Fatica muscolare: Acido lattico o fosfato inorganico la causa principale?

Il consumo di energia delle cellule muscolari scheletriche può aumentare fino a 100 volte quando si passa dal riposo all’esercizio ad alta intensità. Questa elevata richiesta di energia supera la capacità aerobica delle cellule muscolari, e una grande frazione dell’ATP richiesto proviene dal metabolismo anaerobico. L’esercizio ad alta intensità porta anche a un rapido declino della funzione contrattile noto come affaticamento del muscolo scheletrico. Sembra quindi logico che ci sia una relazione causale tra il metabolismo anaerobico e l’affaticamento muscolare; cioè, qualche conseguenza del metabolismo anaerobico causa il declino della funzione contrattile.

La degradazione anaerobica del glicogeno porta a un accumulo intracellulare di acidi inorganici, di cui l’acido lattico è quantitativamente il più importante. Poiché l’acido lattico è un acido forte, si dissocia in lattato e H+. Gli ioni lattato avrebbero poco effetto sulla contrazione muscolare (16); tuttavia, l’aumento di H+ (cioè, pH ridotto o acidosi) è la causa classica della fatica del muscolo scheletrico. Tuttavia, il ruolo del pH ridotto come causa importante dell’affaticamento viene ora messo in discussione, e diversi studi recenti (5,14,19,20) mostrano che il pH ridotto può avere poco effetto sulla contrazione nel muscolo dei mammiferi a temperature fisiologiche.

Oltre all’acidosi, il metabolismo anaerobico nel muscolo scheletrico comporta anche l’idrolisi della creatina fosfato (CrP) a creatina e fosfato inorganico (Pi). La creatina ha poco effetto sulla funzione contrattile, mentre ci sono diversi meccanismi attraverso i quali un aumento del Pi può deprimere la funzione contrattile. Così, sulla base di recenti risultati (6-8, 10-12), l’aumento del Pi piuttosto che l’acidosi sembra essere la causa più importante della fatica durante l’esercizio ad alta intensità. Questa breve rassegna delineerà i risultati che costituiscono la base per il passaggio dall’acidosi all’aumento del Pi come principale fattore di fatica nel muscolo dei mammiferi. Ci concentreremo su studi in cui la fatica si sviluppa su una scala temporale di minuti, in cui le conseguenze del metabolismo anaerobico sarebbero di grande importanza. Con un’attivazione ancora più intensa (per esempio, una contrazione massimale continua), altri fattori, come il fallimento della propagazione del potenziale d’azione, possono diventare sempre più importanti. Al contrario, con tipi di esercizio più duraturi (ad esempio, la maratona), fattori come l’esaurimento delle riserve di carboidrati e la disidratazione diventano sempre più importanti.

Per studiare i meccanismi alla base della fatica, usiamo spesso cellule muscolari isolate (fibre), che vengono affaticate da ripetuti tetani di breve durata. La presente revisione si concentrerà sui risultati ottenuti in tali studi, nonché sugli studi sulle fibre muscolari scuoiate (cioè le cellule muscolari in cui la membrana superficiale è stata rimossa chimicamente o fisicamente). Questo perché gli studi su singole fibre muscolari forniscono il modo più diretto per affrontare i meccanismi cellulari della fatica. Si può obiettare che le conclusioni tratte da studi su singole fibre non sono rilevanti per la fatica sperimentata dall’uomo durante vari tipi di esercizio. Tuttavia, i dati disponibili indicano che i meccanismi della fatica sono qualitativamente simili in diversi modelli sperimentali, che vanno dall’uomo in esercizio alle singole fibre (2). Le differenze che inevitabilmente devono esistere sembrano essere principalmente di natura quantitativa.

Durante un’intensa attività muscolare, il pH intracellulare può scendere di ~0,5 unità di pH. Ci sono due linee principali di evidenza che sono state utilizzate per collegare questo declino del pH alla disfunzione contrattile nella fatica. In primo luogo, gli studi sulla fatica muscolare umana hanno spesso mostrato una buona correlazione temporale tra il declino del pH muscolare e la riduzione della forza o della produzione di potenza. In secondo luogo, studi su fibre muscolari scheletriche scuoiate hanno dimostrato che l’acidificazione può ridurre sia la forza isometrica che la velocità di accorciamento.

Tuttavia, nell’uomo la correlazione temporale tra la compromissione della funzione contrattile durante la fatica e la riduzione del pH non è sempre presente. Per esempio, la forza a volte recupera più rapidamente del pH dopo la fine delle contrazioni affaticanti (18). Questo significa che se il pH ridotto ha un effetto diretto di riduzione della forza nei muscoli umani, questo effetto deve essere contrastato da qualche altro fattore che aumenta la forza nella stessa misura. Tale fattore che potenzia la forza non è stato identificato, e quindi la conclusione ovvia è che non esiste una relazione causale tra l’acidosi e la ridotta produzione di forza.

Prove importanti a favore dell’acidosi che causa una ridotta produzione di forza provengono da studi su fibre muscolari scuoiate che sono stati eseguiti a ≤15°C (14). Studi recenti si sono concentrati sulla dipendenza dalla temperatura degli effetti del pH sulla forza, e i risultati di questi studi mettono ulteriormente in discussione il ruolo dell’H+ nella fatica muscolare dei mammiferi. Alcuni primi studi condotti più di 10 anni fa mostravano che l’acidificazione, semmai, comportava un aumento della forza tetanica a temperature fisiologiche (17). Più recentemente, Pate e colleghi (14) hanno studiato fibre di psoas di coniglio scuoiate e hanno osservato l’atteso grande effetto depressivo dell’abbassamento del pH a 10°C, ma l’effetto dell’acidificazione sulla produzione di forza era piccolo a 30°C. Risultati simili sono stati successivamente ottenuti in singole fibre muscolari isolate di topo (19) e in muscoli interi di topo (20) (Fig. 1A).

L’acidificazione è stata considerata un fattore importante dietro la ridotta velocità di accorciamento nella fatica. Tuttavia, utilizzando fibre muscolari di coniglio scuoiato, Pate e colleghi (14) hanno dimostrato che l’acidificazione ha poco effetto sulla velocità di accorciamento a 30°C. Allo stesso modo, in fibre muscolari intatte di topo, la velocità massima di accorciamento è stata ridotta di ~20% a 12°C, mentre non c’era una riduzione significativa a 32°C (19). Così nel muscolo dei mammiferi studiato a temperature fisiologiche, la funzione dei ponti incrociati (cioè l’attacco e il distacco ciclico delle teste di miosina all’actina che provoca la contrazione muscolare) è poco influenzata dall’acidificazione (Fig. 1B).

Un altro meccanismo attraverso il quale l’acidosi intracellulare può indurre la fatica è l’inibizione del metabolismo energetico. Gli enzimi chiave della glicogenolisi e della glicolisi sono rispettivamente la fosforilasi e la fosfofruttochinasi. Entrambi questi enzimi sono inibiti a basso pH in vitro, e quindi il tasso di fornitura di ATP ai processi che richiedono energia potrebbe essere diminuito nei muscoli che diventano acidi durante la fatica. Tuttavia, un recente studio sull’uomo non ha rilevato una riduzione del tasso di glicogenolisi/glicolisi nel muscolo acidificato (4). Inoltre, un’acidificazione di 0,4 unità di pH non ha influenzato la resistenza di fibre muscolari isolate di topo affaticate da brevi tetani ripetuti a 28°C (5). Quindi l’inibizione della fosforilasi e della fosfofruttochinasi indotta dall’acidosi in vitro sembra essere contrastata da altri fattori in vivo, e lo sviluppo della fatica non sembra essere accelerato dall’acidosi a temperature quasi fisiologiche. È stato anche suggerito che l’acidosi diminuisca le prestazioni muscolari durante la fatica inibendo il rilascio di Ca2+ dal SR. Tale inibizione diminuirà il grado di attivazione del macchinario contrattile e quindi porterà a una diminuzione della produzione di forza. Anche se è stato ripetutamente dimostrato che c’è una diminuzione della concentrazione libera di Ca2+ mioplasmatico (i) durante le contrazioni nella fatica (vedi Fig. 2A), è dubbio che questo sia legato all’acidosi. Una scoperta che potrebbe sostenere un ruolo del pH diminuito in questo aspetto è che l’acidosi riduce la probabilità di apertura dei canali di rilascio di Ca2+ isolato SR (cioè, i recettori di rianodina). Tuttavia, l’acidificazione non ha alcun effetto depressivo evidente sul rilascio di SR Ca2+ indotto dalla depolarizzazione nelle fibre spellate con un sistema SR trasversale-tubulare intatto (13).

Per riassumere, l’acidosi ha poco effetto diretto sulla produzione di forza isometrica, la velocità massima di accorciamento, o il tasso di degradazione del glicogeno nei muscoli dei mammiferi studiati a temperature fisiologiche. Pertanto, se l’acidosi è coinvolta nella fatica del muscolo scheletrico, l’effetto può essere indiretto. Per esempio, l’acidosi extracellulare può benissimo attivare le afferenze nervose del gruppo III-IV nel muscolo e quindi essere coinvolta nella sensazione di disagio nella fatica. Questo avrebbe senso dal punto di vista dell’atleta. I regimi di allenamento per gli atleti di punta negli sport di resistenza spesso enfatizzano “l’allenamento dell’acido lattico”, cioè i protocolli di allenamento che inducono alti livelli di acido lattico nel plasma. Un effetto di questo tipo di allenamento può quindi essere quello di imparare a far fronte al disagio indotto dall’acidosi senza perdere ritmo e tecnica e in questo modo ottenere il massimo effetto dai muscoli, che di per sé non sono direttamente inibiti dall’acidosi. Un meccanismo alternativo attraverso il quale la formazione di acido lattico può imporre un limite alla prestazione è durante gli esercizi di lunga durata in cui l’esaurimento del glicogeno è un fattore chiave. Con un’ampia produzione di acido lattico, la quantità totale di ATP prodotta dal glicogeno immagazzinato è inferiore a quella prodotta da una completa degradazione aerobica, perché ogni unità glicosilica dà 3 ATP quando si produce acido lattico e 39 ATP quando viene completamente metabolizzata nei mitocondri a CO2 e H2O. Pertanto, la riserva di glicogeno si esaurisce più rapidamente quando vengono prodotte grandi quantità di acido lattico e le prestazioni muscolari sono gravemente depresse a bassi livelli di glicogeno. Infine, la correlazione temporale frequentemente osservata tra la diminuzione del pH e la diminuzione della funzione muscolare può essere coincidente piuttosto che causale. Cioè, una marcata acidificazione implica che la domanda di energia supera la capacità del metabolismo aerobico e che le vie anaerobiche sono utilizzate per generare ATP. Potrebbe quindi essere che, piuttosto che l’acidificazione, qualche altra conseguenza del metabolismo anaerobico sia la causa effettiva della compromissione della funzione muscolare, e l’aumento del Pi è un forte candidato in questo senso.

L’aumento dell’accumulo di Pi come causa principale della fatica del muscolo scheletrico

La concentrazione di Pi aumenta durante l’intensa attività muscolare scheletrica principalmente a causa della degradazione del CrP. La maggior parte dei modelli di azione dei ponti incrociati propone che il Pi venga rilasciato nella transizione da stati a bassa forza e debolmente attaccati a stati ad alta forza e fortemente attaccati. Questo implica che la transizione verso gli stati ad alta forza è ostacolata da un aumento del Pi. Pertanto, un minor numero di ponti incrociati si troverebbe negli stati ad alta forza e la produzione di forza diminuirebbe con l’aumento del Pi durante lo sviluppo della fatica. In linea con questo, gli esperimenti su fibre scuoiate mostrano costantemente una ridotta forza massima attivata dal Ca2+ in presenza di Pi elevato.

L’ipotesi che l’aumento del Pi riduca la forza massima dei ponti incrociati è stata difficile da testare in cellule muscolari intatte, poiché si è dimostrato difficile aumentare il Pi mioplasmatico senza imporre anche altri cambiamenti metabolici. Abbiamo recentemente dimostrato (6,7) che i topi geneticamente modificati completamente privi di creatina chinasi (CK) nei loro muscoli scheletrici (topi CK-/-) forniscono un modello ragionevole per studiare gli effetti dell’aumento del Pi. CK catalizza il trasferimento di gruppi fosfato ad alta energia tra CrP e ATP. Durante i periodi di alta domanda di energia, il risultato netto della reazione CK è che CrP si scompone in Cr e Pi, ma la concentrazione di ATP rimane quasi costante. Le fibre muscolari scheletriche a contrazione rapida di topi CK-/- mostrano un’aumentata concentrazione mioplasmatica di Pi a riposo; inoltre, durante la fatica non c’è un accumulo significativo di Pi. La forza massima attivata dal Ca2+ delle fibre a contrazione rapida non affaticate CK-/- è marcatamente inferiore a quella delle fibre wild-type, il che supporta un ruolo di riduzione della forza dell’aumento del Pi (6). Inoltre, durante la fatica indotta da ripetuti brevi tetani, le fibre a contrazione rapida con CK intatto mostrano una riduzione del 10-20% della forza massima attivata da Ca2+ rapidamente, dopo ~ 10 tetani. Questo declino della forza, che è stato attribuito all’aumento del Pi, non si verifica nelle fibre CK-/- (7). Anche dopo 100 tetani affaticanti, la forza non è stata significativamente influenzata nelle fibre CK-/-, mentre a questo punto la forza era ridotta al <30% dell’originale nelle fibre wild-type (Fig. 2). Un ulteriore supporto per l’accoppiamento tra la concentrazione del Pi mioplasmatico e la produzione di forza nelle cellule muscolari intatte proviene da esperimenti in cui un ridotto Pi mioplasmatico è associato ad una maggiore produzione di forza (15). Quindi un aumento del Pi mioplasmatico può diminuire la produzione di forza durante la fatica per azione diretta sulla funzione dei ponti crociati. La funzione alterata dei ponti crociati può anche influenzare la relazione forza-i attraverso la complessa interazione tra l’attacco dei ponti crociati e l’attivazione dei filamenti sottili (actina). In questo modo, l’aumento del Pi può anche ridurre la produzione di forza causando una ridotta sensibilità del Ca2+ miofibrillare, che è una caratteristica frequentemente osservata nella fatica del muscolo scheletrico.

Negli ultimi anni, è diventato sempre più chiaro che l’aumento del Pi influenza anche lo sviluppo della fatica agendo sulla gestione del SR Ca2+. A questo proposito, ci sono diversi meccanismi attraverso i quali l’aumento di Pi può esercitare il suo effetto, e il risultato può essere sia l’aumento che la riduzione del tetanico i. I meccanismi importanti includono i seguenti:

Azione diretta. Il Pi può agire direttamente sui canali di rilascio del Ca2+ del SR, aumentare la loro probabilità di apertura e facilitare il rilascio di Ca2+ indotto dal Ca2+ (3). Questa azione del Pi porterebbe ad un aumento dell’i tetanico e potrebbe essere coinvolto nell’aumento dell’i tetanico normalmente osservato nella fatica iniziale. A sostegno di questa nozione, le fibre CK-/- non mostrano questo aumento precoce di tetanica i (7).

Inibizione del Ca2+uptake. L’aumento del Pi può inibire l’assorbimento del Ca2+ SR guidato dall’ATP (9). A breve termine, l’inibizione dell’uptake del Ca2+ del SR risulterà in un aumento della tetanica i (supponendo che la quantità di Ca2+ rilasciata rimanga costante). A lungo termine, invece, il Ca2+ potrebbe accumularsi in altri organelli (per esempio, i mitocondri) o eventualmente lasciare la cellula. In questo modo, il Ca2+ disponibile per il rilascio può diminuire sostanzialmente, con conseguente riduzione della tetanica i. Anche se è teoricamente possibile che la perdita di Ca2+ dalla cellula contribuisca al declino della tetanica i nella fatica, non siamo a conoscenza di alcun risultato sperimentale che lo sostenga.

Ca2+-Piprecipitazione. Pi può entrare nel SR, che può provocare la precipitazione di Ca2+-Pi e quindi diminuire il Ca2+ disponibile per il rilascio. Questo meccanismo è stato recentemente supportato da studi che utilizzano diversi approcci sperimentali. In esperimenti iniziali su fibre spellate con sistemi SR trasversali-tubulari intatti, Fryer e colleghi (10) hanno dimostrato che un aumento del Pi potrebbe deprimere il rilascio di Ca2+ del SR. Questi autori hanno anche fornito prove indirette che il Pi può raggiungere una concentrazione nel SR abbastanza alta da superare la soglia per la precipitazione di Ca2+-Pi in questo ambiente ad alto Ca2+. Da questo lavoro pionieristico, è stato dimostrato che il Ca2+ disponibile per il rilascio è effettivamente ridotto in fibre singole affaticate dai muscoli del rospo di canna (11). Anche le misurazioni della concentrazione di Ca2+ del SR mostrano una diminuzione nelle fibre affaticate di rospo di canna (12). Inoltre, il declino della tetanica i durante la fatica è ritardato quando l’accumulo di Pi è impedito dall’inibizione della reazione CK, sia farmacologicamente (8) che per delezione genica (CK-/-) (7).

Una debolezza dell’ipotesi che l’aumento del Pi causa la precipitazione di Ca2+-Pi nel SR è che il Pi aumenta piuttosto presto durante la stimolazione affaticante ma il declino della tetanica i avviene generalmente abbastanza tardi. Inoltre, nelle fibre a contrazione rapida del topo il declino della tetanica i correla temporalmente con un aumento di Mg2+, che presumibilmente deriva da una ripartizione netta di ATP (2), e l’accoppiamento tra Ca2+-Pi precipitazione nel SR e aumento Mg2+/riduzione ATP non è ovvio. Tuttavia, uno studio recente fornisce una spiegazione ragionevole per queste apparenti difficoltà: Il Pi entra probabilmente nel SR attraverso un canale anionico, che aumenta la sua probabilità di apertura al diminuire dell’ATP (1). Questo può spiegare sia perché Pi entra nel SR con un ritardo sia perché c’è una correlazione temporale tra l’aumento di Mg2+ e il declino dell’i tetanica. È interessante notare che nelle fibre in cui la reazione CK è inibita farmacologicamente e l’affaticamento si verifica senza un grande accumulo di Pi, un aumento di Mg2+ non è accompagnato da una ridotta i tetanica (8). Insieme, i risultati ottenuti con una varietà di approcci sperimentali indicano che la precipitazione di Ca2+-Pi nel SR è la causa principale della riduzione dell’i tetanica nella fatica indotta da ripetuti, brevi tetani.

La figura 3 illustra i vari meccanismi con cui il Pi può influenzare la funzione muscolare durante la fatica. Mostra che l’aumento del Pi può deprimere la produzione di forza agendo direttamente sulle miofibrille o su siti nella via di eccitazione-contrazione all’interno delle cellule muscolari. L’effetto depressivo dell’aumento del Pi può, come l’effetto dell’acidificazione descritto sopra, diminuire quando la temperatura viene aumentata fino a quella prevalente nei muscoli dei mammiferi in situ. Poche informazioni sono disponibili per quanto riguarda la dipendenza dalla temperatura degli effetti del Pi sulla contrazione muscolare, e la maggior parte degli studi sulle fibre scuoiate che esaminano gli effetti del Pi sono stati eseguiti a basse temperature. Gli studi effettuati su fibre intatte di topo nel nostro laboratorio mostrano marcati effetti depressivi sulla produzione di forza che possono essere attribuiti al Pi elevato. Questi studi sono stati generalmente eseguiti a ~25°C, che è vicino alla temperatura in situ a riposo (31°C) dei muscoli dell’alluce situati superficialmente utilizzati (5). Tuttavia, sono necessari studi sul muscolo dei mammiferi eseguiti a temperatura corporea normale (~37°C) per assicurarsi che gli effetti dell’aumento del Pi permangano con l’aumento della temperatura.

Conclusione

I dati presentati sopra forniscono un sostegno sostanziale all’aumento del Pi che ha un ruolo chiave nella fatica del muscolo scheletrico. Per l’acidosi, invece, i dati più recenti indicano che il suo effetto depressivo sulla contrazione muscolare è limitato.