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'ATP

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.

Gli allievi delle classi di aerobica sono spesso desiderosi di conoscere il loro potenziale aerobico, per confrontarlo con quello di allievi di altre attività di tipo aerobico. Numerose ricerche hanno dimostrato che la ginnastica aerobica rappresenta una valida alternativa metodologica di miglioramento delle qualità aerobiche (non escludendo tutte le altre metodologie ma, anzi, valorizzandone le finalità). Comprendere le modalità del consumo di ossigeno aiuterà l'insegnante a capire l'intimo significato del fitness aerobico.

La capacità totale di consumare ossigeno a livello cellulare è conosciuta come massimo consumo di ossigeno o V02 massimo. Questa espressione rappresenta la nostra massima capacità aerobica. Il V02 massimo dipende da due fattori: (1) la distribuzione di ossigeno ai muscoli che stanno lavorando attraverso il sangue, o emissione cardiaca, e (2) la capacità di estrarre l'ossigeno dal sangue per distribuirlo ai capillari e di utilizzare l'ossigeno nei mitocondri (elementi di produzione di energia aerobica presenti nella maggior parte delle cellule). Il consumo massimo di ossigeno è rappresentato dalla seguente formula:

V02 max = emiss. cardiaca max * estraz. ossigeno max

V02 (il volume di ossigeno consumato) è misurato sia in millilitri di ossigeno consumato per chilogrammo di peso corporeo per minuto (ml di ossig./Kg/min), sia in litri di ossigeno consumato per minuto (lt di ossig./min). Possiamo ora indicare quanto ossigeno è usato a riposo e confrontarlo con una ipotetica capacità aerobica massima di un cliente che pesa 70 Kg. Se il suo battito cardiaco a riposo è di 60 bpm, il volume unitario SV è di 70 ml/battito (ricorda che : emiss. cardiaca = battito cardiaco * volume unitario), e l'estrazione di ossigeno è di 6 ml di ossig./100 ml di sangue; pertanto il suo V02 a riposo è:

V02 = 60 bpm * 70 ml/battito * 6 ml ossig. /l00 ml

Questo equivale a 252 ml di ossig./min. Diviso per i 70 Kg. il V02 a riposo è circa 3,5 ml/Kg/min. Durante un esercizio massimale il nostro cliente ha un battito di 180 bpm, un volume unitario di 115 ml/battito ed una estrazione di ossigeno di 15 ml di ossig./100 ml di sangue. Pertanto il suo massimo V02 è:

VOZmax = l80bpm * 115ml/batt. * l5ml ossig. /l00ml

che equivale a 3,105 ml di ossig./min ovvero 44,4 ml/Kg/min. Benché l'esempio si riferisca ad un ipotetico cliente in condizioni medie, esso illustra chiaramente che i nostri corpi hanno una enorme capacità ad incrementare il consumo di ossigeno; in questo esempio c'è stato un incremento di più di 12,5 volte. Mentre gli aumenti sia del battito che del volume unitario giustificano l'aumento dell'emissione cardiaca durante l'esercizio, l'aumento della estrazione di ossigeno (indicata anche come differenza di ossigeno arterio-venosa) è provocata da diversi stimoli.

Durante l'esercizio numerosi cambiamenti intervengono a rendere più agevole il prelievo dell'ossigeno dalle molecole di emoglobina ed il suo successivo uso per la produzione di energia aerobica nei muscoli. Questi cambiamenti comprendono aumenti della temperatura, dell'acidità, e del livello del diossido di carbonio nel flusso sanguigno.

II valore di V02 a riposo pari a 3,5 ml/Kg/min viene anche chiamato un Equivalente Metabolico, o 1 MET. Le attività sono spesso descritte in termini di MET; per esempio, la Pallavolo ha un campo di 3-6 MET e la danza aerobica un campo di 6-9 MET. Per determinare il V02 equivalente ad un dato valore di MET basta moltiplicare quest'ultimo per 3,5. I medici spesso prescrivono gli esercizi in base al valore di MET, soprattutto per quei pazienti che seguono un programma di riabilitazione cardiaca.

Con l'allenamento aerobico non solo si verifica un aumento del V02 max, ma si provoca anche un aumento della percentuale dello sforzo massimo alla quale si presenta la soglia anaerobica. In pratica questo vuol dire che un individuo è capace di produrre ATP aerobicamente con una intensità che cresce eon il livello di allenamento. Inoltre una persona allenata aerobicamente generalmente può svolgere attività più intense di quanto possa fare una persona non allenata. Molti ricercatori si sono domandati se gli appassionati di aerobic dance si allenano con una intensità tale da raggiungere i benefici aerobici, misurati sulla base del loro consumo aerobico. Dai dati raccolti da un gruppo di dieci donne, Weber (1974) riferisce che l'aerobic dance richiede un valore di V02 medio pari a 29 ml/Kg/min. Questi valori riflettono una percentuale del Max V02 dei soggetti analizzati abbastanza alta, il che dimostra come gli esercizi di aerobic dance possano realisticamente rappresentare un efficace allenamento aerobico. Non appena un individuo raggiunge un buon livello di forma aerobica, il suo Max V02 aumenta.

Rockefeller e Burke (1979) hanno condotto uno studio su donne ventunenni coinvolte

in uno stage di 10 settimane di aerobic dance. La lezione era di 40 minuti ed aveva una cadenza trisettimanale. All'inizio del corso, il V02 medio delle partecipanti era di 34,3 ml/Kg/min. Vaccaro e Klinton (1981) hanno notato anche un aumento del Max V02 nei soggetti praticanti aerobic dance da 31,1 a 38,2 ml/Kg/min. I soggetti studiati da Vaccaro e Klinton erano donne di un college che partecipavano ad un corso di aerobic dance di due ore settimanali per 10 settimane. Il consumo massimale di ossigeno, al pari della frequenza cardiaca di allenamento, è infiuenzato dall'età, da fattori ereditari e dal livello di fitness fisico. Ad esempio, superati i trent'anni, interviene una lenta ma progressiva perdita della capacità aerobica (all'età di 65 anni essa può diminuire fino al 35%). Alcuni individui sviluppano una notevole capacità aerobica per cui sono in grado di sostenere un allenamento ad alto livello. Quanto più grande sarà il fitness aerobico di una persona, tanto più elevato risulterà il Max V02.

Un'altra interessante relazione fisiologica si verifica tra il consumo di ossigeno e la quantità di calorie (Kcal) spese durante l'esercizio. La matematica elementare ci insegna che determinate unità di misura possono essere convertite in altre. Come 12 pollici equivalgono ad un piede e tre cucchiaini da tè equivalgono ad un cucchiaio da minestra, allo stesso modo la quantità di ossigeno consumata durante l'esercizio può essere convertita nella quantità di calorie utilizzata in ogni minuto. Ad esempio, quando viene utilizzato un litro di ossigeno vengono spese all'incirca 5 Kcal. Perciò, una donna che balla ad un ritmo medio con una frequenza cardiaca di 135 bpm e che utilizza circa 20 ml/Kg/min (1,16 litri/minuto), consumerà approssimativamente 5,8 Kcal al minuto. Un uomo che utilizza circa 1,4 litri/minuto, spenderà circa 7,0 Kcal/minuto. I fisiologi del movimento utilizzano questo rapporto di conversione energetico per calcolare il numero approssimativo di calorie spese durante l'aerobic dance. La maggior parte degli studi conferma che l'esercizio svolto ad una intensità moderata, entro l'intervallo di allenamento della frequenza cardiaca, spenderà tra le 6 e le 8 Kcal al minuto.