Il sistema cardiorespiratorio è formato da due sistemi distinti: il cuore ed i suoi vasi (sistema cardiovascolare), ed i polmoni (sistema cardiopolmonare). Il sistema cardiorespiratorio è principalmente una rete di trasporto nel corpo. Il sangue serve come veicolo per portare i gas (come l'ossigeno) e le sostanze nutritive (come i grassi, gli amminoacidi ed i carboidrati) che sono poi trattenute nel corpo dalle cellule dove sono necessarie. Il sangue raccoglie anche i prodotti di scarto (come l'acido lattico e il biossido di carbonio) dalle cellule che li producono e li porta dove possono essere espulsi o metabolizzati.
Nei polmoni il sangue consegna il biossido di carbonio e preleva l'ossigeno. Il sangue è trasportato nel corpo da una incredibile rete di vasi sanguigni. Pertanto il sistema cardiopolmonare è composto dal cuore, che pompa il sangue; i polmoni, dove il sangue preleva ossigeno; i vasi sanguigni, che trasportano il sangue attraverso il corpo. Ci sono tre tipi di vasi sanguigni: arterie, capillari e vene. Generalmente le arterie trasportano sangue con ossigeno pulito preso dal cuore per essere consegnato alle varie cellule e ai tessuti. I capillari sono vasi molto stretti con pareti sottili attraverso i quali avviene lo scambio di gas, di sostanze nutritive e di prodotti di scarto delle cellule, tra il sangue e le cellule del corpo. Dopo essere passato attraverso i capillari, il sangue entra nelle vene. Il sistema venoso rappresenta la rete di vasi attraverso i quali il sangue, ora più povero in ossigeno di quello arterioso ma con un contenuto molto più alto di biossido di carbonio, ritorna al cuore per continuare il suo flusso ciclico.
Il sistema muscolare rappresenta la base per tutti i movimenti del corpo umano. Nessuno di noi potrebbe fare il più piccolo movimento senza la funzione dei muscoli ed in particolare senza la loro incredibile capacità di contrarsi.
Il sistema di produzione dell'energia
di cui ogni organismo ha bisogno, si basa sull'alimentazione. Il cibo
che noi ingeriamo, però, non fornisce direttamente energia all'organismo
(come avviene nel mondo vegetale), ma ha bisogno di essere modificato
chimicamente in elementi nutritivi basilari. Questi nutrimenti vengono
poi distribuiti in tutto il corpo ed immagazzinati, in parte, nelle cellule
dei tessuti.
Il sistema muscolare
Premessa
Oltre alle conoscenze di base sul funzionamento e sulla gestione del sistema cardiopolmonare, un allenatore deve dedicare particolare attenzione al sistema muscolare di base. Il muscolo è un organo la cui funzione è quella di contrarsi e di rilasciarsi. I muscoli lavorano in coppia: uno si contrae per far muovere un osso in una certa direzione e, contemporaneamente, il suo antagonista si rilascia per permettere che l'osso si muova; per far compiere all'osso il movimento opposto, il primo muscolo si rilascia ed il secondo si contrae.
I muscoli del corpo umano sono circa 650 e si suddividono in tre tipi:
- i muscoli dello scheletro (muscoli volontari) che consentono di muovere a comando la testa, gli arti, la colonna vertebrale: sono muscoli del tipo "striato";
- i muscoli dei visceri (muscoli involontari) che controllano i movimenti delle pareti degli organi interni quali stomaco, intestino, vasi sanguigni, occhi: sono muscoli del tipo "liscio";
- il muscolo cardiaco (muscolo involontario) che con le sue contrazioni fa funzionare il cuore come una pompa: è del tipo striato come i primi, ma di struttura particolare ed unica.
In un programma di fitness i muscoli maggiormente coinvolti sono quelli volontari dello scheletro Nel corpo umano ci sono circa 620 muscoli volontari che hanno diverse forme e dimensioni (vedi fig. 3). Alcuni sono corti e piccoli, altri larghi e piatti, altri ancora lunghi e fusiformi: ciascuno ha la struttura, la forma e le dimensioni più adatte per svolgere il proprio lavoro. Ogni muscolo svolge una precisa funzione, se considerato singolarmente, ma, se si contrae insieme con altri muscoli per realizzare un certo movimento, può di volta in volta essere il protagonista principale di quel movimento (funzione agonista) o può tendere a fermarlo (funzione antagonista), oppure partecipare attivamente, al pari di altri muscoli, a realizzare un movimento complesso (funzione sinergica).
La contrazione di un
muscolo determina un movimento solo nel caso che esso sia
inserito in ossa articolate fra di loro. Le
caratteristiche del movimento che ne consegue
dipenderanno quindi dalle inserzioni e dalla potenza del
muscolo, nonché dalle caratteristiche meccaniche
dell'articolazione interposta tra le due ossa nelle quali
è inserito il muscolo. I muscoli volontari sono, insieme
allo scheletro nel quale sono inseriti, i determinanti
fondamentali delle forme corporee: una spalla ben tornita
o un bel paio di gambe dipendono fondamentalmente da un
equilibrato ed armonico sviluppo muscolare. E' per questo
che una vita sedentaria o l'eccessivo esercizio muscolare
possono alterare le caratteristiche estetiche di un
corpo.
Le fibre muscolari
Con le dovute limitazioni dettate dalla generalizzazione, possiamo dire che ci sono due tipi fondamentali di fibre (o cellule) muscolari dello scheletro: le fibre a contrazione lenta (tipo I, toniche-rosse) e fibre a contrazione rapida (tipo II, fasiche-bianche)). L'individuazione di questi due tipi di fibre muscolari é stata possibile grazie ad una tecnica di laboratorio chiamata biopsia muscolare. Durante una biopsia muscolare, un campione di tessuto muscolare viene prelevato per mezzo di un ago inserito nel muscolo. Il frammento di tessuto prelevato viene collocato su di una diapositiva e colorato, per essere poi osservato al microscopio. Ciascun tipo di fibra ha caratteristiche proprie. La fibra di tipo I si contrae più lentamente della fibra di tipo II. La fibra di tipo I ha molti mitocondri, ha un'alta capacità aerobica, e quindi è resistente alla fatica. Le fibre di tipo I, chiamate anche fibre rosse, sono di sezione più piccola rispetto alle fibre di tipo II. Le fibre a contrazione rapida, dette anche fibre bianche, vengono suddivise in due sottogruppi: tipo IIa e tipo IIb. Le fibre del tipo IIa sono dette a contrazione rapida ossidante, perché hanno un maggior quantitativo di mitocondri; le fibre del tipo IIb sono dette a contrazione rapida glicolitica. Tuttavia le fibre del tipo IIa non hanno la stessa capacità aerobica delle fibre a contrazione lenta.
Per quanto riguarda la distribuzione dei due tipi di fibre valgono le due considerazioni seguenti. La prima è che in ogni individuo la distribuzione delle fibre lente e di quelle rapide è diversa nei diversi muscoli; per esempio, il rapporto tra i due tipi di fibre è diverso fra bicipiti e quadricipiti come pure fra deltoidi e tricipiti. La seconda è che nello stesso muscolo di diversi individui è molto probabile un diverso contenuto percentuale dei due tipi di fibre; una persona può avere un'alta percentuale di fibre di tipo II nei quadricipiti, e un'altra può averne uno scarso contenuto. A titolo indicativo, atleti di potenza come i sollevatori di pesi hanno il 60-90"% di fibre a contrazione rapida nei muscoli che sono maggiormente utilizzati nello svolgimento del loro sport. Invece, atleti di resistenza come i fondisti hanno probabilmente il 60-90% di fibre muscolari a contrazione lenta nei loro muscoli più sollecitati.
Gli allenatori devono
sapere che, con un allenamento alla resistenza di breve
durata, non é possibile modificare le fibre del tipo II
in fibre del tipo I, ma è invece possibile aumentare la
capacità aerobica delle fibre a contrazione rapida.
Analogamente, un allenamento alla potenza non modifica le
fibre di tipo I in fibre di tipo II. Le caratteristiche
dei tipi di fibre e la loro risposta all'allenamento sono
molto complesse; per la loro comprensione è necessario
consultare trattati specifici. In questa sede è
importante sottolineare che in un individuo la
composizione delle cellule muscolari è determinata
geneticamente; con l'allenamento non è possibile
modificare un tipo di fibra in un altro; gli allenatori
devono progettare programmi di allenamento individuali e
comprendere le ragioni per cui persone diverse rispondono
in modo diverso ad uno stesso programma di allenamento.
Non ci sono differenze tra maschi e femmine per quanto
riguarda la distribuzione dei diversi tipi di fibre
muscolari; fisiologicamente i muscoli maschili sono
identici a quelli femminili, con gli stessi tipi di
fibre, con la stessa distribuzione e con le stesse
prestazioni.
I muscoli scheletrici
Le cellule muscolari,
siano esse del tipo a contrazione lenta che quelle del
tipo a contrazione rapida, si contraggono sempre con lo
stesso meccanismo; anche se le fibre di tipo II si
contraggono più rapidamente di quelle di tipo I. I
muscoli sono costituiti da molte fibre muscolari singole.
Guardando una fibra muscolare al microscopio, si osserva
che essa è costituita da moltissimi elementi ripetitivi,
chiamati sarcomeri. Inoltre, lungo tutta la fibra
muscolare ci sono catene di proteine chiamate
miofibrille. In una miofibrilla ci sono numerose
proteine, ma le uniche importanti nel processo di
contrazione di un muscolo sono le proteine actina e
miosina, conosciute anche come le proteine contrattili.
La contrazione muscolare
Perché avvenga la contrazione di un muscolo, è necessario che ci sia un quantitativo sufficiente di ATP in prossimità delle proteine actina e miosina, e che ci sia un comando dal sistema nervoso centrale. Quando questi due fattori sono presenti, le sottili estremità (teste) della miosina si attaccano all'actina, formando un ponte incrociato actina-miosina. Il processo è definito teoria dei filamenti scorrevoli.
L'energia dell'ATP fa sì che le estremità della miosina ruotino verso il centro del sarcomero, trascinando il filamento dell'actina ad esse attaccato, in modo tale che l'actina scorre verso l'interno, verso il centro del sarcomero. Questo processo fa sì che ciascun sarcomero si accorci, lungo tutto il muscolo; poiché tutti i sarcomeri si accorciano nello stesso istante, si verificherà una riduzione della lunghezza dell'intera fibra muscolare. Quando molte fibre si accorciano, si ha una contrazione muscolare; questa consiste, dunque, nell'accorciamento simultaneo di un elevato numero di fibre dello stesso muscolo. Anche se la singola fibra si accorcia quando si contrae, la contrazione muscolare non sempre comporta l'accorciamento dell'intero muscolo. Una contrazione concentrica è quella che comporta l'accorciamento del muscolo; una contrazione eccentrica è quella che avviene quando la resistenza è maggiore della forza sviluppata, e quindi il muscolo in effetti si allunga; una contrazione isometrica è la contrazione delle singole fibre, senza modifiche della lunghezza dell'intero muscolo.
Per riassumere, la
contrazione muscolare è una interazione fra le proteine
actina e miosina, che provoca un accorciamento delle
singole fibre muscolari, stimolata da un impulso nervoso
e mantenuta dall'energia dell'ATP.
Forza di contrazione
Quando una fibra muscolare si accorcia, essa esercita una forza. Poiché i muscoli dello scheletro funzionano secondo il criterio del "tutto o niente", quando una singola fibra si accorcia, essa genera la massima forza di cui è capace, ovvero non è in grado di dosare la forza di contrazione (come, invece, avviene nel muscolo cardiaco). L'entità della forza prodotta durante la contrazione di un muscolo, dipende da due fattori:1) la dimensione delle singole fibre (una fibra è tanto più forte quanto più è grande); 2) il numero di fibre muscolari che si contraggono simultaneamente.
La forza generata dalla
contrazione muscolare è legata anche alla velocità del
movimento intorno all'articolazione ed alla lunghezza
iniziale del "ventre" del muscolo. La relazione
forza-velocità è tale che quanto più veloce è il
movimento tanto più bassa sarà la forza generata dal
muscolo in contrazione. Per esempio, il bicipite sviluppa
una maggiore forza durante la contrazione se la velocità
di rotazione attorno al gomito è di 60 gradi al secondo,
di quanta ne sviluppa se la velocità è di 180 gradi al
secondo. La relazione forza-lunghezza indica che un
muscolo genera la forza massima quando inizia a contrarsi
ad una lunghezza pari a 1,2 volte la lunghezza a riposo.
Questo spiega perché alcuni atleti come i giocatori di
baseball o di golf, eseguono alcuni leggeri esercizi di
stretch prima di iniziare i movimenti oscillanti.
Dimensione della fibra muscolare
La forza generata da una fibra è proporzionale alla sua sezione: una fibra larga esercita una forza maggiore di una fibra stretta. Inoltre, la forza esercitata da un muscolo di una determinata sezione è la stessa sia se il muscolo appartiene ad un uomo sia se esso appartiene ad una donna. Gli uomini sono generalmente più forti perché hanno una maggiore quantità di tessuto muscolare.
Comunque le donne reagiscono altrettanto bene degli uomini ad un programma di allenamento alla forza; cioè un programma di allenamento alla forza è per tutti e due i sessi una componente importante di un programma di benessere fisico.
Unità motrici
In ogni muscolo, le fibre sono stimolate singolarmente o a gruppi. L'insieme del nervo (collegato al midollo spinale) e delle fibre muscolari da esso stimolate è chiamato unità motrice. Le unità motrici hanno diverse dimensioni. Ci sono unità motrici nelle quali il nervo stimola solo 5-10 fibre; a queste sono associati movimenti piccoli, delicati come muovere gli occhi, battere le palpebre, dipingere. Ma ci sono anche unità motrici che consistono di un nervo e di 500-1000 fibre; queste sono chiamate in causa quando si svolgono attività come sollevamento pesi, gioco del calcio, salto.
Indipendentemente dalla
loro dimensione, le unità motrici sono costituite da
fibre di tipo I e da fibre di tipo II. Quando le fibre di
una unità motrice si contraggono, tutte le fibre
muscolari di questa unità si contraggono insieme, ed
inoltre sviluppando la massima forza (tutto o niente); la
forza totale sviluppata dipende da quante unità motrici
si contraggono simultaneamente.
Il sistema di produzione dell'energia
Produzione cellulare di energia
Perché l'ossigeno è così importante? Cercare di capire le funzioni del sistema cardiopolmonare nella distribuzione e nella estrazione dell'ossigeno può aiutare a spiegare la produzione di energia nelle cellule, e particolarmente nelle cellule dei muscoli.
La moneta di scambio energetica: l'AT P
Quando un muscolo si
contrae ed esercita una forza, l'energia usata per
comandare la contrazione proviene da una sostanza
speciale presente nelle cellule e conosciuta come ATP,
adenosina trifosfato. L'ATP è la sorgente di energia del
corpo, allo stesso modo di come la benzina è la sorgente
di energia di un motore di automobile. Quanto più
rapidamente ed efficacemente le cellule muscolari
producono l'ATP, tanto maggiore sarà il lavoro che le
cellule saranno in grado di svolgere prima di stancarsi.
Anche se c'è una certa quantità di ATP immagazzinata in
una cellula muscolare, la sua disponibilità è limitata.
Ciò vuol dire che le cellule muscolari devono produrre
continuamente ATP per poter continuare a lavorare. Le
cellule muscolari alimentano la riserva di ATP
utilizzando tre diversi percorsi biochimici, ovvero
diverse sequenze di reazioni chimiche.
I sistemi energetici aerobico ed anaerobico
La parola "aerobico" vuol dire in presenza di ossigeno. Il sistema energetico aerobico per la produzione di ATP è predominante quando alle cellule viene fornita una quantità di ossigeno sufficiente a soddisfare le esigenze di produzione di energia, come avviene, ad esempio, quando il muscolo è in riposo. La maggior parte delle cellule, comprese le cellule muscolari, contiene delle strutture chiamate mitocondri. I mitocondri sono le sedi della produzione di energia aerobica (ATP). Più grande è il numero di mitocondri in una cellula, maggiore è la capacità di quella cellula a produrre energia aerobica.
Gli altri due sistemi energetici sono le fonti primarie di ATP quando le cellule ricevono una quantità di ossigeno insufficiente a soddisfare i fabbisogni energetici. In assenza di sufficienti quantitativi di ossigeno, come accade quando una cellula muscolare ha bisogno di produrre una grossa forza molto rapidamente per sollevare un grosso peso, la cellula passa al sistema energetico anaerobico, che fornisce una fonte di ATP rapidamente disponibile.
"Anaerobico" significa in assenza di ossigeno. La produzione anaerobica di ATP avviene all'interno delle cellule, ma al di fuori dei mitocondri.
Molte cellule, come quelle del cuore, del cervello e di altri organi, hanno una capacità anaerobica estremamente limitata. Pertanto queste cellule devono essere continuamente rifornite di ossigeno, altrimenti muoiono. Per esempio se una arteria coronaria (che fornisce sangue ed ossigeno al muscolo cardiaco) si ostruisce per accumulo di deposito di colesterolo, ci sarà un ridotto flusso di sangue attraverso questa arteria, chiamato ischemia. II minor flusso di sangue può portare ad una insufficienza dell'ossigeno fornito al muscolo cardiaco, sia durante il riposo che durante l'esercizio fisico, la qual cosa spesso produce una sensazione di dolore e/o di pressione sul torace, chiamata angina pectoris Se viene a mancare il supporto di ossigeno, come avviene quando si forma un grumo di sangue in corrispondenza di una occlusione dell'arteria, l'area del muscolo cardiaco (miocardio) che si trova oltre il blocco subisce un infarto miocardico, spesso chiamato attacco di cuore. Se il fenomeno coinvolge gran parte del miocardio, il risultato è un fatale attacco di cuore. Nel cervello l'ischemia può portare ad un ictus. Diversamente dal cuore e dal cervello, i muscoli scheletrici, come i tricipiti ed i quadricipiti, hanno una notevole capacità anaerobica. Un istruttore deve conoscere le modalità di produzione delle energie aerobica ed anaerobica sia in funzione delle sostanze utilizzate per la produzione di ATP, sia in funzione dell'intensità dell'esercizio, dove il riposo ed il massimo sforzo rappresentano gli estremi della possibile intensità. Il corpo usa un processo chimico estremamente complesso per produrre l'ATP. Tuttavia, anche una conoscenza di base del processo può aiutare molto l'insegnante nella fase di definizione ed impostazione di un programma di esercizi. I lipidi (acidi grassi) ed i carboidrati (glucosio) sono le due sostanze (substrati) che le cellule del corpo usano per produrre la maggior parte di ATP. Le proteine, che sono costituite da varie combinazioni di amminoacidi, non rappresentano una fonte di energia preferenziale; in un cliente nutrito normalmente, le proteine giocano un ruolo minore nella produzione di energia. Tuttavia, quando una dieta non fornisce una sufficiente quantità di calorie, il corpo è capace di utilizzare le proteine immagazzinate nei tessuti muscolari per produrre l'energia occorrente. Anche se questo non è certo un processo ideale. A riposo, quando il sistema cardiopolmonare è facilmente in grado di fornire la quantità adeguata di ossigeno ai mitocondri delle cellule muscolari, sia gli acidi grassi che il glucosio sono utilizzati per produrre l'ATP.
In altre parole, a riposo, la maggior parte di ATP necessaria viene prodotta aerobicamente, utilizzando sia il glucosio che gli acidi grassi. Infatti, a riposo, il corpo produce all'incirca una caloria al minuto. Circa il 50% di questa caloria per minuto deriva dal grasso, anche se la persona non è allenata. In un atleta ben allenato i grassi forniscono fino al 70% della spesa calorica a riposo.
Quando l'intensità dell'esercizio aumenta, il sistema cardiovascolare compie tutti gli sforzi possibili per aumentare la sua fornitura di ossigeno ai mitocondri dei muscoli in lavoro per produrre aerobicamente il quantitativo di ATP necessario. Seguitando ad aumentare l'intensità dell'esercizio, ad un certo punto, determinato sia dal livello di fitness del cliente sia dalle sue caratteristiche genetiche, il sistema cardiovascolare diventa incapace a fornire sufficiente ossigeno ai muscoli che lavorano; allora i muscoli fanno ricorso al sistema anaerobico per produrre rapidamente l'ATP. L'intensità di esercizio alla quale non è più disponibile un adeguato apporto di ossigeno è chiamata soglia anaerobica, la quale viene raggiunta prima dello sforzo massimo.
II sistema anaerobico, tuttavia, non può essere utilizzato per un periodo prolungato. La fonte primaria per la produzione anaerobica di ATP è il glucosio, che è contenuto nei muscoli e nel fegato come glicogeno, una grande molecola costituita da catene di glucosio. Una seconda sorgente per la produzione di ATP è il fosfato creatina, una molecola che può essere rapidamente separata per ottenere un aiuto alla produzione di ATP. Tuttavia, così come per la riserva di ATP nei muscoli, c'è una disponibilità estremamente limitata di fosfato creatina. Alcune ricerche svolte circa 20 anni fa (J. Bergstom ed altri) hanno mostrato che, anche in un atleta ben allenato, i muscoli immagazzinano solo la quantità di fosfato creatina e di ATP, che insieme sono chiamati fosfageni, sufficiente a 10 secondi di sforzo massimo.
Per riassumere, fin tanto che una cellula muscolare é aerobica, essa utilizza sia i grassi che il glucosio per produrre ATP. Il sistema aerobico produce molto più ATP di quanto ne produca il sistema anaerobico, soprattutto perché i grassi danno 9 calorie di energia per grammo, mentre il glucosio e le proteine solo 4 calorie per grammo. Inoltre i prodotti di scarto della produzione aerobica di ATP sono l'acqua e l'anidride carbonica (CO-2); entrambi sono tollerati abbastanza bene dal corpo, così che la produzione di energia aerobica non provoca una fatica muscolare. Poiché l'acqua è un prodotto di scarto della produzione aerobica di ATP è fondamentale sostituire l'acqua eliminata bevendo moltissimo ogni giorno. Più ci si esercita più acqua bisogna bere. Quando un muscolo in esercizio diventa anaerobico esso si da al glucosio (e limitatamente al sistema fosfageno) per produrre ATP.
Comunque, non soltanto è molto minore l'ATP prodotto anaerobicamente di quello prodotto aerobicamente per ogni molecola di substrato usata, ma i prodotti di scarto della produzione anaerobica di ATP comprendono l'acido lattico. All'aumentare dei livelli di acido lattico e di altri prodotti di scarto nel muscolo, sarà sempre più difficile consentire al muscolo contrazioni continuate. Si ritiene che l'acido lattico sia la causa principale dei dolori repentini (bruciori) in un muscolo che si sta esercitando. Oltre alla formazione di acido lattico i muscoli mandano altri segnali quando non riescono più a produrre aerobicamente il quantitativo necessario di ATP. Uno di questi è l'iperventilazione, definita come una respirazione più veloce del necessario, che rappresenta il segnale che la produzione anaerobica di ATP è predominante. Quando non è disponibile ossigeno in quantità sufficiente, il muscolo segnala al cervello la necessità di aumentare il ritmo e la profondità del respiro. Tuttavia poiché il fattore limitante non è la respirazione ma l'estrazione di ossigeno dal muscolo, l'iperventilazione è un processo futile.
Il processo chimico che il corpo utilizza per produrre l'ATP dipende da alcune proteine del corpo chiamate enzimi. Gli enzimi sono necessari per avviare la reazione chimica che produce l'ATP, sia aerobicamente che anaerobicamente. Gli enzimi che metabolizzano i grassi sono diversi da quelli che metabolizzano i carboidrati. Inoltre vengono usati enzimi diversi per metabolizzare i carboidrati aerobicamente, da quelli usati per metabolizzare i carboidrati anaerobicamente. Così quando ci si esercita con una intensità al di sotto della soglia anaerobica, gli enzimi aerobici che metabolizzano il grasso ed i carboidrati sono dominanti nella produzione di ATP. Ma quando l'esercizio viene svolto in prossimità della soglia anaerobica, gli enzimi anaerobici hanno un ruolo dominante nella produzione di ATP.
L'allenamento
aerobico porta ad un aumento delle capacità del sistema
aerobico, ma ha un piccolo effetto sugli enzimi
anaerobici. Pertanto l'allenamento aerobico aumenta
significativamente la nostra capacità a bruciare grassi.
L'allenamento anaerobico, d'altro canto, porterà
principalmente ad un miglioramento funzionale del sistema
degli enzimi anaerobici. Tutto ciò rappresenta un'altra
applicazione del principio di specificità
dell'allenamento.