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 concentrazione 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 Fosfofruttochinasi Fruttosio - 1,6 difosfato Piruvato Piruvato chinasi Fosfoenolpiruvato

8 Produzione di NADH L unico meccanismo in grado di ripristinare direttamenet la concentrazione di NADH + H + è la conversione di piruvato a lattato Compete con i meccanismi a spoletta

9 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

10 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

11 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)

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 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

16 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)

17 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 - ]

18 Trasportatori del lattato Il funzionamento della spoletta del lattato richiede uno scambio rapido attraverso la membrana cellulare Tre meccanismi di scambio attraverso le membrane 1. Trasportatore di acidi monocarbossilici (79-90 %) (simporto con H + ) 2. Scambiatore di anioni (antiporto con Cl - e HCO 3- ) 3. Diffusione di acido indissociato. Questo meccanismo diventa importante con concentrazioni di lattato e di idrogenioni intramuscolari elevate La capacità di trasporto è più elevata nelle ST Due isoforme di trasportatori sono espresse nell uomo MCT1 e MCT4 MCT1: altamente correlato con indici del metabolismo ossidativo; ha un ruolo prevalente nell uptake di La -

19 Trasportatori del lattato MCT4: correlato con indici del metabolismo glicolitico; si pensa che sia più importante per il rilascio di La - L allenamento è in grado di modificare l espressione di MCT1 e MCT4 L allenamento di endurance (9 settimane in bicicletta) MCT1 aumentò del % e MCT4 del 47 % Sembra che le l aumento di MCT1 e MCT4 siano adattamenti alle maggiori richieste di rilascio ed uptake di La -

20 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

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

22 Meccanismo di instaurazione di AT

23 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)

24 V O 2 e MLSS

25 Tamponamento dell acidosi indotta dall esercizio

26 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

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

28 Determinazione di AT Curva Lattato-Velocità MLSS

29 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.