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Sport: passione, cuore, muscoli e biochimica

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FIGURA 1
Figura 1: tessuto muscolare scheletrico con le tipiche bande chiare e scure

Da qualche giorno sono iniziati i Giochi della XXXI Olimpiade che si svolge a Rio de Janeiro e che vedrà come protagonisti numerosi campioni, tra cui: il velocista giamaicano Usain Bolt, attuale detentore del record mondiale nei 100m piani, il nuotatore statunitense Michael Phelps, che con le sue venticinque medaglie olimpiche (l’ultima è un oro conquistato ieri, 9 Agosto) è l’atleta più titolato della storia delle Olimpiadi moderne, e le nostre Federica Pellegrini – detentrice del record mondiale nei 200m stile libero – e Tania Cagnotto, che lo scorso anno è diventata la prima tuffatrice italiana a vincere un oro in un campionato mondiale e insieme a Francesca Dallapè ha già conquistato una bellissima medaglia di argento proprio nell’Olimpiade in corso.

Vi siete mai chiesti cosa succede nel nostro organismo quando si pratica uno sport o si fanno degli sforzi fisici? Sicuramente vi sarà capitato numerose volte di osservare i muscoli contratti di uno sportivo impegnato in un gesto atletico o se non siete appassionati di sport, potreste avere ben in mente la posa plastica del Discobolo di Mirone: questi sono esempi visivi e macroscopici del fenomeno della contrazione muscolare.

FIGURA 2
Figura 2: schema sulla contrazione muscolare

I muscoli scheletrici sono costituiti da un insieme di fibre muscolari disposte parallelamente le une alle altre ed ogni fibra muscolare è caratterizzata dall’alternanza di bande chiare e scure: le miofibrille (Figura 1). Quest’ultime rappresentano la sede del fenomeno contrattile e risultano a loro volta costituite da unità più piccole: miofilmenti spessi (fatti dalla proteina miosina) e miofilamenti sottili (fatti dalle proteina actina, oltre che dalla tropomiosina e troponina). In condizioni di riposo, cioè quando il muscolo è rilassato, la struttura globulare (testa) della miosina risulta staccata dall’actina, poiché la troponina fa si che la tropomiosina si sovrapponga ai siti di attacco sull’actina, rendendoli inaccessibili. Quando arriva al muscolo l’impulso nervoso, si ha un aumento della concentrazione di ioni calcio all’interno delle cellule muscolari e questo causa il cambiamento conformazionale della troponina che sposta la tropomiosina, redendo disponibili sull’actina i siti di legame per la testa della miosina, che vi si lega, formando dapprima un angolo di 90° e poi di 45° e questo causa lo scivolamento del filamento actinico rispetto a quello miosinico, cioè la contrazione del muscolo (Figura 2). Affinché la testa della miosina si porti a 90° per legarsi all’actina, è necessaria l’energia che deriva dalla rottura di un legame chimico all’interno di una molecola di ATP.

Quest’ultima rappresenta il modo in cui le cellule del nostro organismo possono sfruttare l’energia che deriva dal cibo: quello che mangiamo è in parte conservato per eventuali necessità future (ad esempio, nel fegato come glicogeno e come “grasso” nel tessuto adiposo), in parte “smantellato” nelle sue parti elementari che possono essere riutilizzate (pensiamo alle proteine) e in parte viene usato per produrre molecole di ATP che forniscono l’energia per gli innumerevoli processi cellulari che caratterizzano gli esseri viventi. I cibi “energetici” che si assumono in maggiore quantità sono i carboidrati e si possono trovare sottoforma di amido (dalla pasta e dal pane), lattosio (dal latte), saccarosio (lo zucchero che mettiamo nel caffè), etc…

FIGURA 3
Figura 3: struttura del mitocondrio

Tutte queste molecole, dalle più alle meno complesse, sono in grado di alimentare un processo biochimico che prende il nome di glicolisi, grazie al quale da una molecola di glucosio si formano due molecole di piruvato, con il bilancio netto di sole due molecole di ATP. Il piruvato, poi, è trasformato in acetil-CoA e va ad alimentare all’interno dei mitocondri (le “centrali energetiche” della cellula, vedi Figura 3) il ciclo di Krebs, durante il quale si verifica la riduzione dei cofattori enzimatici NADH, NADPH e FADH2 che devono ritornare alla forma ossidata, cedendo elettroni che vanno ad alimentare la “catena di trasporto degli elettroni” ed hanno come accettore finale l’ossigeno che viene ridotto ad acqua (ecco perché respiriamo!). Durante il tragitto che compiono gli elettroni fino ad arrivare all’ossigeno, si crea un gradiente protonico nello spazio intermembrana del mitocondrio che servirà per la produzione di ATP: questo processo prende il nome di fosforilazione ossidativa. Durante uno sforzo fisico intenso, però, spesso di verifica una carenza di ossigeno per cui il piruvato prodotto non può essere tutto “incanalato” nel ciclo di Krebs, ma viene trasformato in lattato (fermentazione lattica): lo scopo di questo processo è quello di riossidare le due molecole del conzima NADH in NAD+, che erano state ridotte durante la glicolisi, andando a ridurre il piruvato ad acido lattico: si tratta di reazioni redox, in cui una molecola di riduce acquistando elettroni e l’altra si ossida cedendoli.

Questa reazione è catalizzata dall’enzima lattato deidrogenasi e porta alla produzione di acido lattico che causa quella sensazione di affaticamento e spesso dolore a livello muscolare. Ovviamente i processi biologici avvengono in maniera tale da evitare gli sprechi, quindi il lattato viene poi trasportato dai muscoli al fegato, tramite il circolo sanguigno, per essere riconvertito in piruvato, da cui si ottiene nuovamente il glucosio che può ritornare ai muscoli (così si completa il Ciclo di Cori, vedi Figura 4) oppure rimanere nel fegato ed essere conservato sottoforma di glicogeno.

FIGURA 4
Figura 4: schema sul Ciclo di Cori

Come è stato già accennato, l’ATP che serve per la contrazione dei muscoli non può essere prodotto in quantità sufficiente se c’è carenza d’ossigeno: esso è trasportato dai polmoni ai muscoli, oltre che a tutti gli altri organi del nostro corpo, grazie al lavoro del cuore. In quest’ultimo, a livello dell’atrio destro, giunge il sangue carente di ossigeno (proveniente da circolo sistemico) che passa al sottostante ventricolo e tramite le arterie polmonari va ai polmoni dove cede anidride carbonica e acquista ossigeno che si lega all’emoglobina presente nel sangue che tramite le vene polmonari ritorna al cuore nell’atrio sinistro, per poi passare al ventricolo sottostante ed essere pompato in tutto il corpo. Il lavoro che fa il cuore durante uno sforzo fisico è notevole e possiamo rendercene facilmente conto quando saliamo le scale di corsa e sentiamo la frequenza cardiaca aumentare. Quest’ultima è sotto controllo del sistema nervoso autonomo: il sistema nervoso simpatico aumenta i battiti nel tempo così come la forza di contrazione, mentre il parasimpatico ha azione opposta. Parallelamente si verifica un aumento della frequenza respiratoria che è sotto il controllo di strutture presenti nel sistema nervoso centrale, anche grazie alle informazioni che provengono da “sensori” che misurano i livelli di ossigeno, anidride carbonica, la variazione di pH e di pressione a livello sanguigno.

Dopo questa breve e – spero – affascinante digressione sulla biologia dello sport, possiamo tornare a fare il tifo per i nostri atleti, augurandoci di poter festeggiare tante altre medaglie e che non manchino le occasioni per riascoltare l’inno di Mameli.

 

FIGURA 5
Figura 5: schema sulla circolazione polmonare

 

 


 

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About Deborah Crifò

COLLABORATRICE | Nata nel Dicembre del 1991, da ragazzina sognava di diventare un'archeologa. Per questo, fu ben lieta di iscriversi al Liceo Classico "Gorgia" di Lentini (SR) per studiare latino e greco. Ma questa scelta, della quale non si è mai pentita, l'ha portata in realtà ad appassionarsi alle scienze, in particolar modo alla Fisica ed alla Biologia. Oggi è laureata in Scienze Biologiche e frequenta il corso di laurea specialistica in Biologia Cellulare e Molecolare presso l'Università degli Studi di Catania.

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