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Dalle vie di scambio calorico ai fattori di termoregolazione della
sudorazione. L¹importanza della corretta assunzione idrica.
a cura di GIANFRANCO FANTETTI
Tecnico ISEF-CSEN
La pratica dell¹esercizio fisico e dell¹allenamento comporta la produzionedi calore. L¹energia utilizzata in corso di contrazione muscolare vieneutilizzata solo al 20-25% per produrre lavoro meccanico, mentre il restante 75-80% si libera sotto forma di calore.La macchina umana è in grado di regolare costantemente la propria temperatura corporea interna sul valore di 37°C (+/-0,5), valore ottimale per lo svolgimento di tutte le reazioni biologiche. Il calore prodotto varia in funzione sia dell¹intensità che della durata dell¹attività svolta. Si calcola, infatti, che durante un¹attività fisica di media entità si liberi una quantità di calore sufficiente per elevare la temperatura corporea di 1°C ogni 5-8 minuti. Il mantenimento di un livello termico costante, come avviene negli animali omeotermi, avviene a prescindere da variazioni per
l¹integrità dell¹organismo; in caso contrario, si possono infatti verificare danni anche irreversibili al sistema nervoso centrale (SNC). Affinché la temperatura corporea interna si mantenga costante, il cosiddetto ³bilancio termico² deve essere sempre in pareggio, ovvero deve esistere nel corpo umano un continuo equilibrio tra termoproduzione, cui va aggiunta la quota di calore eventualmente assunta dall¹esterno, e termodispersione.
Il corpo si riscalda prevalentemente per effetto dei processi metabolici, ma, in condizioni particolari (climi caldi), può trarre calore anche dall¹ambiente circostante. Le principali vie di scambio calorico in relazione alle diverse condizioni fisiologiche ed ambientali sono: la conduzione,la convezione, l¹irradiazione e l¹evaporazione. Ciascuna di queste, eccetto l¹evaporazione, può costituire sia una via di apporto che di perdita di calore.Un quadro introduttivo dei vari fattori che influenzano il bilancio termico è rappresentato nella figura 1.
Per assicurare un flusso di calore per conduzione, convezione ed irradiazione è necessario un gradiente termico, la cessione di calore per evaporazione richiede una differenza di pressione del vapore di acqua. La conduzione è quel processo per cui si ha un passaggio di calore da una
zona a maggiore temperatura verso una zona a temperatura inferiore, in un mezzo solido, liquido o gassoso o tra due mezzi a diretto contatto fisico. Il passaggio di calore avviene mediante trasferimento di energia cinetica intermolecolare, senza che vi sia trasferimento di materia. La convezione (Hconv) è una speciale forma di conduzione in cui un fluido
(liquido o gas) acquista calore scorrendo su una superficie a diversa temperatura. Un esempio fisiologico di questo meccanismo è realizzato nell¹organismo dal flusso ematico attraverso i tessuti, in particolare attraverso i vari distretti cutanei e le estremità: per mezzo di tale
dispositivo funzionale il corpo può scambiare notevoli quantità di calore con l¹ambiente. Nell¹uomo, la termodispersione per convezione risulta più efficace quando vi sia spostamento del corpo rispetto all¹ambiente che non in condizioni statiche, per il più rapido ricambio dello strato di aria calda che ricopre il corpo verso l¹esterno e la relativa perdita di calore
quando la temperatura dell¹ambiente sia inferiore a quella del corpo. Lo scambio di calore per irradiazione (Hirr) è dovuto al passaggio di energia elettromagnetica (sotto forma di radiazione) tra due superfici che si fronteggiano: esso è indipendente dalle caratteristiche del mezzo interposto fra le superfici radianti.Il calore può essere disperso per evaporazione (Hev) quando si verificaassorbimento di calore nella conversione di un fluido dallo stato liquido
allo stato gassoso.I fattori che regolano il meccanismo della sudorazione presentano aggiustamenti ed adattamenti in corso ed in conseguenza dell¹esercizio fisico. È quindi fondamentale valutare le differenze nella regolazione della sudorazione a riposo ed in corso di esercizio, e tra soggetto allenato e non allenato, nonché le esigenze conseguenti a fattori specifici quali: l¹età, il sesso, la composizione corporea, le condizioni di temperatura ambientale elevata e la durata dell¹esercizio fisico. Il liquido che viene prodotto dalle ghiandole sudoripare risulta essere sempre ipotonico rispetto agli altri liquidi corporei, mentre la concentrazione media degli elettroliti presenta alcune differenze rispettivamente se si tratta di sudore da esercizio o di sudore prodotto per esclusiva esposizione al caldo (figura 2). Nel corso dell¹esercizio fisico si attiva un meccanismo di sudorazione, atto a produrre un aumento di temperatura interna, che raggiunge un determinato valore chiamato ³soglia di innesco della sudorazione². La soglia d¹innesco spiega l¹iniziale accumulo di calore dell¹organismo, che viene mantenuto per tutta la durata dell¹esercizio ed è smaltito completamente soltanto durante la fase di ristoro. La quantità di sudore prodotto dall¹organismo nell¹unità di tempo aumenta con l¹aumentare dell¹intensità dell¹esercizio e della temperatura
ambientale, potendo raggiungere un valore pari a 20-30g/min. Parallelamente la concentrazione degli elettroliti varia in relazione alla velocità di
secrezione ghiandolare e, all¹aumentare di quest¹ultima, aumenta la concentrazione relativa al sodio (Na+) e al cloro (Cl-), si riduce la concentrazione del magnesio (Mg++) , mentre il potassio (K) non mostra apprezzabili variazioni (figura 3). Negli uomini e nelle donne la produzione di sudore è regolata differentemente: i primi, infatti, controllano la sudorazione variando la funzione delle singole ghiandole attive, mentre le donne operano il controllo variando il numero delle ghiandole secernenti. Inoltre le donne così come i soggetti anziani presentano, rispetto agli uomini adulti, una soglia d¹innesco della sudorazione più alta, una temperatura corporea interna, a parità di lavoro svolto, più elevata ed una minore produzione di sudore per aumento unitario della temperatura. Nel corso dell¹esercizio fisico, con l¹aumentare della temperatura corporea interna, il flusso di sangue diretto alla cute tende progressivamente ad aumentare, per adeguarsi alle necessità da parte delle ghiandole sudoripare di ricevere una quota di gittata cardiaca adeguata alla produzione del sudore. Durante il lavoro muscolare la situazione cardio-circolatoria si caratterizza per la presenza di due distretti con basse resistenze: i muscoli e la cute. All¹aumentare dell¹intensità dell¹esercizio fisico, soprattutto se svolto in ambienti a temperatura elevata, questi due distretti cominciano a produrre una quota sempre più alta di sangue, fin quando le necessità della termodispersione, rispetto alle esigenze della contrazione muscolare, non diventano predominanti ed una quota rilevante della gittata cardiaca viene dirottata verso la cute. Di conseguenza, si verifica una riduzione di sangue diretta verso i muscoli attivi, che è anche determinata da una reale riduzione della quota della gittata cardiaca (figura 4). Quest¹ultima è dovuta ad un ridotto ritorno venoso, con una conseguente diminuzione del volume ventricolare telediastolico e della gittata sistolica. Fattori di termoregolazione della sudorazione Durante una seduta di cardio-fitness o di una qualsiasi altra attività fisica di media o lunga durata (75 100 minuti) l¹organismo va incontro ad un progressivo decremento di capacità della performance atletica. Il declino della prestazione atletica aumenta con l¹aumentare della disidratazione e risulta notevole già per una perdita di liquidi pari al 4% del peso corporeo; con una riduzione delle capacità di lavoro del 25-30%. L¹acqua e gli elettroliti sono in genere considerati come dei nutrienti, tuttavia la loro importanza diviene chiara quando si tengano presenti alcuni punti fondamentali: 1) l¹acqua è il principale costituente del compartimento sia intra che extracellulare, rappresentando l¹elemento nel quale è ³immerso² un gran numero di sostanze fondamentali, siano esse in soluzione oppure no, per la vita dell¹uomo (macro e microelemeti, proteine strutturali, enzimi, ormoni, vitamine); 2) le reazioni chimiche ed enzimatiche intracellulari dipendono da un preciso bilancio idroelettrolitico; 3) il volume ematico è strettamente regolato dal bilancio idroelettrico dell¹organismo;
4) l¹acqua mantiene, grazie alla sua buona conducibilità termica, l¹equilibrio termico tra le cellule; 5) ed infine contribuisce in maniera determinante alla termoregolazione
corporea consentendo, grazie alla circolazione sanguigna e all¹evaporazione a livello cutaneo dell¹eliminazione del calore. Come già sopra citato, l¹entità della sudorazione è in funzione del carico termico totale, che deriva dalla somma del carico interno (intensità e
durata dell¹esercizio) ed esterno (temperatura ambientale). Castill ha calcolato che per produrre 4 litri circa di sudore, pari ad una riduzione del peso corporeo del 6% , si ha una perdita Na+ e di Cl- rispettivamente di 155 e 137 mEq, con conseguente riduzione del contenuto corporeo totale di Na+ e di Cl- rispettivamente del 5 e del 7% rispetto al
valore di riposo. A compensare parzialmente questi cambiamenti interviene il meccanismo di
risparmio dell¹aldosterone che determina, come noto, un aumento del riassorbimento del Na+ e conseguentemente del Cl- sia in corrispondenza del tubulo distale del neurone che a livello dei dotti escretori delle ghiandole sudoripare. L¹intervento di questo meccanismo è dovuto tanto all¹aumento di aldosterone, che si verifica durante l¹esercizio, quanto all¹aumento della
sensibilità ghiandolare all¹azione ormonale indotto dall¹allenamento e dall¹acclimatazione al caldo. Infatti il sudore di atleti allenati ed acclimatati è maggiormente ipotonico a parità di stimolo. La concentrazione nel sudore di K+ rimane costante e dipende soprattutto dall¹entità della fuoriuscita dell¹elettrolita dalle cellule muscolari attive nel corso dell¹esercizio. Intense attività sportive, in presenza di condizioni climatiche con temperature elevate, possono determinare perdite considerevoli di K+, anche se in misura inferiore alle contemporanee perdite di Na+ e Cl-. Sempre Castill ha calcolato che una sudorazione di 4 litri comporta una
perdita di K+ di 16 mEq che corrisponde ad una riduzione del peso corporeo dell¹1%. L¹aldosterone in questo caso determina un ruolo sfavorevole con un aumento della sudorazione e delle perdite urinarie. Pertanto se gli esercizi non sono seguiti da un adeguato recupero (e specialmente in presenza di un apporto alimentare carente) si va incontro ad un progressivo impoverimento del valore K+ dell¹organismo, con tendenza della concentrazione plasmatici dell¹elettrolita che scende ai limiti inferiori della norma. Tuttavia la possibilità che si realizzi una franca ipopotassiemia (figura 5) appare remota, oltrechè condizionata da un inadeguato introito alimentare di potassio. Per quanto riguarda la concentrazione di magnesio nel sudore, diremo che questo elemento è secondo, per importanza, ai cationi presenti nei liquidi intracellulari. Anch¹esso svolge un ruolo fondamentale sia nell¹attività di molti enzimi che nella trasmissione nervosa e nella contrazione muscolare. Si calcola che un adulto del peso medio di 70kg abbia nel suo organismo 2000 mEq di Mg++ (il 50% di questa quota è presente nell¹osso, mentre il 45% all¹interno delle cellule e il rimanente nei liquidi extracellulari). Massicce sudorazioni, unitamente a fattori di stress, sono in grado di
attivare fattori ormonali (catecolamine) che determinano, a differenza dell¹insulina, un aumento di Mg++. Inoltre, possono condurre ad una riduzione della concentrazione plasmatica dell¹elettrolita per progressivo depauperamento delle scorte intracellulari.
La concentrazione plasmatica varia da 1,5 a 2,2 mEq/l, mentre quella delle cellule tra 5 e 30 mEq/l. La riduzione del patrimonio di Mg++ comporta una serie di conseguenze negative, rappresentate principalmente da una compromissione della funzionalità delle pompe di membrana ATP-dipendenti, nonché da alterazioni del metabolismo glucidico e lipidico. Si ricorda che una maggiore riduzione (Mg++) delle proteine del sangue (elementi di trasporto dello stesso) può essere determinata da incongrue diete o carenze alimentari.
Il magnesio in unione con il calcio determina uno scambio chiamato pompa calcio-magnesio che viene eliminato attraverso le urine. Analoga azione come nel potassio, si alterna un meccanismo di riassorbimento e filtro. Piccole quantità di Mg++ si eliminano con la saliva e nel latte materno. Questo ione partecipa alle reazioni di trasferimento dei fosfati che utilizzano ATP per produrre energia. Il metabolismo del Mg++ è presente sia nelle cellule del sistema nervoso centrale, che in quelle del sistema cardio-vascolare. Una carenza di magnesio nella dieta può causare: irritabilità, disorientamento, crampi, scarsa resistenza alla fatica, convulsioni di tipo epilettico (nei casi gravi) e disturbi del ritmo cardiaco. Diventa quindi necessario effettuare una corretta ed equilibrata integrazione di potassio e magnesio nell¹attività fisica per migliorare sia la performance cardio-vascolare che quella muscolare. Infatti studi effettuati da Guelner hanno dimostrato che quando sono presenti deficit contemporanei di K+ e Mg++ è necessario rimpiazzare prima la carenza di Mg++
per correggere quella di K+. Nelle massicce sudorazioni, perdite di magnesio e potassio dovranno essere integrate da specifici integratori salini; ed i risultati non potranno mancare. Le patologie Nell¹ambito delle patologie da calore distinguiamo due diverse condizioni:
il crampo da calore e il colpo di calore. I crampi da calore sono spasmi della muscolatura scheletrica comunemente localizzati alle gambe, alle braccia o ai muscoli della parete addominale, che insorgono dopo molte ore di esercizio fisico quando gli atleti si stanno ³raffreddando². Dopo profusa sudorazione, nonostante il consumo di abbondanti quantità di acqua, possono non essere state rimpiazzate le perdite di sodio, e quindi si ha la comparsa di crampi di calore.
Il colpo di calore si manifesta come una serie di disfunzioni del sistema nervoso centrale, con caratteristiche peculiari come il delirio ed il coma. Componenti diagnostici essenziali sono l¹anidrosi e la temperatura rettale più elevata di 40°C o 41°C, con pelle calda e secca. Dal punto di vista fisiopatologico vi può essere una considerevole variazione interindividuale
della temperatura in grado di provocare queste manifestazioni. Il più comune evento cardiaco nel colpo di calore è la tachicardia sinusale, con ipertensione transitoria e, meno comunemente, ipotensione con shock conclamato. Il 25% dei soggetti colpiti da colpo di calore possono manifestare tardivamente oliguria, anuria ed insufficienza renale acuta da
necrosi tubulare acuta, probabilmente per una rabdomiolisi. Infatti nei soggetti disidratati, particolarmente con l¹aumento dell¹uricuria da scissione delle purine, si istaura un importante meccanismo patogenico capace di determinare il danno renale organico. Sono state riscontrate
alterazioni indicative di una disfunzione epatica con incremento della bilirubina, degli enzimi epatici indicanti un danno epatocellulare ed un incremento della fosfatasi alcalina come espressione di un danno della funzione escretoria epatica. I disordini del sistema nervoso centrale includono delirio, allucinazioni, stato epilettico, opistotono, sindrome cerebellare ed emiplegia. Il meccanismo patogenetico causale consiste in edema, congestione e diffuse
emorragie petecchiali cerebrali. Scelta delle bevande per il reintegro La formulazione di una bevanda da utilizzare per il reintegro idrico-salino durante un¹attività fisica prolungata deve, pertanto, tenere necessariamente conto di questi fattori, e l¹effetto stimolante del glucosio e del sodio sull¹assorbimento dell¹acqua è il meccanismo fondamentale sul quale si basa
l¹efficacia delle bevande a contenuto energetico ed elettrolitico. Un assorbimento ottimale d¹acqua si ha per concentrazioni di glucosio, nelle bevande ingerite, comprese tra 60 e 160 nmol/l (1-3%) (figura 6), mentre la concentrazione ottimale di sodio risulta compresa tra 90 e 120 mEq/l. La maggior parte delle soluzioni commerciali (figura 7) presentano concentrazioni di carboidrati che vanno dal 4,5% all¹8% e concentrazioni di NA+ comprese tra 0 e 40 mEq/l. In questi casi l¹organismo mette in funzione dei meccanismi di compenso, che abbassano la concentrazione del glucosio ed innalzano quella del NA+ attraverso il rimescolamento e la diluizione delle bevande con i fluidi intestinali endogeni. Ovviamente sarebbe più opportuno
che le bevande fossero già formulate in maniera corretta per un ottimale assorbimento (glucosio 30-100g/l; sodio 400-1100 mg/l). Una seconda scelta è basata sul contenuto dei sali; divideremo le acque minerali in tre categorie le acque oligo-minerali che scaldate a 180°C, lasciano un residuo fisso inferiore a 200 milligrammi per litro;
le acque medio-minerali che, invece, lasciano un residuo fra 200 milligrammi e un grammo per litro;le acque minerali vere e proprie, con residuo fisso superiore ad un grammo
per litro. Le acque minerali con un residuo fisso inferiore a 50 milligrammo per litro
sono particolarmente indicate a soggetti con calcolosi renali, anziani, bambini e agli sportivi che producono molto sudore e quindi perdono molti sali. Conclusioni L¹indispensabile attivazione dei meccanismi di termoregolazione comporta, nel soggetto che pratica attività fisica, un carico significativo nei confronti dell¹equilibrio sia idrico che elettrolitico. La valutazione delle perdite idroelettrolitiche deve essere effettuata conoscendo le caratteristiche ambientali, dell¹esercizio svolto, delle capacità tecnico-tattiche dell¹atleta e infine dell¹allenamento. Il carico imposto dalla termoregolazione deve essere considerato con estrema attenzione nei soggetti di età media-avanzata, i quali appaiono particolarmente a rischio per l¹insorgenza di un deficit sia idrico che elettrolitico. Tale discorso, ovviamente, vale in misura maggiore (e sistematicamente per tutti i soggetti, sportivi in primis) durante l¹attuale periodo estivo.
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Per gentile concessione della rivista Cultura Fisica
articolo pubblicato sul numero di Luglio-agosto 2004
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