Biochimica dell'attività sportiva

Biochimica muscolo: meccanismi energetici nell'esercizio

Catabolismo ossidativo

Nelle attività aerobiche prolungate. Con ossidazione di glucosio, acidi grassi e anche amminoacidi = aerobico.

Glicolisi anaerobica

Per attività anaerobica intensa. Il glucosio è degradato a piruvato, che poi è massimamente convertito in lattato = anaerobico.

Sistema dei fosfati ad alta energia

Per brevi periodi di attività anaerobica intensa. Viene usata l'energia derivante dall'idrolisi dell'ATP presente che viene rigenerato anaerobicamente prevalentemente a opera della fosfocreatina = anaerobico.

Aspetti energetici

Metabolismi che dipendono da intensità e durata dell’esercizio. Si sovrappongono sempre tra di loro: non esiste uno sport in cui uso un solo meccanismo, tutte le attività prevedono delle miscele di metabolismi. Aerobiche, catabolismo in cui vengono ossidati substrati energetici come acidi chetonici, glucosio; anaerobici, glicolisi anaerobica e il sistema dei fosfati ad alta energia. Un sistema importante è il sistema creatina.

I diversi meccanismi energetici si sovrappongono e sono utilizzati in funzione dell'intensità e della durata dello sforzo

Scopo: ottenere ATP. Quantità di nucleotidi adeninici nelle nostre cellule, è di 5 mmol per Kg, valore abbastanza costante poiché ATP è continuamente degradata e ce n’è una quantità limitata; i meccanismi energetici ci servono per degradare ADP e trasformarla in ATP. Aumento di velocità: aumento di riciclaggio di ATP, rigenerato più rapidamente. Aumenterà la velocità dei meccanismi produttori di energia aerobica; più intensa attività maggiore il contributo dei meccanismi anaerobici.

Fosfato ruolo più complesso, 3 componenti principali con lo scopo di favorire i primissimi momenti di qualsiasi attività e poi nelle attività estremamente intense. ATP: Adenosina Trifosfato (nel muscolo circa 5 mmoli/kg).

Consumo di ATP del tessuto muscolare scheletrico rispetto all'intero organismo

A riposo circa 20% (turnover proteico, flussi ionici, normale metabolismo). Nell’esercizio fino a 90% (contrazione muscolare, flussi ionici). Durante attività fisica aumenta nell’organismo il consumo di energia, normalmente nel riposo il muscolo consuma circa il 20% dell’ATP che è consumato da tutto l’organismo. Quando inizio esercizio aumenta la percentuale di ATP consumata dal muscolo, mano a mano che aumenta l'intensità aumenterà sempre di più. Fino ad arrivare al 90% del consumo dell’intero organismo nel muscolo.

Turnover proteico

Ricambio delle proteine muscolari che costa energia, ma è indispensabile. Questo costo nel riposo sarà tanto maggiore quanto maggiore è la massa muscolare. La cellula muscolare in confronto alle altre cellule ha una quantità di proteine estremamente alta, poiché queste proteine devono essere sempre ricambiate (ogni 6 mesi degradiamo e ricostruiamo la metà delle nostre proteine), l’allenamento provoca un aumento del costo, il tempo e il ricambio delle proteine ha un tempo più breve se faccio sport; quindi, nei soggetti allenati il ricambio di proteine può avvenire anche ogni 5 mesi = avere sempre il muscolo molto efficiente. I soggetti allenati hanno metabolismo basale più alto. La proteina verrà degradata e rimpiazzata con una nuova. Turnover con invecchiamento sempre meno efficiente. Non c’è più equilibrio tra proteine degradate e quelle ricostruite. Nel giovane equilibrio perfetto tra alimentazione ed esercizio. Se non mangi cala la massa muscolare, se fai attività fisica aumenta o cala massa. Nell’anziano non funziona più quindi cambia il sistema di regolazione.

Attività ATPasica della miosina

ATP + H₂O → ADP + P_i + H⁺; ΔG° = -7,3 Kcal/mole. Concetto: nei filamenti spessi abbiamo la miosina che nella testa ha la tasca in cui si legano i nucleotidi adeninici con ATP il quale si idrolizza ad ADP + Fosfato durante attività fisica. Questo si idrolizzerà ulteriormente, poi ciclo dei ponti trasversali e poi contrazione. Contrazione: a diverse intensità quindi il consumo di ATP dipende dall'intensità dell’esercizio. Per poter avere attività fisica con la maggiore efficienza possibile è indispensabile avere la quantità più alta possibile di testa della miosina collegata ad ATP. Se tutte le teste della miosina sono cariche di ATP la contrazione è più forte che se fossero quasi tutte piene = più ATP maggiore la prestazione, maggiore il grado di forza che posso produrre. Nelle attività intense un punto fondamentale è di riciclare in tempi rapidissimi l’ATP. Nelle attività aerobiche, sarà importante la capacità di rigenerare ATP per un tempo molto prolungato. Devo produrre ATP in modo che la testa della miosina sia sempre occupata durante l’attività.

Nei mammiferi sono presenti 4 isoforme della catena pesante della miosina

• 1
• 2A
• 2B
• 2X

Nell'uomo:

• 1
• 2A
• 2X

Fibre I: fibre lente (muscolo rosso) specializzate nel metabolismo aerobico. Fibre II: IIa e IIx fibre rapide (muscolo bianco). Fibre IIx specializzate nel metabolismo anaerobico - glicolitiche. Fibre IIa hanno caratteristiche intermedie – glicolitiche ossidative. Corrisponde alle 3 isoforme della catena pesante della miosina abbondante nei mammiferi. Anche le catene leggere della miosina (2 per ogni testa), una essenziale e una regolatrice. Anche queste presenti in diversi tipi, in particolare ne abbiamo 3 di catene leggere che sono regolate dall’allenamento.

Separazione mediante elettroforesi delle isoforme della catena pesante (MyHC) e leggera (MyLC) della miosina nel muscolo umano

L’allenamento influenza moltissimo la percentuale delle isoforme della catena pesante presenti in una singola cellula muscolare. Se vuoi aumentare la massa è consigliato potenziare le IIx (quelle con diametro maggiore), ma in realtà a seconda dell’allenamento che fai si sviluppano delle miste. Soggetto geneticamente con molte fibre IIa, si allena per un periodo con allenamento aerobico e avrà delle fibre IIx/IIa con aumentato IIa. Si produrranno delle fibre ibride. Diversi tipi di fibrocellula muscolare, reclutamento. Schema classico che determina a livello metabolico, il metabolismo che si realizzerà in funzione dell’intensità.

Quanta energia consumo? Parametri e grandezze utilizzate per calcolare i livelli di attività fisica

Parametri che ci permettono di valutare incidenza di attività fisica. Su base giornaliera si possono usare i livelli di attività fisica (LAF), coefficienti moltiplicatori del metabolismo basale.

• Uomini 18-59 leggero +1,35 – 1,40 (aumento del metabolismo) Moderata + 1,68 Pesante +1,80-2
• Donne 18-59 leggero +1,30-1,40 Moderata +1,56 Pesante 1,73-2

Tasso di attività fisica, il costo di attività fisica rispetto al metabolismo basale. Calcolato sul minutaggio dell’attività. Moltiplico il valore del MB per i coefficienti definiti TAF o Tasso di attività fisica, che esprimono i costi di diverse attività. Per calcolare il dispendio energetico totale con maggiore precisione si può utilizzare il “metodo fattoriale” che consiste nel moltiplicare il valore del MB per coefficienti definiti TAF o Tasso di attività fisica, che esprimono i “costi” di diverse attività dalle più semplici a quelle più complesse ponderati per il tempo dedicato a tali attività nell’arco della giornata.

Unità di misura del dispendio energetico attualmente utilizzata soprattutto in medicina dello sport è quella rappresentata dal Met o equivalenti metabolici. Il MET rappresenta il rapporto tra l’energia consumata durante attività fisica in considerazione è un consumo energetico standard basale fissato convenzionalmente in 3,5 ml di ossigeno/chilo di peso corporeo/minuto (MET basale). Il Met si basa sul volume dell’ossigeno consumato da un soggetto nell’unità di tempo. Assumendo che l’equivalente energetico dell’ossigeno sia pari a 5 kcal/litro, ciò corrisponde al consumo di 1,22 kcal/minuto per un uomo di 70 kg sano di quarant’anni. In condizioni basali di riposo il Met si può approssimare al consumo di circa 1 kcal/chilo di peso/ora. Usato più nel fitness o in medicina. Ma mai in preparazione. Quando bisogna somministrare attività fisica. Cellula muscolare.

Aspetti della cellula modulabili dall’allenamento

Sarcolemma: troviamo il trasportatore del glucosio e degli acidi grassi. Questi due sono portati in quantità molto alte sulla membrana in condizioni specifiche. Il GLUT4 è una proteina localizzata dentro il citoplasma, viene trasportata in grande quantità nella membrana quando ho bisogno di glucosio. GLUT4 sensibile a insulina (stimolo anabolico) – dopo un pasto insulina attiva il GLUT4 che fa entrare glucosio nella cellula – ed esercizio fisico (catabolico, il grado in cui lo è dipende dall’esercizio, attività aerobiche più cataboliche). Attivano entrambi il GLUT4 con scopi differenti.

Il glucosio che entra grazie a insulina viene messo da parte come glicogeno, attiva anche gli enzimi – glicogeno sintasi - che provoca aumento e costruzione di glicogeno. Questo sarà un momento estremamente importante nel recupero. Il glucosio che entra nell’esercizio arriva dal sangue viene immediatamente ossidato, è attivato il GLUT4 ma è inibita la via che porta alla sintesi del glucosio, appunto perché ho una situazione catabolica. Quindi mi dà ATP. Nelle attività aerobiche blande, la glicolisi utilizza principalmente il glucosio che arriva dal sangue, nelle attività più intense quello che arriva dalle riserve di glucosio.

Insulina attiva anche il trasportatore degli acidi grassi: CD36, attivato principalmente da due altri fattori, l’esercizio fisico – il meccanismo con cui si attiva sono analoghi con il GLUT4 cioè un calo di energia – dalla quantità di acidi grassi presenti nel sangue, durante esercizio fisico aumentano gli acidi grassi nel sangue rilasciati dal tessuto adiposo, questo aumento di grassi nel sangue stimola la loro entrata. Nel digiuno aumentano gli acidi grassi nel sangue. Gli acidi grassi favoriscono il loro stesso uso, maggiore la massa muscolare e il grado di allenamento, maggiore l’entrata di acidi grassi nel muscolo e il loro utilizzo. Grosso vantaggio perché a riposo utilizzi ancora di più acidi grassi a riposo. Entrata di acidi grassi prevede attivazione del trasportatore, una loro attivazione nel trasporto dei mitocondri per essere ossidati.

In condizione aerobica ossidiamo acidi grassi, a intensità più alte il glucosio; sono due curve che si intersecano. Altri sistemi prettamente anaerobici, come il sistema creatina e fosfocreatina. Durante esercizio aerobico, lo scopo è di avere equivalenti e riducenti che vadano alla catena respiratoria che abbiano poi ATP aerobico. Comincio a correre 1. Fosfocreatina che compensa, si attivano i trasportatori, entra il glucosio, ci vuole più tempo per far rilasciare acidi grassi, acidi grassi aumentano il glucosio nel sangue, produco una certa quantità di ATP funzionale allo sforzo che sto facendo. Aumenta intensità della corsa e aumentano tutti questi processi, si cominciano a usare anche delle riserve, i trigliceridi di riserva nel muscolo.

Attività aerobica, nella cellula muscolare, gli equivalenti riducenti (elettroni) dei grassi e degli zuccheri convertono su coenzimi NAD+ e NADH che vanno alla catena respiratoria. Questo vuol dire che i coenzimi ridotti in particolare il NADH va alla catena respiratoria e torna ad essere NAD+. In una fibra di tipo I già a riposo, che ha molti mitocondri, avrò la catena respiratoria che funziona sempre e alti livelli del coenzima NAD+. Nelle fibre IIx ho molti meno mitocondri quindi il NADH che si produce comunque nella glicolisi, ha meno possibilità di andare alla catena respiratoria, quindi ho più NADH. Fibre anaerobiche ho più alti livelli di NADH. Fibre aerobiche ho più alti livelli di NAD+ presente la forma ossidata di → NADH, si riduce producendo un elettrone e formando il NAD+. questo ossida elettrone e diventa NADH. A seconda del metabolismo che uso i livelli di equilibrio di questi due cambiano.

In esercizio aerobico, a bassa o media intensità, in cui l’ATP è formato massima parte nei mitocondri mediante la fosforilazione ossidativa. Questo esercizio è sostenuto principalmente dalle fibre di tipo I; esercizio anaerobico, ad alta intensità, in cui l’ATP in massima parte viene formato nel sarcoplasma mediante i meccanismi anaerobici di fosforilazione diretta. Questo esercizio è sostenuto principalmente dalle fibre di tipo II.

Metabolismo muscolare nell'esercizio

La scelta dei substrati ossidati durante l’esercizio dipende:

• Dalla disponibilità
• Dall'intensità
• Dalla durata

La regolazione del metabolismo è effettuata principalmente mediante la regolazione dell’attività enzimatica ed all’attivazione dei trasportatori. Enzimi attivati con:

Regolazione allosterica

Enzima attivato perché c’è una molecola di segnale. Gli enzimi allosterici sono enzimi che hanno la proprietà di essere regolati da una molecola (modulatore) che funge da regolatore dell’enzima. Si ottiene una risposta immediata ai bisogni della cellula.

Regolazione covalente

Vengono attaccati dei gruppi fosfato che diventano più o meno attivi. Un enzima può venire modificato chimicamente in quanto gli può venire attaccato (o staccato) covalentemente un particolare gruppo (ad esempio un fosfato, per azione di enzimi definiti chinasi) che ne aumenta o diminuisce l’attività. Altri esempi sono: residui di acetili, acidi grassi, gruppi OH e altri. Si ottiene una risposta immediata ai bisogni della cellula.

Regolazione dei livelli di enzima

Sono molto dipendenti da allenamento o da livello nutritivo. Se sono a dieta dopo qualche giorno aumentano gli enzimi dei corpi chetonici. La regolazione della sintesi di una proteina può avvenire a livello della trascrizione del gene che la codifica (DNA mRNA) o della traduzione (sintesi della proteina). Si ottiene una risposta a lungo termine come nell’adattamento all’allenamento, in cui si adegua il metabolismo ai bisogni della cellula.

La regolazione del metabolismo è soggetta a uno stretto controllo energetico. Il valore è di circa 0,8-0,95 nel muscolo viene utilizzato il rapporto AMP/ATP (il cui valore è circa 0,03) per definire il bisogno di energia. Rapporto fondamentale che mi determina attivazione dei trasportatori e degli enzimi. Cambia appena inizio l’attività fisica perché da ADP diventa subito ATP e va a modificare tantissimi metabolismi. Carica energetica: quanta energia ho disponibile nella cellula in quel momento? A cariche energetiche basse (ho tanto AMP) non si può costruire nulla perché non c’è energia, nel muscolo vengono bloccate le vie anaboliche. A cariche energetiche alte (tanto ATP) invece posso costruire perché ho energie sufficienti e le reazioni cataboliche saranno basse. Inutile consumare sostanze nutrienti se non ne ho bisogno. Ci sono dei meccanismi sensori che mi dicono se la carica è alta o bassa. A basse cariche energetiche c’è poco AMP e tanto ATP.

Sensori regolatori della carica energetica cellulare

Principali sensori cellulari della scarsità di nutrienti ed energia (durante attività fisica o a digiuno) sono AMPK (Adenosine Monophosphate-Activated Protein Kinase) e sirtuine (SIRTs in particolare SIRT1). Sono sensori cellulari della carica energetica. Adattano le funzioni cellulari alle necessità dei tessuti al fine di assicurare il bilancio energetico metabolico. Sono attivati quando la carica energetica cellulare è bassa, cioè quando aumentano rispettivamente i rapporti AMP/ATP e NAD+/NADH. L’azione di AMPK e SIRT1 converge sulla stimolazione del coattivatore trascrizionale PGC-1α (coattivatore 1° del PPAR γ).

AMPK si attiva quando si ha una modificazione di AMP su ATP; quindi, quando la prima prevale sulla seconda. Sente i parametri che cambiano durante l’esercizio, sono dei sensori. Mentre le sirtuine si attivano quando si ha modificazione di NAD+ su NADH. Quindi, quando ci sono dei cambi dei livelli di energia queste si attivano. Hanno degli effetti immediati dal punto di vista energetico ma poi anche degli effetti a lungo termine sull’allenamento. Aumento di questi enzimi saranno in grado di attivare una proteina PGC1α che favorisce una serie di metabolismi a lungo termine che sono in grado di aumentare l’efficienza aerobica. Ma anche il metabolismo.

L’AMPK è una serina/treonina chinasi che funge da sensore energetico intracellulare. Viene attivata quando il rapporto AMP/ATP all’interno della cellula si sbilancia in favore dell’AMP. Quindi, quando si verifica un deficit energetico cellulare. L’AMPK inibisce i processi metabolici che consumano ATP mentre favorisce quelli che producono energia.