Appunti e slide - Fisiologia sportiva e biomeccanica

Lezione 1 - fisiologia

L'esercizio fisico va dosato in modo preciso, per centrare la "finestra terapeutica", cioè quella dose di esercizio fisico considerata giusta, né troppo bassa né troppo alta. Svolgendo troppo poco esercizio fisico non otteniamo i benefici che ricerchiamo, mentre superandolo andremo in sovraddosaggio, facendo del male al paziente.

Modelli di performance

Per descrivere la realtà, semplificandola, gli studiosi si avvalgono di diversi modelli:

• Cardiovascolare: la performance è determinata dalla capacità del cuore di pompare ampi volumi di sangue e ossigeno ai muscoli, e quando l'intensità del lavoro supera la fornitura di ossigeno si sviluppa l'anaerobiosi muscolare. Da questo modello derivano alcuni concetti fondamentali:
  • VO₂
  • Soglia anaerobica
  • MET: unità di consumo d'ossigeno. 1 MET = 3.5 ml O₂/Kg/min
  • Fitness cardiovascolare
• Energetico: la performance è determinata dalla capacità dell'organismo di produrre ATP attraverso differenti vie metaboliche, quali la degradazione dei fosfageni, la glicolisi e la lipolisi aerobiche, la glicolisi anaerobica. Da questo modello derivano alcuni concetti fondamentali:
  • Produzione ATP: produzione di tot Kg di ATP al giorno, pari al nostro peso corporeo
  • Fonti primarie: carboidrati, proteine, lipidi
  • Substrati preferenziali: in base al tipo d'attività si utilizzeranno substrati differenti
• Muscolare: la performance è determinata dal reclutamento muscolare (centrale) e dalla capacità muscolare contrattile (periferica), cioè dall'abilità individuale dei ponti acto-miosinici di generare forza. Da questo modello derivano alcuni concetti fondamentali:
  • Fatica centrale e periferica: chi determina la nostra stanchezza? Muscoli o cervello?
  • Pressione arteriosa: l'esercizio aumenta la pressione arteriosa, un fatto determinante nell'esercizio fisico.
• Psico motivazionale: la performance è determinata dall'abilità di sostenere un determinato esercizio mediante uno sforzo cosciente.

Fattori integrati della performance fisica

• Impegno cardiovascolare: Intensità, VO_max
• Ambiente: pressione O₂
• Biomeccanica: gesti tecnici, attrezzi
• Attivazione muscolare: fatica centrale/periferica, impegno pressorio
• Drive centrale: impegno neurogeno
• Energetica: impegno aerobico/anaerobico, costo energetico

Energetica della contrazione muscolare

L’idrolisi dell’ATP in ADP + Pi libera l’energia che le proteine muscolari trasformano in lavoro meccanico esterno (25%) e in calore (75%).

Metabolismo energetico e substrati

• Proteine → amminoacidi → Acetyl-CoA → KREBS
• Glicogeno → glucosio → Acetyl-CoA → KREBS
• Lipidi → Acetyl-CoA → KREBS
• Corpi chetonici → Acetyl-CoA → KREBS

Valutazione consumo substrati in esercizio

• Calorimetria diretta: misurazione del calore in una stanza apposita.
• Calorimetria indiretta: valutazione tramite la differenza di composizione dell'aria inspirata ed espirata.
• Altri sistemi di misura del consumo di substrati:
  • Biopsie muscolari
  • Differenze artero-venose dei substrati
  • Metodi isotopici e di risonanza

Quoziente respiratorio (QR)

• QR = VCO₂ / VO₂
• Carboidrati: QR = 1
• Grassi: QR = 0.69

Fattori che gestiscono l'utilizzo dei substrati

• Attivazione β-adrenergico
• Insulina
• ANP
• GH, cortisolo
• IL-6: fattore infiammatorio con anche funzione di regolazione del metabolismo energetico.

Probabilmente regola i flussi energetici tra fegato e muscolo. Una persona allenata ha un QR minore di un sedentario, a parità di VO_max. Un individuo allenato, dunque, raggiungerà un QR di 1 verso il 90% della VO_max, quindi non utilizzerà meccanismi anaerobici fino ad altissime intensità. Può essere utilizzato per valutare la soglia anaerobica: quando supero QR=1 sono alla soglia.

Grafici del consumo di glicogeno e acidi grassi, in relazione alla VO_max:

• Glicogeno: il consumo aumenta
• Lipidi: il consumo inizia basso, si alza e raggiunge un plateau per poi ridiscendere. Il massimo consumo si raggiunge al valore di "massima potenza lipidica".

Sommario:

• L'intensità dello sforzo influenza il consumo dei substrati.
• I lipidi hanno un ruolo predominante negli sforzi inferiori alla metà della capacità aerobica.
• Sforzi più intensi reclutano glucosio e glicogeno.
• Al crescere dell'intensità si verifica una progressiva transizione dall'uso di grassi ai carboidrati (cross-over).
• Il controllo neuro-ormonale di questi processi è complesso (insulina, IL-6, GH, cortisolo, etc.).
• Il lattato ha un ruolo attivo in questa dinamica, e viene usato anche con funzione energetica.

Durata classificazione energia

Lezione 2 - lattato ed esercizio anaerobico

Il lattato è presente in circolo con una concentrazione sierica di 1 mmol/l, non viene prodotto solo dall'esercizio fisico.

Metabolismo aerobico e anaerobico del lattato

Schema delle reazioni della glicolisi. È messo in evidenza il peso delle componenti ossidativa e lattacida durante esercizio aerobico (A) e parzialmente anaerobico (B). Lo spessore delle frecce indica qualitativamente la velocità di reazione.

• A: maggior uso del lattato come substrato energetico. L'energia totale è data dalla VO₂
• B: maggior produzione di lattato, maggior utilizzo di glicogeno. L'energia totale è data dalla VO₂ + lattato

Glicolisi

Composta da una fase di investimento (dal glucosio al gliceraldeide 3P) e una di rendimento (fino al piruvato).

• NAD⁺: ci permette la conversione del gliceraldeide 3P in difosfoglicerato 1.3
• LDH: enzima che permette la reazione da piruvato a lattato, e viceversa

Glicolisi anaerobica

In carenza di O₂ la fosforilazione ossidativa non procede, perché il NADH₊H⁺ prodotto dalla glicolisi non può essere riossidato a NAD⁺ dalla catena di trasporto degli elettroni. Convertendo il piruvato a lattato possiamo riossidarlo, permettendo che la glicolisi proceda. Il muscolo è l'unico tessuto in grado di operare tale conversione.

La conversione del piruvato a lattato, in anaerobiosi, fornisce alla cellula il metodo per riossidare il NADH a NAD⁺, un substrato necessario della gliceraldeide 3P senza cui la glicolisi non procederebbe.

La glicolisi permette una velocità di produzione di ATP circa 100 volte maggiore rispetto alla fosforilazione ossidativa. Questo è fondamentale per la contrazione muscolare, la quale richiede grandi quantità di ATP in brevissimo tempo.

Produzione di lattato nel muscolo in esercizio

Nel muscolo il lattato varia con una legge cubica, mentre nel sangue varia con una legge quadratica. Questo significa che il lattato non diffonde passivamente nelle cellule, ma vi è un meccanismo di trasporto.

Rimozione del lattato dal circolo in esercizio

Il lattato si muove attraverso un meccanismo di trasporto (MCT1, MCT4), che può migliorare con l'allenamento (fino al 30%). Il meccanismo di rimozione è più veloce nelle fibre ossidative.

Il lattato viene utilizzato dal cuore, come fonte energetica, dal muscolo grazie a fibre iper-aerobiche che possono ossidarlo direttamente, e dal ciclo di Cori dove viene ritrasformato in piruvato.

Tutte le fibre muscolari consumano lattato: le fibre I con l'ossidazione, le fibre II con la gluconeogenesi.

Misura del lattato ematico

A riposo si ha 1-1.5 mmol/l nel sangue e nel muscolo. Con esercizio strenuo si può arrivare fino a 25 mmol/l, quindi si possono verificare variazioni di [La] estremamente veloci. Durante una gara si ha maggior aumento di lattato perché, a parità di carico, si ha una produzione di catecolammine e adrenalina maggiori.

Per misurare il lattato occorre attendere qualche secondo per il prelievo capillare. Questa misura non dà informazioni sul quantitativo di lattato prodotto nei muscoli e sul quantitativo di lattato che dal muscoli si diffonde al sangue.

Grafico della velocità di comparsa e scomparsa di lattato nel sangue

Il rapporto tra la velocità di produzione e la velocità di scomparsa determina la concentrazione ematica del sangue.

Grafico della rimozione del lattato dal muscolo post-esercizio

Grafico del restauro [La] a riposo e mediante esercizio: per rimuovere il lattato è meglio compiere un esercizio a bassa intensità, per esempio la camminata.

Grafico dell'intensità dell'esercizio per il restauro dell'acido lattico

Curva a 'U' rovesciata. Indica l'intensità migliore da tenere per una maggior velocità di rimozione del lattato.

Fattori influenti sulla produzione di lattato

• Ipossia tissutale
• Basse riserve di glicogeno
• Diete ipoglicidiche
• Eparina (NEFA in circolo)
• Capacità ossidazione tessutale (resistenza)
• Reclutamento fibre glicolitiche
• Aumento dell'attività del sistema ortosimpatico

Soglia e prestazione

La soglia anaerobica è utile per il controllo degli effetti dell'allenamento e ci fornisce indicazioni sul ritmo di lavoro d'allenamento e di gara. L'importanza della soglia anaerobica è inversamente proporzionale alla durata della prestazione.

Lezione 3 - soglia anaerobica

Soglia anaerobica: massimo grado di tolleranza al lavoro, senza un accumulo netto di lattato nel sangue. Non indica il momento di transizione dal metabolismo aerobico a quello anaerobico, e nemmeno un'intensità d'esercizio che comporta un accumulo di lattato pari a 4 mmol/l.

• MLSS: Maximum Lactate Steady State. Indica l'intensità d'esercizio alla quale il massimo smaltimento di lattato equivale alla massima produzione.
• OBLA: Onset Blood of Lactate Accumulation. Inizio dell'accumulo di lattato.

Soglia ventilatoria

Incremento esponenziale che avviene oltre un determinato limite (soglia) di alcune variabili fisiologiche.

• Wasserman: il livello in cui il lattato ematico incrementa esponenzialmente è correlato al cambio dei parametri ventilatori, durante un test incrementale
• Soglia lattica
• Soglia ventilatoria

Analisi della ventilazione durante esercizio incrementale

Il CO₂ prodotto stimola i chemocettori che attivano il centro della respirazione e stimolano la ventilazione:

Glucosio → 2 La⁺ + 2 H⁺ → H⁺ + HCO₃^- → H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Misura della soglia ventilatoria

• Rilevazione della deflessione per individuare la soglia anaerobica: test a carico incrementale
• VO₂ continua ad incrementare (metabolismo aerobico rimane comunque attivo)
• VE incrementa più rapidamente
• VCO₂ aumenta più rapidamente
• AL aumenta più velocemente

Esempio misura della soglia ventilatoria

L'esistenza di due soglie di ventilazioni mette in disaccordo i ricercatori. Secondo alcuni ricercatori bisogna utilizzare il grafico con una sola VT, secondo altri con entrambe.

Metodi per il calcolo della soglia anaerobica

• VO₂, VCO₂
• Equivalenti ventilatori O₂ e CO₂: la ventilazione varia in relazione al volume di O₂ consumato e al volume di CO₂ prodotto. Il rapporto tra volume di aria ventilata (VE) e quantità di O₂ consumata (VO₂) nel lasso di tempo ci indica l'economia respiratoria, quindi l'efficienza ventilatoria, ed è denominato equivalente ventilatorio per l'ossigeno.
• VE/VCO₂: equivalente ventilatorio per la CO₂. Il rapporto è costante, ad indicare che la ventilazione risponde alle necessità dell'organismo per l'eliminazione della CO₂. Un aumento di questo rapporto abbasserebbe l'efficienza, perché verrebbe eliminata la CO₂ necessaria a tamponare l'acidosi metabolica.
• VE/VO₂: punto di rottura ventilatoria. Indica il momento in cui la ventilazione aumenta improvvisamente, anche in assenza di un incremento della VO₂. Questo aumento riflette la necessità di eliminare CO₂ in eccesso.

La soglia anaerobica si può identificare con il momento in cui VE/VO₂ mostra un improvviso incremento, mentre rimane costante VE/VCO₂.

• Pressione tele-espiratoria O₂ e CO₂: PetO₂ e PetCO₂ indicano la concentrazione di O₂ e CO₂ alla fine di un'espirazione nel polmone. Alla soglia anaerobica la PetCO₂ decresce per aumento della ventilazione.
• Rapporto tra QR e VO_max: la soglia anaerobica coincide con il momento in cui QR = 1, cioè dove la VCO₂ prodotta eguaglia la VO₂ consumata
• QR = VCO₂/VO₂

Test di Mognoni e Cerretelli: relazione lineare tra concentrazione di acido lattico capillare e velocità di corsa.

Misura del MLSS

La metodica più precisa per valutare la soglia anaerobica calcola il MLSS. Vengono effettuate più prove a carichi costanti, intervallati da almeno un giorno di recupero. Viene considerato carico di MLSS l'esercizio ad onda quadra che non fa aumentare la lattacidemia più di 1 mmol, tra i 10 e 30 minuti.

Soglia anaerobica e frequenza cardiaca

Test di Conconi. Correre a velocità costante su una pista, partendo da una velocità codificata e aumentando di 1 km/h ogni 200m. Misurare la FC ad ogni step di velocità.

Vantaggi:

• Non invasivo
• Semplice esecuzione
• Permette valutazione dello stato di forma dell'atleta

Svantaggi:

• Difficoltà nel trovare il punto di deflessione, sia nella corsa che nel ciclismo
• Artefatto nella deflessione, legato al protocollo del test. Il protocollo originale non aumenta il tempo (la distanza di 200m) all'aumentare della velocità, lasciando meno tempo per adattarsi al carico
• Sovrastima del carico di soglia lattacida e della FC di soglia lattacida

Meccanismo anaerobico alattacido

Il rendimento meccanico in condizioni ossidative è del 25%. La restante percentuale dell'energia liberata va in calore.

Anaerobiosi alattacida e continuum energetico

ATP e fosfocreatina:

PCr + ADP + H⁺ → (CPK) → ATP + Cr

Creatina e fosfocreatina

• Sintetizzata dall'organismo, a partire da arginina, glicina e metionina
• La creatina viene convertita nell'organismo a fosfocreatina
• Durante la contrazione muscolare, l'ATP si trasforma in ADP liberando un radicale fosforico che fornisce energia
• La fosfocreatina riforma ATP a partire dall'ADP

Potenza anaerobica

Wingate test: prova ad un cicloergometro ad attrito frizionale, della durata di 30''. Vengono misurati 3 parametri:

• Picco di potenza: la più alta potenza meccanica sviluppata, normalmente raggiunta entro 5''
• Potenza media: valore di potenza media sviluppata durante i 30''
• Decremento di potenza: dal livello massimo al minimo

Potenza anaerobica alattacida

Test di Margaria: partenza a 6m dallo scalino. Al segnale di start l'atleta corre verso la gradinata e la supera con balzi di 3 gradini alla volta. Rilevare il tempo impiegato dall'atleta tra il 3 e il 9 gradino. Dopo un adeguato recupero l'atleta ripete il test altre due volte, per un totale di 3 prove. Nella valutazione finale verrà considerata la migliore.