L’ossigeno ha raggiunto concentrazioni elevate nell’atmosfera terrestre quando i meccanismi biologici erano già considerevolmente evoluti.
Le ossidazioni (l’ossigeno strappa elettroni ad altre molecole ossidandole) sono reazioni che garantiscono un’elevatissima resa energetica.
Per questo nel corso dell’evoluzione dei viventi sono state selezionate in prevalenza questo tipo di reazioni per ricavare energia biologica.
Data l’importanza di questi processi energetici, gli organismi aerobi hanno acquisito un organulo deputato alla gestione dei processi ossidativi, per produrre e distribuire energia biologica, il mitocondrio.
Le reazioni ossidative sostengono la produzione di energia anche nelle cellule che non possiedono mitocondri e nelle cellule anaerobie che non utilizzano l’ossigeno, anzi devono smaltirlo perché tossico per loro.
In queste cellule gli elettroni sono trasferiti su accettori diversi dall’ossigeno.
La diversa disponibilità di ossigeno non è caratteristica solo di determinati ambienti, ma riguarda anche siti e momenti funzionali dello stesso organismo (come avviene durante il metabolismo anaerobico lattacido).
ADENOSINTRIFOSFATO, ENERGIA BIOLOGICA
Tutte le reazioni, di sintesi o cataboliche che siano, ed altri processi funzionali, consumano energia biologica.
Il trasporto e la distribuzione di questa energia è la molecola di adenosintrifosfato.
Più o meno tutti nel settore conoscono le cinque molecole che compongono l’ATP e la sua capacità di rilascio tramite idrolisi di uno dei tre gruppi fosforici, ma si apre un modo a parte quando si devono comprendere i fattori alla base della sua continua rigenerazione (e soprattutto delle notevoli quantità rigenerate ogni giorno), che avviene attraverso processi ossidativi o fermentativi.
L’ATP è presente in ogni cellula di ogni tessuto.
Glucosio, piruvato, lattato, acidi grassi, glicerolo, amminoacidi, sono tutte molecole che cedono il loro potenziale energetico all’ATP, che lo immagazzina rendendolo disponibile per le reazioni future che necessitano energia per avvenire.
A carico di questi nutrienti e intermedi metabolici è alimentata la continua ricarica della molecola trasportatrice e distributrice di energia.
POTENZIALI QUANTITATIVI DI ENERGIA ESTRATTA
Ogni giorno l’energia estratta dalle biomolecole viene utilizzata per ricaricare l’equivalente del nostro peso corporeo di ATP, circa 160 moli per un fabbisogno calorico di 3000 kcal.
La mole serve a misurare la massa degli atomi, particelle talmente piccole da non poter essere pesate con nessuna bilancia.
In una mole sono presenti 6,022×10²³ particelle.
Si tratta di un numero immenso. Attraverso la mole è possibile attribuire la massa ad ogni elemento, quindi ad esempio, sappiamo che una mole di ossigeno pesa 16 g, una mole di carbonio 12 g, una mole di idrogeno 1 g.
Grazie alla mole si possono pesare le molecole.
Una mole di ATP pesa ben 508 g/mol, sommando le masse molari del ribosio, dell’adenina e dei gruppi fosfato.
REAZIONI ENZIMATICHE ALLA BASE DEI PROCESSI CHE RIGENERANO L’ATP
Gli enzimi sono proteine con attività catalitica. La catalisi consiste nell’accelerazione di una reazione e gli enzimi sono altamente specializzati in questo.
Gli enzimi operano in situazioni ambientali moderate (rispetto ai catalizzatori chimici), agendo a blande condizioni di pH e temperatura per svolgere la funzione di catalizzazione.
Gli enzimi coinvolti nella regolazione delle vie anaboliche e cataboliche agiscono tramite forforilazione e deforforilazione.
Le proteine chinasi fosforilano, mentre le proteine fosfatasi defosforilano.
Sostanzialmente il meccanismo di fosforilazione consiste nel trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP a molecole proteiche fornendo loro energia per svolgere una determinata funzione.
Allo stesso modo la deforforilazione ad opera delle fosfatasi consiste nel distacco idrolitico (l’idrolisi consiste nel trasferimento di gruppi funzionali all’acqua) del gruppo fosfato dalle molecole proteiche fosforilate, traendo energia da esse.
La velocità delle vie metaboliche è costantemente controllata per adeguare l’utilizzo è la formazione di metaboliti alle esigenze fisiologiche dell’organismo.
Questo processo avviene tramite la regolazione dell’attività enzimatica da parte di sostanze che inibiscono gli enzimi.
CIBO COME CARBURANTE ENERGETICO
L’energia contenuta nelle biomolecole e misurata in kcal, non può essere tutta immagazzinata sottoforma di ATP, ma parte di questa viene energia dispersa sottoforma di calore e serve a mantenere l’omeostasi termica dell’organismo.
La caloria è la quantità di energia da somministrare per portare un grammo d’acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C alla pressione di 1 atm. Una kcal equivale a 1000 calorie.
L’estrazione dell’energia è una reazione che necessita l’ossigeno. Ogni giorno oltre all’acqua ed al cibo ingeriti, vengono inalati dai 300 ai 450 litri di ossigeno. Durante le fasi di sforzo la quantità inalata dell’ unità di tempo aumenta incredibilmente.
Le kcal effettive liberate dall’idrolisi di una mole di ATP equivalgono a 7,3 kcal/mol e corrispondono più o meno al 40% delle kcal contenute nei substrati (biomolecole).
Una mole di glucosio (180 g e 720 kcal) consente di rigenerare 36 moli di ATP (144 kcal) attraverso la respirazione cellulare nel ciclo di Krebs.
Da una mole di palmitico (256 g e 2300 kcal), un acido grasso a 16 atomi di carbonio, si ottengono 106 moli di ATP (773,8 kcal) attraverso la β-ossidazione, serie di quattro reazioni ripetuta sette volte.
Come già detto l’ossidazione degli acidi grassi che compongono i trigliceridi dei nostri tessuti di riserva, ma anche quelli contenuti nei cibi che consumiamo, è un processo che richiede ossigeno, che strappa elettroni a queste biomolecole per trasferirli su altre molecole che cederanno questi elettroni alla catena respiratoria per rigenerare ATP.
Ad esempio se si riuscisse ad ottenere tutto l’ATP dagli acidi grassi che compongono i trigliceridi del tessuto adiposo, si potrebbero ossidare 250 g di grasso corporeo ogni 35 ore circa (il meccanismo sulle tempistiche è spiegato più avanti), quindi ottenere un dimagrimento di ¼ di kg in meno di due giorni. Tuttavia non funziona proprio così…
VIE METABOLICHE CHE RIGENERANO ADENOSINTRIFOSFATO
La rigenerazione di ATP in condizioni normali (a riposo) ha ritmi diversi a seconda del substrato e della via metabolica intrapresa.
La glicolisi aerobica e la β-ossidazione hanno ritmi di ripristino abbastanza lunghi. Se come substrato è utilizzato il glucosio, per ricavare 36 moli di ATP occorrono 10 ore.
Se il substrato sono gli acidi grassi liberi (palmitico), per ottenere le 106 moli occorrono più di 35 ore.
Per estrarre le stesse kcal contenute in una mole di palmitico servono quasi 3 moli di glucosio e più di 30 ore per estrarre tutta l’energia contenuta in esse.
La media risultante è circa 4500 kcal (1800 immagazzinate sottoforma di ATP) ogni 34 ore, 3100 (1200 sottoforma di ATP) in 24 ore.
In condizioni di glicolisi anaerobica, come avviene durante un movimento contro resistenza, in 30 secondi si può rigenerare una mole di ATP.
Significa che 10 serie (5 minuti di lavoro totale), conducono alla rigenerazione di 10 moli di ATP.
COMPOSTI ALTAMENTE ENERGETICI E VIE METABOLICHE ALTERNATIVE
In questo caso la risintesi dell’ATP è accoppiata all’idrolisi di composti con alto potenziale di trasferimento del fosfato.
Questi composti sono il fosfo-enoilpiruvato (14,6 kcal/mol) e 1,3-difosfo-glicerato (11,5 kcal/mol).
Questo meccanismo è detto fosforilazione a livello del substrato. L’ATP è risintetizzato anche in ambiente anaerobico alattacido, attraverso il trasferimento del gruppo fosforico dalla creatina fosfato (10,1 kcal/mol) all’ADP (adenosindifosfato).
Una differenza di velocità incredibile, che sottolinea la straordinaria efficienza metabolica dell’organismo.
I composti che alimentano la produzione energetica in ambiente anaerobico lattacido, derivano dal metabolismo del glucosio, che rappresenta il carburante più efficiente da cui estrarre energia organica e proprio per questo l’organismo li ricava anche in assenza di un introduzione esogena, attraverso la via metabolica della gluconeogenesi.
La gluconeogenesi è un processo endoergonico (reazione non spontanea che necessita energia per avvenire) che consuma ATP.
Successivamente dopo lo sforzo muscolare intenso l’organismo consuma per un certo periodo di tempo più ossigeno rispetto all’impiego utilizzato in condizioni basali.
L’eccesso di ossigeno consumato in condizioni di riposo è il “debito d’ossigeno”.
Si tratta della quantità di ossigeno necessaria nella fosforilazione ossidativa per compensare la quantità di ATP impiegata per la gluconeogenesi.
LA RICHIESTA DI ATP DIPENDE DALLE ATTIVITÀ CELLULARI
(l’allenamento con i sovraccarichi è una di queste)
Il sistema di rigenerazione dell’ATP più rapido, ma con meno capacità in termini quantitativi, è quello alattacido, che utilizza le riserve di ATP.
La disponibilità delle riserve è di 220 millimoli totali, che possono alimentare i fabbisogni energetici sotto sforzo in totale assenza di ossigeno per 2-3 secondi.
Il creatina fosfato rigenera l’ATP alla velocità di 73 millimoli al secondo.
Riserve e rigenerazione dal creatina fosfato forniscono 450 millimoli di ATP (6-7 secondi), sempre in assenza di ossigeno. Se impiegate tutte comportano la spesa energetica di 4,8 kcal.
La glicolisi anaerobica (il lattato viene riconvertito in glucosio nel il ciclo di cori) permette il ripristino di 39 millimoli di ATP al secondo, quasi il doppio del tempo di ripristino, per una resa totale di 6.700 millimoli (6,7 moli), che danno la possibilità di alimentare lo sforzo per quasi 3 minuti, con una spesa di 48 kcal, dieci volte tanto il sistema ATP/creatina fosfato.
La glicolisi aerobica (il piruvato entra nel ciclo di Krebs) aumenta la resa in termini quantitativi, ma il tempo di rigenerazione si dilata ulteriormente, raggiungendo le 17 millimoli al secondo, per un totale di 84000 millimoli, con una resa in termini di tempo pari a 80 minuti ed una spesa di 615 kcal.
La glicolisi aerobica epatica rigenera 6 millimoli di ATP al secondo per un totale di 19000 millimoli, con resa in termini di tempo di 50 minuti e 138 kcal.
La rigenerazione dell’ATP attraverso la beta-ossidazione degli acidi grassi provenienti dal tessuto adiposo, fornisce 6,5 millimoli di adenosintrifosfato al secondo per una resa pari a 4 milioni di millimoli totali, che consente di rigenerare ATP per ben 7 giorni, con una spesa di 29000 kcal.
Questi calcoli, se pur approssimativi, servono a quantificare la reale spesa in termini di kcal prodotta dall’accumularsi delle serie allenanti anaerobiche tipiche dell’allenamento con i sovraccarichi.
CONCLUSIONI
Il verificarsi di questi fattori è indispensabile per comprendere come un fabbisogno calorico giornaliero di X kcal, non può di certo essere soddisfatto dall’estrazione energetica da un solo substrato, ma necessita la combinazione di più biomolecole.
Si tratta di un continuo intersecarsi di vie metaboliche, caratterizzate dalla costante ricarica dell’ATP.
Se l’introito calorico è sufficiente, ci saranno abbastanza substrati per la sintesi, ma qualora questo dovesse essere in difetto ed i substrati dovessero scarseggiare, la quantità di ATP richiesta dalle situazioni metaboliche che si verificano verrà soddisfatta attraverso le vie cataboliche.
Non è importante conoscere il tutto per quantificare quante kcal introdurre, ma lo diventa nel momento in cui l’organismo, in situazioni di deficit, orienta la selezione di determinate dinamiche metaboliche ai fini di ricavare energia, attraverso i processi esoergonico catabolici dalla quale estrae energia biologica sfruttando tali processi endoergonicanente per l’anabolismo.
Significa che è necessario demolire (reazioni esoergoniche) riserve già presenti nell’organismo traendo energia per poi rigenerare le fonti di energia (reazioni esoergoniche) per ripetere il ciclo fino a quando sarà possibile.
Di Scilipoti Nino