Bioenergetica e fisiologia dell esercizio 2. Lattato e Esercizio Sottomassimale

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1 Bioenergetica e fisiologia dell esercizio 2. Lattato e Esercizio Sottomassimale Prof. Carlo Capelli, Fisiologia Generale e dell Esercizio, Facoltà di Scienze Motorie, Università degli Studi di Verona

2 Obiettivi Concentrazione di lattato ed intensità di esercizio Concentrazione di lattato e durata dell esercizio-mlss Velocità di produzione e velocità di smaltimento del lattato Concetto della spoletta del lattato Trasportatori di membrana del lattato Bilancio energetico di un esercizio compiuto con cocentrazione di lattato stabilmente elevata Identificazione della soglia anaerobica

3 Soglia e MLSS

4 Soglia e MLSS Quindi, nel definire la cosiddetta soglia si deve considerare il fattore tempo

5 MLSS MLSS E l intensità più alta di esercizio che può essere mantenuta con una concentrazione ematica costante di lattato Aumento di meno di 1 mm di lattato negli ultimi 20 minuti di un test di 30 minuti

6 Perché [La] aumenta durante esercizio sottomassimale?

7 Regolazione della glicolisi Glicogeno Fosforilasi Glucosio - 6 fosfato Reazioni all equilbrio Reazioni distanti dall equilibrio (flow generating reactions) Lattato Fruttosio - 6 fosfato Fruttosio - 1,6 difosfato Fosfofruttochinasi Piruvato Piruvato chinasi Fosfoenolpiruvato

8 Produzione di NADH L unico meccanismo in grado di ripristinare la concentrazione di NADH+H + è la conversione di piruvato a lattato. Compete con i meccanismi a spoletta dei protoni (proton shuttle) L attività della LDG e la sua K eq favoriscono la reazione piruvato! lattato

9 Spoletta del malato/aspartato Il meccanismo prevede la reazione tra NADH ed un substrato ossidato con successivo trasporto del prodotto ridotto all interno del mitocondrio e riossidazione finale da parte dei mitocondri Membrana mitocondriale interna citosol mitocondrio NAD + malato malato NAD + malato deidrogenasi malato deidrogenasi NADH ossalacetato glutamato glutamato ossalacetato NADH Aspartato aminotransferasi (3 ATP) aspartato 2-ossiglutarato 2-ossiglutarato aspartato

10 Spoletta del glicerol-fosfato Membrana mitocondriale interna citosol mitocondrio NAD + Glicerol-3-fosfato deidrogenasi (NAD + ) NADH glicerol 3-fosfato diidrossiaceton fosfato Glicerol-3-fosfato deidrogenasi (flavoproteina [FAD] [FADH] Cit c (Fe 2+ ) Catena degli elettroni Cit c (Fe 3+ ) (2 ATP)

11 Meccanismi di riossidazione del NADH citosolico Poiché la conversione di una molecola di glucosio a due di piruvato nel corso della glicolisi genera due molecole di NADH e poiché il contenuto di NADH nel citoplasma è limitato, è essenziale che NAD + sia riformato rapidamente per consentire il proseguimento della glicolisi La membrana interna del mitocondrio è impermeabile a NADH e a NAD + Non hanno accesso diretto al ciclo di Krebs Però è sufficiente che passino gli elettroni Ciò è attuato grazie alla spoletta dei substrati che assicura, in verità, il trasporto di atomi di idrogeno

12 Perché aumenta la produzione di La durante esercizio sottomassimale? La produzione di lattato dipende: i) Dalla competizione per il piruvato e il NADH tra la LDH ed il sistema NADH dipendente delle navette malato-aspartato e glicerol-3-fosfato ed il trasportatore del piruvato ii) Dall alta attività della LDH e dalla K ek della reazione piruvato-lattato che garantisce la produzione di acido lattico, soprattutto nel caso di un alta attivazione della glicolisi Quindi la produzione di La - può essere vista come il risultato di un bilancio di una competizione biochimica tra le attività di Phos/PFK vs quella di PDH Phos è attivata durante esercizio: " [Ca 2+ ], " [P i ] e " [AMP] # " del flusso glicolitico # " produzione La -

13 Perché aumenta la produzione di La durante esercizio sottomassimale? i. Se l intensità dell esercizio aumenta: $[ATP], "[ADP], "[AMP], "[P i ] e "[NH 4+ ] #attivazione di PFK e " produzione La - ii. " [Ca 2+ ] agisce con meccanismo anterogrado nell attivazione di Phos e PFK indipendentemente dall intensità di esercizio iii. La perfusione intracellulare aumenta in proporzione all incremento di richiesta di ATP in modo che i substrati siano sempre disponibili iv. Con l aumentare dell intensità dell esercizio, la PO 2 intramuscolare diminuisce progressivamente o improvvisamente.

14 Perché aumenta la produzione di La durante esercizio sottomassimale? v. La fosforilazione ossidativa diventa dipendente dall O 2 (non limitata dall O 2 ). Il rapporto [ADP] [P i ]/[ATP] deve aumentare progressivamente per assicurare un adeguata fosforilazione ossidativa. Rapporti [ADP] [P i ]/[ATP] stimolano maggiormente la glicolisi e conducono all aumento della produzione di La - vi. L attività delle ghiandole surrenali aumenta; l adrenalina attiva Phos # " del flusso glicolitico # " produzione La - vii. Con l aumento dell intensità dell esercizio, sono reclutate sempre più fibre FT; FT producono più lattato

15 L/P ratio

16 Perché diminuisce lo smaltimento di La durante esercizio sottomassimale? La Spoletta del lattato (lactate shuttle) Questa ipotesi postula che la produzione e la distribuzione di La - in tutto l organismo sia un iportante meccanismo per mezzo del quale buona parte del metabolismo intermedio può essere sostenuto in vari tessuti Il meccanismo della spoletta funziona sempre: a riposo, durante esercizio, nello stato post-assorbitivo e post prandiale Il lattato non è più visto come un agente tossico, causa di fatica, prodotto di scarto del metabolismo energetico muscolare. Al contrario, esso è un intermedio metabolico facilmente scambiabile con altri tessuti

17 Perché diminuisce lo smaltimento di La durante esercizio sottomassimale? Spoletta del lattato (lactate shuttle) La - è prodotto anche a riposo. La sua produzione aumenta durante esercizio causando un incremento della concentrazione intramuscolare con conseguente aumento dell efflusso dal muscolo all interstizio e poi al plasma Il lattato in circolo è captato da fibre muscolari adiacenti dove viene ossidato. Trasportato dal circolo, entra nel: i) fegato dove si attua la gluconeogenesi; ii) nel cuore, rene, encefalo dove è ossidato; iii) nei muscoli a riposo (o in attività) dove è ossidato (ST) o utilizzato per gluconeogenesi (FT a riposo)

18 Perché diminuisce lo smaltimento di La durante esercizio sottomassimale? Spoletta del lattato (lactate shuttle) La rimozione di La - dipende da molti fattori: intensità metabolica, stato di allenamento, gradiente di [La - ] tra interstizio/muscolo e amb.e intracellulare, tipo di fibre, [H + ] intracellulare, gradiente di [H + ] tra liquido intra ed extracellulare L adrenalina diminuisce la velocità di rimozione L aumento del tono simpatico durante esercizio comporta un aumento della vasocostrizione splancnica: $ perfusione epatica, rene e muscoli inattivi # $ rimozione e ossidazione di La - In questo modo la produzione eccede la rimozione: # "[La - ]

19 Trasportatori del lattato Il funzionamento della spoletta del lattato richiede uno scambio rapido attraverso la membrana cellulare Trasportatore di acidi monocarbossilici (MCT) (79-90 % del trasporto totale di Lattato); È un simporto con H + : ha un ruolo, quindi, anche nella regolazione di phi La capacità di trasporto è più elevata nelle ST Due isoforme di trasportatori sono espresse nel muscolo: MCT1 e MCT4 MCT1: altamente correlato con indici del metabolismo ossidativo; ha un ruolo prevalente nell uptake di La - MCT4: correlato con indici del metabolismo glicolitico; si pensa che sia più importante per il rilascio di La -

20 Lactate shuttle and MCT Ruolo dei MCTs nell encefalo e nel muscolo nel sostenere il trasporto del lattato (lactate shuttle) tra diverse cellule dello stesso tessuto e tra diversi tessuti (Da Halestrap Wilson, 2012)

21 Trasportatori del lattato Il funzionamento della spoletta del lattato richiede uno scambio rapido attraverso la membrana cellulare Trasportatore di acidi monocarbossilici (MCT) (79-90 % del trasporto totale di Lattato); È un simporto con H + : ha un ruolo, quindi, anche nella regolazione di phi È coinvolti anche nel controllo della fatica periferica muscolare La capacità di trasporto è più elevata nelle ST Due isoforme di trasportatori sono espresse nel muscolo: MCT1 e MCT4 MCT1: altamente correlato con indici del metabolismo ossidativo; ha un ruolo prevalente nell uptake di La - MCT4: correlato con indici del metabolismo glicolitico; si pensa che sia più importante per il rilascio di La -

22 Trasportatori del lattato Regolazione intracellulare delle concentrazioni di La - e H +

23 Trasportatori del lattato L esercizio acuto è in grado di influenzare l espressione di MCT1 e MCT4 Cinetica del contenuto di MCT durante recovery in funzione del tempo dall inizio dell esercizio Modificazioni posttrascrizionali?

24 Trasportatori del lattato e allenamento L allenamento è in grado di modificare l espressione di MCT1 e MCT4; MCT1 (MCT4) più espressi in atleti di endurance L allenamento di endurance (9 settimane in bicicletta) MCT1 aumentò del % e MCT4 del 47 %; Anche l allenamento di forza, sprint ed intervallato ad alta intensità aumenta il contenuto di MCT, anche se si osserva considerevoel variabilità; Le modificazioni di MCT1 sono di maggiore entità L immobilità induce riduzione del contenuto di MCT Quindi la contrattilità sembra essere il fattore funzionale che controlla l espressione di MCT; In atleti di élite, le modificazioni sono indotte solo da allenamenti ad alta intensità

25 Trasportatori del lattato e allenamento

26 Trasportatori del lattato e allenamento Quali sono i segnali che determinano le modificazioni del contenuto di MCT1 e MCT4? 1. Contrazione muscolare 2. Ormoni (?) 3. Alte concentrazioni di Lattato intracellulare (?) 4. Ipossia (?) 5. Restrizione calorica (?) 6. Patologie associate: diabete di tipo 2 è associato a elevate [La - ] b con riduzione di uptake intracellulare

27 Trasportatori del lattato e allenamento Regolazione della trascrizione 1. Attivazione dell espressione genica medita da elevazione [Ca ++ ] e AMP che attivano la calcineurina (una fosfatasi calcio dipendente) e AMPK; 2. La calcineurina defosforila ed attiva il fattore trascrizionale nucleare NFAT; 3. L elevazione [Ca ++ ] e l attivazione di AMPK aumentano l espressione anche dell attivatore trascrizionale PGC1alfa, essenziale per la differenziazione delle fibre verso quelle di tipo I dove MCT1 è più espresso; 4. L aumento transitorio intracellulare di lattato durante esercizio induce la produzione di ROS che attivano AMPK. In questo senso il lattato agirebbe da cell-signaling molecule ; 5. L ipossia è il fattore più importante per la regolazione del contenuto di MCT4 attraverso un meccanismo trascrizionale regolato da HIF-1alfa Regolazione prostrascrizionale 1. Esempio: ipossia cardiaca induce traslocazione nel sarcolemma di unità di MCT1 depositate in cisterne associate ai tubuli t 2. Anche la traduzione proteica sembra essere regolata

28 Trasportatori del lattato e allenamento Riassunto dei fattori cellulari e molecolari probabilmente implicati nell influenzare il contenuto di MCT

29 Bilancio energetico durante esercizio sotto massimale con [La - ] aumentato ma stabile Aerobica ATP/O 2 = 6.17 Ipoaerobica ATP/O 2 = 6.67 Iperaerobica ATP/O 2 = 5.67

30 Fibre ipo e iperaerobiche accoppiate Ipoaerobica + Iperaerobica: ATP/O 2 = 6.17

31 Meccanismo di instaurazione di AT

32 Risposte fisiologiche all esercizio compiuto ad intensità superiori ad AT Accelerata utilizzazione del glicogeno muscolare Ridotta resistenza all esercizio Acidosi metabolica Effetto Bohr --> aumento dell estrazione periferica di O 2 Aumento della concentrazione plasmatica di elettroliti Emoconcentrazione Aumento della produzione di intermedi metabolici Cinetica del V O 2 rallentata Aumento della produzione di CO 2 Aumento del drive ventilatorio Aumento del livello di catecolamine Aumento del doppio prodotto (dispenio energetico del cuore)

33 V O 2 e MLSS

34 Tamponamento dell acidosi indotta dall esercizio

35 Identificazione della soglia anaerobica (AT) con metodi ventilatori 1. LaH! La - + H + 2. H + + HCO 3 -! H 2 CO 3! (a.c.) H 2 O + CO 2 3. Tamponamento isocapnico: l aumento di V E è dovuto a " CO2; P ET O 2 " e V E /V O 2 ", ma P ET O 2 e V E /V CO 2 non cambiano 4. ph $: V E aumenta ulteriormente: P ET O 2 $ V E /V CO 2 ", compensazione respiratoria

36 Identificazione della soglia anaerobica (AT) con metodi ventilatori Metodo del V slope

37 Determinazione di AT Curva Lattato-Velocità MLSS

38 Bibliografia Fisiologia dell Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 22: Enegetica del lavoro muscolare Dagli Abissi allo Spazio, Ambienti e Limiti Umani, Ferretti G e Capelli C, Edi.Ermes, Milano Capitolo 1: Ambiente esercizio Bilatt V et al. The concept of Maximal Lactate Steady State. Sports Med. 33: , Gladden LB The muscle as a consumer of lactate. Med Sci Sports Exerc. 32: , Antonutto G e di Prampero PE The concept of lactate threshold. J Sports Med Phys Fitness 35: 6-12, 1995.