Il metabolismo del lattato (parte prima)

Uno dei temi più controversi e male interpretati della fisiologia dell’esercizio riguarda il metabolismo del lattato. Sul lattato si è detto e scritto, tutto e il contrario di tutto e, ad oggi, pare che il concetto generi ancora qualche fraintendimento. Perché il lattato riveste un ruolo così importante nella preparazione fisica? L’attenzione posta sulla cinetica del lattato, ovvero su come varia la sua concentrazione nella cellula e nel sangue, deriva dal suo legame con l’intervento dei sistemi energetici durante l’esercizio fisico.

Poiché la sua concentrazione è direttamente relazionata all’intensità dell’esercizio, si è pensato che fosse un parametro oggettivo per stabilire le diverse intensità di allenamento (Mader 1976). La concentrazione di lattato ematico è considerata la più attendibile e pratica forma di misurazione dell’intensità dell’esercizio. Il ragionamento degli studiosi che per primi rilevarono questa relazione fu che se la cinetica (livello di concentrazione) del lattato indicava l’intervento dei sistemi energetici relativamente a diverse intensità di esercizio, allora era possibile misurare la sua concentrazione e impostare gli allenamenti con un grado di precisione molto elevato. Inoltre Mader ipotizzò che per gli sport in cui la potenza aerobica è rilevante per la performance, il miglior allenamento fosse quello corrispondente ad una intensità corrispondente ad una concentrazione ematica di lattato pari a 4 mmol/l. Fu da quel momento che il concetto di soglia anaerobica e l’interesse per il lattato divenne un “must” nella preparazione atletica degli sport di endurance. Lo studio dei sistemi energetici, soprattutto la fosforilazione ossidativa e la glicolisi, ha chiarito che, quando l’intensità dello sforzo supera una determinata intensità, la concentrazione dello ione lattato tende ad aumentare nel muscolo e a diffondere successivamente nel sangue, ove può essere agevolmente misurata attraverso il prelievo ematico arterioso, effettuato sul lobo dell’orecchio o sul polpastrello del dito di una mano. Il lattato deriva dalla riduzione del piruvato, prodotto dalla glicolisi, nel citoplasma. La ricerca si è quindi concentrata su come determinare, sulla base delle concentrazioni di lattato ematico, il diverso contributo fornito dai dei sistemi energetici glicolitico e della fosforilazione ossidativa. Ricordo che la glicolisi fornisce sempre un minimo contributo, anche a basse intensità di esercizio, tuttavia il piruvato prodotto è trasformato in acetil-CoA ed indirizzato al ciclo di krebs dalla piruvato deidrogenasi (PDH) dove è completamente ossidato. Riuscendo a stabilire l’intensità alla quale la fosforilazione ossidativa è insufficiente a garantire tutta l’energia necessaria alla continuità dell’esercizio, si può individuare il punto in cui diviene predominante l’intervento della glicolisi. La glicolisi fornisce il piruvato da cui, attraverso l’intervento dell’enzima piruvato deidrogenasi (PDH), si ottiene il “combustibile” per il ciclo di Krebs, ovvero l’acetil-CoA, quando però l’esercizio supera una certa intensità, la produzione di questa molecola eccede la capacità del ciclo di Krebs di metabolizzarla e quindi inizia ad accumularsi nella cellula. Questo “eccesso” fa mancare l’approvvigionamento di equivalenti di riduzione (NADH+) a una delle reazioni della glicolisi, ponendo a rischio la continuazione dell’esercizio, per l’incapacità di ri-sintetizzare ATP. La strategia escogitata dall’organismo per impedire il blocco dell’attività è quello di ottenere gli equivalenti di riduzioni riducendo il piruvato in lattato. Nel metabolismo energetico sono presenti delle importanti reazioni biochimiche note come ossidoriduzioni in cui una sostanza si ossida e l’altra si riduce, nella glicolisi la ossidoriduzione prevede l’ossidazione di una molecola nota come glicerardeide 3 fosfato in 1,2 bifosfoglicerato con l’associata riduzione di NAD+ in NADH+H+. Senza necessità di addentrarsi nelle specifiche chimiche è sufficiente sapere che la reazione, per poter funzionare, ha bisogno di un continuo rifornimento di NAD+, che in condizioni aerobiche è principalmente garantito dalla fosforilazione ossidativa. Quando però l’intensità è molto elevata questo coenzima non è prodotto in sufficiente quantità attraverso la fosforilazione ossidativa per cui il piruvato è ridotto a lattato secondo la seguente reazione catalizzata dall’enzima lattato deidrogenasi (LDH): piruvato+ NADH+H+lattato+NAD+ rifornendo la glicolisi del coenzima riducente di cui necessita per proseguire le reazioni che la compongono. Da tutto quanto detto si conclude che una delle funzioni del metabolismo del lattato è anche quella di fornire il coenzima ossidato NAD+ necessario a impedire il blocco della glicolisi e quindi dell’attività motoria. Questa dinamica biochimica fece pensare che quando la quantità di lattato cresceva senza stabilizzarsi a uno stato stazionario (steady state) si fosse in presenza di uno stato di ipossia muscolare che impediva la rigenerazione di NAD+. In definitiva il punto critico del sistema era attribuito alla disponibilità del substrato ossigeno. Wasserman (Wasserman et al. 1973) riteneva vi fosse un’intensità dello sforzo oltre la quale si creava un’ipossia a livello di fibre muscolari, più precisamente alla catena di trasporto degli elettroni nel mitocondrio, che impediva la fosforilazione ossidativa innescando la glicolisi anaerobica. Trattandosi, secondo Wasserman, di un problema di ossigenazione chiamò la concentrazione di lattato corrispondente all’intensità per cui la crescita della concentrazione saliva molto rapidamente, soglia anaerobica. La produzione di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa sarebbe compromessa a causa di un deficit nel rifornimento di ossigeno al mitocondrio che quindi impedisce all’ultimo anello della catena di trasporto degli elettroni (citocromo c) di cedergli i sui elettroni, bloccando il funzionamento della fosforilazione ossidativa in favore della glicolisi anaerobica. La soglia anaerobica, quindi, evidenzierebbe il “brusco” passaggio da un sistema energetico aerobico, la fosforilazione ossidativa, ad uno anaerobico, la glicolisi anaerobica. Più o meno negli stessi anni Alois Mader scoprì che circa l’80% di un campione statistico di atleti, di diversa levatura e praticanti diversi sport, giungevano presto a esaustione quando il valore del lattato ematico superava le 4 mmol/l. Un dato così importante sembrava indicare che una concentrazione pari a 4 mmol/l di lattato ematico fosse un parametro affidabile e certo per la determinazione delle diverse intensità di allenamento. Per molto tempo (e ancora oggi) il valore di 4 mmol/l è stato utilizzato come riferimento per una presunta soglia anaerobica che dovrebbe individuare inequivocabilmente l’intensità per cui il sistema glicolitico anaerobico diviene preponderante nell’erogazione dell’energia per la risintesi di ATP . La ricerca ha dimostrato che le conclusioni di Mader presentano almeno due criticità: la prima, più evidente, è che il 20% dei soggetti testati si discostava, per eccesso o per difetto, dal valore di riferimento, ponendo seri problemi nell’interpretazione e pianificazione degli allenamenti. Se infatti si va a individuare, attraverso un test incrementale, la corrispondenza con le 4 mmol/l in un atleta che in realtà presenta la criticità già a 3 mmol/l e si strutturano gli allenamenti su questo valore, essi saranno sempre eccessivamente intensi rispetto a quanto atteso, aumentando il rischio di overtraining, oltre che a somministrare un errato stimolo biologico. Allo stesso modo un atleta che presenta la criticità attorno alle 5 mmol/l eseguirà degli allenamenti sottostimati per le proprie caratteristiche. Per dare un’idea dei valori di lattato ematico, allo stato stazionario, che sono stati riscontrati in diversi atleti basti pensare che possono variare tra le 2 mmol/l e le 8 mmol/l (Beneke et al., 2000). Oggi si preferisce parlare di soglia del lattato o lactate threshold (LT) e massimo stato stazionario del lattato o maximum lactate steady state (MLSS o MaxLass), per indicare il livello d’intensità dello sforzo per cui la concentrazione di lattato ematico rimane costante, ossia si osserva un equilibrio tra produzione e smaltimento. Quando il lattato fu individuato come possibile parametro di controllo dell’intervento dei diversi sistemi energetici, era opinione diffusa che esso fosse sostanzialmente un prodotto di scarto e che, con l’aumentare della concentrazione, conducesse a un decadimento della contrazione muscolare. Il ragionamento era molto semplice: se quando sono costretto a diminuire l’intensità dello sforzo trovo nel sangue una consistente concentrazione di lattato, è evidente che quella sostanza influisce negativamente sulla prestazione. Innanzitutto occorre precisare che l’acido lattico a pH cellulare esiste in forma dissociata, ovvero come anione lattato (La-). Per molto tempo si è ritenuto che la fatica muscolare fosse da imputare all’effetto del lattato nella cellula muscolare, poiché nel muscolo affaticato era sempre rilevabile una grossa quantità di questo prodotto dopo sforzi molto intensi. Le recenti ricerche, tuttavia, sembrano confutare quest’affermazione rilevando, al contrario, come il lattato svolga un ruolo di protezione dagli effetti indotti dall’esercizio intenso, ascrivibili alla perdita intracellulare di ioni potassio dalle fibre molto attive (Nielsen et al. 2001). Sarebbero dunque questi ultimi a causare, o comunque concorrere, all’insorgere della fatica. Il tema è ancora oggetto di studio e certamente questi dati non possono essere ritenuti conclusivi, ma tuttavia danno spazio a un’interpretazione multifattoriale della fatica. Il lattato è una molecola ancora energeticamente molto ricca ed è quindi plausibile che non possa essere categorizzata come una semplice sostanza di scarto. Sebbene nella ricerca scientifica sia sempre azzardato ragionare per finalità, l’organismo cerca sempre di ottimizzare la spesa energetica e sarebbe molto strano che scartasse una molecola ancora molto carica energeticamente. L’ossidazione completa di una molecola di lattato può produrre 15 molecole di ATP! Recenti ricerche sul metabolismo dei lipidi hanno chiarito che in stato di digiuno la sintesi dei triacilgliceroli (trigliceridi) avviene principalmente attraverso precursori gluconeogenetici, tra cui compare anche il lattato (Houston 2008). La reazione che permette questa conversione è chiamata glicerologenesi, e riesce a formare la molecola necessaria per l’esterificazione degli acidi grassi partendo dal lattato. Riassumendo dalla glicolisi viene prodotto il piruvato il quale può seguire due differenti destini:

1. entrare nel ciclo di Krebs per essere completamente ossidato;
2. essere ridotto a lattato.

Quale delle due vie percorre dipenderà da una serie di cause come:

1. l’intensità dell’esercizio e quindi la quantità di piruvato prodotta nell’ unità di tempo;
2. la quantità e la grandezza dei mitocondri;
3. La massa di enzimi mitocondriali;
4. la quantità di ossigeno disponibile.
Il fatto che al crescere dell’intensità dell’esercizio la produzione di piruvato ecceda la capacità dei mitocondri di ossidarlo attraverso fosforilazione ossidativa, non significa, come abbiamo osservato, che l’ossigeno sia l’anello debole della catena e che si addivenga a una situazione di ipossia, più semplicemente è plausibile che le reazioni biochimiche di ossidazione non riescano a sostenere la velocità di produzione del piruvato. È dimostrato che la fosforilazione ossidativa può essere mantenuta anche quando si presenta una carenza di ossigeno, attraverso il bilanciamento delle concentrazioni di ATP/ ADP di NADH+H+/NAD+ e di fosfato (Houston 2008). Le ricerche condotte da George Brooks, già dal 1984, hanno chiarito definitivamente il ruolo del lattato nel metabolismo energetico trasformandolo, da prodotto di scarto dannoso, a molecola di primaria importanza come combustibile energetico. Brooks, attraverso il tracciamento con isotopi radioattivi, è riuscito a dimostrare come il 75% del lattato prodotto sia ossidato per produrre energia, mentre gran parte della restante quota viene riconvertita a glucosio e glicogeno (Brooks et al. 1998; Brooks et al. 1991; Brooks e Donovan 1983). In seguito alle sue ricerche Brooks definì la teoria dello “shuttle del lattato”, ampiamente accettata dalla comunità scientifica. Questa teoria afferma che il lattato è veicolato dal sito di produzione verso altri tessuti per essere utilizzato come substrato energetico, o verso il fegato ove, attraverso un ciclo di riconversione (ciclo di Cori) si ri-ossida a piruvato per poi produrre glucosio da rilasciare nel flusso sanguigno. Per il ricercatore il lattato oltre a non essere una sostanza di scarto costituisce gran parte del flusso della glicolisi. In parole povere sembra che la riduzione del piruvato a lattato faccia parte di una strategia energetica ben precisa dell’organismo e che vada conteggiato come un substrato energetico non affatto marginale. Si tratta di una vera e propria rivoluzione copernicana, di cui, a distanza di un quarto di secolo, molti ancora devono prendere coscienza! Lo shuttle del lattato sarebbe il meccanismo utilizzato dall’organismo per spostare il glicogeno da dove è poco richiesto a dove c’è un’aumentata necessità. Ricordiamo, infatti, che il glicogeno deve essere prodotto “in situ” e non può essere mobilitato da una cellula all’altra. Lo shuttle intercellulare (Brooks 2000) prevede che le fibre glicolitiche (fibre di tipo II) rilascino il lattato e che questo sia prelevato e ossidato a piruvato dalle fibre ossidative (fibre tipo I). Brooks propone anche un ampliamento della sua teoria (Brooks 2000) in cui ipotizza uno shuttle intracellulare secondo cui all’interno della stessa fibra (fibra tipo I) si formerebbe il lattato nel citoplasma (la parte della cellula che contiene gli organelli di cui i mitocondri fanno parte) e sarebbe poi ossidato direttamente dal mitocondrio senza essere riconvertito a piruvato. Per comprendere appieno il ruolo del lattato come substrato energetico è necessario indagare la sua cinetica, ovverosia come compare e degrada nell’organismo. Si dice turnover del lattato il bilanciamento tra produzione e rimozione del lattato (Brooks 1985). Il turnover si può stabilire a diverse intensità e indica una situazione di equilibrio in cui non si nota alcun accumulo di lattato. Seguendo la definizione è facile capire che il massimo stato stazionario del lattato (MLSS) è il punto di massimo turnover del lattato. Approssimativamente il 50% del flusso prodotto dalla glicolisi passa attraverso il lattato (Brooks 1999), mostrando la sua importanza come intermediario tra il glicogeno, il glucosio e il metabolismo energetico. Una ricerca di Stanley e collaboratori (Stanley 1988), mostra come pedalando a un’intensità relativamente bassa, compresa tra il 38 e il 48% del VO2max, per un periodo di tempo tra 30 e 50 minuti, il 20% dell’utilizzazione di glucosio provenga dal lattato e che, parimenti, il 20% del lattato che compare nel flusso sanguigno proviene dal glucosio presumibilmente derivato dal glicogeno. Si stabilisce, quindi, un turnover del lattato a intensità molto lontane dalla glicolisi anaerobica per cui una rilevante quota di substrato energetico è fornita dal lattato. Questo come altri studi hanno chiarito che il metabolismo energetico sorretto dal lattato non si esplica solo a intensità prossime al MLSS o in condizioni di ipossia, ma è ben attivo anche a intensità inferiori e, soprattutto, che il lattato è, a tutti gli effetti, un substrato energetico. Il lattato è rilasciato dal muscolo anche quando l’approvvigionamento di ossigeno è sufficiente (Graham e Saltin 1989; Richardson et al. 1998; MacRae et al. 1992). Quindi la concentrazione di lattato aumenta in relazione diretta con l’intensità dello sforzo poiché questo è un prodotto della glicogenolisi e della glicolisi (Billat et al. 2003) con un preciso scopo energetico, e non a causa di presunte condizioni anaerobiche. Abbiamo visto che gli enzimi sono responsabili del funzionamento delle reazioni biochimiche e quindi la loro concentrazione esprime la potenza o l’efficienza di una determinata reazione. L’enzima che catalizza la riduzione del piruvato in lattato si chiama lattato deidrogenasi (LDH), mentre quello che catalizza la trasformazione del piruvato in acetil-CoA da inviare al ciclo di Krebs si chiama piruvato deidrogenasi (PDH); bene, per capire quanto il metabolismo del lattato sia importante si consideri che il flusso di piruvato attraverso la LDH è 2-3 volte superiore a quello della PDH per intensità tra il 65 e il 90% del VO2max (Spriet 2000). Questo significa che è più significativa la via che tende a produrre lattato rispetto alla normale ossidazione per intensità che, almeno nei valori minimi (65% del VO2max), sono attorno al MLSS. Brooks riporta (Brooks 1999) che esaminando il bilanciamento del lattato in un esercizio al cicloergometro al 50% del VO2max, si rilevava un transiente incremento del lattato nelle gambe. Dopo 15 minuti si notava un cambiamento nell’attività dei muscoli che da produttori divenivano consumatori di lattato stabilendo un equilibrio nel lattato ematico. Ancora più sorprendente è il fatto che il rilascio e uptake del lattato si è osservato anche negli avambracci durante un esercizio al cicloergometro (Buckley 1993). Sembrerebbe quindi che le riserve di glicogeno accumulate negli avambracci siano metabolizzate a lattato e trasportate, attraverso il circolo sanguigno, ai muscoli attivi come riserve addizionali di energia. Questo evidenzia come, non solo i muscoli in esercizio, ma anche i muscoli a riposo e altri tessuti, partecipano al metabolismo energetico del lattato producendo lattato per mantenere la concentrazione arteriosa a un determinato livello compatibile con lo sforzo profuso. L’ossidazione del lattato è pari a circa il 50% nello stato di riposo e si eleva al 75% durante l’esercizio (Brooks 1999). La produzione di piruvato è strettamente correlata alla glicogenolisi, che è il processo biochimico che si incarica di “spezzettare” la catena polimerica di glicogeno per estrarre le singole unità di glucosio da utilizzare per la resintesi dell’ATP. Questo ci porta a concludere che il piruvato, in ultima analisi, è strettamente dipendente dalla concentrazione di glicogeno muscolare. È stato dimostrato (Baldwin et al. 2003; Arkinstall et al. 2004) che una persona svolgendo lo stesso tipo di attività sub-massimale con buone riserve di glicogeno o in stato di deplezione (cioè con poco glicogeno disponibile) produceva un quantitativo maggiore di lattato nella prima condizione! La ricerca (Spencer et al. 1992) mostra che, effettuare un allenamento di resistenza con scarse riserve di glicogeno disponibili, porta a un maggior utilizzo di lipidi quale substrato per la fosforilazione ossidativa. L’allenamento di resistenza ha un’azione diretta sulle proteine del ciclo di Krebs e sul trasporto degli elettroni, così come sugli enzimi coinvolti nel metabolismo lipidico, conducendo a una riduzione della produzione di piruvato e quindi a un risparmio dei carboidrati. L’effetto netto è di una minor produzione di lattato quando le riserve di glicogeno iniziano a ridursi. Il più evidente risultato dell’allenamento dei resistenza è un risparmio di carboidrati a danno dei lipidi nella risintesi di ATP.


 

Bibliografia

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