Appunti di Fisiologia dell'esercizio fisico

Fisiologia dell'esercizio fisico

Fisiologia cellulare

Per omeostasi si intende il mantenimento dello stato di benessere del nostro organismo, di tutte quelle condizioni che ci mantengono in buona salute ed è costituito dall’insieme dei meccanismi fisiologici che sono in grado di correggere tempestivamente tutte le perturbazioni di funzionamento dei nostri organi a partire dalle singole cellule. Noi non viviamo in condizioni fisse, quindi l’omeostasi è un equilibrio dinamico dovuto all’interazione tra ambiente esterno in cui viviamo ed ambiente interno, ossia l’ambiente in cui vivono gli elementi che formano l’organismo (plasma, liquidi corporei, elettroliti...).

Il nostro organismo è continuamente sottoposto a scambi tra ambiente esterno e ambiente interno, tramite organi che vengono definiti organi interfaccia:

• La cute: per gli scambi di calore prodotto da qualsiasi attività fisica anche minimale – la temperatura interna del corpo non deve superare i 37 gradi, quindi il corpo deve eliminare calore.
• I polmoni: per gli scambi gassosi - ossigeno e anidride carbonica.
• I reni.
• L’apparato gastroenterico: per l’assunzione alimenti e l’eliminazione delle scorie.

L’omeostasi interviene per mantenere lo stato di benessere del nostro organismo, mantenendo costanti alcuni parametri vitali quali la pressione arteriosa, la glicemia, il pH ematico, la temperatura corporea, la costanza e la distribuzione degli elettroliti vitale per il mantenimento delle singole cellule. Nel nostro corpo, infatti, il liquido intracellulare è il 40% del nostro liquido corporeo (citoplasma), mentre il liquido extracellulare è il 20% (di cui il 5% è il plasma) quindi almeno il 60% del nostro corpo è formato d’acqua, i bambini arrivano anche all’80%.

Meccanismi di feedback

Ma quali sono i meccanismi che regolano l’attività del nostro organismo? I meccanismi di feedback intervengono una volta che le perturbazioni sono avvenute, ossia una volta che ci sono degli scostamenti dai valori fisiologici da un parametro vengono messe in moto delle reazioni per portare i valori entro il parametro. Sono costituiti da tre elementi:

• Sensore, che rileva il parametro.
• Centro di integrazione che tiene conto di tutti i parametri dell’organismo.
• Effettori che riportano il parametro nel range fisiologico.

Questi meccanismi possono essere a feedback positivo o negativo; il 99% sono a feedback negativo cioè tendono ad interrompere il senso di variazione del parametro.

Esempio di feedback negativo

Una variazione della temperatura corporea (interna deve essere 37°± 0,5) fa attivare il sensore che rileva il parametro (il range deve essere compreso tra 36,5° e 37,5°), nel nostro caso è un termorecettore (sia periferico a livello della cute che centrale a livello del sistema nervoso), il recettore invia il segnale al centro di controllo, quello della temperatura si trova all’interno dell’ipotalamo che controlla il parametro con la misurazione rilevata e dà comandi all’effettore per far tornare il parametro all’interno del range. Se la temperatura è 38 gradi, attiverà dei meccanismi per la dispersione di calore attraverso la vasodilatazione, la cute si arrossa e le ghiandole sudoripare secernono acqua per abbassare la temperatura entro il range (oppure per minimizzare l’apporto di calore si dovrà diminuire l’apporto di cibo e ridurre l’attività fisica). L’organismo ritorna quindi in una situazione di benessere. Si è attivato un feedback negativo. Lo stesso meccanismo si mette in moto se la temperatura corporea si abbassa, con strategie opposte per minimizzare la perdita di calore (vasocostrizione, assenza di sudorazione, accendere il termosifone) o massimizzare la produzione di calore (aumentiamo il metabolismo, si attivano contrazioni asincrone quali i brividi, ci mettiamo in movimento).

Oppure la compensazione può fallire e quindi andiamo nello stato di malattia, reversibile o irreversibile e quindi portare anche alla morte.

Adattamento all'esercizio fisico

Che cosa succede ai parametri fisiologici quando andiamo incontro a esercizi fisici intensi? Ci si allena all’adattamento, ossia l’ottenimento di condizioni fisiche e capacità funzionali migliori tramite piccoli aumenti di affaticamento e debolezza seguiti da ipercompensazione; una volta adattati continueremo ad affrontare nuovi aumenti di affaticamento e debolezza seguiti da ipercompensazione che porteranno a un nuovo adattamento, ovviamente senza superare determinati limiti oltre i quali i nostri organi non possono andare (lesioni dovute a un cattivo allenamento o al fatto che l’atleta non era pronto a quello sforzo in quel momento).

Meccanismi predittivi o anticipatori

Adattamenti dell’organismo prima che le perturbazioni siano avvenute, ci preparano ad evitare che le nostre variabili escano dai range fisiologici, comprende atteggiamenti comportamentali che regolano le nostre attività in maniera anticipatoria, sia per gli organismi più semplici, come ad esempio gli animali (funzioni di base come la procreazione), sia per organismi più complessi come l’uomo (funzioni integrative come il pensiero e la parola o esercizio fisico).

Esempio di comando centrale all'esercizio fisico

Ogni volta che parte un comando dal sistema nervoso centrale per fare un esercizio fisico intenso, questa notizia viene data ai nostri sistemi di controllo, quali il sistema nervoso autonomo, che si occuperà di aumentare l’attività del cuore per fare in modo che più sangue e ossigeno arrivino agli organi che stanno lavorando di più quali cuore, muscoli e cute per disperdere calore e ci mette nelle condizioni essenziali per non avere scompensi. Ma non possiamo aumentare l’attività del cuore all’infinito quindi ci sono dei sistemi di autocontrollo per far rimanere l’attività cardiaca entro limiti fisiologici e a coordinare tutte queste attività c’è il nostro sistema comportamentale (sistema limbico e ipotalamo).

Adattamenti degli organi durante l'esercizio fisico

Quando facciamo un esercizio fisico ogni organo si adatta in un modo differente: il sistema cardiocircolatorio regola la pressione arteriosa, il sistema respiratorio regola l’ossigenazione, il rene provvede l’assorbimento di acqua e sali per riportare nella norma il volume ematico, la cute tramite la sudorazione regola la temperatura corporea, il sistema endocrino regola i livelli ormonali, l’apparato scheletrico e i muscoli svolgono le loro funzioni, l’apparato digerente diminuisce la sua attività e il sistema nervoso ha fasi alterne di aumento e decremento attività.

Il sistema nervoso e il sistema endocrino in collaborazione mantengono l’OMEOSTASI soprattutto quando ci sono dei cambi fisiologici repentini come in seguito all’attività sportiva, quindi c’è un’integrazione continua tra i sistemi biologici e i sistemi fisiologici. Il sistema nervoso lo usiamo per le comunicazioni tra i tessuti e i vari sistemi dell’organismo, mentre il sistema endocrino coordina le risposte fini dovute a qualsiasi disturbo omeostatico. È il sistema nervoso che si attiva prevalentemente nei meccanismi anticipatori, mentre il sistema endocrino si attiva solo in conseguenza di quello nervoso.

Interazione tra sistema nervoso ed endocrino

Come interagiscono i due sistemi? L’ipotalamo è parte del sistema nervoso ma produce un fattore rilasciante le corticotropine CRF, questo fattore agisce sull’ipofisi (prima ghiandola del sistema endocrino) che produce un ormone molto importante per l’esercizio fisico, l’ormone adrenocorticotropo che agisce sulla ghiandola corticale del surrene a produrre cortisolo, l’ormone dello stress fisico. Nel frattempo, l’ipotalamo è in grado di far produrre endorfine che si occupano dei nostri adattamenti comportamentali (paura, aggressività, vigilanza) ma controllano anche il dolore. L’ipotalamo regola attraverso il sistema autonomo anche la midollare della surrenale, la ghiandola che libera neurotrasmettitori che ci aiutano ad affrontare le prove importanti (esame, gara).

A seguito di un esercizio fisico intenso, per attivare la dispersione del calore, interviene la sudorazione, la perdita di acqua attiva gli osmocettori che inducono la produzione dell’ormone antidiuretico da parte dell’ipotalamo che agisce a livello dei reni per il riassorbimento dell’acqua che ritornerà nel sistema ematico per riportare la pressione arteriosa a livelli fisiologici. Per questo dopo esercizi fisici intensi e prolungati, come ad esempio la maratona, l’atleta sta all’antidoping per diverse ore, perché non è in grado di produrre sufficiente urina per le analisi se non viene fatto un carico idrico di una certa importanza.

Confronto tra sistema nervoso ed endocrino

Eccitabilità cellulare

La cellula è la più piccola unità funzionale ed ogni cellula è programmata per svolgere compiti specifici. Le cellule eccitabili sono le cellule del sistema nervoso (neuroni) e le cellule muscolari che hanno la capacità di reagire a uno stimolo adeguato con una variazione della proprietà di membrana.

Sono costituite come tutte le altre cellule da una membrana plasmatica:

• Formata da uno strato lipidico (isolante idrofobico) con immerse proteine strutturali (che danno la forma alla cellula) e proteine canale (idrofiliche) che permettono il passaggio delle cariche elettriche. Questi canali ionici formati da più subunità proteiche mettono in comunicazione l’ambiente extracellulare con l’ambiente intracellulare, ambienti che hanno una diversa distribuzione di specie ioniche; l’ambiente intracellulare è ricco di potassio e anioni proteici (non possono attraversare la membrana), quello extracellulare di sodio, calcio, cloro e ione bicarbonato. Le specie ioniche sono distribuite in maniera quantitativamente differente fuori e dentro. È importante la differenza di concentrazione tra potassio 140 mM all’interno e 5 mM all’esterno e sodio 140 mM all’esterno e 5 mM all’interno, per definire l’eccitabilità cellulare.
• Separa l’ambiente intracellulare da quello extracellulare.
• È semipermeabile, ossia i passaggi avvengono secondo delle regole chimico-fisiche (trasporto attivo, diffusione, trasporto facilitato): il bistrato lipidico è isolante e si comporta come un condensatore separando le cariche elettriche; in particolare all’interno si accumulano le cariche negative, mentre all’esterno le cariche positive. In una particolare condizione a riposo le cariche non possono attraversare la membrana perché i canali ionici sono chiusi, creando così un campo elettrico, ossia una differenza di potenziale tra superficie esterna positiva e superficie interna negativa. Il potenziale a riposo della membrana è pari a -70 mV ed è il motivo per cui le nostre membrane vengono definite eccitabili, capaci di rispondere a uno stimolo elettrico.

Perché si crea questa differenza?

Esempio:

Questo è quello che accade nella nostra cellula. Le proteine cariche negativamente sono molto grandi però e non possono attraversare questa membrana cellulare neanche quando si aprono le proteine canale e quindi si accumulano all’interno.

Pompa sodio-potassio

Ma come mai sodio e potassio entrambi con carica positiva si accumulano uno all’interno e uno all’esterno? Perché a livello della membrana c’è una proteina atipica (consuma ATP nella sua funzione), proteina canale che elimina dalla cellula tre atomi di sodio e fa entrare due atomi di potassio (pompa sodio-potassio) che genera la differenza di potenziale di -70 mV. Molte sostanze terapeutiche possono influire sul funzionamento cellulare e diventare tossiche se impediscono il funzionamento della pompa sodio-potassio.

Depolarizzazione e iperpolarizzazione

Quando stimoliamo la cellula, introducendo delle cariche elettriche positive, dando uno stimolo ad onda quadra con una certa durata e intensità, la membrana risponde modificando il potenziale, in questo caso si parla di depolarizzazione. Lo stesso accade se introduciamo cariche negative, rendendo la membrana più negativa, in questo caso si parla di iperpolarizzazione. La nostra membrana si comporta quindi come un circuito elettrico in cui ci sono resistenze (i canali proteici che si fanno attraversare) e capacità (bistrato lipidico) si comporta quindi seguendo la prima legge di Ohm: la differenza di voltaggio è direttamente proporzionale all’intensità di corrente che ho somministrato per la sua durata e per la resistenza della membrana stessa.

Potenziale di azione

Se aumentiamo l’intensità di corrente, la membrana non segue più la prima legge di Ohm, ma si ricorda di essere un sistema biologico e quindi quando raggiunge il potenziale di soglia pari a -55 mV, si aprono le proteine canale specifiche per il sodio (voltaggio-dipendenti) che fanno entrare il sodio all’interno della cellula fino a raggiungere l’equilibrio (uguale dentro- fuori) diventando positiva al suo interno. A questo punto si aprono i canali voltaggio-dipendenti per lo ione potassio di carica positiva ma più concentrato dentro e quindi secondo il suo gradiente esce dalla membrana e la membrana si ripolarizza fino al potenziale di equilibrio del potassio. Quando si chiudono i canali del potassio la pompa sodio-potassio riprende il sopravvento e riporta il potenziale della membrana nella condizione di riposo pronti per un altro potenziale d’azione.

Si alternano quindi tre fasi:

• Prepotenziale che dipende dallo stimolo elettrico.
• Fase ascendente sodio-dipendente - depolarizzazione.
• Fase discendente potassio-dipendente – ripolarizzazione.

Una cellula è tanto più eccitabile quanto più alta è la concentrazione del potassio, perché la membrana è più vicina al livello soglia (ved. figura) (es attacchi epilettici hanno riscontrato un’elevata concentrazione degli ioni potassio nei liquidi extracellulari). Viceversa, una bassa concentrazione di potassio rende necessario uno stimolo elettrico più intenso per far superare il livello soglia e stimolare quindi una risposta. Il potenziale d’azione è la risposta della nostra cellula a uno stimolo e costituisce un’informazione, lo stimolo elettrico l’unico stimolo comprensibile dal nostro sistema nervoso.

Durante il potenziale d’azione la cellula non è più in grado di rispondere ad altri stimoli, si trova nel periodo refrattario assoluto a cui segue un periodo refrattario relativo, ossia il periodo in cui la pompa sodio-potassio ributta fuori il sodio e porta dentro il potassio uscito. In questo periodo per ottenere una risposta bisogna aumentare enormemente l’intensità dello stimolo. Il potenziale d’azione costituisce un’informazione che deve viaggiare lungo l’assone delle nostre cellule ed essere trasmesso ad altre cellule.

Conduzione dell'impulso lungo l'assone

• Punto a punto negli assoni non mielinizzati, conduzione lenta, ingresso di cariche positive e uscita di cariche negative; quando un punto si è depolarizzato le cariche positive viaggiano lungo l’assone per depolarizzare il punto successivo e all’esterno le cariche negative vanno verso il punto depolarizzato e così avremo negative all’interno e positive all’esterno nel punto precedentemente polarizzato.
• Condizione saltatoria negli assoni ricoperti da guaine mieliniche e avviene solo in alcuni punti, i nodi di Ranvier un punto si depolarizza, le cariche viaggiano fino al nodo successivo, saltando lunghi tratti di assone, la conduzione è veloce fino a 120 m/s. La guaina mielinica è costituita da una serie di cellule che si avvolgono attorno all’assone in più strati e grazie al loro bistrato lipidico l’assone è completamente isolato dall’ambiente extracellulare. Inoltre, i canali ionici sono maggiormente presenti all’interno dei nodi di Ranvier. Se la guaina degenera (es: SLA) per vari motivi (virus o doping) le cariche elettriche non riescono più a raggiungere il nodo e la conduzione si rallenta diventando punto a punto, anzi dove era prevista la guaina son presenti molto meno canali ionici, rallentando ancora di più la trasmissione.

A livello del corpo cellulare del nostro assone mielinizzato si forma il potenziale d’azione, viaggia lungo l’assone nodo per nodo fino a raggiungere la terminazione dell’assone che perde la guaina mielinica e attraverso molecole neurotrasmettitori l’informazione viene trasferita ad altre cellule (sinapsi).

Trasmissione sinaptica

Esistono quattro tipi di comunicazione tra cellule: