Bioenergetica e fisiologia dell esercizio. 1. Introduzione alla Bioenergetica in vivo nell uomo, il Metabolismo Aerobico

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1 Bioenergetica e fisiologia dell esercizio 1. Introduzione alla Bioenergetica in vivo nell uomo, il Metabolismo Aerobico Prof. Carlo Capelli Università degli Studi di Verona

2 Obiettivi Approccio allo studio della bioenergetica muscolare in vivo nell uomo I processi ossidativi alla luce della bioenergetica muscolare V O 2 allo stato stazionario (applicazioni, concetto di rendimento) Il massimo consumo di ossigeno Il deficit (o debito contratto di O 2 ) Regolazione del metabolismo ossidativo

3 Schematizzazione della Bioenergetica Muscolare E = A TP G ATP = kj mol -1 ε s = W / G ATP = 0.40 = A TP = c VO 2 + b La +P Cr

4 Potenza e capacità

5 Bioenergetica in vivo-i processi aerobici E ATP = ATP = c V O 2 STPD! C = ~ P/O 2 = QR!

6 Transiente e stato stazionario

7 V O 2 vs. Workload

8 V O 2 allo stato stazionario: applicazioni-il costo energetico della locomozione 1 Determinazione del costo energetico della locomozione umana (C) Quantità di Energia Metabolica Spesa per Unità di Distanza per Procedere ad una Determinata Velocità (kj km -1 ; J m -1 kg -1 ; ml O 2 m -1 kg -1 ) (20.9 J = 1 mlo 2 se RQ = 0.96)

9 C = V O 2 ss v media C r (J/m kg) speed (m s -1 )

10 Energia Interna e Rendimento della sintesi ossidativa di ATP Ossidazione di un unità glicosidica (162 g di glicogene) sviluppa 2840 kj e consente la sintesi di 37 moli di ATP G ATP: circa 50 kj/mole ---> accumulo di 1850 kj di energia libera sotto forma di ATP Rendimento termodinamico della resintesi ossidativa di ATP ε R = E immagazzinata nella sintesi di ATP G liberata dall'ossidazione del glicogene 0.65= ΔG* ATP nr ATP ΔG* Gl m Gl =

11 Energia Interna e Rendimento totale Rendimento termodinamico della produzione di w dalla scissione di ATP ε S = Lavoro meccanico G liberata dalla scissione ATP = w G* ATP ns ATP Allo stato stazionario ns ATP = nr ATP ; l energia immagazzinata nella resintesi e nella scissione di ATP sono uguali w ε S = ε R E liberata dall'ossidazione del glicogene = w ε R G* Gl m Gl

12 Energia Interna e Rendimento totale Rendimento totale ε R ε S = w G* Gl m Gl Il rendimento termodinamico globale della contrazione muscolare (membro di destra) è uguale al prodotto dei rendimenti di scissione e resintesi dell ATP (membro di sinistra)

13 V O 2 allo stato stazionario: applicazioni-il calcolo del rendimento Calcolo del Rendimento Muscolare (es.o della cicloergometria) η termodinamico = w/ G η meccanico = w/ H dei substrati (per i processi ossidativi H è praticamente uguale a G) in cui H è misurato dal consumo di O 2 convertito in energia metabolica prodotta (1 ml O 2 = 20.9 J)! Rendimento Lordo: w V O 2totale -1 Rendimento Netto: w V O 2netto -1 Delta Rendimento : w V O 2-1

14 Rendimento - RPM e w

15 Rendimento Rendimento 1750 w 1400 w 1050 w w V O Roma 10/09 7

16 Massima potenza meccanica aerobica w aer,max = w ss,pre + (V O 2max - V O 2ss, pre ) η 4, 25 l min -1 ~ 360 W

17 Deficit di ossigeno

18 Basi biochimiche del deficit di ossigeno obbligatorio

19 Fonti energetiche del deficit di O 2 Quota obbligatoria 1. Scissione dei fosfati energetici (PCr) - funzione lineare dell intensità di esercizio - non dipende dalla durata Dipendenti dall intensità di esercizio 2. Lattato precoce (early lactate) 3. Deplezione delle riserve corporee di O 2

20 Rappresentazione grafica del deficit di O2

21 Massima Potenza aerobica E aer,max = A TP aer,max = A TP aer,max = c VO 2max Può essere espresso in valore assoluto o standardizzato per unità di massa corporea Determinazione Specificità dell esercizio Durata: 7-10/12 minuti Tipo di test: onda quadra, incrementale, step

22 Determinazione di V O 2max Criteri per il termine del test < 150 ml/kg min (Plateau) Esaurimento QR > 1.10 [La] b > 10. mm HR entro 10 bpm la massima teorica Punteggio Scala di Borg (RPE) Riproducibilità ed accuratezza Errore percentuale totale: 5.6 % Errore metodologico: 10 % totale Errore biologico: 90 % totale Riproducibilità: 3 % (CV) Variabilità day-to-day: 4-6 %

23 V O 2max nella popolazione

24 VO 2max ed età La Massima Potenza Aerobica in Funzione dell Età nei due sessi

25 Misura indiretta VO 2max può essere anche determinato indirettamente - Approccio valido solo per studi epidemiologici - si basano sulla conoscenza del dispendio energetico di un esercizio standard (scalino, cicloergometro) -dipendono dalla massima frequenza cardiaca del soggetto) che è di solito calcolata a priori - errore %

26 V O 2 e FC Principi ed assunzioni Si assume una relazione lineare tra Q e V O 2 e tra FC e V O 2 Si calcola la massima frequenza cardiaca teorica del soggetto a età (aa) b età (aa) In realtà si utilizza la relazione WL-FC Si assume che la relazione tra WL e FC sia lineare: rendimento dell esercizio costante (25 % se esercizio concentrico, es. in bicicletta) frequenza cardiaca (BPM) 200 FC max ,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 consumo di ossigeno (l/min)

27 Esempio: test di Astrand Problema: per ogni atleta esiste una retta V O 2 -FC individuale: impossibile proporre un test valido per tutti i soggetti Se il V O 2 è espresso come percentuale di V O 2max, tutte le relazioni si compattano su un unica relazione Cioè, a FC uguali corrispondono percentuali di V O 2max uguali per tutti Frequenza cardiaca (bpm) ,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Frazione di V'O2max

28 Esempio: test di Astrand Esercizio al cicloergometro a 150 W della durata di 6 ad un intensità in grado di indurre FC di bpm Ogni 50 W---> 600 ml O 2 min -1 (0,012 l O 2 min -1 W -1 ) BMR = 3,5 ml O 2 kg -1 min -1 Poiché la relazione precedente tra FC e % V O 2max è stata costruita su soggetti di 25 anni, si deve correggere per tenere conto dell età, ovvero della diminuzione della frequenza cardiaca massima che si ha con l invecchiamento (FC= 8E-05x2-0,0153x + 1,3189) Età (aa) MC (kg) BMR (l/ min) FC (bpm) %V O 2max (%) VO 2tot (l/ min) VO 2max (l/min) Cor età V O 2max,c (l/min) , ,06 3,47 0,83 2,89

29 Correzione in funzione dell età 1,2 1,1 Fattore di correzione 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 y = 8E-05x 2-0,0153x + 1,3189 R 2 = 0, Età (aa)

30 Nomogrammi

31 V O 2max e Dimensioni Corporee F L 2 M L 3 F = m Ä a a = F/m ---> L 2 / L 3 = L -1 a (L t -2 ) t 2 L/a L / L -1 t 2 L 2 t L w L 2 L -> L 3 w = w/t L 3 /L -> L 2 L 3 M V O 2max M 2/3

32 Utilizzazione della % V O 2max in funzione della durata dell esercizio A: Costill e Fox B: Åstrand e Rodhal C: Saltin: %V O 2max = t D: Davies e Thompson: %VO 2max = t-0.08 t 2 E: Léger et al: LnY = lnx (t < 4.6 min) LnY = lnx (4.6 < t < 70.4 min) LnY = lnx (t > min) Y:%VO 2max ; X:t

33 Utilizzazione della % V O 2max in funzione della durata dell esercizio 1. L attività della PDH aumenta dopo una dieta lipidica 2. L accumulo di acetil-coa e NADH che derivano dall ossidazione lipidica conducono alla ridotta attivazione del complesso della PDH ed all inibizione dell ossidazione dei carboidrati 3. Probabilmente è la disponibilità dei carboidrati che determina la composizione della miscela di substrati utilizzati. In caso di elevato flusso glicolitico, la Carnitin palmitoiltransferasi 1 (CPT1) è inibita dal malonil-coa che deriva dall acetil-coa (acetil-coa carbossilasi) 4. Disponibilità di carnitina: in caso di alto flusso glicolitico, acetilcarnitina aumanta e carnitina libera diminuisce. Gli acidi grassi liberi sono trasportati meno facilmente attraverso la membrana mitocondriale interna

34 La Regolazione del Metabolismo Ossidativo

35 La Regolazione del Metabolismo Ossidativo

36 La Regolazione del Metabolismo Ossidativo Cr + ATP PCr + ADP

37 La Regolazione del Metabolismo Ossidativo e Allenamento

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

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