduzione del glicogeno disponibile.
Il contributo del sistema aerobico aumenta progressivamente in sprint ripetuti mentre quello dei due sistemi anaerobici declina, man mano che aumenta il numero di ripetizioni. L’utilizzo di fosfocreatina cala, probabilmente perché si assiste ad una resintesi incompleta e cala anche l’accumulo di acido lattico, probabilmente per un aumento del flusso di piruvato verso processi ossidativi.
Un aumento delle scorte cellulari di fosfocreatina, reso possibile da una integrazione di lungo periodo con creatina, ha mostrato significativi miglioramenti nella prestazione in diversi studi, senza apprezzabili effetti collaterali fatto salvo un leggero aumento del peso corporeo dovuto ad un aumento del contenuto di acqua del muscolo. Anche la caffeina si è mostrata efficace nel migliorare la performance, sia in lavori a elevata intensità, sia in sport di endurance: il meccanismo d’azione prevede un utilizzo più rapido degli acidi grassi e quindi un risparmio del glicogeno muscolare, unito ad effetti immediati sulla fibra muscolare che potrebbero aumentare la forza generata durante la contrazione.
Siamo di fronte ad un continuum con i vari sistemi impegnati contemporaneamente, con predominanza di uno sull’altro in funzione dell’intensità e della durata del lavoro. Il muscolo non brucia mai un singolo substrato ma una miscela, utilizzando fosfageni, glucosio e lipidi in quantità variabili a secondo delle specifiche richieste imposte dall’attività praticata.
Alimentazione e Prestazione
Una buona alimentazione non può fare di un atleta mediocre un campione, ma un’alimentazione sbagliata di certo può far diventare un campione un brocco. L’attenzione al cibo, per lo sportivo, è essenziale per garantire la massima efficacia dell’allenamento e la miglior resa durante la competizione. Ogni sport ha caratteristiche diverse: un pesista si gioca tutta una stagione in due secondi, il tempo necessario ad eseguire un’alzata, l’ultramaratoneta può essere impegnato per dodici o più ore su sentieri scoscesi, alla mercé degli elementi mentre il rugbista e il calciatore devono mantenere massima lucidità durante tutto l’arco della partita, pronti a brevi ma decisive accelerazioni per finalizzare il gioco.
Un’alimentazione efficace deve tenere in conto tutto questo e inoltre deve considerare altre caratteristiche che possono essere legate a ciascuno sport, dalla massa muscolare, al peso corporeo, alle esigenze legate all’allenamento, aspetto cruciale eppure sottovalutato. Ridurre l’alimentazione di un atleta, amatore o professionista che sia, a percentuali di nutrienti, a integratori più o meno efficaci, a timing inflessibili per l’assunzione di proteine o per il recupero delle scorte di glicogeno, è sbagliato e poco produttivo.
Contrazione muscolare
La contrazione muscolare avviene secondo un complesso processo fisiologico, utilizzando, come precedentemente illustrato, l'energia data dalla scissione dell'ATP.
Dalle corna anteriori della sostanza grigia del midollo spinale, e precisamente dai motoneuroni ivi collocati, si diparte un segnale precedentemente elaborato dalla corteccia motoria, e qui giunto tramite il fascio corticospinale (o piramidale).
Esso viaggia come potenziale d'azione, generatosi per un preciso gioco di ioni intra ed extracellulari (essenzialmente sodio Na+, e potassio K+). Attraverso il sistema nervoso periferico, l'impulso giunge fino alla fibra muscolare, generando una depolarizzazione che altera la permeabilità della membrana cellulare. In breve, l'impulso, grazie ai tubuli-T giunge fino all'interno della fibra, nel reticolo sarcoplasmatico, dove vengono liberate grosse quantità di ioni calcio Ca, contenuti in apposite cisterne in condizioni di riposo ed importanti perché consentono l'inibizione del sistema troponina-tropomiosima, che normalmente inibisce la contrazione.
La fibra muscolare è un sincizio funzionale costituito dal susseguirsi delle unità funzionali rappresentate dal sarcomero.
Il sarcomero è caratterizzato da alternanza tra bande chiare I (isotrope) e bande scure A (anisotrope). L'alternanza di bande chiare e scure determina la striatura tipica della muscolatura scheletrica volontaria e cardiaca (diversa della muscolatura involontaria liscia). Essa è determinata dalla sovrapposizione (banda A) o meno (banda I) di specifiche proteine muscolari che costituiscono i miofilamenti. Essi sono miofilamenti sottili (actina) e miofilamenti spessi (miosina).
Ad essi è associato il già menzionato complesso troponina-tropomiosina: si tratta di altre due proteine muscolari le quali, in condizioni normali, cioè di riposo, inibiscono come già detto la contrazione.
La troponina infatti possiede tre subunità globulari capaci ciascuna di legarsi alla tropomiosina (subunità TNT), alla actina (TNI) ed agli ioni calcio (TNC). In condizioni di riposo essa và ad occupare il sito di legame dell'actina con la miosina, impedendo quindi all'una di scorrere sull'altra.
La depolarizzazione della membrana invece, causa liberazione degli ioni calcio, i quali fisicamente spostano il complesso troponina-tropomiosina, consentendo il legame tra actina e miosina.
Utilizzando l'energia ricavata dall'idrolisi dell'ATP può dunque avvenire lo scorrimento dei filamenti di actina su quelli di miosina, attraverso il cosiddetto "colpo di forza" esercitato dai ponti della miosina che tirano a sé i filamenti di actina.
Tabella riassuntiva dei sistemi energetici
| Sistema Energetico | Substrato Principale | Utilizzo di Ossigeno | Durata Massima | Potenza | Capacità |
|---|---|---|---|---|---|
| Anaerobico Alattacido | Creatina fosfato (CP) | No | 5-10 secondi | Elevatissima | Molto limitata |
| Anaerobico Lattacido | Glucosio (glicogeno) | No | 15 secondi - 2 minuti | Alta | Limitata |
| Aerobico | Glucosio, lipidi, amminoacidi | Sì | Oltre 2 minuti | Bassa | Elevata |
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