Pedalando sulla bici: in che modo i muscoli rispondono all’esercizio fisico Understand article

Tradotto da Cristina Florean. Tutti sappiamo che fare esercizio ci rende più sani e più in forma, ma quali cambiamenti avvengono nelle nostre cellule perché ciò sia possibile?

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concessa da Let Ideas
Compete; fonte dell’
immagine: Flickr

La prossima vola che ti alleni in palestra, o corri, o fai jogging per strada, rifletti su questo: la ‘memoria muscolare’- il fatto che il tuo allenamento di oggi abbia degli effetti sui tuoi muscoli per molti anni a venire- non è mai stata dimostrata dalla scienza. Esiste veramente? E se sì, come funziona?

Figura 1: Un ago da biopsia
viene usato per prelevare un
frammento di muscolo dalla
gamba di un partecipante
allo studio. Questo tessuto
può rivelarci quali
cambiamenti sono avvenuti
nelle fibre muscolari in
risposta a diversi tipi di
esercizio

Immagine gentilmente
concessa da Maléne Lindholm
e Susanna Wallman Appel

Queste sono alcune delle domande alle quali speriamo di rispondere con la nostra ricerca, che mira a definire i cambiamenti che avvengono nei muscoli quando ci si allena, e in che modo i nostri muscoli ‘sanno’ rispondere in modo diverso, ad esempio, a un allenamento di resistenza piuttosto che ad uno di rafforzamento.

Un vasto gruppo di volontari ci sta aiutando a cercare una risposta a queste domande. Non solo li facciamo correre fino all’esaurimento nella nostra palestra, ma inoltre, prima e dopo un intenso regime di allenamento che dura varie settimane, prendiamo un piccolo campione di muscolo dalla loro gamba, sotto anestesia locale (figura 1). Lo scopo della nostra ricerca è di aiutare le persone ad ottimizzare il loro programma di allenamento per ottenere la massima forma fisica, e potenzialmente aiutare a sviluppare nuovi trattamenti per persone che non possono fare esercizio, ad esempio a causa di una paralisi o di una malattia delle articolazioni.

Figura 2: Prima dello studio, i
partecipanti si sottopongono
ad un test in cui tutta l’aria
da loro esalata viene raccolta
e la quantità di ossigeno
immessa dall’organismo
viene misurata. In questo
modo ci informiamo sul
livello di forma fisica del
cuore e dei muscoli sotto
sforzo di ciascuno dei
partecipanti

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concessa da Maléne Lindholm
e Susanna Wallman Appel

La forma fisica dei nostri volontari viene controllata prima e dopo la partecipazione agli studi, misurando il loro massimo assorbimento di ossigeno. Mentre indossano una maschera che serve ad analizzare il loro consumo di ossigeno, i volontari pedalano su una cyclette che oppone via via sempre più resistenza, fino a quando non sono esausti (figura 2). In questo modo raccogliamo informazioni sulla capacità di pompaggio del cuore e sul metabolismo dei muscoli sotto sforzo- entrambi fattori associati alla forma fisica di una persona.

Successivamente studiamo il tessuto muscolare ottenuto dalle biopsie: possiamo tagliarlo a fette sottili, colorarlo, e quindi osservarlo al microscopio (figura 3), oppure rompere il tessuto e misurare i livelli di alcune specifiche molecole.

Naturalmente, sappiamo già che un esercizio regolare produce dei benefìci alla salute. Le persone fisicamente attive hanno un rischio minore di sviluppare una malattia cardiovascolare, il diabete di tipo II e certi tipi di cancro. Anche una quantità moderata di attività fisica, per esempio 30 minuti di camminata veloce, bastano ad apportare molti benefìci. E più esercizio facciamo, maggiori sono i benefìci.

Figura 3: I cambiamenti che
avvengono nelle fibre
muscolari in risposta all’
esercizio sono visualizzati
tramite un microscopio.
Diversi tipi di colorazione
rivelano le varie strutture
all’interno delle cellule. Qui,
una specifica modificazione
degli istoni è colorata in
rosso, con i nuclei cellulari
in blu e le membrane
cellulari in verde. Per
scoprire se è avvenuto
qualche cambiamento,
confrontiamo l’immagine con
una presa prima dell’
allenamento. Cliccare sull
’immagine per ingrandirla

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concessa da Maléne Lindholm
e Susanna Wallman Appel

Non è solo questione di quanto esercizio facciamo, ma anche di che tipo di esercizio e con che intensità: diversi tipi di esercizio producono diversi effetti sul corpo. Un allenamento con carico pesante, come sollevare pesi, fa crescere la massa dei muscoli scheletrici aumentando così la forza muscolare, mentre un regolare allenamento di resistenza, per esempio la corsa su lunga distanza, la bicicletta o l’aerobica, migliorano la forma fisica e riducono la fatica.

In che modo un regolare allenamento di resistenza porta a questi effetti? Col tempo, il cuore acquisisce la capacità di pompare maggiori quantità di sangue, e dopo un paio di mesi di allenamento, nuovi piccoli vasi sanguigni (i capillari) si formano intorno alle cellule muscolari, per assicurare loro un buon apporto di ossigeno. Inoltre, il numero di mitocondri – le centrali energetiche delle cellule- aumenta. Dentro ai mitocondri, alcuni enzimi usano l’ossigeno per convertire gli zuccheri e i grassi, provenienti dalla digestione, in energia utilizzabile. Più mitocondri hanno i muscoli, e più grassi e zuccheri riescono a metabolizzare, rilasciando così più energia.

Quello che non riusciamo ancora a capire, però, è in che modo l’allenamento possa causare questi cambiamenti. Stiamo affrontando la questione sotto due punti di vista: primo, come fa l’allenamento a generare più mitocondri nel muscolo scheletrico? E in secondo luogo, in che modo l’esercizio riesce a modificare il modo in cui le cellule utilizzano il DNA?

Costruendo mitocondri

I mitocondri sono formati da specifiche proteine, perciò i fattori che aumentano la produzione di proteine mitocondriali possono aumentare il numero di mitocondri in una cellula. Un fattore chiave nella regolazione della produzione di proteine mitocondriali è una molecola chiamata PGC-1α (figura 4).

Figura 4: PGC-1α è un fattore che regola il numero di mitocondri nelle fibre muscolari scheletriche, influenzando così la resistenza muscolare. I cambiamenti che avvengono durante l’esercizio fisico stimolano la produzione di questa proteina, che lavora insieme a dei fattori di trascrizione specializzati (PPAR e NRF-1) per produrre componenti mitocondriali. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da Susanne Mükusch
Impressione artistica di una
sezione di mitocondrio, che
mostra la membrana
mitocondriale interna
ripiegata. Cliccare sull’
immagine per ingrandirla

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concessa da Mariana Ruiz
Villarreal; fonte dell’immagine:
Wikimedia Commons

Perché un gene sia espresso – cioè, usato per fare una proteina- l’informazione presente nel DNA nucleare deve prima di tutto essere copiata, o trascritta in una molecola di mRNA. Queste molecole di mRNA devono poi uscire dal nucleo fino a siti cellulari dove vengono costruite le proteine.

Il processo di trascrizione è controllato da molecole che legano il DNA, chiamate fattori di trascrizione. Esse si attaccano al filamento di DNA in punti molto specifici, e possono bloccare o facilitare il processo di trascrizione. PGC-1α funziona insieme a dei fattori di trascrizione per facilitare l’espressione di geni che codificano per proteine mitocondriali.

Abbiamo di recente scoperto che una variante di PGC-1α non è presente nelle cellule prima di fare allenamento, ma se ne possono trovare alti livelli dopo soltanto un’ora di bicicletta.

Ciò suggerisce che alcuni geni sono accesi soltanto dall’esercizio, e questo può essere indicativo degli effetti che l’esercizio fisico ha sulla salute. Al momento, stiamo studiando possibili modulatori proteici di PGC-1α, che possano attaccarsi a questa proteina e aumentare o diminuire la sua attività di stimolazione della produzione di proteine mitocondriali.

Fattori epigenetici

Stiamo anche esplorando l’eventuale impatto dell’esercizio fisico sull’epigenetica. L’epigenetica cambia il modo in cui il DNA viene utilizzato, senza toccare l’informazione genetica che è codificata in esso. Nelle nostre cellule, il DNA è arrotolato intorno a proteine dalla forma di monete, chiamate istoni. L’attacco di piccole molecole chimiche al filamento di DNA o agli istoni influenza la capacità dei fattori di trascrizione di raggiungere il loro gene bersaglio. Per esempio, l’aggiunta di un metile (CH3) al DNA, generalmente rende meno accessibile e quindi meno attivo il gene adiacente, mentre l’attacco di un gruppo acetile (COCH3) agli istoni generalmente rende meno compatta quella parte di DNA, che diventa quindi più accessibile alla trascrizione (figura 5).

Figura 5: L’aggiunta un gruppo metile (CH3) al DNA, generalmente rende il gene adiacente meno accessibile e quindi meno attivo (A), mentre l’attacco di un gruppo acetile (COCH3) agli istoni solitamente rilassa quella parte del filamento di DNA, rendendolo più accessibile alla trascrizione (B)
Immagine adattata per concessione del NIH Common Fund (per l’originale, vedere: http://commonfund.nih.gov/Epigenomics/epigeneticmechanisms.aspx)

Usando il materiale biopsico dei nostri volontari, puntiamo a verificare se questi effetti epigenetici persistano dopo un periodo senza allenamento, e se essi influenzino il modo in cui un individuo risponde ad un successivo periodo di allenamento. Basandoci sui risultati di questi esperimenti, saremo in grado di studiare se la ‘memoria muscolare’ esiste veramente, e se sì, come funziona.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano il Professore Associato Carl Johan Sundberg, per aver fornito loro l’opportunità di lavorare nel suo laboratorio e per il prezioso contributo a questo articolo.

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Resources

  • Per altre informazioni sul ruolo dell’esercizio nella prevenzione e cura di diverse malattie, vedi:
  • Per ulteriori informazioni sugli effetti fisiologici dell’esercizio, vedi:
    • Wilmore JH, Costill DL, Kenney WL (2007) Physiology of Sport and Exercise 4th edition. Champaign, IL, USA: Human Kinetics. ISBN: 9780736055833

    • Il sito web GCSE Bitesize della BBC ha una risorsa chiamata ‘effects of training and exercise’ (effetti dell’allenamento e dell’esercizio), rivolta a studenti tra i 14 e i 16 anni.

    • How the body responds to exercise’ video del sito web di US Teachers’ Domain.

    • Where do you get your energy’ video del sito web di US Teachers’ Domain.

  • Maggiori informazioni sui dettagli scientifici si possono trovare nei seguenti articoli di ricerca:

Author(s)

Maléne Lindholm e Susanna Wallman Appel conducono un dottorato di ricerca sugli effetti dell’esercizio fisico sulle funzioni del muscolo scheletrico umano e sui concomitanti benefici alla salute. Hanno entrambe una laurea in biomedicina dal Karolinska Instituet di Stoccolma, Svezia, dove svolgono anche il ruolo di insegnanti di fisiologia.


Review

Fare esercizio è un’attività che riguarda (o dovrebbe riguardare) ogni essere umano del pianeta; pertanto, per decadi gli è stata rivolta una grande attenzione. Nonostante i potenziali benefìci dell’esercizio fisico siano ben conosciuti, le cause di tali effetti benefici sono per lo più ignote. Questo articolo fornisce una visione globale di alcuni dei fattori genetici che possono essere coinvolti nei risultati positivi osservati nella forma fisica degli individui che fanno esercizio.

Le informazioni contenute in questo articolo saranno considerate probabilmente molto interessanti da biologi e in generale da persone con qualche nozione di genetica, inclusi gli studenti di biologia di livello avanzato nelle scuole superiori. Potrebbero anche essere motivati a pensare a delle maniere alternative attraverso le quali l’esercizio porta benefici alla salute.


Michalis Hadjimarcou, Cipro




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