Il sistema o meccanismo aerobico o ossidativo è uno dei tre sistemi energetici adoperati dal muscolo scheletrico per la produzione di Adenosin tri-fosfato (ATP), ovvero la molecola energetica necessaria per l'attività muscolare.
L'aerobico è il sistema energetico dalla maggiore resa, utilizzato nelle attività di durata che superano i 2/3 minuti. Il suo nome è dovuto alla richiesta di ossigeno (O2) per ossidare i substrati energetici (aerobico). I substrati utilizzati in questo sistema sono prevalentemente i lipidi (FFA; trigliceridi nel tessuto adiposo e intramuscolari, poi scissi in acidi grassi e glicerolo), i carboidrati endogeni rappresentati dal glicogeno stoccato nel muscolo scheletrico e nel fegato, che viene idrolizzato a glucosio, e il glucosio plasmatico.
Altri sistemi energetici Sistema anaerobico alattacido Sistema anaerobico lattacido
Caratteristiche Potenza: più bassa (20 Kcal/min) Capacità: Alta (fino a 2000 Kcal) Latenza: Lenta (2-3 min) Ristoro: Molto lungo (36-48 ore) Fibra muscolare adatta: Fibra rossa o lenta (tipo I) Metabolismo: Aerobico Processi metabolici: Glicolisi aerobica; β-ossidazione; Ciclo di Krebs; Fosforilazione ossidativa; Catena di trasporto degli elettroni; Substrato energetico: Trigliceridi/Acidi grassi (basse e medie intensità); Glicogeno/Glucosio (medie e alte intensità); proteine/amminoacidi (lunga durata); Quantità di ATP: Elevata Depositi muscolari: Molto abbondanti (10/15 kg trigliceridi; 300/400 gr glicogeno muscolare; 70/100 gr glicogeno epatico) Autonomia energetica: da 2-3 min in poi (inizia ad attivarsi da circa 50 s di sforzo) Prestazione: Durata Impiego: Attività di durata e resistenza Sistema precedente: Anaerobico alattacido; Anaerobico lattacido Sistema successivo: Anaerobico lattacido; Anaerobico alattacido (ad alte intensità nell'esercizio di durata)
Fisiologia Il sistema energetico aerobico ha ricevuto molta attenzione per diversi anni. Il principale obiettivo delle attività aerobiche è quello di migliorare il fitness cardiovascolare, che significa in altre parole migliorare l'efficienza del processo di fosforilazione ossidativa. Questo sistema energetico sfrutta l'ossigeno per produrre l'ATP. Durante l'esercizio fisico, il sistema aerobico inizia ad intervenire sovrapponendosi al anaerobico lattacido in seguito all'esaurimento dei fosfageni muscolari (sistema anaerobico alattacido), e all'eccessivo accumulo di acido lattico a partire da poco dopo il minuto di attività. Al contrario del sistema anaerobico lattacido, quello aerobico riesce a riconvertire l'ADP in ATP eliminando le sostanze di scarto quali acqua (H2O) e anidride carbonica (CO2). Le fonti energetiche a lungo termine prevedono la produzione di ATP a partire dai vari combustibili, ma questo sistema richiede l'utilizzo di ossigeno (O2), quindi prende il nome di sistema aerobico. I combustibili principali includono il glicogeno muscolare, il glucosio ematico, gli acidi grassi liberi (FFA o NEFA) nel plasma, ed i trigliceridi intramuscolari (IMTG) e depositati nel tessuto adiposo. Queste molecole vengono scisse in maniera tale che possano trasferire l'energia dei loro legami chimici in un sito delle cellule in cui avviene la sintesi dell'ATP. La maggior parte di queste reazioni avviene nei mitocondri, dove viene utilizzato l'ossigeno.
carboidrati (CHO) + lipidi + ossigeno (O2) = ATP (ciclo di Krebs)
La riconversione da ADP ad ATP è strettamente collegata al consumo di ossigeno, il quale aumenta proporzionalmente all'intensità dello sforzo fino a raggiungere il massimo consumo di ossigeno (VO2max)Elvia Battaglia, Alessio Baghin. Annegamento: Soccorso Tecnico e Sanitario. Springer, 2009. p. 111. ISBN 88-470-1381-X.
La produzione di ATP attraverso i meccanismi aerobici è più lenta rispetto a quella derivante dalle fonti di energia anaerobiche immediatamente disponibili, o disponibili a breve termine, e durante un lavoro submassimale potrebbero essere necessari 2 o 3 minuti prima che il fabbisogno di ATP della cellula venga coperto completamente dal processo energetico aerobico. Un motivo di tale rallentamento è il periodo di tempo necessario al cuore per aumentare il rifornimento di sangue arricchito di ossigeno ai muscoli, con la velocità richiesta per soddisfare le richieste di ATP degli stessi. In un lavoro muscolare che va dai 2 ai 3 minuti, circa il 50% proviene da fonti anaerobiche, ed il restante 50% da fonti aerobiche; mentre in uno sforzo della durata di 10 minuti, la componente anaerobica scende bruscamente al 15%. La modalità aerobica è potenzialmente in grado di rigenerare ATP in maniera infinita, nel caso di un'ipotetica costante disponibilità di lipidi e glicogeno.
Se comparato ai due sistemi anaerobici, il sistema aerobico della fosforilazione ossidativa è il meno potente. Le fonti aerobiche non possono produrre abbastanza ATP per secondo da permettere una prestazione ad alta intensità, come un'alzata massimale o uno sprint di 40 secondi. D'altra parte la fonte aerobica, grazie all'abbondanza di glicogeno e lipidi e l'assenza di sottoprodotti metabolici che possono ostacolare la prestazione, può teoricamente provvedere a fornire una quantità di ATP illimitata per un periodo di tempo molto lungo. Di conseguenza è il sistema energetico predominante nelle attività di lunga durata e bassa intensità. Inoltre il sistema aerobico fornisce una quantità moderata o elevata di ATP durante le attività ad alta intensità intervallate da periodi di recupero, o attività ad alta intensità che superano i 25 secondi circa, come l’Interval training o l'esercizio di endurance muscolare con sovraccarichi. Queste attività risultano in una grande elevazione dei livelli di lattato ematico da 15 a 22 mmol/LSerresse et al. Estimation of the contribution of the various energy systems during maximal work of short duration. Int J Sports Med. 1988 Dec;9(6):456-60.. In queste attività viene richiesto il contributo dei sistemi aerobico e anaerobico lattacido per produrre una significativa quantità di energia.
I tre processi aerobici La produzione di ATP mediante il sistema aerobico prevede tre processi. Il metabolismo aerobico dei carboidrati, cioè la glicolisi aerobica, ha inizio nello stesso modo della glicolisi anaerobica che caratterizza il metabolismo anaerobico lattacido. Tuttavia in questo caso, grazie alla sufficiente presenza di ossigeno, il piruvato non viene convertito in acido lattico ma entra in due lunghe serie di reazioni chimiche chiamate Ciclo di Krebs e Catena di trasporto degli elettroni. Questa serie di reazioni producono infine anidride carbonica che viene espirata dai polmoni, e acqua. L'acqua viene prodotta combinando le molecole di idrogeno con l'ossigeno che era stato originariamente introdotto nel corpo tramite i polmoni. Trentotto molecole di ATP possono essere prodotte dalla metabolizzazione delle molecole di glucosio.
Il metabolismo aerobico dei grassi non inizia con la glicolisi. I grassi passano attraverso una serie di reazioni chiamate β-ossidazione ed entrano direttamente nel Ciclo di Krebs. Il prodotto finale del metabolismo dei grassi è, similmente a quello dei carboidrati, acqua, anidride carbonica, e ATPFleck SJ, Kraemer WJ. Designing resistance training programs. Human Kinetics, 2004. p. 77-78. ISBN 0-7360-4257-1.
Glicolisi
La glicolisi rappresenta la prima fase di degradazione del glucosio. Questa si divide in: Glicolisi anaerobica: si verifica nel citosol della cellula al di fuori dei mitocondri e senza ossigeno. Glicolisi aerobica: la seconda fase di degradazione del glucosio, che si verifica all'interno dei mitocondri e solo in presenza di ossigeno.
Il prodotto finale della glicolisi anaerobica è l'acido piruvico. Sia senza ossigeno che quando l'assorbimento di ossigeno è inferiore a quello richiesta, l'acido piruvico viene trasformato in acido lattico e quindi viene fermata la glicolisi. Solo 2 molecole di ATP sono il guadagno netto di energia dalla glicolisi anaerobica.
La Glicolisi aerobica si verifica solo se sono disponibili adeguati livelli di ossigeno. Infatti, l'ossigeno (attraverso diverse reazioni biochimiche) permette al piruvato di reagire con il Coenzima A, formando un composto denominato Acetil-CoA.
Ciclo di Krebs
L'Acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs (o dell'acido citrico) all'interno dei mitocondri e, dalla combinazione con l'Acido ossalacetico generato dalla scissione dei carboidrati, si forma l'acido citrico. Questa reazione permette la completa ossidazione del Acetil-CoA generando 2 moli di ATP.
Una volta che il piruvato si combina col "Coenzima A" può entrare nel ciclo di Krebs come acetil-CoA, e quindi la molecola di glucosio viene completamente ossidata a carbonio (C) e idrogeno (H): il carbonio si combina con l'ossigeno (O2) per formare anidride carbonica (CO2) e attraverso il sangue raggiunge i polmoni da cui viene espulsa.
Fosforilazione ossidativa (OXPHOS) e Catena di trasporto degli elettroni (ETC)
La catena di trasporto degli elettroni è la parte iniziale della fosforilazione ossidativa. Gli ioni idrogeno (H+) formati dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs vengono a formare una serie di reazioni chiamate "catena di trasporto degli elettroni" con la quale l'H+ si lega a due enzimi, il nicotinammide adenina dinucleotide (NAD) e il flavina adenina dinucleotide (FAD), diventando rispettivamente, dal legame con l'H+, NADH e FADH, i quali lo trasportano verso questa catena dove questo si lega con l'ossigeno (O2) per formare acqua (H2O) prevenendo in tal modo l'acidificazione dell'ambiente cellulare. Alla fine di questo processo il sistema fornisce 34 moli di ATP.
Alla fine di queste tre tappe il sistema aerobico fornisce 38 ATP.
Liberazione e ossidazione dei lipidi: lipolisi e β-ossidazione
Le riserve di lipidi sono stoccate principalmente all'interno delle cellule del tessuto adiposo (adipociti) e del tessuto muscolare scheletrico (miociti) sotto forma di trigliceridi, molecole composte da una molecola di glicerolo e 3 molecole di acidi grassi (FA). Per poter essere utilizzato a fini energetici un trigliceride deve essere scomposto nei suoi componenti di base, cioè 1 glicerolo e 3 acidi grassi. Questo processo prende il nome di lipolisi. Gli acidi grassi staccati dal trigliceride vengono chiamati acidi grassi liberi (FFA o NEFA). Gli FFA vengono trasportati in tutto il corpo tramite il circolo sanguigno raggiungendo le cellule muscolari in attività aerobica. Dal loro utilizzo vengono trasformati in Acetil-CoA. Arrivati a questo punto il metabolismo lipidico segue quello glucidico: l'Acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs e gli ioni idrogeno (H+) liberati passano alla catena di trasporto degli elettroni, formando come prodotti finali ATP, H2O e CO2 come avviene nell'ossidazione degli zuccheri.
Tuttavia i carboidrati producono più energia: ossidando lipidi (FA) la molecola di ossigeno produce 5,6 moli di ATP; ossidando glucidi (CHO) la molecola di ossigeno produce 6,3 moli di ATP;
Prevalenza dei substrati