Mitocondri ed esercizio fisico

Si ritiene che l’attività fisica moderata, pur non incrementando il contenuto di DNA mitocondriale, comporti un aumento delle creste dei mitocondri

I mitocondri utilizzano la fosforilazione ossidativa per convertire le calorie introdotte con la dieta in energia utilizzabile (ATP) e producono specie reattive dell'ossigeno che possono danneggiare i mitocondri stessi. Si ritiene che questo stress ossidativo possa contribuire al declino delle funzioni mitocondriali associate ai processi di invecchiamento.
Le uncoupling proteins (UCP-1, UCP-2, UCP-3) sono una famiglia di proteine localizzate sulla membrana interna dei mitocondri.
L'UCP-1 è presente unicamente nel BAT (Tessuto Adiposo Bruno) ed è coinvolta nella termogenesi indipendente dal brivido, ossia genera energia sotto forma di calore dalla fosforilazione non ossidativa.
L'UCP-2 è ubiquitaria ed è particolarmente espressa nei macrofagi e nelle insule pancreatiche, l'UCP-3 è espressa principalmente nei muscoli scheletrici ed entrambe sembrano coinvolte nella limitazione dei livelli dei radicali liberi nelle cellule. Inoltre, l'UCP-2 è un regolatore della secrezione insulinica e l'UCP-3 è coinvolto nel metabolismo degli acidi grassi.
La respirazione è associata alla produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) in quanto la molecola di ossigeno è capace di accettare un elettrone addizionale e creare lo ione superossido, che è la forma più reattiva dell'ossigeno. I mitocondri possono quindi produrre una gran parte delle ROS create nelle cellule. Si ritiene che l'UCP-2 e l'UCP-3 limitino la produzione di ROS e proteggano le cellule dal danno ossidativo.
L'UCP-2 ha un importante ruolo nella regolazione della secrezione insulinica in quanto riduce gli effetti del glucosio sulla secrezione delle β-cellule pancreatiche e ha un ruolo neuroprotettivo sui neuroni in risposta all'ischemia e allo stress.
L'UCP-3, localizzata prevalentemente nei muscoli scheletrici, si ritiene sia coinvolta nel trasporto degli acidi grassi fuori dai mitocondri e proteggerebbe i muscoli dagli effetti tossici degli acidi grassi o perossidi. La sua espressione si modifica in base ai livelli di acidi grassi nel sangue e si ritiene che agisca migliorando l'ossidazione degli acidi grassi quando i livelli sono elevati, cioè sia per un eccesso di grassi assunti con la dieta, sia nel digiuno. Le donne con obesità resistente alla dieta hanno minori livelli di UCP-3 nei muscoli scheletrici e ciò confermerebbe il coinvolgimento di questa proteina nell'ossidazione degli acidi grassi e nella regolazione del contenuto di grassi.
L'espressione dell'UCP-2 e dell'UCP-3 è elevata durante il digiuno o altre condizioni, come dieta ad alta percentuale di grassi, ossia quando i livelli di acidi grassi sono elevati e vi è un viraggio dai carboidrati verso l'ossidazione lipidica. Queste due proteine potrebbero avere quindi un importante ruolo nella sindrome metabolica (MBS) e nell'obesità.
I muscoli scheletrici dei soggetti obesi sono caratterizzati da un minor numero di mitocondri e una ridotta capacità ossidativa. La minore capacità ossidativa è una caratteristica metabolica associata al rischio di aumento di peso e all'insulino-resistenza.
Studi su pazienti con diabete tipo 2 hanno infatti evidenziato alterazioni delle funzioni mitocondriali con conseguente minore resa energetica in termini di ATP. La minore capacità di ossidare carboidrati e grassi viene aggravata da una eccessiva assunzione di calorie e assenza di esercizio fisico in quanto si ha iperpolarizzazione del gradiente elettrochimico, blocco della catena di trasporto degli elettroni e blocco dell'utilizzazione del glucosio da parte dei tessuti.
Esercizi di moderata intensità (camminare) e moderata perdita di peso (dieta ipocalorica) aumentano la capacità ossidativa dei muscoli, il che si associa ad un miglioramento della sensibilità all'insulina e della capacità di ossidare i grassi. L'attività del camminare aumenta la dimensione dei mitocondri nei muscoli scheletrici (tipico adattamento dell'attività fisica), ma non comporta un cambiamento del contenuto di DNA mitocondriale. Viceversa, l'attività aerobica vigorosa è caratterizzata da un incremento del DNA mitocondriale e da un aumento della capacità ossidative. Gli atleti infatti hanno un contenuto più elevato di DNA nei muscoli rispetto ai soggetti sedentari e il contenuto di DNA è proporzionale al volume di mitocondri.
Si ritiene che l'attività fisica moderata, pur non incrementando il contenuto di DNA mitocondriale, comporti un aumento delle creste dei mitocondri. Ne consegue una maggiore superficie della membrana interna delle creste e una aumentata capacità enzimatica per le ossidazioni fosforilative.
Per ulteriori approfondimenti su questo argomento si rinvia al testo Multidisciplinarietà in Medicina.