Ti sei mai chiesto come fa l’organismo umano a produrre energia per la propria sopravvivenza e per le proprie attività quotidiane? E come mai alcune prestazioni sportive, come il sollevamento pesi, hanno una durata molto limitata, mentre per altre, come la corsa o il ciclismo, possiamo andare avanti per ore senza mai fermarci?
Queste e altre risposte le possiamo trovare analizzando i tre “famosi” sistemi energetici che caratterizzano il nostro metabolismo, vale a dire aerobico, anaerobico lattacido e anaerobico alattacido. Prima di vederli nel dettaglio, però, partiamo dalle basi, e cioè da come l’Homo Sapiens sia in grado di produrre energia, in modo così incredibile,dal cibo che consuma e dall’aria che respira.
L’ATP, tutto inizia da qui
Come per la maggior parte degli esseri viventi, alla base del nostro metabolismo energetico esiste un composto conosciuto con il nome di ATP (adenosina trifosfato).
A livello chimico, l’ATP è costituita da una molecola di adenina, una molecola di ribosio e da tre molecole di fosfato legate tra loro. Il legame terminale tra le ultime due molecole di fosfato, detto legame fosfo-anidro ad alta energia, può essere spezzato grazie all’intervento di alcuni enzimi. È proprio durante la rottura di questo legame che è possibile ricavare una grande quantità di energia necessaria alla cellula per portare a termine le sue varie funzioni, tra cui, per esempio, la contrazione muscolare.
La molecola che ne risulta, priva di una molecola di fosfato, viene chiamata ADP (adenosina difosfato) e, in parole povere, la potremmo paragonare a una pila “scarica” la quale, per nostra fortuna, potrà essere rigenerata attraverso uno dei tre sistemi energetici che vedremo tra poco. C’è da dire che l’ATP già pronta per l’uso è presente in quantità piuttosto limitate nel nostro organismo: per questo motivo, abbiamo bisogno di consumare continuamente del “carburante esterno” per poter sintetizzare di nuovo altre molecole di ATP a partire dall’ADP.
Per fare questo, il nostro organismo può ricorrere a ben tre diversi sistemi energetici che collaborano tra loro in modo sinergico. I primi due avvengono in assenza di ossigeno, e vengono detti anaerobici. Mentre quello principale, che necessita di ossigeno, viene definito per l’appunto aerobico.
Il sistema anaerobico alattacido
Questa via metabolica è utilizzata, in genere, quando c’è un bisogno pressoché immediato di un’alta quantità di energia. Si attiva perciò con sforzi massimali, esplosivi e di brevissima durata, al massimo di quindici secondi (in casi molto particolari anche 20 secondi).
I substrati energetici utilizzati sono l’ADP (la cosiddetta pila “scarica”) e una riserva energetica chiamata fosfocreatina o creatinfosfato (CP). La reazione avviene attraverso la scissione della fosfocreatina in due molecole: la creatina e il fosfato inorganico. Quest’ultimo, grazie all’intervento dell’enzima creatichinasi (CPK), va a legarsi con la molecola di ADP, ricostruendo il legame “perso.”
Si ottiene così una molecola di ATP nuova di zecca, pronta per l’uso.
Tutto bello, vero? Peccato che le riserve di fosfocreatina nei muscoli siano davvero minime, appena sufficienti per produrre 5-10 Kcal. Proprio perché il “carburante” è già disponibile nelle cellule muscolari e non richiede trasformazioni particolarmente complesse, la reazione risulta molto rapida, ma con lo svantaggio di esaurirsi molto presto per la riserva limitata dei substrati energetici necessari.
In sintesi, questo metabolismo interviene in tutte quelle attività che richiedono sforzi intensi ma brevi, dai cinque ai venti secondi, come i cento metri piani, il powerlifting, il weightlifting e il lancio del peso. Il modo migliore per allenare questo sistema energetico include tutti quegli esercizi in grado di sviluppare potenza, velocità, esplosività e forza massimale. Ovvero tutti quei movimenti che prevedano lo spostamento di carichi importanti per brevi intervalli di tempo.
Il sistema anaerobico lattacido
Il sistema aerobico alattacido, come abbiamo visto, interviene per primo, in modo pressoché immediato, perché gli altri due, data la loro lentezza, semplicemente non sono ancora “pronti” a fornire grandi quantità di energia in brevissimo tempo.
Se lo sforzo si prolunga oltre i quindici secondi, però, il sistema alattacido mostra tutte le sue limitazioni e deve lasciare il posto agli altri due protagonisti: il sistema anaerobico lattacido e il sistema aerobico. Questi ultimi sono particolarmente legati tra loro, perché di fatto sfruttano la stessa catena di reazioni all’interno della cellula, con la differenza che, nell’anaerobico lattacido, la reazione finisce molto prima, rendendo il tutto decisamente più rapido ma, come avrai già capito, anche più breve.
La peculiarità del sistema anaerobico lattacido è l’utilizzo, come substrato energetico, del glucosio, una semplicissima molecola di “zucchero”. All’interno del citoplasma, la parte “acquosa” della cellula, il glucosio viene scisso (attraverso la reazione nota come glicolisi) grazie al contributo di un’altra importante sostanza, il NAD+. NAD sta per Nicotinnamide Adenin Dinucleotide (sempre nomi facili, in biochima, eh?), mentre NAD+ è NAD ossidato. Al termine della glicolisi, si ottiene NADH (cioè NAD ridotto) mentre il glucosio originale si trasforma in piruvato (detto anche acido piruvico).
In circostanze normali, il piruvato subirebbe un’ulteriore trasformazione (neanche fosse Goku) diventando Acetil Coenzima A (detto anche AcetilCoA) che è una sostanza fondamentale per dare avvio a uno dei più famosi cicli cellulari, il ciclo di Krebs,conosciuto anche come ciclo dell’acido citrico. Quest’ultimo non avviene più nel citoplasma ma nei mitocondri, vale a dire in quegli organelli incaricati di produrre energia all’interno della cellula. Per comodità, vengono spesso e volentieri paragonati a centrali energetiche in miniatura.
Qui ci interessa sapere che, in questo processo dove è coinvolto anche l’ossigeno, il NADH risultante dalla glicolisi viene utilizzato anch’esso per produrre energia, cioè ATP, attraverso la reazione nota come fosforilazione ossidativa (oddio, no, un altro parolone!). Al termine del ciclo, il NADH ritorna a essere NAD+ che può essere quindi riutilizzato, volendo, in un nuovo processo di glicolisi.
Tutto ciò è quello che accadrebbe normalmente se il sistema aerobico, da solo, fosse in grado di sostenere l’esercizio che stiamo svolgendo. Ma se avessimo bisogno di un picco di energia molto più rapidamente, magari perché dobbiamo sollevare un peso importante, il sistema non riuscirebbe a reggere. Infatti, la glicolisi, che è un processo relativamente veloce, produrrebbe molte più molecole di piruvato di quante il ciclo di Krebs riuscirebbe ad assorbire e, allo stesso tempo, utilizzerebbe molte più unità di NAD+ di quante il sistema aerobico riuscirebbe a rimpiazzare.
Cosa succede, quindi?
Ecco che entra in gioco, finalmente, il sistema anaerobico lattacido. L’acido piruvico, invece di essere immesso nel ciclo di Krebs, viene combinato al NADH (lo “scarto” della glicolisi) producendo acido lattico e di nuovo quel NAD+ necessario alla glicolisi stessa.
Risultato? Attraverso l’effetto tampone dell’acido lattico, di cui ho già parlato in modo dettagliato in un questo articolo, la glicolisi può proseguire a una velocità superiore rispetto a quella “normale” richiesta dal ciclo di Krebs che, lo ricordiamo, avviene sempre attraverso il consumo di ossigeno. Nel sistema anaerobico lattacido, invece, l’energia continuerà a essere prodotta nel citoplasma, senza l’ombra di ossigeno e senza la lentezza esasperante del sistema aerobico. Da una molecola di glucosio, in buona sostanza, riusciamo a ricavare due molecole di ATP con anche la produzione di acido lattico: per questo motivo, tutto questo ambaradan prende il nome di “lattacido”.
Tirando un po’ le fila, possiamo dire che il sistema anaerobico lattacido, alimentato esclusivamente dal glucosio, si attiva laddove lo sforzo fisico si prolunghi oltre ai 15/20 secondi (cioè oltre le possibilità del sistema anaerobico alattacido) e ogni volta che il sistema aerobico non è in grado di fornire l’energia richiesta nei tempi desiderati (sia perché la quantità necessaria va oltre il suo effettivo limite, sia perché il sistema non ha ancora “avuto il tempo” di andare a regime).
Sulla base di quanto detto, questo sistema lavora bene in tutte quelle attività di breve e media durata, dai venti secondi ai due minuti, a intensità piuttosto alte che richiedono, pertanto, un rapido ed elevato consumo di glucosio. Pensiamo, per esempio, agli allenamenti a circuito oppure ai classici esercizi coi pesi in palestra con carichi non massimali.
Che fine fa l’acido lattico?
Il sistema anaerobico lattacido implica la produzione e l’accumulo di acido lattico. Ciò avviene durante sforzi particolarmente intensi e relativamente lunghi, nell’ordine di circa due minuti.
Qui l’acido lattico prodotto può seguire vari destini: buona parte, più del 60%, viene riconvertito in acido piruvico, per poi essere utilizzato, come abbiamo visto, nel ciclo di Krebs per la produzione di nuova ATP. Una minima parte, circa il 20%, finisce nel sangue (diventando “lattato”) per poi dirigersi nel fegato, dove servirà per sintetizzare nuovo glucosio sotto forma di glicogeno epatico. Da qui, attraverso un altro processo noto come Ciclo di Cori, il glucosio può essere immesso nuovamente nel sangue e quindi inviato ai muscoli. Il rimanente può essere convertito in aminoacidi o utilizzato dal cuore, oppure mestamente espulso dall’organismo attraverso le urine e il sudore.
Il sistema aerobico
Questo sistema, come dice il nome stesso, ha bisogno di ossigeno per poter funzionare e, pur trattandosi del sistema base che utilizziamo a riposo, la fa da padrone in tutte quelle attività di lunga durata svolte a media e bassa intensità. A differenza del metabolismo lattacido, il sistema aerobico può utilizzare qualsiasi substrato energetico disponibile nell’organismo. Sarà pure lento ad attivarsi, ma può durare potenzialmente all’infinito, purché ci siano ancora delle scorte da consumare.
Ma quali sarebbero, di preciso, queste “scorte”?
Praticamente, tutto. I tre principali macronutrienti che introduciamo e/o immagazziniamo nell’organismo attraverso l’alimentazione, infatti,possono diventare un substrato energetico utile per il sistema aerobico. Quindi, abbiamo:
- I carboidrati, che sono il nostro “carburante” per eccellenza. Trattasi di molecole complesse costituite da zuccheri, come glucosio, galattosio e fruttosio, le quali possono circolare liberamente nel sangue oppure essere immagazzinate, sotto forma di glicogeno, nei muscoli e nel fegato.
- I lipidi. Ovvero quelle molecole di grasso che si accumulano, sotto forma di trigliceridi, nel tessuto adiposo e, in misura minore, nei muscoli. Per poter essere utilizzate, vanno sempre scisse in molecole più semplici, gli acidi grassi.
- Le proteine. Sono catene di aminoacidi utilizzate perlopiù per fini plastici, cioè per costruire tessuti, come quello muscolare, o altre proteine indispensabili per la nostra sopravvivenza. Anche gli aminoacidi, però, in determinate circostanze, come per esempio il digiuno prolungato, possono diventare del prezioso “combustibile” da consumare per scopi energetici.
Per quanto riguarda i carboidrati, è un film già visto. Il glucosio viene scisso nel citoplasma attraverso la glicolisi, si trasforma in piruvato (o acido piruvico) per poi diventare, all’interno dei mitocondri cellulari, Acetil Coenzima A e alimentare così il ciclo di Krebs. Il risultato finale sarà la produzione di ATP, molta ATP (basti pensare che, per una sola molecola di glucosio, si possono produrre ben 36 molecole di ATP), e altre sostanze, tra cui NAD+, anidride carbonica e acqua.
Anche gli acidi grassi, però, possono fare la loro parte trasformandosi in Acetil Coenzima A attraverso la cosiddetta beta-ossidazione ed entrando di prepotenza nel ciclo di Krebs. È proprio in questa fase, e purtroppo solo in questa, che i lipidi possono essere effettivamente, e finalmente, “bruciati”.
E per quanto riguarda le proteine?
Mentre lipidi e carboidrati possono essere conservati gelosamente all’interno dell’organismo, per le proteine non abbiamo alcun modo di farlo. Durante la digestione, infatti, queste vengono scomposte negli aminoacidi da cui sono costituite e questi “mattoncini” devono essere prontamente utilizzati per costruire qualcosa, che sia una nuova proteina o una qualche struttura cellulare. Anche gli aminoacidi, però, attraverso un meccanismo molto più complesso, possono alimentare il sistema aerobico finendo anche loro, che sorpresa, nel ciclo di Krebs.
Più nello specifico, l’aminoacido viene transaminato, cioè privato di una sua parte contenente azoto. A seconda della tipologia di aminoacido, questo può diventare (pure lui) Acetil Coenzima A oppure trasformarsi in piruvato e poi di nuovo in Acetil Coenzima A, oppure in un elemento intermedio del processo. In ogni caso, a prescindere dalla complessità della questione, il suo destino è segnato: entrare nel ciclo di Krebs e contribuire al funzionamento del sistema aerobico!
In conclusione, il sistema aerobico è sì in grado di utilizzare una pluralità di fonti energetiche le quali, però, devono essere sottoposte a una lunga catena di reazioni biochimiche. Perciò, questo sistema può fornire molta energia per lungo tempo, senza interruzioni, ma con un ritmo meno sostenuto rispetto agli altri due “cugini” anaerobici.
In conclusione
Come abbiamo visto fin qui, l’organismo umano utilizza la rigenerazione continua di molecole ATP per soddisfare il proprio fabbisogno energetico. A riposo, e in situazioni di “equilibrio”, esso predilige il sistema aerobico, in quanto permette, attraverso il consumo di vari substrati energetici, tra cui principalmente i carboidrati e i lipidi, di sostenere attività impegnative a lungo, purché a intensità non troppo elevate (ricordiamo che l’intensità è comunque un concetto molto relativo).
Se la richiesta di energia è troppa, ecco che intervengono i sistemi anaerobici, con o senza la produzione di acido lattico, a sostenere lo sforzo, ma solo per brevi periodi di tempo. Dopodiché, arriva per forza di cose la fatica, costringendoci a fermarci oppure abbassare l’intensità dell’esercizio.
Sulla base di quanto detto finora, verrebbe spontaneo concludere che i tre sistemi energetici operino in sequenza, o “a compartimenti stagni”, ma la questione non è affatto così semplice. La verità che è che l’organismo attiva i tre sistemi energetici contemporaneamente: spetterà a lui, con la sua intelligenza e con la sua sensibilità, decidere con quale velocità e con quale contributo da parte di ciascuno.
Detto diversamente, non è che il sistema aerobico si può “spegnere” soltanto perché ci mettiamo a sollevare un bilanciere: molto semplicemente, il suo contributo sarà ridotto, mentre quello del sistema anaerobico, sia esso alattacido o lattacido, risulterà preponderante. Che macchina meravigliosa che siamo, eh?
