la supplementazione di ossido nitrico e performance umana · 2014-04-02 · quadra da riposo ad...

02/04/14 Fisiologia dello Sport 1

Carlo Capelli, Università degli Studi di Verona

La supplementazione di ossido nitrico e performance umana


Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo

•  Ossido nitrico o monossido di azoto (NO) •  Gas incolore e solubile con proprietà ossidanti •  Azione più nota: regola l’omeostasi vascolare •  E’ un vasodilatatore che agisce sulla muscolatura

liscia dei vasi sanguigni •  Ha un’emivita breve perché si inattiva velocemente

legandosi all’emoglobina •  Esistono carrier per il NO che mantengono la sua

bioattività (gruppo tiolico di alcune proteine formando l’s-nitrosothiolo, snos)

•  Può agire anche lontano dal luogo dove si è formato



•  Genesi del NO •  Due vie: una NOs (ossido nitrico sintasi)-dipendente e

una NOs-indipendente

•  NOs –indipendente •  dall’ossidazione di nitriti e

nitrati

•  NOs –dipendente •  cellule endoteliali dei vasi

sanguigni (cellule nervose e in caso di infezione o infiammazione nei globuli bianchi)



•  Via NOs dipendente

•  l’enzima ossido nitrico sintasi (presente nel corpo umano sia in forma costitutiva che inducibile) produce NO a partire da l-arginina (che sarà trasformata in citrullina) e ossigeno usando cofattori come il FAD e NADPH



•  Via NOs indipendente •  I nitrati (inerti) assorbiti con la dieta sono assorbiti dal tratto GI e si

aggiungono a quelli derivati dal NO •  Il 25 % di questi nitrati è attivamente captato ed escreto dalle ghiandole

salivari •  I batteri anaerobici facoltativi del cavo orale li trasformano in nitriti

(forma bioattiva) (grazie all’azione della nitrato reduttasi)



•  Via NOs indipendente •  Quando la saliva deglutita giunge nello stomaco, i nitriti reagiscono con

l’acido cloridrico e si produce NO che entra in circolo



•  Nitrosammine •  il triossido di diazoto è un agente nitrosilante e può formare N-

nitrosamine cancerogene



•  Via NOs indipendente •  In seguito NO sarà ossidato a nitrato che sarà escreto nella cavità orale

per formare nitrito: circolo entero salivare.



•  Circolo entero salivare dei nitrati-nitriti


Fonti esogene di nitrati e nitriti

•  Carni e insaccati (conservanti) •  Vegetali: spinaci, bietola rossa, insalata, sedano •  Acqua •  l’86% dei nitrati provengono dai vegetali; i nitriti derivano dalla

carne (39%), dai cereali (34%) e vegetali (16%) •  Il consumo giornaliero medio di nitrati derivanti da cibo e

bevande può arrivare a circa 100-150 mg in persone adulte, al quale va aggiunta la quota di nitrati e nitriti generati nell’organismo

•  Fonti esogene non alimentari: fumo di sigaretta, scarico di veicoli, acqua…


Supplementazione di Nitrati, metabolismo aerobico e performance

•  L’assunzione di nitrati-nitriti per via farmacologica o dietetica induce una diminuzione significativa del consumo di ossigeno durante esercizi di intensità moderata di vario tipo (ciclismo, corsa)

•  Tutti gli studi sperimentali su volontari sono esperimenti randomizzati, cross-over a doppio cieco trattamento – controllo (placebo)

•  Sono stati studiati soprattutto giovani maschi sani moderatamente attivi o atleti dediti a sport di resistenza

•  Meno chiari sono i risultati ottenuti su atleti di élite


Supplementazione di Nitrati, metabolismo aerobico e performance

•  Le vie di somministrazione dei nitrati-nitriti utilizzate negli studi sono la via farmacologica (0.1 mmol·kg-1·d-1 di nitrato di sodio) o quella alimentare (NO3-, 5.5 mmol/die; somministrate come 0.5 litri di succo di bietola rossa/die assunto nell’arco delle 24ore)

•  Gli effetti della supplementazione sono acuti poiché sono evidenti già dopo 5 giorni di somministrazione (Vanhatalo et al., 2010) e si protraggono per almeno due settimane dopo il termine dell’assunzione

Supplementazione di Nitrati e economia di esercizio


•  0,1 mmol di nitrato di sodio per tre giorni

•  Test al ciclo ergometro eseguito ad intensità tra 40 e’80% del V’O2max

•  Diminuzione significativa del V’O2

•  Aumento altrettanto significativo della cosiddetta gross efficency) (+ 0,4%).

Larsen et al., 2007

Supplementazione di Nitrati e economia di esercizio


•  Significativa riduzione del consumo di ossigeno nel corso di esercizio al cicloergometro

Bailey et al., 2009

NEAR-INFRARED SPECTROSCOPY (NIRS) Misura non invasiva dell’ossigenazione tessutale basata su : •  le differenti proprietà di assorbimento della

radiazioni vicino all’infrarosso da parte di HbO2 e HHb (cromofori con diversi spettri di assorbimento)

•  trasparenza dei tessuti biologici (water transparence window)

Ossigenazione muscolare durante esercizio

•  non invasiva •  facile da utilizzare •  applicabile a singoli muscoli anche piccoli •  alta frequenza di campionamento (studio

cinetiche) •  costo relativamente contenuto •  disponibili strumenti portatili •  ripetibile nel tempo

Vantaggi NIRS

-60 0 60 120 300

-0.2

0.0

0.2

Tempo (s)

-60 0 60 120 300

-0.4

-0.2

0.0

0.2

Δ[deoxy(Hb+Mb)]

Δ[oxy(Hb+Mb)]

Δ[oxy(Hb+Mb)+deoxy(Hb+Mb)]

Δ[oxy(Hb+Mb)-deoxy(Hb+Mb)]

Varia

zioni

di c

once

ntra

zione

(A.U

.)

fase A

fase B

fase C

NIRS muscolare durante esercizio sub massimale a step

D[deoxyHb]

work load (W)50 100 150 200 250 300

Δ[deoxyHb] (%

of ischemic value

)

0

20

40

60

80

100

120healthy elderlyhypertensive elderlyyoung

NIRS e studio della risposta vasoattiva

Supplementazione di Nitrati, flusso muscolare e estrazione di O2


•  Riduzione dell’estrazione di O2 da parte del muscolo stimata per mezzo della NIRS.

•  La diminuzione dell’intensità del segnale di HHb (deossi Hb) e l’aumento di quelli di HbO2 (oxy Hb) e Hbtot (Hb totale = deossi Hb + oxy Hb) suggeriscono un aumento della perfusione locale muscolare durante esercizio

Bailey et al., 2009

Supplementazione di Nitrati e cinetica del V’O2


•  Durante transizioni ad onda quadra da riposo ad esercizio di intensità moderata, la fase 2 della cinetica di VO’2 non è influenzata dalla supplementazione con nitrati (CON: tau2 = 22 s, NIT: tau2 = 21 s) in soggetti giovani Bailey et al., 2010

Supplementazione di Nitrati e cinetica del V’O2 negli anziani sani


•  Durante transizioni ad onda quadra da riposo ad esercizio di intensità moderata, la cinetica della fase 2 della cinetica di VO’2 diventa un po’ più rapida (tau2 da 28 a 25 s) in anziani sani

•  Miglior matching tra V’O2 muscolare e perfusione?

Kelly et al., 2013

Supplementazione di Nitrati e componente lenta della cinetica del V’O2


•  La componente lenta della cinetica di V’O2 durante esercizio molto-intenso (> CP) eseguito da riposo o da esercizio moderato si riduce

•  Aumenta anche il tempo di esaurimento e migliora la performance

Bailey et al., 2009 Breese et al., 2013

Bailey et al., 2009

Supplementazione di Nitrati e V’O2max


•  Il V’O2max è ridotto dalla supplementazione on ciclisti di élite

Bescos et al., 2011

Effetti cardiovascoalri della supplementazione di Nitrati


•  Dopo due ore mezza dopo la somministrazione di nitrati in un succo di barbabietola i valori a riposo di pressione arteriosa sistolica e media in un gruppo di 8 giovani volontari normotesi siano significativamente diminuiti.

•  Gli stessi effetti ipotensivi sono stati ottenuti dopo una somministrazione di tre giorni su volontari anziani maschi (60 – 70 anni).

Riassumendo…


La somministrazione di nitrati-nitriti effettuata su soggetti adulti o giovani: •  conduce ad una diminuzione del consumo di ossigeno allo stato stazionario

(con relativo aumento del rendimento) nel corso di esercizi sottomassimali soprattutto in soggetti giovani moderatamente allenati;

•  Può indurre una diminuzione del massimo consumo di ossigeno, soprattutto evidente in atleti di élite;

•  Si rivela efficace in tempi brevi. •  È in grado di aumentare il tempo di esaurimento e la performance nel corso di

esercizio di intensità elevata (pesante, molto pesante); •  Induce una diminuzione dell’ampiezza della componente lenta della cinetica

del V’O2, lasciando inalterata la costante di tempo della fase lenta.

Meccanismi biologici di azione


•  La diminuzione del V’O2 è riconducibile ad un costo minore della contrazione muscolare: si consuma una minore quantità di ATP per eseguire la stessa quantità di lavoro meccanico.

•  Ciò causerebbe una minore deplezione di PCr (deficit di O2 minore) e una diminuzione dell’intensità del segnale biochimico che controlla la respirazione mitocondriale del muscolo scheletrico, da cui una riduzione del V’O2

Bailey et al., 2010



•  La supplementazione di nitrati-nitriti conduca ad una respirazione mitocondriale più efficiente, un fatto testimoniato da un rapporto P/O più elevato

Larsen et al., 2011



•  Aumenta l’efficienza della fosforilazione ossidativa diminuendo il leakage di protoni a cavallo della membrana mitocondriale (Clerc et al., 2007)

•  NO2- è un accettore alternativo di elettroni e potrebbe, teoricamente, sostituire

l’O2 nella catena respiratoria mitocondriale (Basu et al., 2008) •  NO è un potente inibitore della citocromo ossidasi (Brown e Cooper, 1994) •  NO è un potente vasodilatatore e la riduzione di NO2

- è favorita dall’ipossia. •  Nelle aree muscoli che ricevono poco flusso sanguigno o utilizzano una

maggiore quantità di O2 si potrebbe instaurare un accumulo di NO •  Ciò condurrebbe ad un miglior matching tra consumo e delivery di O2

locali •  Questo, però spiegherebbe (in parte) solo la velocizzazione della cinetica

del V’O2

Altre azioni del NO


•  Cellule satelliti: cellule staminali dei miociti che hanno la capacità di fornire nuove fibre muscolari e mionuclei

•  NO stimola la proliferazione delle cellule satelliti e le attiva in modo che entrino nel ciclo di differenziamento verso nuove fibre muscolari (applicazioni cliniche, supplementazione e allenamento e ipertrofia….)

•  NO attiva PGC1alfa •  Biogenesi mitocondriale

•  la cascata dei segnali è iniziata dall’attivazione di protein chinasi (AMP chinasi, AMPK)

•  L’attivazione di queste chinasi induce l’espressione di una famiglia di fattori di trascrizione: PGC1alfa, il master regulator della biogenesi mitocondriale

•  NO e AMPK agiscono sinergicamente nell’attivare PGC1alfa


Bibliografia

•  Bailey SJ, Winyard P, Vanhatalo A et al. Dietary nitrate supplementation reduces the O2 cost of low-intensity exercise and enhances tolerance to high-intensity exercise in humans. J Appl Physiol 107: 1144 –1155, 2009.

•  Bailey SJ, Fulford J, Vanhatalo A, Winyard PG, Blackwell JR, DiMenna FJ, Wilkerson DP, Benjamin N, Jones AM. Dietary nitrate supplementation enhances muscle contractile efficiency during knee-extensor exercise in humans. J Appl Physiol 109: 135–148, 2010.

•  Basu S, Azarova NA, Font M et al. Nitrite reductase activity of Cytochome C. J Biol Chem 47: 32590 – 32597, 2008.

•  Bescos RL, Rodriguez FA, Iglesias X et al. Acute administration of inorganic nitrate reduces V’O2peak in endurance athletes. Med. Sci. Sports Exerc 43: 1979 1986, 2011.

•  Bescos R, Sureda A, Tur JA et al. The Effect of Nitric-Oxide-Related Supplements on Human Performance. Sports Med 42: 99 – 117, 2010.


Bibliografia •  Brown GC, Cooper CE. Nanomolar concentrations of nitric oxide reversibly

inhibit synaptosomal respiration by competing with oxygen at cytochrome oxidase. FEBS Lett 356: 295–298, 1994.

•  Clerc P, Rigoulet M, Levreve X et al. Nitric oxide increases oxidative phosphorilation efficiency. J Bioenerg Biomembr 39: 158 – 166, 2007

•  Kelly J, Fulford J, Vanhatalo A et al. Effects of short term dietary nitrate supplementation on blood pressure, O2 uptake kinetics, and muscle and cognitive function in older adults. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 304: R73–R83, 2013.

•  Larsen F, Weitzberg E, Lundberg JO et al. Effects of dietary nitrate on oxygen cost during exercise. Acta Physiol 191: 55-66, 2007.

•  Larsen FJ, Schiffer TA, Bomiquel S et al.Dietary Inorganic Nitrate Improves Mitochondrial Efficiency in Humans. Cell Met 13: 149 – 159, 2011.


Bibliografia •  Vanhatalo A, Bailey SJ, Blackwell JR et al. Acute and chronic effects of

dietary nitrate supplementation on blood pressure and the physiological responses to moderate-intensity and incremental exercise. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 299: R1121–R1131, 2010.

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