Biochimica

Lezione 1 e 2 - richiesta energetica x la prestazione fisica

La velocità di corsa sui 100 metri è cambiata negli anni grazie a nuove conoscenze; il fattore limitante principale è rappresentato dalla capacità di produrre ATP x tutta la durata dello sforzo.

Meccanismi energetici nell’esercizio

1. Catabolismo ossidativo: nelle attività aerobiche prolungate; ossidazione di glucosio, acidi grassi e anche amminoacidi nei mitocondri con produzione CO2.
2. Glicolisi anaerobica: attività anaerobiche intense; il glucosio è degradato a piruvato, poi convertito a lattato. Nel citoplasma/sarcoplasma.
3. Sistema di fosfati ad alta energia: attività anaerobiche brevi ma molto intense; viene usata energia derivante dall’idrolisi di ATP presente che viene rigenerato anaerobicamente a opera della fosfocreatina. Nel citoplasma/sarcoplasma.

Glucosio

Glucosio entra nel muscolo tramite GLUT-4, che si trova nel sarcolemma, soprattutto quando è presente in abbondanza nei capillari e scarseggia nel muscolo, quindi tipo all’inizio di un’attività fisica oppure dopo aver mangiato la colomba a Pasqua. Infatti il GLUT-4 è attivato in seguito all’inizio di un’attività fisica e dall’insulina, quindi dopo un pasto.

Una volta dentro viene utilizzato o per la glicolisi quindi per la produzione di ATP, oppure viene accumulato sotto forma di glicogeno (+ ne ho + la performance anaerobica sarà elevata). Infatti le attività aerobiche usano il glucosio entrato tramite il GLUT-4; le attività anaerobiche usano le riserve di glicogeno, questo perché necessitano di energia istantanea.

Dopo attività anaerobiche dalla glicolisi viene prodotto lattato che è poi rimesso in circolo nel sangue; dopo attività aerobiche dalla glicolisi viene prodotto piruvato che va poi nei mitocondri.

Vi è anche il CD36 che è un trasportatore di acidi grassi dai capillari fin dentro il muscolo, legato al CD36 c’è il FABP che attiva gli acidi grassi e li rende disponibili per la beta-ossidazione nei mitocondri; le riserve di acidi grassi, o trigliceridi, nel muscolo aumentano con l’allenamento aerobico.

Fibre muscolari

Si differenziano per isoforma differente della catena pesante della miosina, lunghezze diverse. La testa della miosina è composta da 2 catene leggere e una pesante. Formano i filamenti spessi del sarcomero e la loro funzione è di idrolizzare l’ATP in ADP e compiere la contrazione.

Nell’uomo 3 tipi di fibre:

1. Fibre I: fibre lente (muscolo rosso), metabolismo aerobico.
2. Fibre IIx: fibre rapide (muscolo bianco), metabolismo anaerobico.
3. Fibre IIa: fibre intermedie (muscolo bianco), caratteristiche intermedie.

ATP

ATP… scissione… ADP + fosfato.

Nel muscolo abbiamo circa 5 mmoli/KG di ATP; il consumo di ATP del tessuto muscolare rispetto all’intero organismo è:

• A riposo: circa 20% (turnover proteico, normale metabolismo).
• Nell’esercizio: fino al 90% (contrazione muscolare, flussi ionici).

Esercizio aerobico

A bassa o media intensità, l’ATP è formato in massima parte nei mitocondri mediante la fosforilazione ossidativa. Esercizio sostenuto dalle fibre di tipo I.

Esercizio anaerobico

Ad alta intensità, in cui l’ATP viene trasformato in massima parte nel sarcoplasma mediante i meccanismi anaerobici di fosforilazione diretta. Esercizio sostenuto dalle fibre di tipo II.

Rapporto AMP/ATP

Nel muscolo viene utilizzato il rapporto ATP/AMP, il cui valore è circa 0,03. Quindi l’AMP è 30 volte più basso rispetto all’ATP, per definire il bisogno di energia. AMP aumenta di circa 10 v. quando iniziamo l’attività fisica. Segnala il bisogno di energia e agisce come modulatore allosterico ottimizzando il metabolismo.

Attiva:

• Trasportatori glucosio e di acidi grassi (+ uptake).
• Glicolisi.

Inibisce:

• Sintesi proteica.
• Sintesi lipidica.

Meccanismi di fosforilazione diretta (esercizio anaerobico)

• Fosforilazione a livello del substrato nella glicolisi anaerobica; perché mi dà + ATP in tempi brevi ed è l’unico modo per ottenere ATP in condizioni anaerobiche (3 ATP).
• Trasferimento di un gruppo fosfato dalla fosfocreatina.
• ADP + fosfocreatina creatina chinasi ATP + creatina.
• Reazione della miocinasi ADP + ADP miocinasi ATP + AMP.

Glucosio e quantità di ATP prodotto

Il glucosio entra nel muscolo tramite il GLUT-4 e segue 2 strade:

1. Viene immagazzinato sotto forma di glicogeno, il che fa sì che durante attività anaerobiche ottengo 3 ATP da questa riserva.
2. Il glucosio viene utilizzato così com’è, durante attività aerobiche, il che fa sì che io abbia 2 ATP disponibili, perché 1 ATP viene usato per far entrare la molecola all’interno.

Metabolismo del lattato

Nelle fibre di tipo II dal glicogeno, tramite la glicolisi, si ottengono 3 ATP ma anche piruvato (2 molecole). Qui vi è un’elevata quantità di NADH+ il che fa sì che il piruvato si trasformi in lattato; questo è fondamentale perché da piruvato e NADH+ si ottengono lattato e NAD+, quest’ultimo utilizzato poi nella glicolisi per produrre nuovo ATP.

Il lattato, essendo un acido, può rilasciare anche un H+ che contribuisce ad abbassare il PH durante l’attività fisica.

L’acido lattico che esce dalle fibre II (MCT4) un po' va nel sangue e un po’ viene captato dalle fibre I (MCT1), nelle quali vi è una maggiore quantità di NAD+; il che fa sì che da lattato e NAD+ si ottenga tramite la lattatodeidrogenasi, piruvato e NADH+.

N.B. Sono trasportatori del lattato MCT1 e MCT4.

Infine il lattato, dopo essere uscito dalle fibre II (MCT4) ed essere andato nel sangue, va anche ad altri organi; 1/3 per esempio è captato dal fegato (MCT1), il quale lo trasforma in glucosio che viene rimandato nel sangue e poi al muscolo (“ciclo di Cori”).

N.B. Un po' di lattato c’è sempre nel sangue a causa della glicolisi anaerobica degli eritrociti.

La lattatodeidrogenasi è quindi una reazione reversibile, da piruvato a lattato e viceversa mediante le concentrazioni di NADH+ e NAD+.

Ruoli importanti del lattato

Il lattato ha due ruoli fondamentali:

1. Metabolico di due tipi:
   • Ossidazione: fornire energia alle altre cellule; tipo le fibre II che producono lattato captato poi dalle fibre I e altri organi.
   • Gluconeogenesi: è ciò che accade nel fegato, cioè la nuova formazione di glucosio da parte del fegato appunto.
2. Regolatorio, ha detto che poi ne parla più avanti, di 3 tipi:
   • Redox/ROS: adattamento per qualsiasi allenamento.
   • CaMK e PKC: adattamento nell’allen. anaerobico (masse muscolari), utilizzano calcio.
   • PGC1alfa: adattamento per allenamento aerobico (mitocondri), attivato dal lattato.

Altri ruoli importanti del lattato possono essere:

• Un grande rilascio di O2 dall’emoglobina x il lavoro delle fibre muscolari.
• Stimolazione della ventilazione.
• Aumento del flusso ematico muscolare e della cardiovascolarizzazione.
• Disponibilità di lattato come fonte energetica x cuore e altri tessuti.

Sistema creatina/fosfocreatina

ADP + fosfocreatina creatina chinasi ATP + creatina.

Creatina chinasi (CK) è l’enzima grazie al quale si svolge tutto il processo.

La reazione procede con velocità simile in entrambe le direzioni, reazione reversibile quindi, in base alle concentrazioni di ADP e ATP nel muscolo.

La fosfocreatina si rigenererà da ATP e creatina prodotto aerobicamente durante la fase di recupero.

+ ADP + H + fosfocreatina creatina chinasi ATP + creatina.

Quest’ultima è una reazione più corretta perché si libera anche 1 idrogeno quando si scinde l’ATP, per questo durante l’attività il PH diminuisce. Ruolo tampone quindi del sistema creatina/fosfocreatina, perché all’ADP, oltre che la fosfocreatina, si lega anche un H riducendo l’acidificazione nel muscolo.

Creatina chinasi

Questo enzima è un dimero, cioè una proteina formata da 2 subunità proteiche che sono “M” e “B”, M sta per muscolo e B per brain. Le MM-CK sono quasi tutte nei muscoli, le BB-CK nel cervello e le MB-CK nel cuore.

È presente anche una forma mitocondriale (mit-CK), perché nei mitocondri si forma ATP nel sistema aerobico, quindi la creatina chinasi legata ai mitocondri aiuta il trasporto di ATP al citoplasma.

Creatina

Dal fegato ogni giorno vengono prodotti 1/2 g di creatina; la stessa quantità arriva anche dall’intestino, tramite il cibo. Viene creata a partire da arginina, glicina e metionina. Il tutto va al muscolo, ma anche in altre cellule, che la sfrutta per il sistema creatina/fosfocreatina. La restante creatina, o meglio definita creatinina, viene eliminata tramite le urine (1/1,5 g al giorno circa). Questo valore è molto costante in ogni soggetto perché la quantità di creatinina eliminata giornalmente con le urine risulta proporzionale alla massa muscolare.

Effetti della creatina:

• Mantenimento dei livelli di ATP.
• Effetto tampone sul PH.
• Ipertrofia muscolare, effetto indiretto, crea una forte idratazione nel muscolo, ciò induce l’aumento di sintesi proteica. Necessario però l’allenamento di forza.

Reazione della miocinasi

ADP + ADP miocinasi ATP + AMP.

L’enzima adenilato chinasi (miocinasi) catalizza lo scambio reversibile di gruppi fosfato tra nucleotidi adenilici.

È una reazione a costo “0”, non spreco energia per produrre ATP perché la relazione va nei due sensi secondo il gradiente di concentrazione.

Quando aumenta il consumo di ATP, la relazione procede verso destra. Questo comporta due conseguenze:

1. Si forma rapidamente nuovo ATP che può essere utilizzato.
2. Si forma AMP.

Questa reazione serve per mantenere costanti i rapporti tra le adenosine (AMP, ADP, ATP); è un altro sistema x tamponare il calo di ATP, ma principalmente serve per segnalare l’aumento di AMP! Perché esso causa un segnale (modulatore allosterico) di bisogno di energia. Si attivano subito enzimi che ottimizzando il metabolismo. Ciò fa sì che si mettano in moto tutti i meccanismi necessari per far sì che venga prodotto ATP.

Si produce ATP e si accumula anche AMP; ciò provoca l’attivazione della fosforilasi b che degrada il glicogeno portando a produzione di ATP. Contemporaneamente si attiva anche l’enzima fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) che regola la glicolisi.

AMPK

È una proteina chinasi attivata dall’AMP; è un enzima abbondante nel muscolo. Si attiva quando aumenta il rapporto AMP/ATP.

Le proteine chinasi sono enzimi che attaccano fosfati ad altre proteine, cambiandone la funzione.

Fosforilano numerose proteine causando:

• Attivazione della glicolisi/attivazione del GLUT-4/attivazione entrata acidi grassi, anche nei mitocondri, quindi tutte vie che producono energia.
• Inibizione della sintesi proteica/inibizione della sintesi di lipidi, quindi inibizione di tutte le vie che richiedono energia, cioè anaboliche.

Deplezione di nucleotidi adenilici (AMP, ADP…)

Come inizia l’esercizio parte tutto... inizia ad accumularsi AMP e viene trasformata in inosina in 2 modi:

• Perde un fosfato e diventa adenosina. Essa rilascia ammoniaca e diventa inosina.
• Perde un gruppo amminico NH3 (ammoniaca) e diventa IMP che a sua volta diventa inosina.

Una parte di adenosina viene rilasciata fuori dal muscolo ed essa funge da forte vasodilatatore, ciò porta più sangue al muscolo.

NH3, eliminato tramite urea, ha una funzione tampone, aiuta ad abbassare il PH durante l’attività.

In attività intense, dalla degradazione dell’AMP si arriva, oltre che all’accumulo di inosina e ammoniaca, all’accumulo di acido urico.

Energetica dello sprint

Durante un breve sprint massimale, la rapida caduta della concentrazione di PCr è controbilanciata dall’incremento dell’attivazione della glicolisi con i due processi combinati per mantenere il ricambio di ATP ad una frequenza di 11 – 14 mmol ATP / Kg / sec.

In uno sprint massimale breve (3 secondi) ottengo energia da:

• 55% fosfocreatina.
• 32% glicolisi anaerobica.
• 10% riserve di ATP.
• 3% sistema aerobico.

In uno sprint di 100 metri (10/12 secondi) ottengo energia da:

• 10-15% componente aerobica (glicolisi aerobica).
• 85-90% componente anaerobica (fosfati e glicolisi anaerobica).

In uno sprint di 200 metri (20 secondi circa) ottengo energia da:

• 25-30% componente aerobica (glicolisi aerobica).
• 70-75% componente anaerobica (fosfati e glicolisi anaerobica).

Acidificazione intracellulare

Cause:

• Attività contrattile.
• Accumulo di lattato.

In seguito all’acidificazione si altera anche la permeabilità delle membrane con fuoriuscita di proteine muscolari come LDH, transaminasi, e CK, che si ritrovano nel plasma.

Sistemi tampone intracellulari: fosfato, bicarbonato, mioglobina, varie proteine, aminoacidi (e carnosina).

Ripristino PH dopo sforzo massimale circa in 9 min.

La mioglobina

La mioglobina (MbO2) lega 2 mmol O2/ Kg. Questa riserva d’ossigeno è rapidamente esaurita all’inizio dell’esercizio in risposta alla rapida caduta della pressione parziale intracellulare d’ossigeno.

A un’intensità pari alla VO2max, la MbO2 è esaurita per il 50 % nel giro di 20 secondi. Durante il recupero, le riserve di MbO2 sono completamente ripristinate nel giro di 20 secondi dal termine dell’esecuzione dell’esercizio.

Debito ossigeno

• Riossigenazione dell’emoglobina nel sangue e della mioglobina nelle fibre muscolari.
• Produzione aerobica di ATP necessario per ripristinare diversi equilibri tra cui:
  • La ricostituzione delle scorte di fosfocreatina. Inizia già a ripristinarsi dopo 30 sec (del 20 %), dopo 200 sec (del 90%).
  • L’eliminazione di molecole potenzialmente tossiche, come l’ammoniaca.
  • La sintesi dei nucleotidi adenilici persi durante l’esercizio.
  • La riconversione del lattato in glucosio nella gluconeogenesi epatica.

Scatti ripetuti

Durante un lavoro massimale a intermittenza, il contributo energetico fornito dalla glicolisi diminuisce progressivamente. Durante sprint ripetuti di 6 sec, la glicolisi fornisce energia per un 44 % nel primo sprint mentre al decimo per un solo 16 %. Il calo della glicolisi durante ripetuti sprint massimali è dovuto all’inibizione, per eccessiva acidificazione, dell’enzima fosfofruttochinasi I (PFK1), all’accumulo di ioni H+ e di citrato citosolico. Contribuisce più la fosfocreatina.

Lezione 3 - deplezione glicogeno

Secondo uno studio sul calcio (sport a scatti ripetuti) dove c’è una massiva deplezione di glicogeno muscolare, più della corsa/maratona, e acidificazione, riescono ad esprimere più potenza nel tempo chi ha più scorte di glicogeno, integrate con la dieta.

N.B. Allenarsi però con poco glicogeno si stimola il muscolo a sviluppare meglio i sistemi di CP.

N.B. Il bicarbonato influisce molto sulla ripetizione di sprint. Uno studio ha dimostrato che in 10 sprint ripetuti esprime più potenza chi ha assunto bicarbonato.

N.B. In qualsiasi esercizio con un minimo di durata le riserve di glicogeno influenzano la prestazione; ci sono due tecniche di carico glicidico per averle massime in gara: Low (allenamento a basse quantità di glicogeno e carico glicemico importante 48 ore prima di gara) e High (anche in allenamento alto carico glicemico).

Attività prettamente aerobiche

In queste, tutte le molecole energetiche (glucidi, acidi grassi, amminoacidi, corpi chetonici) sono trasformabili in acido acetico, che assimiliamo come acetil coenzima A. Questo poi entra in Krebs da cui verrà prodotto CO2 ed elettroni che saranno trasportati nella catena respiratoria, insieme a NADH e FADH2, per formare ATP.

Riserve lipidiche

Riserve lipidiche: (↑ in es aerobici)

1. Adipociti (maggior parte):
   • Bianchi (più usati in esercizio).
   • Beige (intermedi).
   • Bruni (piccoli con gocce di trigliceridi, utili in termoregolazione).
2. Trigliceridi intramiofibrillari (IMTG) -> riserve muscolari, che rappresentano circa 1,2% del totale tessuto adiposo. Si trovano tra i sarcomeri, a livello dei mitocondri e li abbiamo sia in atleti allenati che in soggetti obesi. Nei primi sono continuamente utilizzati e ricostruiti, nei secondi sono invece stagnanti e possono influenzare in metabolismo muscolare (↓ la sensibilità insulinica).

Carichi lipidici -> non aumentano performance perché diminuiscono lentamente, quindi, tranne in gare di ultra endurance, li abbiamo sempre.

Lipolisi e come arrivano nel muscolo

1. Arriva il segnale ormonale, spesso adrenalina, all’adipocita.
2. Attivazione cAMP (AMP ciclico, è una proteina chinasi).
3. Questo attiva la lipasi.
4. Tre passaggi di essa provocano la liberazione degli acidi grassi.
5. Questi ultimi per essere trasportati nel sangue si legano alle albumine e diventano acidi grassi liberi (FFA).
6. FFA vengono captati a livello muscolare dal trasportatore per entrare (uptake muscolare); questo dipende dalla concentrazione plasmatica, che aumenta dopo pasti con lipidi o durante l’esercizio. Avviene in diversi modi.

Uptake FFA (nel muscolo)

1. Una piccola parte di LCFA (acidi grassi a catena lunga dai 14-16 atomi di C in su) entra comunque nelle cellule perché essendo liposolubili, entrano nella membrana. Ma sono pochi, quindi abbiamo bisogno di un sistema di trasportatori in grado di aumentare l’entrata di acidi grassi quando ce n’è bisogno. Questi sono attivati dall’insulina e durante l’esercizio (↑AMP/ATP). I principali trasportatori sono: FABP, FATP, CD36.
2. FABP: è una proteina che lega acidi grassi; ne abbiamo una fuori d