L'importanza della circolazione sanguigna

Come gli altri organismi complessi e multicellulari che popolano il mondo vivente, gli esseri umani sono costituiti da una varietà di cellule diverse, che necessitano tutte di ossigeno e sostanze nutritive per sopravvivere e funzionare correttamente.

Gli organismi più primitivi, come le meduse e le spugne, che sono costituiti da uno o pochi strati di cellule, possono semplicemente assorbire ossigeno e sostanze nutritive direttamente dall'ambiente circostante attraverso un processo di diffusione. Utilizzano lo stesso processo anche per espellere i prodotti di scarto (ad esempio l'anidride carbonica).

Questa strategia, tuttavia, diventa più complessa man mano che gli organismi diventano più grandi e complessi. Per risolvere questo problema, animali come i pesci, i rettili e i mammiferi (compresi gli esseri umani) hanno sviluppato sistemi circolatori che distribuiscono ossigeno e sostanze nutritive alle diverse cellule utilizzando un fluido di trasporto specializzato: il sangue.*

Il sistema circolatorio degli animali è costituito tipicamente da una pompa (il cuore), da dei condotti (i vasi sanguigni – arterie e vene) e da un organo che assorbe l'ossigeno ed espelle l'anidride carbonica (i polmoni [o le branchie nei pesci]). Negli esseri umani e in altri mammiferi, il sangue viene pompato dalla parte destra del cuore ai polmoni, dove viene ossigenato. Quindi ritorna alla parte sinistra del cuore, da dove viene pompato attraverso le arterie per fornire ossigeno e sostanze nutritive ai tessuti e agli organi. Il flusso di sangue verso i tessuti aiuta anche a rimuovere eventuali metaboliti e prodotti di scarto che potrebbero essersi accumulati.

PUNTI CHIAVE

• Gli esseri umani hanno sviluppato un sistema circolatorio perché non possono fare affidamento esclusivamente sulla diffusione per trasportare molecole importanti in tutto il corpo.
• Il flusso sanguigno è necessario per trasportare ossigeno, sostanze nutritive e altre molecole fondamentali (ad esempio gli ormoni) agli organi e ai tessuti.
• Il flusso sanguigno è necessario per eliminare i prodotti di scarto e i metaboliti dagli organi e dai tessuti.

* È interessante notare che le cellule della cornea (lo strato trasparente anteriore dell'occhio) sono l'unica parte del corpo umano a non essere irrorata dal sangue. Queste cellule ricavano invece l'ossigeno per diffusione dall'atmosfera esterna, assorbendo al contempo le sostanze nutritive dal liquido all'interno dell'occhio.  

Perché è necessario aumentare l'afflusso di sangue in diverse parti del corpo?

Immagina, invece di leggere passivamente questo blog, di iniziare all'improvviso a fare una serie di curl per i bicipiti. I tuoi bicipiti stanno ora lavorando molto più intensamente di prima e quindi hanno bisogno di più ossigeno e sostanze nutritive (ad esempio glucosio) per continuare a contrarsi.

In altre parole, i muscoli sollecitati dall'esercizio fisico hanno un fabbisogno energetico maggiore. Per soddisfare questo maggiore fabbisogno energetico, il corpo dovrà fornire ai muscoli una maggiore quantità di sangue.

La contrazione muscolare genera inoltre vari prodotti di scarto, quali anidride carbonica, acido lattico, ADP e ioni magnesio. Se questi prodotti di scarto si accumulano, possono alterare l'ambiente circostante delle cellule muscolari, compromettendo la loro capacità di contrarsi e funzionare in modo efficiente. Di conseguenza, i muscoli necessitano anche di un maggiore afflusso di sangue per rimuovere e trasportare tali prodotti di scarto, affinché vengano espulsi o ulteriormente metabolizzati.

Considerando le variazioni nell'attività dei diversi tessuti nel corso di una giornata normale, il corpo è costantemente impegnato in un complesso gioco di equilibrio, in cui adegua il flusso sanguigno al fabbisogno energetico (e alla produzione di metaboliti) dei vari tessuti.

Secondo alcuni studi, durante un'attività fisica intensa il flusso sanguigno verso i muscoli coinvolti aumenta fino a 50-100 volte!

PUNTI CHIAVE

• I tessuti e gli organi con un maggiore fabbisogno energetico richiedono un maggiore afflusso di sangue.
• L'esercizio fisico richiede un maggiore afflusso di sangue per fornire ossigeno e sostanze nutritive necessarie alla contrazione muscolare.
• I muscoli durante l'esercizio fisico necessitano inoltre di un maggiore afflusso di sangue per evitare l'accumulo di metaboliti e prodotti di scarto.

Come si fa ad aumentare l'afflusso di sangue ai muscoli durante l'attività fisica?

Esistono due modi principali per aumentare l'afflusso di sangue ai muscoli sollecitati dall'esercizio fisico. Innanzitutto, possiamo semplicemente indurre il cuore a pompare più velocemente. Se esegui improvvisamente 20 flessioni e poi misuri la frequenza cardiaca, noterai che il tuo battito cardiaco è aumentato notevolmente. Ciò avviene per fornire sangue ai muscoli pettorali, ai tricipiti, al core e agli altri muscoli attivi.

Ciononostante, sebbene una frequenza cardiaca più elevata aumenti certamente la quantità di sangue che scorre nelle arterie in un dato momento, ciò non garantisce necessariamente che tale sangue raggiunga il luogo in cui è più necessario, ovvero i muscoli impegnati nell'attività fisica.

È qui che entrano in gioco i vasi sanguigni. Il secondo modo in cui il corpo può aumentare o diminuire il flusso sanguigno verso un determinato organo o tessuto consiste rispettivamente nell'allargare o restringere le arterie che irrorano quell'organo (o tessuto).

Come avviene questo processo? All’interno delle pareti delle arterie (e di alcune vene) si trovano anelli costituiti da un tipo speciale di muscolo chiamato«muscolo liscio vascolare». Approfondiremo questo argomento in un prossimo articolo. Quando il muscolo liscio vascolare si contrae, il vaso sanguigno si restringe e il lume (il canale al centro del vaso) si riduce, consentendo un flusso di sangue minore. Questo processo è chiamato vasocostrizione.

Al contrario, quando la muscolatura liscia vascolare si rilassa, il vaso sanguigno si allarga e il lume si espande, consentendo il passaggio di una maggiore quantità di sangue. Questo processo è chiamato vasodilatazione. Esistono diversi meccanismi che innescano la vasodilatazione, alcuni dei quali coinvolgono una molecola importante chiamata ossido nitrico (NO).

PUNTI CHIAVE

• La frequenza cardiaca aumenta per incrementare l'afflusso di sangue ai muscoli sollecitati dall'esercizio fisico.
• Si provocano la dilatazione dei vasi sanguigni (un processo chiamato «vasodilatazione») per aumentare l'afflusso di sangue ai muscoli sollecitati dall'esercizio fisico.
• L'ossido nitrico (NO) svolge un ruolo fondamentale nella vasodilatazione, specialmente durante l'attività fisica.

Che cos'è l'ossido nitrico (NO) e dove viene prodotto?

L'ossido nitrico è una piccola molecola di segnalazione prodotta da varie cellule dell'organismo, tra cui le cellule nervose del cervello (neuroni), le cellule immunitarie e le cellule che rivestono le pareti dei vasi sanguigni. Per quanto riguarda l'aumento del flusso sanguigno verso organi e tessuti, è proprio quest'ultimo gruppo che ci interessa maggiormente.

Anziché costituire una struttura omogenea, le pareti dei vasi sanguigni sono composte da diversi strati. Come accennato in precedenza, uno di questi strati (lo strato intermedio) contiene muscolatura liscia vascolare. Lo strato più interno, ovvero quello a diretto contatto con il sangue che scorre nel lume, è chiamato endotelio. L'endotelio che riveste le arterie e le vene è composto da cellule speciali chiamate cellule endoteliali vascolari: sono proprio queste cellule a produrre e rilasciare ossido nitrico.

Come verrà spiegato tra poco, l'ossido nitrico si diffonde dalle cellule endoteliali vascolari allo strato intermedio delle pareti dei vasi sanguigni, dove agisce sulle cellule della muscolatura liscia vascolare provocando la vasodilatazione. A questo proposito, possiamo classificare l'ossido nitrico come una sostanza vasodilatatrice: allarga i vasi sanguigni e aumenta il flusso sanguigno.

PUNTI CHIAVE

• Le pareti dei vasi sanguigni (arterie e vene) sono costituite da diversi strati di cellule.
• Il rivestimento interno dei vasi sanguigni (chiamato «endotelio») è costituito da cellule endoteliali vascolari.
• L'ossido nitrico è prodotto dalle cellule endoteliali vascolari.
• L'ossido nitrico è una molecola vasodilatatrice: dilata i vasi sanguigni per aumentare il flusso sanguigno.

Come viene prodotto l'ossido nitrico (NO)?

L'ossido nitrico è prodotto dall'aminoacido L-arginina. Trattandosi di un aminoacido non essenziale, l'organismo è in grado di produrre autonomamente la L-arginina, ma questa è presente anche in vari alimenti, tra cui: tacchino, frutti di mare, spinaci, soia, lenticchie, arachidi e semi di zucca. La L-arginina è disponibile anche sotto forma di integratore.

Per produrre ossido nitrico, le cellule endoteliali vascolari producono un enzima chiamato ossido nitrico sintasi (NOS), che converte la L-arginina in ossido nitrico. Affinché l'enzima NOS possa produrre ossido nitrico in modo efficace, sono necessarie anche altre molecole (chiamate cofattori). Uno di questi cofattori è chiamato BH4 (tetraidrobiopterina).

Un sottoprodotto della formazione di NO è l'L-citrullina, che, come l'L-arginina, è un altro amminoacido. È interessante notare che l'L-citrullina può essere riciclata per tornare a diventare L-arginina, che può poi essere utilizzata dalla NOS per produrre altro ossido nitrico. Questo è il motivo per cui alcuni atleti assumono integratori di L-citrullina.

Vale anche la pena sottolineare che i nostri vasi sanguigni producono due diverse forme di NOS. Una di queste è sempre attiva e produce ossido nitrico in modo costante. Questa forma è nota come NOS costitutiva (o cNOS / NOS III).

L'altra forma di NOS è in gran parte inattiva in condizioni normali, ma si attiva in presenza di infiammazione. Questa forma è denominata NOS inducibile ( o iNOS / NOS II).

Quando si tratta di favorire la vasodilatazione e il flusso sanguigno durante l'esercizio fisico, ci occupiamo principalmente della forma cNOS / NOS III . D'ora in poi, quando faremo riferimento alla NOS, ci riferiremo specificatamente alla cNOS / NOS III.

PUNTI CHIAVE

• L'ossido nitrico sintasi (NOS) è il nome dell'enzima che produce l'NO.
• L'ossido nitrico (NO) è prodotto dall'aminoacido L-arginina.
• L'L-arginina può essere prodotta a partire da un altro amminoacido: l'L-citrullina.
• Il NOS ha bisogno di altre molecole (cofattori) per funzionare: una di queste è il BH4.
• Esistono due tipi di NOS: la cNOS (o NOS III) e la iNOS (o NOS II).
• La cNOS (NOS III) è responsabile della produzione di NO, che provoca la dilatazione dei vasi sanguigni durante l'esercizio fisico.

Cosa determina la produzione di ossido nitrico (NO)?

Immagina di nuovo di fare 20 flessioni (o, se hai tempo e voglia, puoi provarle davvero nella vita reale!). Come già detto, il tuo cuore batterà più velocemente e con maggiore forza, facendo scorrere il sangue nelle arterie a un ritmo più sostenuto.

Quando il sangue scorre più velocemente, genera una forza di attrito contro il rivestimento interno delle pareti dei vasi sanguigni. Questa forza, nota come stress da taglio, stimola le cellule endoteliali vascolari (facendo sì che il calcio penetri in queste cellule) e attiva l'enzima NOS.

L'attivazione della NOS provoca la rapida formazione di ossido nitrico (NO), che porta alla dilatazione dei vasi sanguigni (vasodilatazione) e a un ulteriore aumento del flusso sanguigno. Si tratta di un meccanismo molto efficace per aumentare in modo rapido e significativo l'afflusso di sangue ai muscoli sollecitati dall'esercizio fisico.

Un altro fenomeno che si verifica quando si eseguono le flessioni (o qualsiasi altro esercizio, del resto) è che i muscoli coinvolti producono una molecola chiamata adenosina. Sulla superficie delle cellule endoteliali vascolari (che rivestono i vasi sanguigni) sono presenti speciali recettori dell’adenosina. Quando l’adenosina si lega a questi recettori, attiva anche la NOS e stimola la formazione di ossido nitrico (NO). Anche in questo caso, ciò porta alla vasodilatazione e all'aumento del flusso sanguigno.

Oltre ai recettori dell'adenosina, le cellule endoteliali vascolari presentano anche recettori per varie altre molecole (ad esempio l'acetilcolina, la bradichinina e la sostanza P). Queste molecole, dette «vasoattive», provocano tutte, in ultima analisi, una vasodilatazione attraverso la stimolazione della NOS e la formazione di ossido nitrico (NO).

In sintesi, vi sono due fattori principali che determinano il rilascio di NO da parte delle cellule endoteliali vascolari:

• Aumento del flusso sanguigno in un vaso sanguigno
• Altre molecole "vasoattive" che si legano ai recettori

PUNTI CHIAVE

• L'aumento del flusso sanguigno durante l'esercizio fisico stimola le cellule endoteliali vascolari a produrre una maggiore quantità di NO.
• Anche altre molecole (ad esempio l'adenosina, la bradichinina, l'acetilcolina) possono legarsi alle cellule endoteliali vascolari e stimolarle a produrre una maggiore quantità di NO.

In che modo l'NO provoca la vasodilatazione?

Abbiamo visto come l'NO venga prodotto dalle cellule endoteliali vascolari presenti nel rivestimento interno dei vasi sanguigni. Ma in che modo questo porta esattamente alla dilatazione dei vasi sanguigni? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo esaminare lo strato intermedio delle pareti dei vasi sanguigni. In questo strato si trovano anelli di muscolatura liscia, chiamati muscolatura liscia vascolare. Approfondiremo questo tipo di muscolatura in un prossimo articolo.

Una volta prodotto dalla NOS nelle cellule endoteliali, l'ossido nitrico (NO) si diffonde nelle cellule della muscolatura liscia vascolare. Qui stimola un enzima chiamato guanil ciclasi, che produce una molecola chiamata cGMP (guanosina monofosfato ciclico). Attraverso vari meccanismi (che coinvolgono ioni calcio, ioni potassio e altri enzimi), il cGMP provoca il rilassamento delle fibre muscolari lisce vascolari. Quando queste fibre si rilassano, si dilatano e il lume del vaso sanguigno si allarga. Ciò consente un maggiore flusso di sangue.

È interessante notare che i farmaci che inibiscono la degradazione del cGMP provocano una maggiore vasodilatazione. Un buon esempio è il Viagra, che viene utilizzato per trattare la disfunzione erettile favorendo l'afflusso di sangue al tessuto erettile del pene.

PUNTI CHIAVE

• L'ossido nitrico si diffonde dalle cellule endoteliali vascolari presenti nel rivestimento interno alla muscolatura liscia vascolare situata nello strato intermedio delle pareti dei vasi sanguigni.
• L'ossido nitrico provoca il rilassamento della muscolatura liscia vascolare.
• Il rilassamento della muscolatura liscia vascolare consente ai vasi sanguigni di dilatarsi e favorisce un maggiore flusso sanguigno.

Altri effetti dell'ossido nitrico (NO)

L'ossido nitrico non provoca solo vasodilatazione. Aiuta anche a prevenire la formazione di coaguli di sangue e a ridurre l'infiammazione.

Se vi siete mai tagliati mentre vi radevate, avrete notato che il sanguinamento si ferma rapidamente e si forma un coagulo di sangue. Ciò è dovuto in gran parte a un particolare componente del sangue: le piastrine. Le piastrine sono essenzialmente piccole cellule a forma di piastrina che aiutano a tappare i danni ai vasi sanguigni. Lo fanno aderendo prima ai siti di lesione del rivestimento interno dei vasi sanguigni (cioè l'endotelio) e poi legandosi ad altre piastrine per formare un coagulo.

Questo è ovviamente utile per arrestare un'emorragia (ad esempio dopo essersi tagliati durante la rasatura). In alcune circostanze, tuttavia, nei vasi sanguigni e nelle arterie possono formarsi dei coaguli (chiamati trombi) che iniziano a ostruirli. Ciò può interrompere l'afflusso di sangue a organi e tessuti importanti. L'ossido nitrico (NO) può aiutare a prevenire questo fenomeno impedendo alle piastrine di aderire all'endotelio vascolare.

Allo stesso modo, l'ossido nitrico impedisce ai globuli bianchi di aderire alla parete dei vasi sanguigni, un fenomeno che si verifica durante l'infiammazione.

PUNTI CHIAVE

• L'ossido nitrico impedisce alle piastrine di aderire alle pareti dei vasi sanguigni.
• L'ossido nitrico aiuta a prevenire la formazione di coaguli all'interno dei vasi sanguigni.
• L'ossido nitrico può aiutare a prevenire l'infiammazione delle pareti dei vasi sanguigni.

Genetica della produzione di ossido nitrico

Come per quasi tutte le caratteristiche, sia i geni che i fattori ambientali (ad esempio l'alimentazione e lo stile di vita) influiscono sulla produzione e sulla funzione dell'ossido nitrico (NO).

NOS3

Per quanto riguarda i geni, le variazioni (o SNP – si pronuncia "snip") nel gene NOS3, che codifica l'enzima cNOS / NOS III (ossido nitrico sintasi), possono influire sulla capacità dell'organismo di produrre ossido nitrico. Ad esempio, alcune varianti del gene NOS3 causano una minore attività dell'enzima NOS, il che può portare a livelli più bassi di ossido nitrico.

Al contrario, altre varianti del gene NOS3 potrebbero determinare un aumento dell'attività dell'enzima NOS III. Ciò comporterà una maggiore produzione di NO e, potenzialmente, un miglioramento dell'afflusso di sangue ai muscoli durante l'esercizio fisico.

Geni coinvolti nella produzione di BH4

Come spiegato in precedenza, l'enzima NOS III necessita di altre molecole (chiamate «cofattori») per funzionare in modo efficiente. Una di queste è la BH4 (tetraidrobiopterina). Le variazioni nei geni coinvolti nella produzione e nella metabolizzazione della BH4 possono quindi influire sull'efficacia con cui l'enzima NOS III produce ossido nitrico. Un esempio di uno di questi geni è il gene GCH1.

Altri geni

Poiché il corpo umano è complesso, anche i percorsi biologici associati alla produzione di ossido nitrico sono strettamente interconnessi con quelli che regolano altri processi, quali il metabolismo dei folati, il controllo dei livelli di calcio, l’infiammazione ecc. Di conseguenza, i geni coinvolti in questi processi (ad esempio MTFHR, MTRR e MTR nel metabolismo dei folati) influenzano la produzione di ossido nitrico.

Come posso aumentare i miei livelli di NO?

A seconda dei risultati dei tuoi tratti genetici relativi alla forma fisica, potresti voler aumentare la produzione di ossido nitrico (NO) da parte del tuo organismo. Ciò, a sua volta, potrebbe migliorare l'afflusso di sangue ai muscoli durante l'attività fisica. Esistono diversi modi per farlo, tra cui:

• Aumenta il consumo di alimenti ricchi di nitrati

L'ossido nitrico può formarsi anche senza l'enzima NOS, a partire dai nitrati presenti negli alimenti. Di conseguenza, una strategia per aumentare i livelli di ossido nitrico consiste nel consumare alimenti ricchi di nitrati, come barbabietole, sedano, lattuga, ravanelli e spinaci.

• Integratore con L-arginina

Come è stato dimostrato, le cellule endoteliali vascolari utilizzano l'enzima NOS III per produrre NO a partire dall'aminoacido L-arginina. Normalmente, l'organismo è in grado di produrre autonomamente una quantità sufficiente di L-arginina. Tuttavia, a seconda dei risultati del test genetico, l'assunzione di un integratore di L-arginina potrebbe rivelarsi utile per aumentare la produzione di NO.

• Integratore con L-citrullina

Uno dei prodotti della formazione di NO è l'aminoacido L-citrullina. Come già detto, la L-citrullina può essere riconvertita in L-arginina, che a sua volta può essere utilizzata per produrre altro NO. Sulla base di questo meccanismo, gli integratori di L-citrullina possono essere utilizzati per contribuire ad aumentare indirettamente i livelli di NO.

• Segui una dieta ricca di antiossidanti

Gli antiossidanti come la vitamina C, la vitamina E e il glutatione possono contribuire a ridurre la degradazione dell'ossido nitrico.