27 Mar 2015
I SISTEMI ENERGETICI NELLO SPORT E NELL'ALLENAMENTO
Posted by Forrest Group Minerva
Creato: 27 Marzo 2015

Sistemi energetici nello sport e nell’allenamento

La comprensione dei sistemi energetici è alla base dello studio dell’allenamento e degli effetti che essi esercitano sul corpo umano.

Bioenergetica ... o lo studio del flusso di energia nei sistemi viventi è di solito uno dei primi capitoli di ogni buon testo di fisiologia. Ma ora l'attuale modello dei sistemi energetici umani è messo in discussione.

Recenti ricerche ed esperienze pratiche mostrano i suoi limiti, in particolare per quanto riguarda la fatica.

Questo articolo descrive i tre percorsi energetici di base, le interazioni che avvengono tra loro e la loro rilevanza per le diverse attività sportive. Si conclude con un breve sguardo ad alcune delle più recenti ricerche, e i successivi nuovi modelli delle dinamiche energetiche umane, che sono state proposte come risultato.

Energy_Systems
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ATP la valutazione dell’energia corporea


Tutte le energie si originano dal sole. Le piante convertono la luce solare in energia chimica attraverso il processo della fotosintesi. Noi mangiamo le piante, o gli animali che hanno mangiato le piante, e questa energia chimica accumulata è trasmessa a noi. Nei cibi l’energia è immagazzinata come carboidrati, grassi o proteine.

Il muscolo scheletrico, sia durante la corsa di una maratona, o un movimento esplosivo come un servizio nel tennis, è alimentato solamente da un composto: l’adenosina trifosfato (ATP) (2). Tuttavia, il corpo immagazzina solo una piccola quantità di questa 'moneta energetica' all'interno delle cellule, che è sufficiente per alimentare solo per pochi secondi sulla durata totale dell’esercizio (5). Quindi il corpo deve sostituire o risintetizzare l’ATP su base continuativa. L’energia è richiesta per tutti i tipi di processi corporei tra cui la crescita e lo sviluppo, la riparazione, il trasporto di varie sostanze tra le cellule e, naturalmente, la contrazione muscolare. È questo ultimo settore sul quale gli scienziati sono più interessati, quando si parla dei sistemi energetici. Capire come questo avviene è la chiave per comprendere i sistemi energetici.


Tutte le energie degradano in calore. Così la quantità di energia che consumiamo è determinata come misura del calore. L’energia nei sistemi biologici è misurata in calorie. Una caloria è la quantità di energia termica richiesta, per elevare 1 grammo d’acqua di 1° C. Noi spesso parliamo del cibo che ingeriamo in termini di calorie, però usualmente ciò significa kilocalorie (kcal) o 1000 calorie. Ad esempio una banana media contiene 100 kcal o 100.000 calorie

Una molecola di ATP si compone di adenosina e tre (tri) gruppi di fosfato inorganico. Quando una molecola di ATP si combina con l’acqua (un processo chiamato idrolisi), l'ultimo gruppo di fosfato si fraziona continuamente e rilascia energia. La molecola di adenosina trifosfato diventa ora adenosina difosfato o ADP (2).

Per ricostituire i limiti immagazzinati di ATP, le reazioni chimiche aggiungono un gruppo di fosfato all’ADP per creare l’ATP. Questo processo è chiamato fosforilazione. Se ciò avviene in presenza di ossigeno è chiamato metabolismo aerobico o fosforilazione ossidativa. Se avviene senza ossigeno è chiamato metabolismo anaerobico (2).

Sorgenti energetiche per rifornire l’ATP

Diverse fonti energetiche, o substrati, sono disponibili e possono essere utilizzati per alimentare la produzione di ATP. Uno di questi substrati, come l’ATP esistente, viene immagazzinato all'interno della cellula e si chiama creatina fosfato.


L’uso della creatina come integratore sportivo è basato sulla concezione che può incrementare la concentrazione intracellulare prima dell’allena-mento. In teoria questo consentirebbe attività brevi di alta intensità di continuare più a lungo. Non vi sono prove che suggeriscano che la creatina ingerita possa avere qualche effetto ergogenico.

Creatina fosfato
La creatina fosfato è prontamente disponibile per le cellule e produce rapidamente ATP. Esiste anche in concentrazioni limitate e si stima che vi siano soltanto 100 g di ATP e circa 120 g di creatina fosfato immagazzinati nel corpo, soprattutto nei muscoli. Entrambe, ATP e creatina fosfato, sono chiamate fosfogeni ad alta energia (1).

Grasso
Gli altri substrati che il corpo può utilizzare per produrre ATP includono i grassi, i carboidrati e le proteine. Il grasso è immagazzinato prevalentemente come tessuto adiposo di tutto il corpo, ed è sostanzialmente un serbatoio di energia. Il grasso è meno accessibile per il metabolismo cellulare e deve anzitutto essere ridotto dalla sua forma complessa, trigliceridi, ai semplici componenti di glicerolo e acidi grassi liberi. Quindi, anche se il grasso agisce come una vasta riserva di carburante, il rilascio di energia è troppo lento per l'attività molto intensa (5).

Carboidrati
A differenza del grasso, i carboidrati non sono immagazzinati in depositi periferici del corpo. A riposo, il carboidrato viene ripreso dai muscoli e dal fegato e convertito in glicogeno. Il glicogeno può essere usato per formare ATP e, nel fegato, può essere convertito in glucosio e trasportato ai muscoli attraverso il sangue. Una sessione di allenamento pesante può esaurire le riserve di carboidrati immagazzinati nei muscoli e nel fegato, così come una dieta alimentare. I carboidrati possono rilasciare energia più rapidamente dei grassi (5).

Proteina
La proteina è usata come fonte di energia, particolarmente durante l'attività prolungata; tuttavia deve prima essere suddivisa in aminoacidi e poi essere convertita in glucosio. Come i grassi, le proteine non possono fornire energia alla stessa velocità dei carboidrati. La velocità con cui l’energia è rilasciata dai substrati, è determinata da una serie di fattori. Ad esempio, se sono disponibili grandi quantità di un tipo di combustibile, il corpo può contare più su questa fonte che su altre. L'effetto dell'azione di massa è utilizzato per descrivere questo fenomeno (5).

I tre sistemi energetici

Vi sono tre sistemi energetici distinti attraverso i quali l'ATP può essere prodotta. Un certo numero di fattori determina quale di questi sistemi energetici è utilizzato, ad esempio l’intensità dell'esercizio.

Il sistema ATP - PCr

Diversi termini sono utilizzati per definire la trasformazione di un substrato in un altro.

Glicogenesi – sintesi glicogena del glucosio. Quando il corpo decide di immagazzinare i carboidrati ingeriti nei muscoli o nel fegato, esso è prima convertito in glicogeno.

Glicogenolisi – formazione di glucosio dal glicogeno. Prima di essere immagazzinato può essere usato per produrre energia e deve essere riconvertito in un composto di glucosio.

Gluconeogenesi – la sintesi del glucosio da nutrienti diversi dai carboidrati, quali le proteine ed i grassi.

ATP e creatina fosfato (chiamato anche fosfocreatina o PCr in breve) costituiscono il sistema ATP-PCr [N.d.r: in bibliografia indicato anche come ATP-CP; il sistema ATP-PCr e anche indicato come sistema fosfageno]. Il PCr è suddiviso rilasciando un fosfato e l’energia, e viene poi utilizzato per ricostituire l’ATP. Ricordiamo, che l'ATP è ricostruito con l'aggiunta di un fosfato all’ADP, in un processo chiamato fosforilazione. L'enzima che controlla la rottura della PCr è chiamato creatina chinasi (5).

Il sistema energetico ATP - PCr può operare con o senza ossigeno ma poiché non dipende dalla presenza di ossigeno è detto anaerobico. Durante i primi 5 secondi di esercizio, indipendentemente dall’intensità, l'ATP-PCr è quasi esclusivamente utilizzato. Le concentrazioni di ATP durano solo pochi secondi, con il PCr che sostiene il calo di ATP per altri 5-8 secondi, all’incirca. In combinazione, il sistema ATP-PCr può sostenere l’intero esercizio per 3-15 secondi ed è durante questo periodo che il tasso di potenza è massimo (1).

 Se l'attività continua oltre questo breve periodo, il corpo deve fare affidamento su un altro sistema energetico per produrre ATP.

 

Il sistema glicolitico

Glicolisi significa letteralmente disaggregazione (lisi) di glucosio e consiste in una serie di reazioni enzimatiche. Ricorda che i carboidrati che mangiamo alimentano il corpo con il glucosio, che può essere immagazzinato come glicogeno nei muscoli e nel fegato per un uso successivo.

Il prodotto finale della glicolisi è l’acido piruvico. L'acido piruvico può essere sia incanalato attraverso un processo chiamato il ciclo di Krebs (vedi più sotto il sistema ossidativo) o convertito in acido lattico. Tradizionalmente, se il prodotto finale è stato l'acido lattico, il processo è denominato glicolisi anaerobica, se il prodotto finale rimasto è il piruvato, il processo è denominato glicolisi aerobica.

Tuttavia, la disponibilità di ossigeno determina soltanto il destino del prodotto finale e non è richiesto per il processo di glicolisi in atto. Infatti, la disponibilità di ossigeno ha mostrato di avere poco a che fare con i due prodotti finali, lattato o piruvato generati. Quindi il termine aerobico, che significa con ossigeno, e anaerobico, senza ossigeno, diventa un po' fuorviante (5).

I termini alternativi che vengono spesso usati sono glicolisi veloce, se il prodotto finale è l’acido lattico, e glicolisi lenta per il processo che porta al piruvato attraverso il ciclo di Krebs. Come il suo nome suggerisce il sistema glicolitico veloce è in grado di produrre energia ad un ritmo superiore rispetto alla glicolisi lenta. Tuttavia, poiché il prodotto finale della glicolisi veloce è l’acido lattico, esso si può rapidamente accumulare e si ritiene che possa portare all’affaticamento muscolare (1).

Acido lattico e lattato

L’acido lattico ed il lattato sono due termini spesso usati in modo intercambiabile ma non sono la medesima sostanza. C’è qualche controversia sul ruolo rivestito dall’acido lattico e dal lattato durante l’allenamento e la ragione del suo accumulo è complessa. Il lattato non dovrebbe essere considerato come un semplice prodotto di scarto.


Il contributo del sistema glicolitico veloce aumenta rapidamente dopo i primi 10 secondi di esercizio fisico. Questo coincide con un calo di potenza massima e la fosfogenesi immediatamente disponibile, ATP e PCr, cominciano ad esaurirsi. In circa 30 secondi di attività sostenuta la maggior parte dell'energia proviene dalla glicolisi veloce (2).

Dopo 45 secondi di attività sostenuta c'è un secondo calo della potenza di uscita (il primo calo è dopo circa 10 secondi). Attività che oltrepassano questo punto corrispondono ad una dipendenza crescente dal

Il sistema ossidativo

Il sistema ossidativo consiste in quattro processi per la produzione di ATP:
   • glicolisi lenta (glicolisi aerobica);
   • ciclo di Krebs (ciclo dell'acido citrico);
   • catena di trasporto degli elettroni;
   • ossidazione beta.

La glicolisi lenta è costituita esattamente dalla medesima serie di reazioni della glicolisi veloce, che metabolizza il glucosio per formare due ATP. La differenza, tuttavia, è che l’acido piruvico finale prodotto, è convertito in una sostanza chiamata acetil coenzima A piuttosto che in acido lattico (5). Dopo la glicolisi, ulteriore ATP può essere prodotta convogliando l’acetil coenzima A attraverso il

Ciclo di Krebs
Il ciclo di Krebs è una complessa serie di reazioni chimiche che continua l'ossidazione del glucosio che è iniziato durante la glicolisi. L’acetil coenzima A entra nel ciclo di Krebs ed è suddivisa in anidride carbonica ed idrogeno consentendo più due ulteriori ATP di formarsi. Tuttavia, l'idrogeno prodotto nel ciclo di Krebs, più l'idrogeno prodotto durante la glicolisi, se lasciato incontrollato causerebbe alle cellule di diventare troppo acide (2). Così l'idrogeno si combina con due enzimi chiamati NAD e FAD e viene trasportato alla

Catena di trasporto degli elettroni
L'idrogeno è portato alla catena di trasporto degli elettroni, un'altra serie di reazioni chimiche, e qui si combina con l'ossigeno per formare acqua impedendo così l’acidificazione. Questa catena, che richiede la presenza di ossigeno, ha come risultato la formazione di 34 molecole di ATP (2).

Ossidazione Beta
Diversamente dalla glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni possono metabolizzare grassi, così come i carboidrati, per produrre ATP. Lipolisi è il termine usato per descrivere la ripartizione dei grassi (trigliceridi) nelle unità più fondamentali di glicerolo e acidi grassi liberi (2).
Prima che questi acidi grassi liberi possano entrare nel ciclo di Krebs devono subire un processo di beta-ossidazione, una serie di reazioni per ridurre ulteriormente gli acidi grassi liberi in acetil coenzima A e idrogeno. L’acetil coenzima A può ora entrare nel ciclo di Krebs e da questo punto in poi, il metabolismo dei grassi segue lo stesso percorso del metabolismo dei carboidrati (5).

Metabolismo del grasso
Quindi, per ricapitolare, il sistema ossidativo può produrre ATP sia attraverso il grasso (acidi grassi) sia dai carboidrati (glucosio). La differenza principale è che la combustione completa di una molecola di acido grasso produce significativamente più acetil coenzima A e idrogeno (e quindi ATP) rispetto ad una molecola di glucosio. Tuttavia, poiché gli acidi grassi sono costituiti da più atomi di carbonio che di glucosio, essi richiedono più ossigeno per la combustione (2).
Quindi, se il tuo corpo sta utilizzando il grasso come carburante, deve avere l'apporto di ossigeno sufficiente per soddisfare le esigenze dell’allenamento. Se l'esercizio è intenso ed il sistema cardiovascolare non è in grado di fornire abbastanza rapidamente ossigeno alle cellule, allora i carboidrati devono essere utilizzati per produrre l’ATP. In altre parole, se sei a corto di riserve di carboidrati (come in eventi di lunga durata), l’intensità dell’esercizio si riduce appena il corpo passa ad utilizzare il grasso come fonte primaria di combustibile.

Metabolismo delle proteine
Si pensa che la proteina fornisca solo un piccolo contributo (in genere non più del 5%) per la produzione di energia ed è spesso trascurata. Tuttavia, gli amminoacidi, i mattoni delle proteine, possono essere convertiti in glucosio o in altri composti intermedi utilizzati dal ciclo di Krebs, come acetil coenzima A. La proteina può dare un contributo più significativo durante un'attività molto lunga, forse fino al 18% del fabbisogno energetico totale (1).
Il sistema ossidativo nel suo complesso è utilizzato principalmente durante il riposo e l’esercizio a bassa intensità. All'inizio dell’esercizio sono richiesti circa 90 secondi affinché il sistema ossidativo produca la sua potenza massima e l’allenamento può contribuire ad anticipare questa transizione (1).
Al di là di questo punto, il ciclo di Krebs fornisce la maggior parte del fabbisogno energetico, ma la glicolisi lenta fornisce ancora un contributo significativo. Infatti, la glicolisi lenta è un’importante via metabolica anche durante gli eventi che durano diverse o più ore (2).

 Sistemi energetici e allenamento

Ciascuno dei tre sistemi energetici è in grado di generare potenza, a diverse capacità, e varia negli individui. Le migliori stime suggeriscono che il sistema ATP-PCr può generare energia ad una velocità di circa 36 kcal per minuto. La glicolisi può generare rapidamente solo metà energia a circa 16 kcal per minuto. Il sistema ossidativo ha il tasso più basso di potenza di circa 10 kcal per minuto (4).

La capacità di generare energia di ciascuno dei tre sistemi energetici può variare con l’allenamento. L'ATP-PCr ed i percorsi glicolitici possono cambiare di solo il 10-20% con l’allenamento. Il sistema ossidativo sembra essere molto più condizionabile, anche se la genetica riveste un ruolo limitante. Il VO2 max, o la potenza aerobica possono essere aumentati fino al 50%, ma questo succede di solito in individui sedentari non allenati (4).

 Sistemi energetici utilizzati nello sport

I tre sistemi energetici non funzionano indipendentemente l'uno dall'altro. Dall’esercizio molto breve, ma molto intenso, a quello molto leggero, contribuiscono tutti e tre i sistemi energetici però, di solito, uno o due di questi predominano (5).

 Due fattori di qualunque attività svolta, che sono l'intensità e la durata dell’esercizio, influenzano i sistemi energetici più di qualunque altra variabile. Ecco un elenco degli sport e, approssimativamente, il modo con il quale ciascuno di essi contribuisce a soddisfare le esigenze fisiche:

 

Sport

ATP-PCr e
glicolisi

Glicolisi e
ossidativo

Ossidativo

Basket

60

20

20

Scherma

90

10

0

Atletica

90

10

0

Golf

95

5

0

Ginnastica

80

15

5

Hockey

50

20

30

Canottaggio

20

30

50

Corsa (sulla distanza)

10

20

70

Sci

33

33

33

Calcio

50

20

30

Nuoto (sulla distanza)

10

20

70

Nuoto (50 m stile libero)*

40

55

5

Tennis

70

20

10

Pallavolo

80

5

15

Da Foss ML e Keteyan s. (1998). The physiological basis of exercise & sport 6th edition.
* Stager JM e Tanner DA. (2005) Swimming 2nd edition.

 

Un nuovo modello dei sistemi energetici?

Nel 2000, Noakes e colleghi (3) misero in discussione il modello classico dei sistemi energetici. La loro tesi era basata sulle limitazioni che questo modello presenta quando si tratta di spiegare la stanchezza. In particolare, il concetto generale che la fatica si sviluppa solo quando la capacità del sistema cardiovascolare di fornire ossigeno è inferiore alla domanda (quindi avviare il metabolismo anaerobico), è visto come eccessivamente semplicistico. Più in particolare la loro tesi è incentrata su 5 punti chiave:
i) Il cuore, e non il muscolo scheletrico, sarebbe prima interessato dal metabolismo anaerobico.
ii) Nessuno studio ha definitivamente accertato una presenza di metabolismo anaerobico e ipossia (mancanza di ossigeno) nel muscolo scheletrico, durante l'esercizio massimale.
iii) Il modello tradizionale non è in grado di spiegare il motivo perché la fatica derivi dall’esercizio fisico prolungato, in quota ed in condizioni di caldo.
iv) Misure cardiorespiratorie e metaboliche, come il VO2 max e la soglia del lattato sono solo modesti fattori predittivi delle prestazioni.

Indubbiamente, l’affaticamento è un argomento complesso che può scaturire da una serie di fattori fisici e psicologici. Nel tentativo di fornire una spiegazione più olistica, Noakes ha sviluppato un modello che consiste in cinque sottomodelli:
i) Il modello classico 'cardiovascolare / anaerobico' così com'è ora.
ii) Il modello fornimento energetico/ esaurimento energetico.
iii) Il modello reclutamento muscolare (affaticamento centrale) / potenza muscolare.
iv) Il modello biomeccanico.
v) Il modello psicologico / motivazionale.
Essenzialmente questo nuovo modello dei sistemi energetici riconosce quello che gli allenatori hanno testimoniato per decenni ... che la prestazione e la stanchezza sono multifattoriali e complessi. Essa aggiunge forza all'approccio sinergico e olistico allo sport, usualmente trovato in atleti di maggior successo.

[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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Energy Systems 02             Energy Systems 03

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Riferimenti

1) Baechle TR and Earle RW. (2000) Essentials of Strength Training and Conditioning: 2nd Edition.Champaign, IL: Human Kinetics

2) McArdle WD, Katch FI and Katch VL. (2000) Essentials of Exercise Physiology: 2nd EditionPhiladelphia, PA: Lippincott Williams & Wilkins

3) Noakes TD. (2000) Physiological models to understand exercise fatigue and the adaptations that predict or enhance athletic performance. Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports.10, 123-145

4) Stager Jm and Tanner DA. (2005) Swimming: 2nd Edition; An International Olympic Committee Publication.Oxford UK: Blackwell Scinece Ltd

5) Wilmore JH and Costill DL. (2005) Physiology of Sport and Exercise: 3rd Edition. Champaign, IL: Human Kinetics

 



Articolo tratto da: http://www.sport-fitness-advisor.com/energysystems.html


Si declina qualunque responsabilità per la presenza di eventuali errori involontariamente introdotti nel testo nella traduzione o nella 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.