Fisiologia

Concetti fondamentali

Attività fisica: attività fisica quotidiana, esercizio fisico e sport

Attività fisica: ogni attività che richiede un dispendio energetico significativamente superiore a quello di riposo e che normalmente risulta in un movimento volontario. Ci sono delle eccezioni come l’esercizio isometrico o stimolato elettricamente (attività quindi che alzano il metabolismo sopra la soglia del metabolismo di riposo).

Attività fisica quotidiana: comprende anche attività come i NEAT (termogenesi da attività non associabile all’esercizio fisico) come ad esempio attività postulai, cammino, spostamenti, lavare i piatti.

Esercizio fisico: attività svolta in maniera sistematica per migliorare la prestazione sportiva, lo stato di forma (fitness) o la salute.

Risposte fisiologiche all'esercizio fisico

Quando si parla di risposte fisiologiche solitamente le si guardano nel contesto dell’esercizio fisico o dello sport:

• Risposta acuta: risposta fisiologica o psicologica al singolo episodio di esercizio fisico e include il periodo immediatamente prima, durante e dopo l’esercizio fisico (minuti, ore, giorni).
  • Esempio: frequenza cardiaca (aumento, stabilizzazione, calo allo stop)
• Risposta cronica: adattamento morfologico, ultrastrutturale, biochimico, metabolico, funzionale o psicologico all’esercizio fisico ripetuto sistematicamente per un certo periodo di tempo (settimane, mesi, anni). In poche parole ci si riferisce agli adattamenti all’allenamento.

Sia le risposte acute che le risposte croniche sono risposte che regolano o preservano l’omeostasi, ovvero la condizione in cui le variabili dell’ambiente interno del corpo sono mantenute a livelli relativamente stabili e adatti a consentire la vita. Questi livelli devono essere mantenuti a valori normali o nel range di norma, altrimenti si sfocia nel patologico.

La regolazione dell’omeostasi avviene tipicamente tramite meccanismi a feedback negativo. Molti sistemi a feedback negativo sono costituiti da un recettore sensoriale, un centro di controllo e dalle rispettive vie di connessione (effettori).

Risposte acute all'esercizio

• Abbassamento dei livelli di ioni idrogeni e quindi un abbassamento del pH nel sangue e quindi aumenta l’acidità
• Compensazione ventilatoria quindi iperventilazione
• Iperventilando utilizziamo i sistemi dei bicarbonati per tamponare gli ioni idrogeno rilasciati dalla produzione e dalla scissione dell’acido lattico
• Parametri dell’esercizio fisico: modalità, durata, carico e intensità

Risposte croniche all'esercizio

• Grazie agli adattamenti dell’allenamento durante gli anni si ha una produzione molto inferiore di lattato a pari velocità
• Parametri dell’esercizio: frequenza di allenamento, durata del programma di allenamento

Classificazione delle risposte acute

Per quanto riguarda le modalità nelle risposte acute si possono classificare in base a:

• Metabolismo energetico (aerobico, anaerobico)
• Massa muscolare (globale, localizzato)
• Azione muscolare (statico, dinamico, continuo, intermittente)

Parametri dell'esercizio fisico

Carico

Si utilizza poiché le risposte fisiologiche cambiano durante esercizi fisici con carico assoluto (massimale) rispetto a quelle con carico relativo (75% massimale).

Intensità

L'effetto dell'intensità dell'esercizio può riguardare l'utilizzo delle risorse energetiche prodotte e quindi i cambiamenti delle varie percentuali di contributo delle stesse a parità di intensità dell'esercizio.

Durata

Solitamente espressa in settimane, mesi, anni, agisce sulle variabili fisiologiche e sui vari meccanismi d’azione di risposta all’allenamento.

Durata e frequenza dell'allenamento

Così come durata e frequenza dell’allenamento, le quali agiscono come stimolo nelle risposte fisiologiche e nel consumo delle varie risorse energetiche.

Studio delle risposte acute

Nella fisiologia dell’esercizio si utilizzano sostanzialmente tre tipologie di esercizio:

• Carico costante
• Incrementale a step
• Incrementale a rampa
• Carico intermittente

Nello studio delle risposte acute ci interessano anche le cosiddette variabili moderatrici, di cui abbiamo due tipologie:

• Variabili non manipolabili sperimentalmente (per esempio il genere) sulle risposte acute all’esercizio fisico, le quali si studiano comparando due o più gruppi simili tra di loro ad eccezione della variabile di interesse (per esempio un gruppo di uomini e un gruppo di donne, sani e di età simile)
• Variabili manipolabili sperimentalmente (per esempio temperatura ambientale) sulle risposte acute all’esercizio fisico, le quali si studiano utilizzando i cosiddetti cross-over trials (studi incrociati) in cui i soggetti fanno il controllo su se stessi.

Nel caso dei cross-over trials viene controllato l’effetto dell’ordine in cui un gruppo prima fa il trattamento A e poi il trattamento B, mentre l’altro fa il contrario, prima B e poi A. Tramite questo design sperimentale quindi, una volta messi insieme i risultati, le variabili che possono aver condizionato l’esperimento nei due periodi di lavoro, vengono controllate per effetto dell’ordine in cui vengono fatti i test. Di solito si utilizza anche un “washout period” in cui l’effetto del primo trattamento “sparisce” dal corpo. Un altro caso può essere quello in cui tutti i partecipanti del test ricevono tutti i trattamenti.

Studio delle risposte croniche

Nello studio delle risposte croniche invece, come ad esempio possono essere gli effetti di lunga durata dell’allenamento, essi si studiano utilizzando i cosiddetti studi paralleli o randomized control trials (RCTs) con misure prima (baseline o pretest) e dopo (follow-up o posttest) un programma di allenamento.

I soggetti vengono divisi in maniera random in diversi gruppi. Quindi ogni soggetto riceve solo un trattamento in cui ogni gruppo fa un test pre-allenamento ed uno post-allenamento. Uno dei gruppi di solito è un gruppo di controllo e se si può si utilizza un gruppo placebo (ad esempio studio su effetti di sostanze).

L’effetto placebo viene spesso utilizzato anche per studiare gli effetti dell’allenamento nella prestazione fisica oppure le risposte psicologiche all’allenamento.

Perché sono preferibili i RCTs?

La genetica incide molto sulla performance, quindi nel confronto tra gruppi di lavoro, confrontiamo sia le variabili e le risposte fisiologiche indotte dall’allenamento, che l’incidenza della parte genetica; per questo motivo per essere certi di studiare correttamente gli effetti dell’allenamento, non si può studiare semplicemente attraverso un semplice studio tra allenati contro sedentari perché la variabile genetica ha un’alta incidenza e per isolare l’effetto dell’allenamento si utilizzano gli studi randomizzati controllati. Per studiare quanto incide la genetica ci sono studi genetici.

Limiti dei RCTs sugli effetti dell'allenamento

• Per motivi logistici, di costi e di aderenza al programma di allenamento, la durata degli RTCs sugli effetti dell’allenamento varia da 4 settimane a 12 mesi. Sono pochi gli RCTs superiori ai 12 mesi. Quindi bisogna essere cauti nel estrapolare i risultati rispetto a programmi di allenamento sportivo di molti anni/decenni.
• Per motivi scientifici, di solito i RCTs sugli effetti dell’allenamento includono solo due metodologie di allenamento mentre un atleta spesso viene sottoposto ad un allenamento più complesso.
• Per motivi di disponibilità (limitatissima) degli atleti di élite a modificare il proprio allenamento ai fini di un RCTs, la maggioranza degli RCTs sugli effetti dell’allenamento includono soggetti sedentari o atleti non di élite.

Energia muscolare nell'attività sportiva

Il grafico rappresenta come le risposte acute metaboliche muscolari, cardiovascolari e respiratorie siano collegate tra di loro. Il consumo di ossigeno a livello mitocondriale è collegato attraverso il sistema polmoni-cardiocircolatorio al consumo di ossigeno a livello respiratorio. Questo sistema complesso è controllato dal sistema nervoso ed endocrino. Infatti, non solo l’aumento del metabolismo muscolare agisce sulla ventilazione, ma anche altri fattori e il controllo di queste risposte acute necessita del controllo del sistema nervoso ed endocrino.

Il sistema cardiovascolare agisce da link tra muscolo e polmoni, quindi è più corretto dire che il sistema cardiovascolare come mediatore, perché non c’è un link diretto tra muscoli e sistema respiratorio. Anche il sistema nervoso agisce da mediatore come stimolo per la risposta ventilatoria.

Peso e trasformazione della massa

Dove vanno a finire i 10 Kg di grasso quando una persona perde peso? La risposta è anidride carbonica e acqua. Questo perché si parla di trasformazione della massa, cioè 10 Kg di trigliceridi in qualcos’altro. Quel qualcos’altro è H₂O e CO₂.

• Legge di conservazione della massa: nel corso di una reazione chimica la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti. In altre parole, nel corso di una reazione chimica la materia non si crea e non si distrugge (legge di Lavoisier).
• Quando si libera energia, spesso si accoppiano reazioni esoergoniche ed endoergoniche dove nelle prime l’energia viene utilizzata per fare lavoro muscolare o biologico. Quest’energia proviene dal big bang ed una delle sue forme, ovvero quella meccanica propria del movimento, può essere espressa dal lavoro muscolare attraverso una serie di reazioni chimiche e metaboliche.
• Il metabolismo si riferisce al complesso delle reazioni chimiche nella cellula che rompono (cattoliche ed esoergoniche) o costruiscono molecole complesse (anaboliche ed endoergoniche).

Reazioni chimiche nel metabolismo

Un tipo di reazione chimica fondamentale è quella di ossidazione e di riduzione, dove vengono “persi” o “guadagnati” ossigeno, idrogeno ed elettroni.

• Due tipologie di vie metaboliche che sono costituite da reazioni chimiche:
  • Una via lineare è una serie di reazioni che genera un prodotto finale differente da ognuno dei reagenti. Es: scissione della fosfocreatina.
  • Una via ciclica è una serie di reazioni che rigenera il primo reagente. Es: ciclo di Krebs.
• Legge di azione di massa chimica: la direzione netta e velocità della reazione (se reversibile) dipende dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti.
  • AB ↔ A + B
  • Se reagenti (AB) > prodotti (A+B) → la reazione si sposterà verso destra.
  • Se reagenti (AB) < prodotti (A+B) → la reazione si sposterà verso sinistra.
  • Nelle reazioni del metabolismo energetico, le reazioni sono catalizzate dagli enzimi che riducono l’energia di attivazione della reazione chimica stessa, andando così a spostare la direzione e velocizzare la reazione chimica in un senso o nell’altro.

Enzimi

Il modello più comune di catalizzatore chimico è il modello “a chiave di serratura”, cioè una proteina che ha una conformazione specifica rispetto a una reazione chimica e/o particolari substrati. Il substrato è la “chiave” e l’enzima è la “serratura” da cui si producono dei nuovi prodotti chimici grazie a questa reazione.

Temperatura e attività enzimatica

• Molto importante è anche l’effetto della temperatura sull’attività enzimatica, perciò è fondamentale avere degli opportuni sistemi di termoregolazione che mantengano la temperatura del nostro corpo in un range normale. Questo perché la maggioranza degli enzimi lavorano in maniera ottimale in un range ristretto di temperatura.
• Il principio generale è che il calore aiuta le reazioni chimiche. Una temperatura troppo alta tuttavia denaturalizza le proprietà chimiche di una proteina. Quindi l’enzima tende a lavorare in una temperatura cosiddetta normale (tra i 37 e i 40 gradi).
• Si sa ad esempio che uno degli effetti positivi del riscaldamento è quello per cui, alzando la temperatura a livello muscolare, aumenta l’idrolisi dell’ATP catalizzata dall’ATPasi e quindi facilita a sua volta l’interazione tra actina e miosina.

pH e attività enzimatica

Analogo discorso per la correlazione con il pH. Anche qui la forma della curva di attività enzimatica è simile a quella della temperatura e quindi la maggior parte degli enzimi lavora in un tipico range definito di norma e ottimale per determinate reazioni. Teniamo poi conto, che questi spostamenti di attività enzimatica a destra e sinistra, a seconda dell’alcalinità e dell’acidità di un ambiente in cui avviene una reazione, è determinato da variazioni individuali per cui un enzima si trova in condizioni ottimali per il suo scopo di catalizzatore biologico. Tuttavia, anche per il pH esiste un range ottimale in cui si hanno condizioni fisiologiche per l’attività enzimatica.

Trasformazione dell'energia

• Il nostro sole fornisce energia radiante al pianeta e tramite la fotosintesi clorofilliana delle piante questa energia viene sfruttata per combinare anidride carbonica e acqua e produce così ossigeno ed energia sotto forma di micronutrienti vegetali. Anche gli animali come la mucca, la gallina ed organismi acquatici poi riconvertono questa energia in carne, latte o uova tramite processi metabolici.
• Nutrienti nel cibo: acqua, vitamine, minerali, carboidrati, grassi, proteine.
• Macronutrienti: forniscono energia. I micronutrienti e l’acqua non forniscono energia.

Energia, lavoro e calore

• A differenza della massa, l’energia non è così facilmente misurabile. Si può misurare solo quando il contenuto di energia di un sistema aumenta o diminuisce in termini di lavoro o calore rispetto all’ambiente che lo circonda.
• Bomba calorimetrica: si misura in energia del cibo (la combustione degli elementi è un processo di ossidazione immediata che riduce l’alimento in anidride carbonica e piccoli ceneri, producendo calore).
• La misura del calore avviene sulla misura di variazioni di temperatura dell’acqua attorno alla bomba calorimetrica. L’aumento di temperatura corrisponde all’energia contenuta nel cibo.
• Caloria: unità di misura dell’energia più comunemente usata ed è definita come l’energia necessaria per innalzare di 1°C (da 14,5 a 15,5°C) la temperatura di 1 g di acqua distillata alla pressione di 1 atm.
• Chilocaloria (Kcal): è l’energia necessaria per innalzare di 1°C la temperatura di 1 Kg di acqua alle stesse condizioni.
• L’unità di misura dell’energia nel sistema internazionale è il joule.

Valore energetico degli alimenti

• Il calore liberato dalla combustione degli alimenti nella bomba calorimetrica rappresenta il valore energetico degli alimenti. Ma il valore energetico totale (lordo) degli alimenti nella bomba calorimetrica differisce da quello che il corpo riesce ad estrarre dal cibo a causa di una digestione incompleta e, nel caso delle proteine, dall’incapacità di ossidare l’azoto che viene combinato con l’idrogeno per formare urea (escreta tramite l’urina).
• È importante sapere che i micronutrienti prima devono essere digeriti e poi trasportati nell’organismo. Questo richiede la cooperazione di due sistemi organici: digerente e cardiovascolare.

Digestione dei carboidrati

• Catabolismo di polisaccaridi in molecole più piccole e semplici (destrina, maltosio, glucosio).
• Conversione di destrina, maltosio e lattosio in glucosio, galattosio e fruttosio.
• Anche galattosio e fruttosio vengono riconvertiti in glucosio.

Digestione delle proteine

• Digerite in grossa parte a livello dello stomaco e idrolizzate in polipeptidi.
• Questi ultimi a livello del piccolo intestino vengono ulteriormente idrolizzati in amminoacidi.
• Questi vengono trasportati in circolo verso le cellule.

Tessuto adiposo

Il tessuto adiposo è la riserva energetica più importante del nostro corpo. In 1 g di grasso ci sono 9 kcal, quindi da un punto di vista di densità calorica per grammo di macronutriente, i grassi hanno un grosso vantaggio, perché occupano meno spazio. Mentre il grasso non è legato ad acqua, 1 g di glicogeno epatico è legato a circa 2,6/2,7 g di acqua, quindi lo spazio occupato da glicogeno è molto più ampio in termini volumetrici. Quindi il grasso sottocutaneo è molto più vantaggioso come riserva energetica.

Stato di assorbimento

In questo grafico sullo stato di assorbimento, viene spiegato, attraverso un approccio fisiologico delle interazioni del metabolismo energetico e i sistemi degli organi, il meccanismo con cui andiamo ad aumentare le nostre riserve energetiche, partendo dall’assunto che le necessità energetiche (dispendio) richieste dal metabolismo siano inferiori alla quantità di energia che utilizzata nel trasporto di glucosio, trigliceridi e aminoacidi dal tratto intestinale fino alle cellule.

• Il glucosio è quindi trasportato in tutti gli organi e a livello muscolare dove va a produrre riserve di glicogeno, mentre nel tessuto adiposo va ad essere una parte costituente dei trigliceridi. Nel fegato è trasformato in glicogeno o entra in reazioni chimiche che vanno a formare trigliceridi a livello epatico.
• Diete ad alto livello calorico di zuccheri e grassi creano quello che viene chiamato “fegato grasso”, perché alcuni trigliceridi vengono accumulati nel fegato. Aminoacidi vengono utilizzati per la sintesi delle proteine utili ai vari tessuti e nel fegato vengono metabolizzati per scopi energetici (alfa-chetoacidi) o per formare trigliceridi. La parte non metabolizzata, ovvero la base azotata viene convertita in urea.