Il lavoro muscolare

Le cellule muscolari sono differenziate per svolgere la funzione di contrazione. In pratica esse possiedono la capacità di accorciarsi e questo comporta la generazione di una forza alle estremità della cellula stessa.

Generazione di forza

Se tutte le cellule muscolari di un muscolo si contraggono insieme, esse generano forza sui punti di inserzione ossea dei tendini e questo causa il movimento di un segmento corporeo.
La generazione di forza da parte di una cellula muscolare è l’ultima tappa di una serie abbastanza complessa di eventi che possono essere schematicamente riassunti come segue:

• al muscolo deve giungere, attraverso il nervo motore, un ordine per la contrazione; se il movimento è volontario l’ordine parte da una zona ben precisa del cervello
• il segnale trasmesso dal nervo innesca nelle cellule muscolari una serie di reazioni chimiche che liberano energia chimica
  l’energia chimica si trasforma in energia meccanica causando accorciamento delle cellule muscolari.
• L’evento 1 è più di pertinenza nervosa, mentre gli eventi 2 e 3 sono tipicamente di fisiologia muscolare in quanto descrivono il funzionamento del motore biologico.

Per la spiegazione del funzionamento del motore può essere utile richiamare qualche analogia con il motore dell’automobile. Nel motore dell’automobile il combustibile si incendia per intervento dell’ossigeno, l’energia che ne deriva serve a muovere i pistoni. Come tutti sanno, questa reazione chimica di combustione libera energia in modo repentino, si parla infatti di motore a scoppio e tutti sanno anche che un motore deve disporre di un sistema di raffreddamento per dissipare la notevole quantità di calore che si libera nello scoppio.Anche nel motore biologico si verifica un processo di ossidazione di combustibile, tuttavia a differenza di quanto avviene nel motore a scoppio, non esiste una sola reazione chimica ma una serie di molte reazioni chimiche concatenate: il risultato è che l'energia si libera in quantità distribuite nel tempo e questo evita un considerevole aumento di temperatura, il che comporterebbe una denaturazione irreversibile dei tessuti. Ovviamente parte dell’energia chimica si libera sotto forma di calore ma l’organismo dispone di adeguati meccanismi per disperdere questo calore e quindi controllare la temperature corporea.

Esaminando più in dettaglio il funzionamento del motore biologico, si osserva che nelle cellule muscolari vi sono degli organelli, detti mitocondri, che rappresentano una vera e propria fornace ove si realizzano le varie tappe del metabolismo ossidativo.

La molecola che entra nella fornace è sempre la stessa e può derivare dal metabolismo dei grassi, delle proteine e degli zuccheri. Questi tre gruppi di sostanze vengono anche indicati come substrato. La decisione di metabolizzare grassi, proteine o zuccheri è presa dalla cellula muscolare in base al tipo di attività fisica e alla disponibilità di substrato.
Ad esempio, nell’esercizio di resistenza (corsa lunga, passeggiata in montagna), le cellule muscolari scelgono come substrato principale i grassi. Viceversa, nel lavoro di potenza esse scelgono gli zuccheri. Le cellule in effetti si servono di una miscela di substrati ove dominano ora i grassi ora gli zuccheri. La scelta delle proteine non è primaria, essa si verifica in due casi: come conseguenza del fatto che esiste notevole scarsità di zuccheri (ipoglicemia), in questo caso la cellula è costretta a distruggere proteine per formare zuccheri e distrugge in effetti tessuto proteico muscolare; nel secondo caso la cellula metabolizza proteine che provengono dal normale ricambio proteico. Bisogna infatti ricordare che le strutture proteiche sono sottoposte a carichi e manifestano “affaticamento meccanico” analogamente a quanto si verifica per le strutture di un aereo; le cellule provvedono quindi normalmente a distruggere le molecole proteiche parzialmente degradate e a sintetizzarne di nuove. In media il ricambio proteico è di 1g/kg al giorno, quindi in un soggetto di 70 kg il fabbisogno proteico giornaliero è di 70g.

L’energia che si libera in alcune delle reazioni concatenate indicate sopra viene usata dalle cellule muscolari per la sintesi di un composto che contiene tre gruppi fosforici indicato come ATP che è altamente energetico. Infatti, l’ATP una volta formato, ha facilità a cedere un gruppo fosforico liberando energia.

Questa reazione realizza nella cellula muscolare una modificazione della disposizione spaziale delle molecole fibrillari note come actina e miosina che si traduce in un accorciamento della cellula muscolare. L’accorciamento è temporaneo ed è seguito dal ritorno alla condizione di riposo (rilasciamento).

Fatica

La cellula mescolare manifesta il fenomeno della fatica che consiste nel fatto che malgrado venga stimolata non è più in grado di contrarsi; questo fatto è ascrivibile ad una serie di fattori quali:

• carenza di ATP
• carenza di substrato che serve alla resintesi di ATP
• acidosi da elevata concentrazione di acido lattico
• alterazione della concentrazione di ioni intracellulari (sodio, potassio, calcio)
• disidratazione

E’ importante ricordare che una volta generatesi, questi fattori non si rimuovono molto rapidamente. Sicuramente è necessario un tempo sufficientemente lungo da compromettere una prestazione agonistica. Il riposo rimuove questi fattori.

Rendimento

Quando si parla di un motore è utile proporre il concetto di rendimento, cioè il rapporto tra lavoro fatto ed energia totale spesa per compiere il lavoro. Il rendimento della cellula muscolare è piuttosto elevato, circa il 25%, paragonabile a quello di una dinamo e molto superiore rispetto a quello di un motore a scoppio. Tuttavia, il rendimento del muscolo durante l’esecuzione di movimento complesso come la marcia e la corsa è sorprendentemente molto più elevato, raggiungendo il 55-60%. Questo si realizza per un’azione combinata tra muscolo e tendine nella particolare condizione in cui il muscolo si allunga durante la contrazione. Si pensa più facilmente all’accorciamento di un muscolo durante la contrazione, ma è molto frequente il caso in cui un muscolo si contrae e si allunga. Ad esempio scendete un gradino abbassando la gamba destra, se contemporaneamente ponete la mano sulla coscia di sinistra potete rilevare la contrazione del muscolo quadricipite; siccome il ginocchio di sinistra è in flessione questo significa che il muscolo quadricipite si contrae e si allunga. Analogamente, durante un passo di corsa, la fissazione della gamba in appoggio si realizza con una certa flessione del ginocchio e contrazione del quadricipite. La stessa gamba in appoggio sarà poi quella che fornisce la spinta la quale si realizza con l’estensione della gamba causata dalla contrazione del quadricipite. Pertanto il muscolo quadricipite rimane in contrazione nella fase di appoggio (contrazione-allungamento) e nella successiva fase di estensione (contrazione-accorciamento): dal punto di vista meccanico, nella fase di contrazione-allungamento si immagazzina energia elastica che si libera nella successiva fase di estensione. Questo meccanismo consente un notevole risparmio energetico in quanto la forza per l’estensione della gamba deriva da un recupero di energia elastica e non da attività metabolica. La conseguenza fisiologica di questo meccanismo è il basso costo energetico della marcia e della corsa: circa 1 kcal per kg di massa per km percorso. Per una persona di 70 kg ci vogliono 70 kcal per fare 1 km e 700 kcal per fare 10 km. Nella maggior parte dei casi le persone non sono in grado di fare 10 km e questo non perché non hanno a disposizione nel loro organismo substrato sufficiente a fornire 700 kcal. Infatti il nostro organismo dispone di una scorta di circa 500g. di zucchero che liberano 2000 kcal, e qualche chilo di grassi, diciamo 10 kg, corrispondenti a ben 9000 kcal. Quindi sulla base della quantità di zuccheri e lipidi, ci sarebbe una disponibilità pronto uso di 11000 kcal, utili a coprire qualcosa come 157 km. L’incapacità a coprire 10 km (o molto meno) dipende principalmente dalla scarsa efficienza del sistema "trasporto-utilizzo" dell’ossigeno