4 - LE FONTI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA. Le fibre muscolari

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1 LE FONTI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA Le fibre muscolari È noto che la qualità della contrazione di un muscolo dipende, essenzialmente dalla percentuale del tipo di fibre che lo compongono. La muscolatura scheletrica rappresenta circa il 40% del peso corporeo di ciascun individuo. La dotazione o la distribuzione percentuale delle diverse fibre muscolari è geneticamente determinata (Weineck 2001). Si distinguono due tipi principali di fibre muscolari: Le fibre rosse di tipo I, sottili e lente denominate ST (slow twitch = fibre a contrazione lenta). Tali fibre intervengono nel lavoro muscolare di bassa intensità (alta capacità ossidativa, bassa capacità glicolitica). La loro capilarizzazione è di 4,8 capillari, in media, per fibra. Le fibre bianche di tipo II, chiare, spesse e rapide denominate FT (fart twitch = fibre a contrazione rapida). Tali fibre entrano in azione nelle sollecitazioni muscolari intense e di forza rapida. La loro capilarizzazione è di 2,9 capillari, in media, per fibra. Tre sono le sottocategorie delle fibre FT, e precisamente: o Le fibre di Tipo IIa (capacità ossidativa-glicolitica); o Le fibre di Tipo IIb (elevata capacità glicolitica); o Le fibre di Tipo IIc (alta capacità ossidativa e buona capacità glicolitica, dette anche fibre intermedie). Tipo di fibre I <==========> II c <==========> II a <==========> II b Fibre di tipo I (ST) e di tipo II (FT a, b, c) (Howald, 1982) Le fibre rosse di tipo I sono ossidative, predisposte per un lavoro aerobico e per prestazioni di resistenza generale. Sono dotate di enzimi aerobici (mioglobina) e di mitocondri che le conferiscono la colorazione rossa. Le fibre bianche di tipo II sono utilizzate per un lavoro di potenza e di velocità e per questo sono dotate di pochi mitocondri e di un ricco citoplasma, organizzato per il meccanismo anaerobico: - Le fibre IIa sono resistenti alla velocità. - Le fibre IIb riescono a sviluppare tensioni elevatissime in breve tempo, si affaticano rapidamente. - Le fibre IIc sono orientabili con l allenamento.

2 46 Elementi che compongono il muscolo Elemento elastico proprietà passiva; Elemento contrattile produce forza attivamente in risposta ad un segnale elettrico dai motoneuroni; Elemento viscoso proprietà passiva. Microfotografia della sezione di un muscolo in cui si distinguono i vari tipi di fibre (Wilmore- Costill, 2005).

3 47 Grafico della distribuzione percentuale di fibre muscolari nella popolazione 0% 100% 10% II b II a FibreTipo II FibreTipo I ( ST ) I II c ( FT ) 10% 100% 0% Soggetti più resistenti Maggioranza popolazione Soggetti più veloci Fuso neuromuscolare Sono ricettori sensoriali dei muscoli scheletrici e presentano: Fibre muscolari specializzate Fibre nervose sensitive Le fibre nervose sensitive sono di due tipi: a sensibilità dinamica (sensibili alla velocità di variazione della lunghezza del muscolo) a sensibilità statica (sensibili all allungamento assoluto del muscolo)

4 48 Motoneuroni Alfa (α) Detti scheletromotori; Sono situati nel midollo spinale e proiettano i loro assoni fino al muscolo; Sono in grado di determinare la contrazione muscolare. Motoneuroni Alfa (γ) Detti fusomotori; Innervano i fusi neuromuscolari e rilevano le variazioni di lunghezza e velocità di contrazione; Regolano dinamicamente la sensibilità di contrazione dell intero muscolo. I risultati di uno studio di un gruppo di ricercatori australiani, Università di Sydney e di Camberra (American Journal of Human Genetics, settembre 2003) hanno permesso di affermare che gli atleti campioni godono di un privilegio genetico. La ricerca ha scoperto un gene del Dna chiamato alfa-actinina-3 che comanda nel muscolo la produzione dell actinina, un costituente chiave delle fibre a contrazione veloce. Il gene alfa-actina-3 esiste in due forme alternative principali, dette alleli, avute in regalo da ognuno dei genitori, che possono essere uguali o differenti, si può presentare con una doppia coppia di alleli RR, determinano la presenza nel muscolo della proteina dello sprint; di alleli XX, non comandano, invece, la produzione di actinina; di alleli RX, parziale produzione di actinina, maggioranza della popolazione. Senza actinina (XX) Con molta actinina (RR) Con una quota parziale di actinina (RX)

5 49 Dalla ricerca è emerso (vedi figura sopra) che gli atleti di vertice negli sport di sprint sono dotati di una quota molto alta della variante RR, gli atleti di vertice nelle specialità di resistenza sono dotati rispetto agli sprinter ed alla popolazione normale di una quota molto alta della variante XX. Secondo i ricercatori australiani sarebbe proprio la maggior o minor presenza dell allele RR a rendere scattante o resistente la nostra muscolatura. Ogni gesto compiuto nell'attività umana, il camminare, il correre, il saltare, il calciare, ecc. avviene in virtù di contrazioni muscolari. I muscoli possono essere considerati veri e propri motori, cioè macchine capaci di trasformare in energia meccanica altre forme d energia. I motori, d ogni genere, per poter funzionare hanno bisogno di carburante, anche i muscoli utilizzano un carburante, L ACIDO ADENOSIN-TRI-FOSFORICO che s indica più comunemente con la sigla ATP. E' un polifosfato organico costituito da: - una unità ribosio (zucchero) - una molecola di adenina (azoto) - tre gruppi fosforici Senza l'atp, i muscoli non sono in grado di contrarsi e quindi di creare movimento. I gruppi fosforici della molecola di ATP sono uniti da due legami altamente energetici, la rottura di uno di questi legami libera una notevole quantità d energia.

6 50 La reazione chimica di scissione dell'atp in ADP + P (acido adenosindifosforico + gruppo fosforico) fornisce l'energia per la contrazione muscolare, tale reazione può essere schematizzata come segue: La quantità di ATP depositata nel muscolo e disponibile per essere subito impiegata è assai limitata: è necessario quindi che l'atp sia continuamente ricostituito. L'ATP presente nei muscoli consente a malapena il succedersi d alcune contrazioni per una durata di 2 o 3 secondi, quindi è utilizzata per "iniziare" qualsiasi tipo di lavoro anche di massima intensità. Per potere continuare il lavoro il muscolo necessita d altro ATP che pertanto deve essere prodotto o riformato. Tale produzione avviene attraverso tre diversi sistemi (fonti o meccanismi): ANAEROBICO ALATTACIDO ANAEROBICO LATTACIDO AEROBICO dal creatinfosfato CP glicolisi trasformazione degli zuccheri ossidazione degli zuccheri e dei grassi

7 51 Analizziamo i tre sistemi per la produzione d energia. 1) Sistema ATP-CP (anaerobico alattacido) Nel muscolo sono presenti, perché immagazzinate, molecole di "creatinfosfato (CP)", il creatinfosfato si scinde in creatina (C) e fosforo (P), quest'ultimo con l'adp va a riformare l'atp. Questo processo di ricostruzione di ATP è molto rapido, quasi simultaneo, purtroppo la quantità di CP presente nel muscolo è relativamente limitata e si esaurisce in brevissimo tempo (8-10 secondi). Questo sistema consente al muscolo di eseguire contrazioni molto rapide, anche d intensità massimale, ma per periodi di tempo assai limitati. Viene utilizzato dallo sportivo nelle corse di piena velocità su distanze brevi (fino a 100 metri circa) ed in esercitazioni come salti, lanci, ecc. che richiedono un impiego d energia massimale. L'utilizzazione di questo sistema può andare ben oltre gli 8-10 secondi qualora l'impiego muscolare sia tale da non richiedere la massima potenza del processo, ma percentuali più basse. Il meccanismo ANAEROBICO ALATTACIDO ricopre un ruolo importantissimo sia negli sforzi brevi e di massima velocità, sia in quelli più lunghi (durata massima secondi), ma d intensità inferiore alla massima. 2) 3) Sistema dell'acido lattico (anaerobico lattacido) Quando l'atleta ha esaurito tutta la riserva di CP presente nel muscolo, e quindi non può più ricostituire l'atp con le proprie riserve chimiche, non cessa la sua attività, ma riesce a continuarla perché subentra il sistema dell'acido lattico o glicolisi.

8 52 Il glicogeno muscolare (zuccheri che abbiamo accumulato con l'alimentazione) si trasforma e produce direttamente ATP e acido lattico. Quest'ultimo deve essere eliminato perché limita il lavoro del muscolo. Se la richiesta di ATP è molto elevata e protratta nel tempo, l'acido lattico non può essere totalmente eliminato e si accumula, quando esso raggiunge una determinata concentrazione causa la fatica muscolare ed in breve tempo conduce l'atleta all'esaurimento. La capacità lavorativa dell'individuo decresce gradatamente in relazione all'aumento di concentrazione d acido lattico nel sangue. Il processo anaerobico lattacido è di fondamentale importanza per compiere prestazioni fisiche nelle seguenti specialità sportive: - quelle individuali continuative sub-massimali di durata compresa tra i secondi e i 4 minuti circa; - quelle di squadra con riferimento agli atleti che forniscono un impegno intenso e continuo (ciò avviene raramente nel calcio). - Nell uso corrente i termini acido lattico e lattato vengono erroneamente utilizzati l uno per l altro; l acido lattico e il lattato sono composti chimici diversi. L acido lattico è un acido dalla formula chimica C3H603. Il lattato è un qualunque sale dell acido lattico. Quando l acido lattico rilascia un H + (ione positivo di idrogeno), il composto restante si unisce a Na + o K + (ioni positivi di sodio e potassio) per formare un sale. 4) Sistema dell'ossigeno (aerobico) Se la quantità di ATP richiesta dal muscolo per svolgere la sua attività non è molto elevata, l'ossigeno (O2) che viene immesso nel nostro organismo per mezzo della respirazione ha la possibilità di ossidare (combinare) le sostanze presenti (zuccheri, proteine e grassi) e di riformare ATP producendo anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O) che sono espulsi mediante la respirazione e la sudorazione.

9 53 In tale situazione il lavoro muscolare può essere protratto più a lungo, teoricamente senza alcun limite. Utilizzando questo sistema, la quantità d ossigeno trasportata ai muscoli non è mai inferiore a quella necessaria per riformare l'atp e quindi l'organismo può lavorare in "steady-state" cioè in stato d equilibrio. Nella figura viene mostrato il contributo dei tre meccanismi energetici nella sintesi di 100 molecole di ATP. Sistema anaerobico alattacido 100 Sistema anaerobico lattacido Sistema aerobico tempo sec. ATP muscolare ATP + fosfocreatina (CP) ATP + CP + glicolisi ATP + CP + GLICOLISI + sistema ossidativo O2

10 54 Rapporto tra velocità e trasformazione di energia Combustibile Processo Potenza Durata Capacità Rapidità ATP preformato fino a 3 Massima CP Glicolisi Ossidazione degli zuccheri Ossidazione dei grassi Anaerobico alattacido Anaerobico lattacido Da 3 a 7 Da 7 a 15 Massima Da 15 a 45 Da 45 a 2 Elevata Aerobico Da 2 a 10 Da 10 a 20/30 Moderata Aerobico Dopo circa 20 e per ore Bassa

11 55 Classificazioni delle diverse potenze e capacità Processo Intensità sforzo Durata sforzo Potenza Durata recupero Tipo recupero Quantità di lavoro Intensità sforzo Durata sforzo Capacità Durata recupero Tipo recupero Quantità di lavoro Anaerobico alattacido Uguale o superiore al massimale Da 3 a 7 secondi Da 1 a 3 minuti Semi-attivo per non creare fatica supplementare Da 6 a 12 ripetizioni o fino a quando si abbassa l intensità del lavoro Dal 90 al 95% dell intensità massimale Da 7 a 15 secondi Da 3 a 8 minuti Attivo per facilitare l eliminazione delle scorie prodotte Da 4 a 6 ripetizioni o fino a quando si abbassa l intensità del lavoro Anaerobico lattacido Uguale o superiore all intensità massimale Da 15 a 30 secondi con possibilità di frazionare la durata Da 1 a 3 minuti tra le prove e da 5 a 30 minuti tra le serie Poco attivo Dipende dal livello degli atleti. Interrompere il lavoro quando crolla l intensità del lavoro o la motivazione Dall 80 al 90% dell intensità massimale sulla durata dello sforzo Da 30 secondi a 2 minuti Da 3 a 8 minuti Attivo di debole intensità ricercando il rilassamento muscolare Da 6 a 8 ripetizioni Aerobico Lavoro corto-corto Dal 90 al 105% dell intensità massima Tra i 15 e 30 secondi Da 15 a 30 secondi Attivo per mantenere adeguati gli apporti di ossigeno 2 o 3 serie della durata da 6 a 10 minuti Lavoro intermittente di breve durata Dal 115 al 130% dell intensità massima Lavoro intermittente di media durata Dal 105 al 120% dell intensità massima Massimo 60 secondi di sforzo Da 2 a 3 minuti o fino al triplo del tempo dello sforzo Attivo per mantenere adeguati gli apporti di ossigeno Da un minimo di 8 ripetizioni Attorno ai 15 secondi Da 1 a 2 minuti o fino ad 8 volte del tempo dello sforzo Attivo per mantenere adeguati gli apporti di ossigeno Da un minimo di 12 ripetizioni Lavoro intermittente di lunga durata Dal 95 al 110% dell intensità massima Da 2 a 3 minuti Da 2 a 3 minuti alternanza di sforzo e recupero identici Attivo per mantenere adeguati gli apporti di ossigeno Massimo da 5 a 6 ripetizioni Lavoro continuo Dall 80 al 100% dell intensità massima Tra i 4 e 6 minuti per intensità del 100% - Da 20 a 30 minuti per intensità inferiori.

12 56 Ricostituzione delle fonti di produzione d energia Dopo avere esaminato per quali vie il nostro organismo provvede alla produzione di ATP necessario per la contrazione muscolare, è opportuno capire quali sono i modi e i tempi che permettono a queste fonti energetiche di ricostituirsi dopo che sono state esaurite o comunque usate. Il ripristino delle riserve energetiche consumate durante l'attività muscolare è assolto completamente dal processo respiratorio. Al termine di un attività fisica, durante il riposo o fase di recupero il fabbisogno di ATP cala notevolmente, non cessa invece il fabbisogno d ossigeno che si mantiene elevato per un periodo di tempo più o meno lungo, secondo l'intensità e la durata del lavoro precedente. La quantità d ossigeno necessaria a ristabilire l'equilibrio del nostro organismo prende il nome di "debito d ossigeno". consumo di O 2 3 fine esercizio 2 debito di O 2 1 pagamento debito di O 2 riposo 0, tempo in minuti Il pagamento completo del debito d ossigeno non significa che l'organismo si trova di nuovo in stato di completa efficienza; il tempo occorrente per il completo ripristino energetico può variare da alcuni minuti (salti e lanci) ad alcune ore (corse di velocità prolungata) sino ad uno o più giorni (partita di calcio, rugby, basket, ecc.). Per alcuni sport particolarmente traumatici (es. pugilato) si richiedono addirittura più settimane. Per quanto riguarda la partita di calcio l'esperienza attuale, consiglia di lasciare intercorrere almeno 48 ore tra una competizione e l'altra ricordandoci però che in genere entro le ore, i processi di recupero sono completati.

13 57 A scopo riassuntivo forniamo il seguente schema: FINALITA DURATA INTENSITA TEMPO DI NUMERO DEL CARICO ESERCIZIO ESERCIZIO RECUPERO RIPETIZIONI FORZA RAPIDA anaerobico alattacido RESISTENZA VELOCITA fino a 6 20 /45 una sola prova max 1 /2 fra le prove 3 /5 tra le serie 6 /7 prove 5/6 serie sub - max anaerobico lattacido TUTTE LE CAPACITA CONDIZIONALI anaerobico aerobico 20 /45 più prove sub - max o grande 12 grande 1 /2 fra le prove 3 /5 tra le serie 12 /30 fra le prove 3 fra le serie 30 /90 grande 30 /90 3 /10 grande fino al recupero completo 2/3 prove 4 serie 2/4 prove 5/6 serie 10 o più, in serie unica 5/6 in 2/4 serie 2/6 30 media - grande RESISTENZA GENERALE aerobico 1 /3 media 30 /90 10 o più nelle ripetute 5/8 3 /10 media Illimitato secondo la forma fisica 6/8 30 da scarsa a grande Conviene ricordare che il recupero è completato nel sistema: ANAEROBICO ALATTACIDO in circa 3-5, con la seguente progressione (1/2 nei primi 30, 1/4 nei secondi 30, 1/8 nei terzi 30 e così via). ANAEROBICO LATTACIDO se la prestazione è intensa in circa 45 con la seguente progressione (1/2 nei primi 15, 1/4 nei secondi 15, 1/8 nei terzi 15 e così via. Il lattato prodotto, è eliminato per ¾ dall O2 formato dal lavoro delle fibre lente, il rimanente ¼ dall O2 respiratorio ed anche per ¾ dai muscoli non impegnati nel lavoro e ¼ dal fegato, solo una minima quantità viene smaltito da urine e sudore.

14 58 RECUPERI COMPLETI: per la Resistenza per la Forza per la Velocità per la Rapidità si ha un ristoro completo in 48/72 ore si ha un ristoro completo in 24 ore si ha un ristoro completo in 12 ore Si ha un ristoro in completo in 6 ore DOPO UNA PARTITA, per ripristinare i depositi di glicogeno sono necessarie 72 ore. GLI ATLETI CON FORTE CAPACITÀ AEROBICA possono sviluppare una grande quantità di lavoro ma mantengono una capacità di recupero alattacido della stessa durata degli atleti poco allenati. Utilizzo d energia da parte del nostro organismo - Il nostro corpo riesce ad utilizzare il 35% della nostra energia disponibile. - Un altro 10% di quest energia è disponibile, ma non si utilizza quasi mai soprattutto con il passare dell età. - Il rimanente 55%, il nostro organismo l impiega solamente in caso d estremo pericolo di vita, altrimenti non riesce ad utilizzarla.

15 59 Quesiti di verifica 1 Da cosa dipende la qualità della contrazione di un muscolo? 2 Quanti tipi di fibre compongono i muscoli? 3 Le fibre bianche sono divisibili in altre categorie? 4 Cosa permette l esecuzione di ogni gesto compiuto nell attività umana, dal camminare, al saltare, ad aprire una porta? 5 Qual è il carburante che permette la contrazione muscolare? 6 Come viene denominato il ciclo di ricostruzione dell ATP? 7 Quali sono i 3 diversi sistemi per produrre l ATP? 8 Quali sono i processi utilizzati da questi 3 Sistemi? 9 Quali sono le caratteristiche dei meccanismi per la produzione dell energia. 10 Qual è la differenza tra Potenza e Capacità? 11 Che cos è il debito di Ossigeno? 12 Qual è il tempo di recupero ideale dopo una partita di calcio? 13 Quali sono i tempi per un Recupero Completo per Resistenza, Forza, Velocità e Rapidità?