Durante l'allenamento ti manca il fiato e, una volta finito, l'unica cosa a cui riesci a pensare è fare il pieno di carboidrati e grassi. Questi due bisogni fondamentali, apparentemente distinti, sono più strettamente legati di quanto potresti immaginare. Tutto ruota intorno alla produzione di ATP (adenosina trifosfato), l'unico composto in grado di fornire energia alle tue cellule.

Quando ci si allena, i muscoli consumano enormi quantità di energia per continuare a contrarsi e rilassarsi. Sappiamo che il cibo ci fornisce energia, ma gli zuccheri e i grassi della barretta di muesli che hai appena mangiato non vengono utilizzati immediatamente dalle fibre muscolari attive.  Attraverso percorsi lunghi e complessi, le fonti energetiche del cibo e le riserve dell’organismo vengono trasformate in substrati ( piccole molecole su cui possono agire gli enzimi) che contribuiscono a generare l’unica vera “moneta” energetica per i processi cellulari: l’ATP. È l’ATP che alimenta i nostri processi corporei, dallo sviluppo cellulare alle contrazioni muscolari esplosive. Il volume maggiore di ATP viene prodotto in presenza di ossigeno, motivo per cui la nostra frequenza respiratoria aumenta drasticamente quando ci alleniamo.

ATP: l'unico carburante per i muscoli

L'ATP è una molecola portatrice di energia costituita da adenosina e tre gruppi fosfato.  Per impedire che l'energia dell'ATP si disperda e venga sprecata sotto forma di calore, l'energia viene rilasciata solo quando viene idrolizzata ( scissa con l'uso di acqua) da enzimi chiamati ATPasi. Tutte le nostre cellule contengono questi enzimi, in particolare le nostre fibre muscolari. Durante l'idrolisi da parte delle ATPasi, la molecola di ATP rilascia un gruppo fosfato e si converte in ADP (adenosina con due gruppi fosfato), con conseguente rilascio di energia.  Il livello di energia rilasciata durante l'idrolisi dell'ATP risulta essere perfetto per tutti i processi cellulari. In alcune circostanze l'ADP può anche essere ulteriormente scomposto in AMP (adenosina con un gruppo fosfato), ma nella maggior parte dei casi l'ADP viene ricaricato come una batteria in un processo chiamato fosforilazione. Durante la fosforilazione, un gruppo fosfato viene riattaccato a una molecola di ADP, dando origine a un ATP reenergizzato che può essere riutilizzato.

Quali meccanismi utilizza il muscolo per produrre ATP?

A seconda dell'intensità e della durata dell'attività muscolare, le fibre muscolari ricorrono a diversi meccanismi per produrre, trasportare e immagazzinare l'ATP, in modo che sia disponibile al momento giusto e nel posto giusto. I sistemi più importanti durante l'esercizio fisico sono il sistema fosfagenico, la glicolisi e la fosforilazione ossidativa, di cui parleremo di seguito.

Il più veloce e il primo: l'ATP libero e il sistema fosfagenico

Quando un muscolo inizia a contrarsi, la quantità di ATP immediatamente disponibile e libero si esaurisce molto rapidamente. La cellula inizia subito ad attingere all’ATP fornito dal sistema fosfagenico, che non dura a lungo ma fornisce una buona quantità di energia nei primi secondi di esercizio.  Il sistema fosfagenico (la curva arancione nell'Illustrazione 1) è un serbatoio di energia che immagazzina l'energia dell'ATP attraverso l'uso di una molecola chiamata creatina (Cr), formando fosfocreatina (PCr). La conversione della PCr è reversibile ed è catalizzata dalla creatina chinasi (CK).

A riposo il sistema è in equilibrio (l'energia immagazzinata è pari a quella rilasciata), ma durante un esercizio fisico intenso la reazione viene spostata verso destra, determinando una maggiore degradazione della fosfocreatina e la produzione di ATP, che fornisce energia ai muscoli.

Il secondo più veloce: il sistema glicolitico

Sebbene sia diverso e più lento rispetto al sistema fosfagenico, anche la glicolisi svolge un ruolo nella fase iniziale dell’esercizio fisico. Questo sistema consiste in una catena di reazioni enzimatiche che producono ATP dal glucosio, il quale viene prelevato dal sangue (ad esempio dal cibo appena digerito, come la barretta di muesli citata in precedenza) oppure deriva dall’idrolisi del glicogeno, ovvero la riserva di carboidrati del muscolo.  Oltre all'ATP, uno degli altri prodotti della glicolisi è il piruvato, che può essere elaborato e utilizzato nel sistema energetico finale (di cui parleremo in seguito) oppure convertito in acido lattico. L'acido lattico viene convertito in lattato ed è un buon combustibile per alcuni tipi di cellule, ma a causa delle sue caratteristiche acide può anche contribuire a inibire le prestazioni.

Il terzo, lento ma di lunga durata: la fosforilazione ossidativa

Infine, il sistema energetico più lento ma anche il più efficiente e duraturo è la fosforilazione ossidativa. Questo processo fornisce alla fibra muscolare un'enorme quantità di ATP, attraverso il consumo di ossigeno. Esso avviene all'interno di compartimenti cellulari (organelli) chiamati mitocondri. Le fibre muscolari sono molto ricche di mitocondri e, come ci si potrebbe aspettare, la loro concentrazione è particolarmente elevata nelle fibre muscolari resistenti alla fatica (a contrazione lenta), fondamentali per l'esercizio di resistenza.

La fosforilazione ossidativa avviene sulle membrane interne dei mitocondri. È proprio qui che entrano in gioco l'ossigeno, gli acidi grassi e il piruvato (proveniente dalla glicolisi). Le membrane mitocondriali sono caricate da ioni idrogeno, formando il cosiddetto «potenziale di idrogeno». Proprio come il potenziale in un circuito elettrico, il potenziale di idrogeno è una forza motrice che consente la produzione di ATP a partire dall'ADP e dal fosfato inorganico (processo denominato fosforilazione).

Per caricare la membrana mitocondriale è necessario l'ossigeno; pertanto, questo processo è denominato «fosforilazione ossidativa». Oltre all'ossigeno, sono necessarie molecole che forniscano ioni idrogeno.  Queste molecole vengono prodotte in una catena di reazioni chimiche accoppiate, chiamata ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs utilizza l'acetil-coenzima A, che deriva principalmente dal piruvato (il prodotto della glicolisi) e dagli acidi grassi, per produrre queste molecole che trasportano idrogeno. Il ciclo di Krebs produce di per sé alcune molecole di ATP, ma, cosa interessante, produce anche CO2, che successivamente entra nel sangue ed esce dai nostri polmoni quando espiriamo!

Sebbene la fosforilazione ossidativa possa avvalersi di metaboliti derivati dai carboidrati, il carburante più importante per le attività prolungate sono gli acidi grassi: ecco perché è così importante allenare il consumo dei grassi quando ci si prepara per una maratona. È inoltre importante notare che, quando le riserve di carboidrati sono esaurite e quelle di grassi sono minime o non vengono utilizzate in modo efficiente, gli aminoacidi (i mattoni delle proteine) possono essere impiegati come carburante per la fosforilazione ossidativa.  Quando si cerca di aumentare la massa muscolare, questo è un fenomeno che si vorrebbe evitare.