la supplementazione di ossido nitrico e performance umana · 2014-04-02 · quadra da riposo ad...
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02/04/14 Fisiologia dello Sport 1
Carlo Capelli, Università degli Studi di Verona
La supplementazione di ossido nitrico e performance umana
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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
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Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo
• 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)
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Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo
• 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
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Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo
• 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)
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Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo
• 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
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Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo
• Nitrosammine • il triossido di diazoto è un agente nitrosilante e può formare N-
nitrosamine cancerogene
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Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo
• Via NOs indipendente • In seguito NO sarà ossidato a nitrato che sarà escreto nella cavità orale
per formare nitrito: circolo entero salivare.
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Ossido nitrico: genesi, caratteristiche, metabolismo nell’uomo
• Circolo entero salivare dei nitrati-nitriti
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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…
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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
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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
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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• Il V’O2max è ridotto dalla supplementazione on ciclisti di élite
Bescos et al., 2011
Effetti cardiovascoalri della supplementazione di Nitrati
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• 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…
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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
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• 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
Meccanismi biologici di azione
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• 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
Meccanismi biologici di azione
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• 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
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• 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
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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.
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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.
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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.