01 Nov 2017
I TRE SISTEMI METABOLICI ENERGETICI
Posted by Forrest Group Minerva
Creato: 01 Novembre 2017

Come ottieni energia e come la utilizzi

Di solito parliamo di energia in termini generici, come ad es. "Oggi non ho tanta energia".

Ma cos’è veramente l'energia? Dove otteniamo l'energia per muoverci? Come la usiamo? Come otteniamo di più da lei? In definitiva, cosa controlla i nostri movimenti? Le tre vie metaboliche energetiche sono il sistema fosfageno, la glicolisi ed il sistema aerobico. Come funzionano e quali sono i loro effetti?

Albert Einstein, nella sua infinita intelligenza, ha scoperto che l'energia totale di un oggetto è uguale alla massa dell'oggetto moltiplicato per il quadrato della velocità della luce. La sua formula per l'energia atomica, E = mc2, è diventata la formula matematica più conosciuta al mondo. Secondo la sua equazione, ogni modifica dell'energia di un oggetto provoca una modifica della massa di quell'oggetto. La modifica dell'energia può avvenire in molte forme, tra le quali meccanica, termica, elettromagnetica, chimica, elettrica o nucleare. L'energia è tutta intorno a noi. Le luci della tua casa, un forno a microonde, un telefono, il sole; tutte trasmettono energia. Anche se l'energia solare che riscalda la terra è piuttosto diversa dall'energia utilizzata per arrampicarsi su una collina, l'energia, come dice la prima legge della termodinamica, non può essere né creata né distrutta. È semplicemente cambiata da una forma all'altra.

Resintesi dell’ATP
L'energia per tutte le attività fisiche deriva dalla conversione di fosfati ad alta energia (adenosina tri fosfato-ATP) ai fosfati a bassa energia (adenosina di fosfato-ADP, adenosina mono fosfato-AMP e fosfato inorganico, Pi). Durante questa rottura (idrolisi) dell’ATP, che è un processo che richiede acqua, si producono un protone, energia e calore, cioè: ATP + H2O — © ADP + Pi + H+ + energia + calore. Poiché i nostri muscoli non immagazzinano molta ATP, dobbiamo costantemente sintezzarla, cioè ricostituirla nuovamente. L'idrolisi e la ricostituzione dell’ATP sono quindi un processo circolare: l'ATP è idrolizzato in ADP e Pi, poi ADP e P si combinano per ricostituire l’ATP. In alternativa, due molecole di ADP possono combinarsi per produrre ATP e AMP: ADP + ADP — ©ATP + AMP.

Come molti altri animali, l'uomo produce ATP attraverso tre percorsi metabolici che consistono in numerose reazioni chimiche catalizzate da enzimi: il sistema fosfageno, la glicolisi ed il sistema aerobico. Quale percorso è utilizzato per la produzione primaria di ATP dipende da quanto rapidamente è richiesta, e di quanta se ne ha bisogno. Il sollevamento pesi, ad esempio, richiede rapidamente più energia rispetto al jogging sul tappeto mobile, richiedendo la dipendenza da differenti sistemi energetici. Tuttavia, la produzione di ATP non è mai ottenuta con l'uso esclusivo di un sistema energetico, bensì dalla risposta coordinata dei tre sistemi energetici che contribuiscono in percentuali differenti.

1. Sistema fosfageno
Durante le attività brevi ed intense, i muscoli devono produrre una grande quantità di energia, che creano un'alta richiesta di ATP. Il sistema fosfageno (chiamato anche sistema ATP-CP [N.d.r: indicato in bibliografia anche come ATP-PCr]) è il modo più veloce per ricostituire l'ATP (Robergs & Roberts 1997). La creatina fosfato (CP), immagazzinata nel muscolo scheletrico, cede un fosfato all’ADP per produrre ATP: ADP + CP ©ATP + C. In questo processo nessun carboidrato o grasso è utilizzato; la rigenerazione dell’ATP avviene esclusivamente dal CP immagazzinato. Poiché per rigenerare l’ATP questo processo non necessita di ossigeno, esso è anaerobico o indipendente dall'ossigeno. Il sistema fosfageno è il modo più veloce per rigenerare l'ATP, ed è il sistema energetico predominante utilizzato per l'allenamento globale fino a circa 10 secondi di durata. Tuttavia, poiché esiste una quantità limitata di CP e ATP immagazzinati nel muscolo scheletrico, la fatica si manifesta rapidamente.

2. Glicolisi
La glicolisi è il sistema energetico predominante utilizzato per l'allenamento che dura da 30 secondi a circa 2 minuti ed è il secondo modo più veloce per rigenerare l'ATP. Durante la glicolisi, il carboidrato - sotto forma sia di glucosio (zucchero), sia di glicogeno muscolare (la forma immagazzinata di glucosio) - è spezzato in una serie di reazioni chimiche per formare il piruvato (il glicogeno è dapprima suddiviso in glucosio attraverso un processo chiamato glicogenolisi). Per ogni molecola di glucosio frantumata in piruvato attraverso la glicolisi, sono prodotte 2 molecole di ATP utilizzabili (Brooks et al., 2000). Così, in questo modo è prodotta pochissima energia, ma il vantaggio è che la si ottiene rapidamente. Una volta costituito, il piruvato ha due destini: conversione in lattato o conversione in una molecola intermedia metabolica chiamata acetil-coenzima A (acetil-CoA), che entra nei mitocondri per l'ossidazione e la produzione di ulteriore ATP (Robergs & Roberts 1997). La conversione in lattato si verifica quando la richiesta di ossigeno è più grande rispetto alla disponibilità (cioè durante l'esercizio anaerobico). Al contrario, quando c'è abbastanza ossigeno disponibile per soddisfare le esigenze dei muscoli (cioè durante l'esercizio aerobico), il piruvato (via acetil-CoA) entra nei mitocondri e passa attraverso il metabolismo aerobico.

Quando l'ossigeno non è fornito abbastanza rapidamente per soddisfare le esigenze dei muscoli (glicolisi anaerobica), vi è un aumento degli ioni di idrogeno (che causa la diminuzione del pH del muscolo, una condizione chiamata acidosi) e di altri metaboliti (ADP, Pi e ioni di potassio). L'acidosi e l'accumulo di questi altri metaboliti provocano una serie di problemi all'interno dei muscoli, inclusa l'inibizione di enzimi specifici coinvolti nel metabolismo e nella contrazione muscolare, l'inibizione del rilascio di calcio (l’innesco per la contrazione muscolare) dal sito di stoccaggio nei muscoli, e l’interferenza con le cariche elettriche dei muscoli (Enoka & Stuart 1992; Glaister 2005; McLester 1997). Come risultato di questi cambiamenti, i muscoli perdono la loro capacità di contrarsi in modo efficace e la produzione di forza muscolare e, in ultima analisi l'intensità dell’esercizio, diminuiscono.

3. Sistema aerobico
Poiché gli esseri umani si sono evoluti per attività aerobiche (Hochachka, Gunga & Kirsch 1998, Hochachka & Monge 2000), non sorprende che il sistema aerobico, dipendente dall'ossigeno, sia il più complesso dei tre sistemi energetici. Le reazioni metaboliche che si verificano in presenza di ossigeno sono responsabili della maggior parte dell'energia cellulare prodotta dal corpo. Tuttavia, il metabolismo aerobico è il modo più lento per rigenerare l'ATP. L'ossigeno, patriarca del metabolismo, sa che vale la pena aspettare, in quanto controlla il destino della resistenza ed è il sostentamento della vita. "Io sono l’ossigeno", dice al muscolo, con più di un atteggiamento di superiorità. "Posso darti un sacco di ATP, ma dovrai aspettare".

Il sistema aerobico, che comprende il ciclo di Krebs (chiamato anche ciclo dell'acido citrico o ciclo TCA) e la catena di trasporto degli elettroni - usa il glucosio del sangue, glicogeno e grasso come combustibili per rigenerare l’ATP nei mitocondri delle cellule muscolari. Data la sua localizzazione, il sistema aerobico è anche chiamato respirazione mitocondriale. Quando si utilizza il carboidrato, il glucosio e il glicogeno sono prima metabolizzati attraverso la glicolisi, con produzione di piruvato, usato per formare acetil-CoA, il quale a sua volta entra nel ciclo di Krebs. Gli elettroni prodotti nel ciclo di Krebs sono quindi trasportati, attraverso la catena di trasporto degli elettroni, dove sono prodotti ATP ed acqua (un processo chiamato fosforilazione ossidativa) (Robergs & Roberts 1997). L'ossidazione completa del glucosio tramite la glicolisi, il ciclo di  Krebs e la catena di trasporto degli elettroni producono 36 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio utilizzata (Robergs & Roberts 1997). Quindi, il sistema aerobico produce 18 volte più ATP rispetto alla glicolisi anaerobica per ogni molecola di glucosio metabolizzata.

Il grasso, immagazzinato come trigliceride nel tessuto adiposo sotto la pelle e all'interno del muscolo scheletrico (chiamato trigliceride intramuscolare), è l'altro combustibile importante per il sistema aerobico ed è il più grande deposito di energia nel corpo. Quando si utilizza il grasso, i trigliceridi sono prima suddivisi in acidi grassi liberi e glicerolo (un processo chiamato lipolisi). Gli acidi grassi liberi, composti da una lunga catena di atomi di carbonio, sono trasportati nei mitocondri dei muscoli, dove gli atomi di carbonio sono utilizzati per produrre acetil-CoA (un processo chiamato beta-ossidazione).

A seguito della formazione di acetil-CoA, il metabolismo del grasso è identico al metabolismo dei carboidrati, con l'acetil-CoA che entra nel ciclo di Krebs e gli elettroni sono inviati alla catena di trasporto di elettroni per formare ATP e acqua. L'ossidazione degli acidi grassi liberi produce molte più molecole di ATP rispetto all'ossidazione del glucosio o del glicogeno. Ad esempio, l'ossidazione dell’acido grasso palmitico produce 129 molecole di ATP (Brooks et al., 2000). Non c'è da meravigliarsi che si possa sostenere una lunga attività aerobica rispetto a quella anaerobica!

La comprensione di come l'energia è prodotta per l'attività fisica è importante quando si tratta di programmare l'esercizio con l'intensità e la durata corretta. Così la prossima volta che ti alleni penserai: "Ho molto energia", e saprai esattamente come l’hai ottenuta.

Caratteristiche del sistema energetico:


            Sistema

             Potenza
    (tasso di produzione)
              (di 
ATP)

              Capacità     
   (produzione totale di ATP)

       Combustibile usato

 


Sistema fosfageno

Molto alta

Molto bassa

Creatina fosfato;
ATP immagazzinato


Glicolisi

Alta

Bassa

Glucosio del sangue; glicogeno dei muscoli e del fegato


Sistema aerobico

Bassa

Molto alta


Glucosio del sangue; glicogeno dei muscoli e del fegato; grasso adiposo e intramuscolare

 

Allenamenti per il sistema energetico
Il riscaldamento ed il defaticamento sono necessari prima e dopo ogni allenamento.

Sistema fosfageno
Un allenamento efficace per questo sistema sono sprint brevi e molto rapidi sul tappeto mobile o in bicicletta che durano 5÷15 secondi con 3÷5 minuti di riposo tra ciascuno di essi. I lunghi periodi di riposo consentono una completa ricostituzione della creatina fosfato (CP) nei muscoli, in modo che possa essere riutilizzata per il successivo intervallo.

  • 2 set di 8 x 5 secondi vicino alla massima velocità con 3:00 minuti di riposo passivo e 5:00 minuti di riposo tra i set
  • 5 x 10 secondi vicino alla velocità massima con 3:00÷4:00 minuti di riposo passivo


Glicolisi
Questo sistema può essere allenato utilizzando intervalli rapidi di durata da 30 secondi a 2 minuti con un periodo di recupero attivo due volte più lungo del periodo di lavoro (rapporto lavoro- riposo 1:2).

  • 8÷10 attività veloci x 30 secondi, con recupero attivo di 1:00 minuto
  • 4 attività veloci x 1:30, con recupero attivo di 3:00 minuti


Sistema aerobico
Mentre il sistema fosfageno e la glicolisi sono meglio allenate con gli intervalli, perché questi sistemi metabolici sono enfatizzati solo durante le attività ad alta intensità, il sistema aerobico può essere allenato sia con l’esercizio continuo, sia con gli intervalli.

di Jason Karp, PhD 

[N.d.r: i video inseriti nell'articolo, anche se in lingua inglese, sono molto intuitivi e quindi meritano di essere guardati] 

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mitocondrio-01

           
mitocondrio-02

(Mouse sulle figure per ingrandirle) 


Riferimenti

Brooks, G.A., et al. 2000. Exercise Physiology: Human Bioenergetics and Its Applications.Mountain View, CA: Mayfield.

Enoka, R.M., & Stuart, D.G. 1992. Neurobiology of muscle fatigue. Journal of Applied Physiology, 72 (5), 1631–48.

Glaister, M. 2005. Multiple sprint work: Physiological responses, mechanisms of fatigue and the influence of aerobic fitness. Sports Medicine, 35 (9), 757–77.

Hochachka, P.W., Gunga, H.C., & Kirsch, K. 1998. Our ancestral physiological phenotype: An adaptation for hypoxia tolerance and for endurance performance? Proceedings of the National Academy of Sciences, 95, 1915–20.

Hochachka, P.W., & Monge, C. 2000. Evolution of human hypoxia tolerance physiology. Advances in Experimental and Medical Biology, 475, 25–43.

McLester, J.R. 1997. Muscle contraction and fatigue: The role of adenosine 5'-diphosphate and inorganic phosphate. Sports Medicine, 23 (5), 287–305.

Robergs, R.A. & Roberts, S.O. 1997. Exercise Physiology: Exercise, Performance, and Clinical Applications. Boston: William C. Brown.

 



Tratto da: http://www.ideafit.com/fitness-library/the-three-metabolic-energy-systems


Si declina qualunque responsabilità per la presenza di eventuali errori involontariamente introdotti nel testo nella traduzione o la trascrizione. Si precisa inoltre che il contenuto dell'articolo non sostituisce in modo alcuno ciò che è divulgato nei libri ed in bibliografia e, nel medesimo tempo, non costituisce alcun riferimento tecnico, medico e scientifico.