I muscoli hanno bisogno di ATP

L’adenosina trifosfato o ATP è un composto estremamente importante ed indispensabile per il lavoro muscolare. Potremmo dire che l’ATP è la valuta chimica utilizzata per fornire l’energia necessaria ai fini della contrazione muscolare.  Quando questo fosfato viene scomposto rilascia una grande quantità di energia nella cellula ed è proprio così che ha inizio la contrazione muscolare.

Attività aerobiche

Solo l’ATP fornisce energia ai muscoli

Di tutti i composti ad alta energia presenti nel corpo umano, solo l’ATP può essere usato direttamente per fornire l’energia necessaria al lavoro meccanico che ha luogo durante l’esercizio fisico. Si tratta di un concetto importante quando si vogliono studiare i fabbisogni energetici in fase di riposo e durante l’allenamento. Vi è uno specifico sito nel muscolo in cui l’ATP viene idrolizzato. L’energia rilasciata consente la formazione di ponti (cross bridge) tra i filamenti di miosina e di actina. Tutto questo è possibile grazie all’azione  dell’enzima ATPasi, responsabile della rottura dell’ATP e del conseguente rilascio di energia. È molto importante specificare che nessun altro enzima è presente in questa regione e pertanto nessun altro composto ad alta energia può essere utilizzato per attivare la contrazione muscolare. A far ciò deve essere l’ATP e l’ATP soltanto. Dunque è della massima importanza garantire che i livelli di ATP nei muscoli siano mantenuti costanti soprattutto se si desidera allenarsi per una durata di tempo significativa. Il problema del mantenimento dell’ATP durante l’esercizio è ulteriormente complicato dal fatto che la concentrazione di ATP nel muscolo a riposo è estremamente bassa. Come prevedibile, quando passiamo dal riposo all’esercizio fisico sub-massimale, il tasso di utilizzo dell’ATP da parte del muscolo aumenta in modo drammatico. Dato che i livelli di ATP muscolare a riposo sono bassi, è imperativo che il tasso di produzione dell’ATP aumenti in egual misura del tasso di utilizzo nel caso in cui  desideriamo continuare ad allenarci per più di qualche secondo.

Esercizio sub-massimale (submaximal exercise): ↑ATP utilizzato = ↑ATP prodotto

Con un esercizio molto intenso è possibile che il tasso di utilizzo dell’ATP aumenti oltre la sua capacità di produzione.

Esercizio intenso (intensive exercise): ↑ATP utilizzato > ↑ATP prodotto

In questo caso, l’individuo si affaticherà molto rapidamente e sarà costretto ad interrompere l’attività oppure dovrà ridurre la propria intensità di esercizio riducendo così il tasso di utilizzo dell’ATP e permettendo alla sua produzione di tenere il passo.

I macronutrienti immagazzinati (carboidrati, grassi e proteine) vengono scomposti per fornire l’energia necessaria alla produzione di ATP (sintesi di ATP da ADP). L’ATP così prodotto può essere utilizzato direttamente per il lavoro meccanico durante l’esercizio.

Il concetto di energy charge

Gli enzimi chiave nei percorsi metabolici finalizzati alla produzione dell’ATP vengono attivati ​​quando il muscolo percepisce la necessità di una maggiore produzione di energia. Vi è un concetto, quello di energy charge o carica energetica cellulare, che tiene conto dei rapporti relativi tra l’ATP (energicamente carico), l’adenosin difosfato (ADP) e l’adenosin monofosfato (AMP), energicamente scarichi.

Energy charge = [ATP] + ½[ADP]/ [ATP] + [ADP] + [AMP]

Fondamentalmente, quando la concentrazione di ATP nella fibrocellula muscolare scende al di sotto dei livelli considerati normali a riposo, l’energy charge diminuisce e vengono attivati ​​i percorsi di produzione dell’ATP.

Vie metaboliche che richiedono ossigeno (aerobiche) e vie metaboliche che non lo richiedono (anaerobiche)

L’ossidazione completa dei macronutrienti porterà alla produzione di ATP a livello dei mitocondri delle cellule muscolari. Si tratta di un processo che comporta l’utilizzo di ossigeno. Ed infatti il consumo di ossigeno aumenta durante l’esercizio fisico per sostenere l’aumentato fabbisogno di ATP.

Questo è anche il motivo per cui misurando il consumo di ossigeno, tramite calorimetria indiretta, siamo in grado di stimare la spesa energetica. I mitocondri sono organelli presenti nelle nostre cellule, responsabili della maggior parte della produzione di ATP, e dunque necessari sia a riposo che durante l’esercizio fisico. Se la maggior parte dell’energia necessaria per uno specifico allenamento proviene dall’ATP di derivazione mitocondriale allora questo allenamento è da considerarsi un’attività aerobica poiché ai fini del suo espletamento è richiesto ossigeno.

Le attività di resistenza della durata di dieci minuti o più lunghe rientrano in questa categoria. L’esercizio ad alta intensità a breve termine della durata di secondi ricava la maggior parte dell’ATP da percorsi che non richiedono ossigeno.  Questo tipo di attività ha bisogno di ATP immediatamente disponibile e non c’è il tempo di ossidare completamente i  macronutrienti a livello mitocondriale. Le attività che fanno affidamento su queste fonti di energia immediatamente disponibili e che non richiedono ossigeno per la produzione di ATP sono note come attività anaerobiche.  Nella cellula muscolare a riposo c’è già una certa quantità di ATP ma la sua concentrazione è molto bassa e non durerà a lungo.

Attività anaerobiche

Oltre ad una certa quota di ATP precostituita, abbiamo la creatina fosfato che per intervento di uno specifico enzima può produrre direttamente ATP senza che sia richiesta la presenza di ossigeno. A riposo, la concentrazione di creatina fosfato è circa 3-4 volte più alta di quella dell’ATP.

ATP + H2O → ADP + Pi per opera dell’enzima ATPasi

CP + ADP → ATP + C per opera della creatin kinasi

I carboidrati sono l’unico macronutriente che può essere utilizzato sia in modo aerobico che anaerobico per fornire ATP. La via anaerobica comporta la lisi del glucosio (glicolisi) e porta alla produzione di due molecole di  ATP e di due molecole di acido lattico o lattato.

Glucosio → 2 ATP + 2 lattato

Poiché in questo percorso non è richiesto ossigeno si tratta di una via anaerobica.

Per contro l’ATP di derivazione aerobica è il prodotto finale dell’ossidazione di carboidrati e di grassi. È impressionante notare che  dall’ossidazione del glucosio derivano 30 molecole di ATP contro le 2 derivate dalla glicolisi anaerobica.

Glucosio + 6CO2 → 30 ATP + 6CO2 + 6H20

Quindi dalla stessa molecola di glucosio otteniamo 15 volte più ATP attraverso la via aerobica rispetto alla via anaerobica. Quando utilizziamo il nostro glucosio in modo aerobico non solo otteniamo più energia ma risparmiamo anche i nostri preziosi depositi di carboidrati.

Anche i grassi densi di energia come il palmitato, molecola a 16 atomi di carbonio, producono un’enorme quantità di ATP mediante un processo di ossidazione.

Palmitato + 23O2  → 108 ATP + 16 CO2

Concludendo…

In sintesi, solo l’ATP può essere utilizzato direttamente per il lavoro meccanico richiesto durante l’esercizio. A riposo c’è solo una piccola quantità di ATP nei muscoli. Pertanto, per mantenere i giusti livelli di ATP nel caso in cui l’esercizio duri per più di qualche secondo devono essere attivati ​​i percorsi di generazione dell’ATP. È proprio il calo della carica energetica o energy charge durante l’esercizio ad attivare i percorsi metabolici che portano alla generazione dell’ATP. I mitocondri sono la fonte di ATP prodotta a seguito dell’ossidazione di carboidrati, grassi e proteine.

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