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
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 cocentrazione di lattato
stabilmente elevata
• Identificazione della soglia “anaerobica”
Soglia e MLSS
Soglia e MLSS
• Quindi, nel definire la cosiddetta
soglia si deve considerare il fattore
tempo
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
Perché [La] aumenta durante esercizio
sottomassimale ?
Regolazione della glicolisi
Reazioni all’equilbrio
Glicogeno
Fosforilasi
Reazioni distanti
dall’equilibrio (flow
generating reactions)
Glucosio - 6 fosfato
Lattato
Fruttosio - 6 fosfato
Piruvato
Fosfofruttochinasi
Fruttosio - 1,6 difosfato
Piruvato
chinasi
Fosfoenolpiruvato
Produzione di NADH
• L’unico meccanismo in grado
di ripristinare la concentrazione
di NADH+H+ è la conversione
di piruvato a lattato.
• Compete con i meccanismi a
spoletta dei protoni (proton
shuttle)
• L’attività della LDG e la sua
Keq favoriscono la reazione
piruvato ! lattato 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
NAD+
mitocondrio
malato
malato
malato
deidrogenasi
malato
deidrogenasi
NADH
NAD+
ossalacetato
glutamato
glutamato
ossalacetato
NADH
(3 ATP)
Aspartato
aminotransferasi
aspartato
2-ossiglutarato
2-ossiglutarato
aspartato
Spoletta del glicerol-fosfato
Membrana mitocondriale interna
citosol
NAD+
mitocondrio
glicerol 3-fosfato
Glicerol-3-fosfato
deidrogenasi (NAD+)
NADH
[FAD]
Glicerol-3-fosfato
deidrogenasi (flavoproteina
diidrossiaceton fosfato
[FADH]
Cit c (Fe2+)
Catena degli
elettroni
Cit c (Fe3+)
(2 ATP)
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
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 Kek 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: " [Ca2+], " [Pi] e " [AMP] # " del flusso
glicolitico # " produzione La-
Perché aumenta la produzione di La durante
esercizio sottomassimale ?
i. Se l’intensità dell’esercizio aumenta: $[ATP], "[ADP],
"[AMP], "[Pi] e "[NH4+] #attivazione di PFK e "
produzione La-
ii. " [Ca2+] 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 PO2
intramuscolare diminuisce progressivamente o
improvvisamente.
Perché aumenta la produzione di La durante
esercizio sottomassimale ?
v. La fosforilazione ossidativa diventa dipendente dall’O2
(non limitata dall’O2). Il rapporto [ADP]•[Pi]/[ATP] deve
aumentare progressivamente per assicurare un’adeguata
fosforilazione ossidativa. Rapporti [ADP]•[Pi]/[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
L/P ratio
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 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)
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-]
Trasportatori del lattato
•
Il funzionamento della spoletta del lattato richiede uno scambio
rapido attraverso la membrana cellulare
•
•
•
•
•
•
Trasportatore di acidi monocarbossilici (MCT) (79-90 % del
trasporto totale di Lattato); È un simporto con H+: ha un ruolo, quindi, anche nella
regolazione di pHi
La capacità di trasporto è più elevata nelle ST
Due isoforme di trasportatori sono espresse nel muscolo: MCT1 e MCT4
MCT1: altamente correlato con indici del metabolismo ossidativo; ha un ruolo
prevalente nell’uptake di La-
MCT4: correlato con indici del metabolismo glicolitico; si pensa che sia più
importante per il rilascio di La-
Lactate shuttle and MCT
• Ruolo dei MCTs
nell’encefalo e nel
muscolo nel
sostenere il
trasporto del lattato
(lactate shuttle) tra
diverse cellule
dello stesso tessuto
e tra diversi tessuti
(Da Halestrap Wilson, 2012) Trasportatori del lattato
•
Il funzionamento della spoletta del lattato richiede uno scambio
rapido attraverso la membrana cellulare
•
•
•
•
•
•
•
Trasportatore di acidi monocarbossilici (MCT) (79-90 % del
trasporto totale di Lattato); È un simporto con H+: ha un ruolo, quindi, anche nella
regolazione di pHi
È coinvolti anche nel controllo della fatica periferica muscolare
La capacità di trasporto è più elevata nelle ST
Due isoforme di trasportatori sono espresse nel muscolo: MCT1 e MCT4
MCT1: altamente correlato con indici del metabolismo ossidativo; ha un ruolo
prevalente nell’uptake di La-
MCT4: correlato con indici del metabolismo glicolitico; si pensa che sia più
importante per il rilascio di La-
Trasportatori del lattato
• Regolazione
intracellulare
delle
concentrazioni di
La- e H+
Trasportatori del lattato
•
L’esercizio acuto è in grado di influenzare l’espressione di MCT1 e
MCT4
• Cinetica del contenuto di MCT
durante recovery in funzione del
tempo dall’inizio dell’esercizio
• Modificazioni posttrascrizionali ?
Trasportatori del lattato e allenamento
•
•
•
•
•
•
•
•
L’allenamento è in grado di modificare l’espressione di MCT1 e
MCT4;
MCT1 (MCT4) più espressi in atleti di endurance
L’allenamento di endurance (9 settimane in bicicletta) MCT1
aumentò del 60-90 % e MCT4 del 47 %;
Anche l’allenamento di forza, sprint ed intervallato ad alta intensità
aumenta il contenuto di MCT, anche se si osserva considerevoel
variabilità;
Le modificazioni di MCT1 sono di maggiore entità
L’immobilità induce riduzione del contenuto di MCT
Quindi la contrattilità sembra essere il fattore funzionale che
controlla l’espressione di MCT;
In atleti di élite, le modificazioni sono indotte solo da allenamenti
ad alta intensità
Trasportatori del lattato e allenamento
Trasportatori del lattato e allenamento
• Quali sono i segnali che determinano le modificazioni del
contenuto di MCT1 e MCT4 ?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Contrazione muscolare
Ormoni (?)
Alte concentrazioni di Lattato intracellulare (?)
Ipossia (?)
Restrizione calorica (?)
Patologie associate: diabete di tipo 2 è associato a elevate
[La-]b con riduzione di uptake intracellulare Trasportatori del lattato e allenamento
• Regolazione della trascrizione
1.
2.
3.
4.
5.
Attivazione dell’espressione genica medita da elevazione [Ca++] e AMP che attivano
la calcineurina (una fosfatasi calcio dipendente) e AMPK;
La calcineurina defosforila ed attiva il fattore trascrizionale nucleare NFAT;
L’elevazione [Ca++] e l’attivazione di AMPK aumentano l’espressione anche
dell’attivatore trascrizionale PGC1alfa, essenziale per la differenziazione delle fibre
verso quelle di tipo I dove MCT1 è più espresso;
L’aumento transitorio intracellulare di lattato durante esercizio induce la produzione di
ROS che attivano AMPK. In questo senso il lattato agirebbe da “cell-signaling
molecule”;
L’ipossia è il fattore più importante per la regolazione del contenuto di MCT4
attraverso un meccanismo trascrizionale regolato da HIF-1alfa
• Regolazione prostrascrizionale
1. Esempio: ’ipossia cardiaca induce traslocazione nel sarcolemma di unità di MCT1
depositate in cisterne associate ai tubuli t
2. Anche la traduzione proteica sembra essere regolata
Trasportatori del lattato e allenamento
• Riassunto dei
fattori cellulari e
molecolari
probabilmente
implicati
nell’influenzare il
contenuto di
MCT Bilancio energetico durante esercizio sotto
massimale con [La-] aumentato ma stabile
Aerobica
ATP/O2 = 6.17
Ipoaerobica
ATP/O2 = 6.67
Iperaerobica
ATP/O2 = 5.67
Fibre ipo e iperaerobiche accoppiate
Ipoaerobica + Iperaerobica: ATP/O2 = 6.17
Meccanismo di instaurazione di AT
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 O2
Aumento della concentrazione plasmatica di elettroliti
Emoconcentrazione
Aumento della produzione di intermedi metabolici
Cinetica del V’O2 rallentata
Aumento della produzione di CO2
Aumento del drive ventilatorio
Aumento del livello di catecolamine
Aumento del doppio prodotto (dispenio energetico del cuore)
V’O2 e MLSS
Tamponamento dell’acidosi indotta
dall’esercizio
Identificazione della
soglia anaerobica (AT)
con metodi ventilatori
LaH ! La- + H+ H+ + HCO3- ! H2CO3 ! (a.c.) H2O +
CO2
3. Tamponamento isocapnico:
l’aumento di V’E è dovuto a " CO2;
PETO2 " e V’E/V’O2 ", ma PETO2 e
V’E/V’CO2 non cambiano
4. pH $: V’E aumenta ulteriormente:
PETO2 $ V’E/V’CO2 ",
compensazione respiratoria
1.
2.
Identificazione della soglia anaerobica (AT)
con metodi ventilatori
• Metodo del V slope
Determinazione di AT
Curva Lattato-Velocità
MLSS
Bibliografia
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•
•
•
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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: 407 - 426, 2003.
Gladden LB The muscle as a consumer of lactate. Med Sci
Sports Exerc. 32: 764 - 771, 2000.
Antonutto G e di Prampero PE The concept of lactate
threshold. J Sports Med Phys Fitness 35: 6-12, 1995.
