Diversi punti di vista
sulla fatica muscolare
Meccanica
Elettrica
M e t a b o l i c a
Meccanica
Elettrica
ATP
ATP
AT
P
P
ADP
M e t a b o l i c a
METABOLISMO ENERGETICO
ATP
ATP
ATP
L’energia liberata da ATP viene utilizzata per diverse
funzioni cellulari, che rappresentano la vita:
AT
sintesi e secrezione di molecole
P
duplicazione cellulare
funzionamento di enzimi
contrazione muscolare
ADP
P
Un livello cellulare
Un livello tessutale
Un livello di governo
Il coordinamento con l’ambiente
METABOLISMO ENERGETICO
Un livello cellulare
Un livello tessutale
Un livello di governo
Il coordinamento con l’ambiente
METABOLISMO ENERGETICO
Carburanti
Fosfocreatina
Carboidrati
Acidi grassi
Proteine
Acido lattico
METABOLISMO ENERGETICO
Fosfocreatina
E’ il serbatoio di gruppi fosforici ad alto potenziale nel
muscolo
Può rapidamente trasferire gruppi fosforici all’ADP
Si consuma in fretta e richiede tempo per ricostituirsi
E’ un composto proteico, azotato
Derivazione alimentare
METABOLISMO ENERGETICO
Fonti di ATP
Fosfocreatina
Carboidrati
Acidi grassi
Proteine
Acido lattico
METABOLISMO ENERGETICO
Carboidrati = glucosio, C6H12O6
Glicolisi
non necessita di O2
sequenza di reazioni che avvengono nel citoplasma
scopo:
a partire da una molecola di glucosio
formazione di 2+2-2 = 2 molecole di ATP
e 2 molecole di piruvato
METABOLISMO ENERGETICO
Piruvato
Molecola terminale della glicolisi
Se disponibile O2  acetil Co-A  ciclo di Krebs
Se indisponibile O2  acido lattico (LDH)
METABOLISMO ENERGETICO
Fonti di ATP
Fosfocreatina
Carboidrati
Acidi grassi
Proteine
Acido lattico
METABOLISMO ENERGETICO
Acidi grassi
Circolanti:
• liberi (Non Esterified Fatty Acids, NEFA)
• esterificati (complessati in lipoproteine)
Deposito:
• tessuto adiposo, come trigliceridi
(= glicerolo +3 acidi grassi)
METABOLISMO ENERGETICO
Acidi grassi
Produzione di energia attraverso:
progressivo accorciamento della molecola attraverso
ossidazioni successive (processo di ß-ossidazione)
Ad ogni giro si forma 1 molecola di
Acetil Coenzima A
7 Acetyl-CoA
56 e 14 CO2
Calcoliamo la resa in ATP per un ac. grasso a 14 atomi di carbonio:
1) sono necessari 6 cicli di β-ossidazione, che genereranno 7 molecole di AcetilCoA, 6 coenzimi NADH, e 6 coenzimi FADH2
2) le 7 molecole di acetil-CoA vengono trasformate in 14 molecole di CO2 nel ciclo
di Krebs ottenendo anche 2 molecole di NADH, 7 molecole di FADH2 e 7 molecole
di ATP.
RIASSUMENDO: 14 molecole di CO2, 13 molecole di FADH2, 27 molecole di NADH
e 7 molecole di ATP
I coenzimi FADH2 e NADH cedono la loro energia nella cosiddetta "catena
respiratoria" dove, per ogni molecola di FADH2 vengono prodotte 2 molecole di
ATP mentre, per ogni molecola di NADH vengono prodotte 3 molecole di ATP.
QUINDI: 13x2=26 ATP dal FADH2; 27x3=81 ATP dal NADH; 7 molecole di ATP
direttamente dal ciclo di Krebs;.
30 ATP derivano dalla riossidazione dei coenzimi della β-ossidazione (NAD+ e FAD)
84 ATP derivano dalla completa ossidazione di Acetil-CoA ad anidride carbonica
(nel ciclo di Krebs).
Totale: 114 molecole di ATP
METABOLISMO ENERGETICO
Fonti di ATP
Fosfocreatina
Carboidrati
Acidi grassi
Proteine
Acido lattico
Catena di trasporto degli elettroni
+
H
e- - H+
H+
e- e
ATP
FADH2
ATP
ATP
2 e - + 2 H + + ½ O2 = H 2 O
NADH
FADH2
NADH
FADH2
METABOLISMO ENERGETICO
Bilancio di produzione
Da una molecola di glucosio
Senza O2
Glicolisi = 2 ATP
Con O2
Glicolisi + ciclo di Krebs + elettroni = 30 ATP
QUALCHE PAROLA
SULL’ACIDO LATTICO
L’acido lattico produce H+ ? o li consuma ?
Substrati e prodotti della reazione catalizzata dal lattato deidrogenasi (LDH).
Per ridurre il piruvato a lattato vengono rimossi dal NADH due elettroni e un
idrogenione ed un ulteriore idrogenione viene preso dall’ambiente.
Robert A. Robergs et al., Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004
E allora chi produce H+ ? L’idrolisi dell’ATP
Rigenerazione glicolitica dell’ATP accoppiata all’idrolisi dell’ATP, come avviene
durante la contrazione muscolare scheletrica senza il contributo dell’ATP prodotto
dalla catena respiratoria mitocondriale.
La fonte dei protoni H+ che si accumulano nel citosol è l’idrolisi dell’ATP.
I prodotti di queste reazioni sono le molecole evidenziate nei riquadri
(glucosio  2 acido lattico + 2 H+ + 2 ATP)
Robert A. Robergs et al., Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004
A: steady state al 60% VO2 max.
I nutrienti sono un misto di glucosio ematico, glicogeno muscolare, acidi grassi liberi ematici e lipidi intramuscolari.
Il piruvato, il NADH e i protoni prodotti dai substrati attraverso la glicolisi sono prevalentemente consumati dai
mitocondri come substrati per la catena respiratoria.
Lo stesso vale per i prodotti dell’idrolisi dell’ATP (ADP, Pi, H). Tale scenario metabolico si può dire a pH neutro
per le cellule muscolari.
Robert A. Robergs et al., Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004
A: steady state al 60% VO2 max.
I nutrienti sono un misto di glucosio ematico,
glicogeno muscolare, acidi grassi liberi ematici e
lipidi intramuscolari.
Il piruvato, il NADH e i protoni prodotti dai substrati
attraverso la glicolisi sono prevalentemente
consumati dai mitocondri come substrati per la catena
respiratoria.
Lo stesso vale per i prodotti dell’idrolisi dell’ATP
(ADP, Pi, H). Tale scenario metabolico si può dire a
pH neutro per le cellule muscolari.
B: esercizio breve e di intensità 110% VO2 max, causa di
fatica in 2-3 min.
In questo scenario, l’idrolisi di ATP avviene ad un ritmo che
non può essere supportato al 100% dalla respirazione
mitocondriale. Quindi, per la rigenerazione di ATP, vengono
maggiormente sfruttate glicolisi e creatina fosfato.
Per ogni ADP utilizzato in queste reazioni ed in queste
condizioni, un Pi e un protone sono rilasciati nel citosol.
Rimangono liberi più protoni che Pi, poiché il Pi è in parte
riciclato come substrato nella glicolisi e nella glicogenolisi.
Robert A. Robergs et al., Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004
Produzione di H+, generazione di lattato e sistemi
tampone intracellulari nel muscolo scheletrico.
Per la biochimica fondamentale l’altezza
delle due colonne deve essere uguale.
Questa è la situazione se si considera la
generazione di lattato come una fonte di
idrogenioni
Dati su lattato, CrP e Pi da: Spriet et al.
Dati sul potere tampone muscolare da: Sahlin
Robert A. Robergs et al., Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004
Produzione di H+, generazione di lattato e sistemi
tampone intracellulari nel muscolo scheletrico.
Per la biochimica fondamentale l’altezza
delle due colonne deve essere uguale.
Questa è la situazione se si considera la
generazione di lattato come una
sottrazione di idrogenioni
Robert A. Robergs et al., Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004
Lactate metabolism: a new paradigm for the third millennium
L.B. Gladden, J. Physiol., 558.1, 2004
…nel corso del tempo, l’anione lattato è stato considerato via via meno importante nello
sviluppo della fatica muscolare…
… studi recenti hanno dimostrato minimi effetti (5% o meno) del lattato sulla
contrazione di fibrocellule muscolari …
Shuttles, shuttles, everywhere
… man mano che il lattato ematico, il flusso miocardico e il VO2 miocardico
aumentano, il lattato diventa il carburante preferenziale per il cuore, arrivando a
costituire il 60% del substrato utilizzato.
… chiara evidenza che il cervello prende lattato dal sangue, particolarmente durante un
esercizio intenso; questo uptake prosegue per circa 30 min durante la fase di ricupero.
… molti studi hanno dimostrato che fibre muscolari isolate e perfuse consumano
prontamente lattato immesso dall’esterno.
… il lattato compete con successo con il glucosio come fonte energetica, anche a
intensità di esercizio bassa o moderata.
Shuttles, shuttles, everywhere
L.B. Gladden, J. Physiol., 558.1, 2004
Shuttles, shuttles, everywhere
L.B. Gladden, J. Physiol., 558.1, 2004
Trasferendo il discorso a
livello di organismo …
Massimo consumo di ossigeno
VO2 max
Parametro che misura la potenza aerobica
Massimo volume di O2 consumato dall’organismo in un
minuto di esercizio condotto a livello del mare.
Poiché il consumo di O2 è correlato linearmente al
dispendio energetico, quando misuriamo il consumo di
O2 misuriamo indirettamente la capacità di svolgere
lavoro aerobico, cioè la potenza aerobica
SOGLIA AEROBICA E SOGLIA ANAEROBICA
La soglia aerobica, punto da cui cominciano ad essere
utilizzate vie metaboliche di produzione anaerobica di
energia, corrisponde al raggiungimento di circa il 75%
della massima frequenza cardiaca.
Questo punto è inferiore alla soglia anaerobica di
approssimativamente 20 battiti/min.
La soglia anaerobica, punto dal quale inizia ad
accumularsi acido lattico nei muscoli, si colloca in una
fascia che corrisponde ad una frequenza cardiaca fra
l’85% e il 90% del massimale, all’incirca 20 battiti/min
oltre la soglia aerobica.
TEST di CONCONI
La frequenza cardiaca che si rileva in questa
fase corrisponde alla frequenza cardiaca di
soglia anaerobica.
SOGLIA AEROBICA E SOGLIA ANAEROBICA
Non sempre lo stesso lavoro metabolico
Short anaerobic – meno di 25 secondi (principalmente alattacido)
Medium anaerobic - da 25 a 60 secondi (principalmente lattacido)
Long anaerobic – da 60 a 120 secondi (lattacido + aerobico)
Short aerobic – da 2 a 8 minuti (lattacido/aerobico)
Medium aerobic – da 8 a 30 minuti (principalmente aerobico)
Long aerobic - > 30 minuti (aerobico)
Richieste energetiche dei vari tipi di esercizio
Distance/Event % Aerobic %Anaerobic
200 metres
5
95
400 metres
17
83
800 metres
34
66
1500 metres
55
45
5000 metres
80
20
10,000 metres
90
10
Marathon
98
2