Riassunto esame Fisiologia dello Sport

Studio del metabolismo

Ogni cosa che noi facciamo, quindi anche i nostri movimenti, è possibile grazie all’ATP, la nostra riserva di energia principale: infatti, la scissione da ATP in ADP e Pi (fosfato inorganico) è una reazione esoergonica, quindi producente energia. L'ATP consumato deve essere risintetizzato, per consentire l’esecuzione di ulteriori movimenti: deve avvenire perciò la reazione inversa.

Sintesi di ATP

Una prima sintesi di ATP deriva dalla fosfocreatina (PCR) che cede un gruppo fosfato all’ADP, risintetizzando ATP; questa reazione è molto veloce e quindi caratteristica degli sport brevi ad alta intensità, quindi sport con elevato contributo del metabolismo anaerobico alattacido (salto, sollevamento pesi, 60 metri piani) che durino al massimo 6 secondi, quindi con sforzi brevi a carattere esplosivo.

Quindi il metabolismo sfrutta i depositi di glicogeno (glucidi) che vengono trasformati, attraverso la glicolisi anaerobica, in lattato; questi esercizi necessitano di ulteriore energia oltre a quella derivante da fosfocreatina, ma in contemporanea parte il metabolismo aerobico che aumenta di importanza all’aumentare del tempo.

Il corpo umano non è una macchina con il cambio: infatti, le 3 marce (metabolismo anaerobico alattacido e lattacido, metabolismo aerobico) iniziano il loro corso assieme; in ogni esercizio ci sarà un metabolismo prevalente, ma si ha l’esclusività metabolica solo con il metabolismo anaerobico alattacido.

Substrati energetici

I substrati che il nostro organismo utilizza prevalentemente sono:

• Glucosio (Glucidi): Il glucosio è un idrato di carbonio che produce energia nei mitocondri. Per ogni mole di glucosio (peso 180 grammi) si ha una energia potenziale di 360 kcal, scindendo i legami delle 36 ATP nel mitocondrio. 1 mole di = 180 g = 360 kcal (53%, 686 kcal nel calorimetro di Mahler). Il potere calorico dei glucidi è di 3,81 kcal/g. Il gas consumato (ossigeno) ed il gas prodotto (anidride carbonica), in condizioni STPD (pressione 1 atm, temperatura 0°C, assenza di vapore acqueo), per ogni mole hanno un volume pari a 22,4 litri. Quindi, conoscendo i volumi di ossigeno, si possono effettuare dei processi di calorimetria indiretta, ossia misurazioni di volumi in condizioni ambientali trasformate attraverso la stechiometria in condizioni STPD e quindi calcolo indiretto dell’energia attraverso la misurazione dei volumi di ossigeno. È possibile effettuare dei processi di calorimetria diretta, per valutare direttamente l’energia, come per esempio negli esercizi su cicloergometro. L’ossigeno ha un equivalente calorico di 5 kcal/L (QR = 0,96).
• Acido palmitico (Lipidi): È un lipide molto duttile e molto simile a quelli presenti nel nostro organismo; la combustione completa di una mole di acido palmitico (peso 256 grammi) produce 130 moli di ATP (quindi 1300 kcal di energia potenziale). 1 mole di acido palmitico = 256 g = 130 ATP = 1300 kcal (56%, 2340 kcal nel calorimetro). Il potere calorico dei lipidi è pari a 9,1 kcal/g. Ossidando esclusivamente lipidi, il QR (quoziente respiratorio, rapporto tra anidride carbonica prodotta ed ossigeno consumato) è pari a 0,71. Ossidando solo glucidi i valori di QR si assestano attorno all’unità: quindi l’ossidazione dei lipidi produce meno anidride carbonica. Valori intermedi tra 0,7 e 1 indicano che il soggetto utilizza una miscela di substrati energetici. Valori superiori all’unità indicano la produzione di acido lattico che, comportando acidosi, viene tamponata mediante bicarbonato, quindi la soluzione viene scissa in acqua ed anidride carbonica (questo spiega la produzione ulteriore di anidride carbonica e quindi l’aumento del QR).

L’organismo possiede delle riserve di glucosio e grasso pari a circa:

• Glucosio: fegato (150-200 grammi), muscolo (300-400 grammi), glucosio circolante
• Lipidi (15% della massa corporea totale)

Quindi possiamo dire che i lipidi sono meno efficienti, ma hanno una capacità maggiore.

Parametri di ossidazione

Vengono utilizzati di solito tre parametri di riferimento nella calorimetria indiretta:

• Moli di ATP per ossidazione di una mole di substrato
• Moli di ATP per intervento di una mole di ossigeno
• QR nell’ossidazione del substrato

Metabolismo negli esercizi

Esercizi sottomassimali

In un grafico con ordinata il consumo di ossigeno ed in ascissa il tempo, notiamo la dinamica degli esercizi sottomassimali e notiamo diverse fasi:

• Fase di riposo: Quando il soggetto è fermo, non è in movimento, il consumo di ossigeno non è pari a 0, ma è proporzionale alla postura ed individualmente definito secondo la massa corporea (kg). La massa corporea è punto determinante: la statistica ci ha fatto notare che, se normalizzato ossia espresso per unità di massa corporea, il dato per ogni persona è approssimabile a 4. Sarà sufficiente quindi solamente moltiplicare il dato per la massa corporea della persona ed avremo il costo energetico a riposo.
• Fase ON: Inizia la fase motoria dell’esercizio; nel nostro caso il soggetto deve raggiungere una certa potenza per il suo esercizio, quindi ha bisogno immediatamente di ATP per la formazione dei ponti acto-miosinici che conferiscono la contrazione. Il soggetto inizia a chiedere subito energia quindi consumo e risintesi devono essere entrambe veloci. La risintesi, come abbiamo già visto, va a spese di:
  • PCr (fosfocreatina)
  • Lattato
  • Ossidazione di glucidi
  • Ossidazione di lipidi
• Fase esponenziale: Dopo la fase ON, la curva del flusso di ossigeno assume una pendenza di tipo monoesponenziale con base "e", dove il soggetto cerca il raggiungimento dello stato stazionario, ossia lo stato alla quale il consumo di ossigeno è stabile. In questa fase lo stato stazionario è proporzionale all’intensità di esercizio, che può essere espressa in:
  • Potenza meccanica
  • Velocità di corsa
  • Frequenza di piegamenti
  Dove la "tau" è un valore che evidenzia la cinetica del consumo di ossigeno e l’entità del debito di ossigeno: è infatti il valore temporale che il soggetto ci mette a raggiungere il 63% dello stato stazionario.
• Fase OFF: Nella fase OFF l’azione motoria è terminata, ma la curva del consumo di ossigeno decresce lentamente, assumendo per diverso tempo valori superiori al consumo di ossigeno a riposo. Ho la possibilità, inoltre, di comparare potenza metabolica e potenza meccanica in quanto la potenza (lavoro svolto in unità di tempo) viene espressa in J/s. Inoltre, se io nel grafico moltiplico il volume di ossigeno (espresso in L/min) per il tempo ottengo il lavoro meccanico, espresso in kcal, kJ o litri di ossigeno nel tempo; osservando il grafico possiamo anche notare l’energia metabolica utilizzata. Da questo grafico notiamo che esiste una discrepanza tra energia metabolica ed energia meccanica; il soggetto ha dovuto richiedere energia da fonti diverse dall’ossigeno, quindi ha contratto un debito di ossigeno (debito espresso in equivalenti di ossigeno) compensato da:
  • Riserve di PCr (25 mM/kg nel muscolo)
  • ATP (5 mM/kg nel muscolo)
  • Riserve di ossigeno (150 g/L ematiche)
  In quanto gli esercizi sottomassimali non prevedono ancora l’intervento dell’acido lattico. Nella fase OFF notiamo che il consumo di ossigeno ritorna gradualmente al valore di riposo: qui avviene il pagamento del debito di ossigeno, in quanto esso servirà a risintetizzare le riserve di PCr ed ossigeno precedentemente utilizzate nella fase ON. Se l’esercizio è sottomassimale, le aree di debito e pagamento del debito di ossigeno sono uguali. Una certa riserva di ossigeno è legata all’emoglobina, le riserve di ossigeno muscolari sono legate alla mioglobina. La mioglobina ha una affinità maggiore per l’ossigeno rispetto all'emoglobina, perciò la mioglobina non cederà mai ossigeno all'emoglobina; inoltre, in condizioni di esercizio, il muscolo è caldo e quindi produce acidosi ed anidride carbonica: questi elementi tendono a diminuire l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno, incentivandone la cessione alla mioglobina (che non modifica la sua affinità). La curva della potenza metabolica, costruita mediante misurazione a bocca, non evidenzia le riserve di ossigeno in quanto esse sono “viscerali” nell’organismo. La mioglobina, inoltre, è il parametro di classificazione delle fibre muscolari, perché determina caratteristiche metaboliche e funzionali del muscolo.

Esercizi incrementali

Evidenziamo i contributi dei vari parametri, espressi in equivalenti di ossigeno; supponendo di avere un grafico con ordinata l’entità del debito di ossigeno ed ascissa l’intensità dell’esercizio (% di consumo di ossigeno massimo), possiamo definire:

• Contributo della fosfocreatina: È proporzionale all’intensità dell’esercizio allo stato stazionario. Ricordiamo che il “tau” è il tempo necessario al soggetto per arrivare al 63% del consumo di ossigeno allo stato stazionario, e che t ½ è il tempo necessario al soggetto per arrivare a metà dell’intensità. Quindi avremo: è utile conoscere anche t ½ oltre che la “tau” in quanto, conoscendo anche i valori del consumo a riposo ed allo stato stazionario, posso costruire la curva del debito di ossigeno. Una volta che il grafico ha raggiunto lo stato stazionario, la sintesi di ATP sarà pari a: Tecnicamente, allo stato stazionario i Watt che il soggetto esprime sono anche essi stazionari, quindi è possibile dividere la potenza meccanica per la potenza metabolica, ricordandosi prima di convertire la potenza meccanica in equivalenti metabolici. Per pedalare a 350 W è stato verificato che una persona consuma ben 4 litri di ossigeno e non 1 come dovrebbe essere: questo perché il 75% dell’energia metabolica viene dispersa, mentre il restante 25% di energia metabolica viene effettivamente utilizzato per produrre energia meccanica. Ecco che quindi introduciamo un nuovo concetto, il rendimento, ossia:

Concetto di rendimento

Come abbiamo già visto prima, il rendimento è il rapporto tra potenza meccanica e potenza metabolica: Questa equazione sappiamo essere sempre minore di 1, perché parte dell’energia viene dispersa sotto forma di calore. dove per “h” intendiamo “heat” (calore).

Come facciamo a dimostrare ciò? Prendiamo un soggetto ciclabile e gli facciamo effettuare un esercizio incrementale a cicloergometro; la potenza meccanica opposta al ciclista, ossia la forza di frenatura, iniziale è di 30 W. Come di solito, il ciclista all’incirca verso i 3 minuti arriverà allo stato stazionario. Dopo un minuto aumento la forza di frenatura di 30W, e quindi ripeto le direttive ogni 4 minuti fino ad arrivare a 120 W di frenatura. Quindi costruisco un grafico che esprima la relazione tra potenza meccanica e potenza metabolica, che sarà pari ad una retta: la pendenza di questa retta non è altro che l’inverso del rendimento. Il rendimento (in inglese efficiency), ossia l’efficienza del gesto, può essere di 3 tipi:

• Lordo = rendimento comprendente il valore di metabolismo basale
• Netto = rendimento del solo esercizio (senza metabolismo basale)
• Delta (Δ) = rendimento considerando un solo segmento della retta

Questo concetto è uno dei campi in cui un allenatore o preparatore deve puntare per migliorare le prestazioni del soggetto, cambiando il valore fino al secondo decimale al massimo (es: da 0,23 o 23% a 0,25 o 25%) che comunque può essere determinante ai fini del risultato. Il rendimento è migliorabile ed allenabile attraverso:

• Economia del gesto
• Diminuzione della “tau”
• Frequenza del gesto

Esercizi massimali e sovramassimali

Nel corso di questi esercizi si è notato che esistono alcune differenze rispetto alla curva del consumo di ossigeno negli esercizi sottomassimali:

• Componente cardiodinamica dei transitori: Questa piccola curva monoesponenziale è una curva che si interpone immediatamente all’inizio della fase ON ed è causata dall’aumento del ritorno venoso; questa curva è proporzionale all’intensità di esercizio.
• Soglia anaerobica: In questi esercizi lo stato stazionario non si stabilizza, infatti il consumo di ossigeno tende ad assumere valori progressivamente maggiori, richiedendo il contributo dell’acido lattico. L’acido lattico infatti produce protoni, che hanno il compito di stimolare la fosfocreatina alla scissione e quindi la resintesi di ATP. Il composto che determina lo “scoglio tra metabolismo aerobico e metabolismo anaerobico lattacido è il piruvato:
  • Finché esso riesce ad entrare nel ciclo di Krebs senza creare eccessi siamo ancora in regimi aerobici
  • Quando il piruvato è in eccesso si trasforma in lattato, compensando i deficit del metabolismo aerobico

Esercizio ad esaurimento

Supponiamo di effettuare un esercizio ad esaurimento durante 15 minuti; i 15 minuti sono indicativi in quanto superando questa soglia si andrebbe incontro a fatica muscolare più che fatica metabolica. Come sempre, disegniamo il grafico della potenza meccanica e dell’energia metabolica in relazione al tempo. Misurando il consumo di ossigeno alla bocca, notiamo che i grafici di potenza meccanica ed energia metabolica diventano paralleli solo dopo un certo tempo: questo tempo, pari alla “tau”, è denominato time delay (TD). L’area del consumo energetico dell’esercizio sarà pari a: È comodo definire l’intensità di esercizio come % del massimo consumo di ossigeno, che è un buon predittore delle prestazioni, così come la produzione di lattato. Sappiamo inoltre che è possibile effettuare esercizi sovramassimali, ossia al di sopra del massimo consumo di ossigeno: l’accumulo di lattato perciò sopperisce al deficit di ossigeno.

Massimo consumo di ossigeno

Valore della massima potenza aerobica, è il volume di ossigeno per unità di tempo che un soggetto può assumere per condurre un esercizio all’esaurimento per 2-6 minuti. Le metodiche indirette per lo studio del massimo consumo di ossigeno sono:

• Produzione di anidride carbonica
• Consumo di ossigeno

Quindi per avere il massimo consumo di ossigeno devo avere le seguenti condizioni:

• Ad un aumento della potenza meccanica, la potenza metabolica non aumenta
• Il QR deve essere maggiore di 1,2
• Il lattato deve essere superiore alle 10 mM

La variabilità del massimo consumo di ossigeno dipende anche dallo strumento di misura:

• 100%: Misurazione del max alla bocca con esercizio su treadmill con leggera pendenza in salita (3°)
• 95-100%: Misurazione del max con corsa su piano
• 92-96%: Misurazione del max con ciclismo ad 1 Hz (1 pedalata al secondo)
• 82-85%: Misurazione del max con ciclismo in piano
• 97%: Misurazione del max con test del gradino (visita medico-sportiva)

Il valore del massimo consumo di ossigeno non è stabile nel corso della vita, ma varia in relazione a:

• Età
• Sesso, in quanto le femmine dai maschi hanno differenze in termini di:
  • Maggiore massa grassa
  • Massa ematica (valori di ematocrito minori, a causa delle perdite mestruali e dell’assenza di ormoni virilizzanti come il testosterone)

Il top del massimo consumo di ossigeno si raggiunge all’età di circa 20 anni. Il valore medio di massimo consumo di ossigeno è di 40-50 millilitri di ossigeno al chilo al minuto, all’età di 20 anni; il rapporto maschi-femmine si assesta sui 1,15-1,20 quindi i maschi hanno il 15-20% in più di massimo consumo di ossigeno; tra i 20 e i 60 anni con una buona condotta si ha una ricaduta del 30% circa del massimo consumo di ossigeno. La differenza tra massimo consumo di ossigeno dopo l’allenamento e massimo consumo di ossigeno prima dell’allenamento è del 10-20%, mentre la differenza tra atleti e sedentari è di circa 50-70%. Il fattore ereditario del massimo consumo di ossigeno è spiegato al 70%, quindi è utile “scegliere bene i propri genitori”.

Il gene “ace” regola la produzione dell’enzima convertitore dell’angiotensina, una sostanza endogena che serve ad aumentare la pressione, presente soltanto quando serve, quando non serve viaggia come precursore sotto forma di angiotensinogeno; statisticamente parlando si è visto che i soggetti che avevano successi negli sport aerobici avevano forme più attive del gene ace chiamato, nel loro caso, “ace-d” (i soggetti con gene “ace-i” avevano meno successo negli sport, come per esempio una scalata agli 8000 metri). L’angiotensina è una sostanza che aumenta la tensione-costrizione dei vasi: P (pressione) = R (resistenza) x Q (gettata cardiaca). La resistenza ed il raggio sono fortemente legati tra loro: la resistenza è inversamente proporzionale alla misura del raggio. Per cui l’angiotensina, diminuendo la misura dei raggi, aumenta la resistenza ma diminuisce la diffusione sanguigna. Il gene ACE è presente nel padre e nella madre, se sono uguali l’individuo nascentesarà omozigote mentre se sono diversi l’individuo sarà eterozigote.