Questo parametro misura la capacità dei muscoli di crescere e generare nuovi mitocondri. Questo processo, chiamato biogenesi mitocondriale, svolge un ruolo fondamentale nelle prestazioni fisiche (in particolare nell'attività di resistenza e nell'esercizio aerobico).  

Cosa sono i mitocondri?

«I mitocondri sono le centrali energetiche della cellula»

Forse ricorderete quella bella frase dalle lezioni di biologia delle superiori. I nostri mitocondri (al singolare: mitocondrio) sono strutture specializzate, o «organelli», presenti all’interno delle nostre cellule e responsabili della produzione di energia.

Più precisamente, i mitocondri svolgono la respirazione cellulare, ovvero il processo attraverso il quale l'energia chimica proveniente dal cibo viene convertita in una forma di energia comune che può essere utilizzata per alimentare ogni tipo di funzione cellulare. Tali funzioni cellulari comprendono il trasporto di molecole, la crescita di nuove cellule e la contrazione delle fibre muscolari, tutte attività che richiedono una molecola energetica chiamata adenosina trifosfato, o ATP.

All'interno dei nostri mitocondri sono presenti diversi enzimi in grado di generare ATP da una varietà di fonti energetiche, tra cui il glucosio ( ottenuto dalla scomposizione dei carboidrati), gli acidi grassi (derivanti dalla scomposizione dei grassi) e/o gli aminoacidi (derivanti dalla scomposizione delle proteine). Questo processo di produzione di energia richiede ossigeno: lo chiamiamo quindi respirazione aerobica.

I mitocondri sono responsabili di due fasi fondamentali della respirazione aerobica: il ciclo di Krebs (o ciclo dell'acido citrico) e il trasporto di elettroni (o fosforilazione ossidativa). Entrambe queste fasi producono ATP, che possiamo poi utilizzare per alimentare le funzioni cellulari.

Nelle cellule del muscolo scheletrico, la respirazione aerobica è il principale meccanismo che fornisce l'energia necessaria per le contrazioni muscolari ripetute e prolungate nel tempo. I mitocondri rivestono quindi un ruolo particolarmente importante nell'alimentare sessioni di esercizio più lunghe, come quelle tipiche delle attività di resistenza quali la corsa su lunga distanza, il ciclismo e il nuoto.

PUNTI CHIAVE

• I mitocondri sono le parti della cellula responsabili della produzione di energia.
• I mitocondri producono una molecola chiamata ATP, la fonte di energia delle nostre cellule.
• L'ATP viene utilizzato per alimentare tutti i processi cellulari fondamentali per la sopravvivenza, compresa la contrazione muscolare.
• I mitocondri presenti nel muscolo scheletrico sono fondamentali per le prestazioni negli esercizi di resistenza.

Che cos'è la biogenesi mitocondriale?

La biogenesi mitocondriale indica l'aumento del contenuto mitocondriale di una cellula.

In parole povere, ciò può comportare entrambe le cose:

• ampliamento e crescita di nuovi componenti mitocondriali.
• divisione dei mitocondri esistenti per generarne di nuovi.

Poiché i mitocondri producono l'ATP (la fonte di energia delle nostre cellule), uno degli effetti principali della biogenesi mitocondriale è quello di garantire alle nostre cellule un maggiore apporto energetico.

Quando, ad esempio, nel muscolo scheletrico si verifica la biogenesi mitocondriale, l'aumento delle dimensioni e/o del numero dei mitocondri ci consente di sostenere contrazioni muscolari ripetute per un periodo di tempo più lungo. Chiaramente ciò è molto utile per gli esercizi di resistenza, caratterizzati da sforzi prolungati (ad esempio la corsa su lunghe distanze o il ciclismo).

In effetti, la biogenesi mitocondriale è un noto meccanismo di adattamento all'allenamento di resistenza. I biologi sanno da decenni che quando un muscolo viene utilizzato frequentemente, il suo contenuto mitocondriale aumenta. Ad esempio, il muscolo pettorale del pollo, un uccello che vola raramente, contiene meno mitocondri rispetto al muscolo pettorale di un piccione, un uccello che vola regolarmente.

Negli studi condotti sull'uomo (che sono quelli che ci interessano di più!), i campioni (biopsie) di muscolo prelevati da individui che non si erano mai allenati in precedenza dimostrano che questi sviluppano il 40% in più di mitocondri in risposta a sole 6 settimane di allenamento di resistenza.

PUNTI CHIAVE

• La biogenesi mitocondriale indica l'ingrossamento e l'aumento del numero dei mitocondri.
• La biogenesi mitocondriale migliora la capacità della cellula di produrre energia.
• La biogenesi mitocondriale è un adattamento benefico dell'organismo all'esercizio fisico di resistenza.

Perché la biogenesi mitocondriale è importante?

Resistenza

Ti sei mai chiesto perché gli atleti di resistenza sembrano riuscire ad andare avanti all’infinito?

La risposta è che, nel corso di mesi di allenamento, i loro muscoli hanno sviluppato una maggiore capacità di estrarre ossigeno dal flusso sanguigno. Uno dei motivi di questo aumento dell’estrazione di ossigeno è da ricercarsi nella crescita dei capillari e, di conseguenza, nel miglioramento dell’afflusso di sangue alle fibre muscolari. Un altro motivo è che, grazie alla biogenesi mitocondriale indotta dall’allenamento, le fibre muscolari degli atleti di resistenza presentano un maggiore contenuto mitocondriale.

Un maggiore contenuto mitocondriale consente alle cellule muscolari di utilizzare più ossigeno per il processo di respirazione aerobica. Ciò conferisce ai muscoli una maggiore capacità di produrre ATP, che può essere utilizzato per sostenere l'attività fisica per lunghi periodi.

La biogenesi mitocondriale è quindi un ottimo esempio di ciò che chiamiamo«adattamento all'allenamento»: una risposta benefica del nostro corpo allo stress ripetuto causato dall'esercizio fisico.

PUNTI CHIAVE

• La biogenesi mitocondriale consente ai muscoli di produrre più energia per sostenere l'attività fisica per periodi prolungati.

Controllo dei livelli di glucosio nel sangue

La biogenesi mitocondriale potrebbe influire sulla sensibilità cellulare all'insulina e, di conseguenza, sul controllo dei livelli di glucosio nel sangue.

È interessante notare che alcuni studi suggeriscono che le cellule muscolari delle persone affette da diabete di tipo II (caratterizzato da livelli elevati di glucosio nel sangue e da una scarsa sensibilità all'insulina) presentino un numero inferiore di mitocondri, che sono inoltre di dimensioni più ridotte.

Non è ancora chiaro se l'alterazione della biogenesi mitocondriale sia la causa o semplicemente un sintomo di uno scarso controllo glicemico. Una delle teorie principali sostiene che una biogenesi mitocondriale compromessa comporti una riduzione del numero di mitocondri, con conseguente minore efficienza nell'utilizzo degli acidi grassi per la respirazione cellulare. Il conseguente accumulo di metaboliti degli acidi grassi blocca poi le vie di segnalazione dell'insulina, rendendo le cellule meno sensibili all'insulina.

PUNTI CHIAVE

• La biogenesi mitocondriale è associata a una maggiore sensibilità all'insulina e a un migliore controllo dei livelli di zucchero nel sangue.

Produzione di radicali liberi (specie reattive dell'ossigeno)

Nell'ambito del processo di respirazione aerobica, i mitocondri producono sostanze denominate specie reattive dell'ossigeno (ROS), che sono un tipo di radicali liberi.

I radicali liberi sono atomi o molecole con elettroni spaiati, il che li rende altamente reattivi e in grado di causare danni alle cellule e al DNA. Questo tipo di danno è noto come danno ossidativo ed è associato a infiammazione, danni ai vasi sanguigni, invecchiamento e una ridotta sensibilità all'insulina.

Fortunatamente i nostri mitocondri dispongono di meccanismi di difesa integrati (ad esempio enzimi speciali) per limitare l'accumulo di specie reattive dell'ossigeno. Tuttavia, quando i mitocondri funzionano in modo meno efficiente, questi meccanismi di difesa possono essere sopraffatti, portando alla produzione di un maggior numero di specie reattive dell'ossigeno.

La biogenesi mitocondriale può fornire una protezione contro questo fenomeno. Stimolando un aumento delle dimensioni e del numero dei mitocondri, la biogenesi mitocondriale aumenta l'efficienza dei singoli mitocondri, facendo sì che producano meno specie reattive dell'ossigeno (ROS) durante la respirazione. Ciò può proteggere dalle lesioni cellulari e dal danneggiamento del DNA.

PUNTI CHIAVE

• La biogenesi mitocondriale rende i mitocondri più efficienti nella produzione di energia. Ciò riduce la produzione di radicali liberi dannosi e di specie reattive dell'ossigeno (ROS).

Cosa stimola la biogenesi mitocondriale?

Esercizio fisico

Come accennato in precedenza, la biogenesi mitocondriale è un adattamento all'allenamento che si verifica in risposta a un'attività fisica frequente.

- Allenamento di resistenza o di forza?

L'esercizio fisico di resistenza prolungato stimola la biogenesi mitocondriale.

Si ritiene generalmente che l'esercizio di resistenza provochi alterazioni nei mitocondri, mentre l'allenamento di resistenza (o di forza) provochi alterazioni nelle parti delle nostre fibre muscolari che si contraggono (note come miofibrille).

Sebbene alcuni studi dimostrino che anche l'allenamento di resistenza possa stimolare la biogenesi mitocondriale, l'effetto è meno marcato rispetto a quello osservato con l'allenamento di resistenza.

Di conseguenza, la biogenesi mitocondriale è più marcata nelle nostre fibre muscolari a contrazione lenta (tipo I) e nelle fibre ossidative a contrazione rapida (tipo IIa) rispetto alle nostre fibre glicolitiche a contrazione (molto) rapida (tipo IIb).

Le nostre fibre di tipo I e di tipo IIa ricavano energia dalla respirazione aerobica e vengono coinvolte maggiormente durante l'esercizio di resistenza.

- Volume elevato o intensità elevata?

Si discute ancora su quale sia il modo migliore per strutturare un programma di allenamento volto a stimolare la biogenesi mitocondriale. È meglio allenarsi molto o allenarsi intensamente?

Alcuni studi suggeriscono che il volume di allenamento (ovvero la quantità totale di lavoro) sia molto più importante dell'intensità di allenamento (ovvero quanto intensamente ci si allena) per quanto riguarda l'aumento delle dimensioni e del numero dei mitocondri. Nella letteratura scientifica, si ritiene che l'allenamento ad alto volume sia correlato a un aumento del contenuto mitocondriale.

Al contrario, si ritiene che gli allenamenti più intensi, come l'HIIT (allenamento a intervalli ad alta intensità), rendano i nostri mitocondri più efficaci nella produzione di energia, senza necessariamente aumentarne le dimensioni o il numero. Questo fenomeno viene definito nella letteratura scientifica come aumento della funzione mitocondriale.

Senza addentrarci troppo in questo dibattito scientifico, è probabile che sia l'HIIT sia l'esercizio fisico continuo (a ritmo costante) possano stimolare la biogenesi mitocondriale e migliorare la resistenza.

- Regolarità

I nostri muscoli sono molto «plastici». Questo non significa che siano fatti di PVC, ma piuttosto che le nostre cellule muscolari si adattano e modificano rapidamente la loro struttura in risposta alle mutevoli esigenze ambientali.

Alcuni studi indicano che la biogenesi mitocondriale è reversibile e che anche solo una settimana di inattività può comportare una diminuzione del contenuto mitocondriale. L'esercizio fisico regolare è quindi fondamentale per stimolare la biogenesi mitocondriale.

Restrizione calorica

La restrizione calorica consiste semplicemente nel limitare la quantità di calorie che assumiamo, assicurandoci al contempo di assumere tutti i nutrienti essenziali e di non andare incontro a malnutrizione.

Il digiuno intermittente (ad esempio la dieta 5:2) è un esempio di restrizione calorica. Altri regimi di restrizione calorica prevedono una riduzione dell'apporto calorico giornaliero del 20-40% per un lungo periodo.

Esistono numerose prove che dimostrano che la restrizione calorica può stimolare la biogenesi mitocondriale.

In uno studio, ai soggetti è stata somministrata una dieta con il 25% di calorie in meno per un periodo di 6 mesi. Rispetto ai soggetti del gruppo di controllo (che seguivano una dieta normale), quelli sottoposti a restrizione calorica hanno prodotto un maggior numero di mitocondri nei muscoli scheletrici e hanno espresso una maggiore quantità della proteina PGC-1α (vedi «Che cos’è la PGC-1α?» più avanti).

Inoltre, nei soggetti sottoposti a restrizione calorica si è osservata una marcata riduzione dei marcatori di danno al DNA. Ciò è probabilmente dovuto al ruolo della biogenesi mitocondriale nel limitare la produzione di molecole dannose di specie reattive dell'ossigeno (ROS).

Temperature estreme

È stato dimostrato che l'esposizione sia alle temperature elevate che a quelle basse stimola la biogenesi mitocondriale.

I meccanismi alla base di questo fenomeno non sono ancora del tutto chiari. Durante l'esercizio fisico di resistenza, la temperatura all'interno dei muscoli aumenta a causa della conversione dell'energia chimica in energia termica nel corso del processo respiratorio. Questo «lieve stress termico» potrebbe fungere da fattore scatenante per la biogenesi mitocondriale.

Al contrario, poiché i mitocondri producono energia termica durante la respirazione (un processo chiamato termogenesi), l'esposizione al freddo potrebbe stimolare la formazione di un maggior numero di mitocondri, forse per contrastare l'abbassamento della temperatura. A questo proposito, l'esposizione al freddo (ad esempio, fare una doccia fredda) subito dopo l'esercizio fisico potrebbe favorire la biogenesi mitocondriale.

PUNTI CHIAVE

• L'esercizio fisico di resistenza praticato regolarmente (compreso l'HIIT), la restrizione calorica (ad esempio il digiuno intermittente) e l'esposizione a temperature estreme possono tutti stimolare la biogenesi mitocondriale.

Che cos'è il PGC-1α?

PGC-1α è l'acronimo di PPARA (recettore attivato dai proliferatori dei perossisomi)-y Coattivatore-1α.

Si tratta di una proteina fondamentale che regola la biogenesi mitocondriale.

Come parte della nostra risposta all'allenamento fisico, produciamo una maggiore quantità di PGC-1α, che stimola la crescita, l'ingrossamento e la divisione dei mitocondri nelle cellule del muscolo scheletrico (cioè la biogenesi mitocondriale).

PUNTI CHIAVE

• Il PGC-1α è una proteina che stimola la biogenesi mitocondriale.
• L'attività fisica, la restrizione calorica e le temperature estreme aumentano tutte la nostra produzione di PGC-1α.

Come agisce il PGC-1α?

Ogni volta che facciamo esercizio fisico, la contrazione dei nostri muscoli innesca una complessa cascata di segnali all'interno delle nostre cellule muscolari. Questa cascata di segnali coinvolge enzimi speciali chiamati chinasi.

Alcuni di questi enzimi chinasi (ad esempio l'AMPK) attivano e aumentano la produzione di PGC-1α. A sua volta, il PGC-1α si lega ad altre proteine, chiamate fattori di trascrizione, e le attiva.

I fattori di trascrizione sono molecole importanti che si legano direttamente al DNA e attivano o disattivano i geni.

Quando un gene (ovvero un'unità di DNA che codifica una proteina) viene attivato da un fattore di trascrizione, quel tratto di DNA viene infine trasformato in una proteina. L'intero processo è chiamato espressione genica ( la cui prima fase è denominata trascrizione).

Il PGC-1α attiva in particolare due fattori di trascrizione fondamentali: NRF-1 e NRF-2. Una volta attivati, questi fattori di trascrizione si legano al DNA e avviano la produzione di varie proteine coinvolte nella biogenesi mitocondriale.

Queste proteine vengono poi trasportate nei mitocondri, stimolandone la crescita e la divisione.

È interessante notare che anche i mitocondri possiedono un proprio DNA. La maggior parte del nostro DNA si trova nel nucleo della cellula (che chiamiamo «DNA nucleare»), dove è organizzato in cromosomi e contiene circa 21.000 geni. I nostri mitocondri, invece, possiedono una porzione molto più piccola di DNA proprio (chiamato DNA mitocondriale o mtDNA), contenente 37 geni che codificano per proteine coinvolte nella respirazione.

Oltre ad attivare geni presenti nel DNA nucleare, il PGC-1α è in grado di attivare geni presenti nel DNA mitocondriale (mtDNA). Ad esempio, il PGC-1α attiva un altro fattore di trascrizione chiamato Tfam (fattore di trascrizione mitocondriale A). Ciò stimola la produzione di geni mitocondriali legati alla biogenesi mitocondriale e ad altri adattamenti all'esercizio fisico.

PUNTI CHIAVE

• La produzione di PGC-1α viene attivata in risposta all'esercizio fisico.
• Il PGC-1α attiva delle molecole chiamate «fattori di trascrizione».
• I fattori di trascrizione attivano i geni coinvolti nella biogenesi mitocondriale e negli adattamenti mitocondriali che migliorano le prestazioni fisiche.

Genetica

La proteina PGC-1α è codificata dal gene PPARGC1A (o PGC1A).

Le varianti di questo gene influiscono sulla capacità di produrre la proteina PGC-1α, che a sua volta determina l'efficacia con cui viene regolata la biogenesi mitocondriale. Poiché i mitocondri sono fondamentali per la respirazione aerobica durante l'esercizio di resistenza, il gene PGC1A può influire sulle prestazioni di base in termini di resistenza e esercizio aerobico.

Varianti del genePPARGC1A / PGC1A

Noi di FitnessGenes analizziamo le variazioni di una singola lettera nel tuo codice genetico. Queste variazioni sono chiamate polimorfismi a singolo nucleotide o SNP (si pronuncia “snip”).

Quando si verifica una mutazione puntiforme (SNP) in un gene (ovvero un tratto di DNA che codifica una determinata proteina), si generano diverse varianti di quel gene. Ciò, a sua volta, provoca cambiamenti nella struttura, nella funzione e nella quantità della proteina prodotta da quel gene.

È esattamente ciò che accade con le varianti (chiamate «alleli») del gene PPARGC1A / PGC1A.

Un polimorfismo SNP (rs8192678) nel gene PGC1A dà origine a due varianti (alleli): l'allele «A» e l'allele «G». A seconda delle varianti ereditate, si producono solitamente quantità diverse della proteina PGC-1α.

Un allele

L'allele "A" del gene PGC1A è associato a livelli più bassi della proteina PGC-1α e a una capacità di resistenza di base leggermente inferiore. Alcuni studi suggeriscono che l'allele "A" sia anche associato a un rischio maggiore di diabete di tipo II e a una scarsa sensibilità all'insulina.

(Nota: l'allele "A" viene talvolta chiamato allele "S", poiché la modifica di una singola lettera nel codice del DNA determina la presenza dell'aminoacido serinaall'interno della proteina PGC-1α).

Allele G

L'allele "G" del gene PGC1A è associato a livelli più elevati della proteina PGC-1α e a una maggiore capacità di resistenza di base.

(Nota: a differenza dell'allele A(S), che codifica per la serina, l'allele "G" determina la presenza dell'aminoacido glicina nella proteina PGC-1α).

Genotipi diversi – AA, AG (o GA), GG

Ereditiamo due copie di ogni gene: una dalla madre e una dal padre. A seconda della variante o dell’allele del gene PGC1A che ereditiamo da ciascun genitore, possiamo avere una delle tre possibili combinazioni genetiche (chiamate genotipi).

AA

Se ereditiamo un allele «A» da entrambi i genitori, avremo il genotipo AA. Ciò è associato a bassi livelli della proteina PGC-1α.

GG

Se ereditiamo l'allele G da entrambi i genitori, avremo il genotipo GG. Ciò è associato a livelli elevati della proteina PGC-1α.

AG (o GA)

Se ereditiamo un allele «A» da un genitore e un allele «G» dall’altro, avremo il genotipo AG (o GA). Ciò è associato a livelli medi della proteina PGC-1α.

Fattori legati allo stile di vita

Naturalmente, i geni sono solo una parte del quadro. Il tuo stile di vita, compreso il modo in cui ti alleni, ti nutri e ti riprendi, può influire in modo significativo sui livelli della proteina PGC-1α. Per saperne di più, assicurati di prestare attenzione alle tue abitudini.

PUNTI CHIAVE

• Le varianti del gene PGC1A (PPARGC1A) influenzano i livelli della proteina PGC-1α.
• Le varianti del gene PGC1A influenzano le tue prestazioni di resistenza.
• Modificare la dieta, l'attività fisica e le routine di recupero può inoltre ottimizzare i livelli della proteina PGC-1α, migliorando le prestazioni fisiche.

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