tratto da
“Differences in oxygen uptake but equivalent energy expenditure between a brief bout of cycling and running”
Christopher B Scott, Nathanael D Littlefield, Jeffrey D Chason, Michael P Bunker & Elizabeth M Asselin Nutrition & Metabolism, Volume 3, Article number: 1, 2006
La conversione dell’assorbimento di ossigeno per la stima della produzione di calore metabolico è il metodo più ampiamente utilizzato per determinare il dispendio energetico di riposo e dell’esercizio fisico costante. Tuttavia la presenza di un deficit di ossigeno durante prove brevi ed intense di tipo non costante (non steady state) suggerisce che questo tipo di attività non può essere quantificata accuratamente con una misurazione dell’assorbimento di ossigeno durante l’esercizio. Allo stesso modo il consumo eccessivo di ossigeno post-esercizio – EPOC (consumo di ossigeno in eccesso post-allenamento, è l’indice di misurazione dell’aumento del consumo di ossigeno a seguito dell’intensa attività, destinato a soddisfare il “debito di ossigeno” del corpo) non fornisce una valida rappresentazione della rapida sintesi di ATP glicolitico durante l’esercizio intenso [1,2]. Pertanto, le misurazioni solo dell’ossigeno hanno il potenziale di sottostimare il dispendio energetico di esercizi brevi, da pesanti a severi, che contengono una componente significativa del dispendio energetico anaerobico.
Il ciclismo e la corsa sono descritti come attività aerobiche perché utilizzano entrambi i grandi gruppi muscolari della parte inferiore del corpo in contrazioni ripetute, ritmiche e cicliche. È evidente tuttavia che le differenze nella modalità di reclutamento muscolare tra queste due attività possono stimolare diversi contributi aerobici e anaerobici al dispendio energetico dell’esercizio.
Ad esempio le misurazioni dell’assorbimento di ossigeno effettuate in 15 – 30 minuti di esercizio hanno rivelato che correndo sul tapis roulant si aveva un assorbimento di ossigeno significativamente maggiore e, a quanto pare, un maggiore dispendio di energia, rispetto al ciclismo [3-5]. Così è stato anche dimostrato che il dispendio energetico post-esercizio dopo 30 minuti di corsa e di ciclismo non era diverso, suggerendo che le esigenze metaboliche di questi esercizi differenti potrebbero essere state simili [5].
In effetti il ciclismo sotto massimale e massimale produce concentrazioni di lattato nel sangue che sono maggiori rispetto alla corsa su tapis roulant e ciò può significare una maggiore componente di dispendio di energia anaerobica rispetto alla corsa [6]. Sulla base di questi risultati gli studiosi si sono posti la domanda: stesse prove di ciclismo e corsa avrebbero un dispendio energetico simile, se il dispendio energetico, aerobico e anaerobico, fosse considerato un componente indipendente della misurazione del dispendio energetico totale? [7]
Un particolare da valutare è sicuramente il trovare un mezzo standardizzato di confronto tra le diverse modalità di allenamento Precedenti studi che hanno esaminato il dispendio energetico tra le diverse modalità d’esercizio hanno tentato confronti che promuovono la “somiglianza” nell’intensità del lavoro. Ad esempio l’intensità dell’esercizio si è basata sull’auto- selezione [3, 4], lo sforzo percepito [8], la percentuale della frequenza cardiaca massima [9] o una percentuale predeterminata di VO2 max [5,8]. Nella presente indagine si è tentato di equiparare la produzione di lavoro (250 watt in 1 minuto) tra il ciclismo, a regime non costante, e la corsa in salita. Gli studiosi hanno così ipotizzato che le stime del turnover di ATP, sia aerobico, che anaerobico, in contrapposizione alle misurazioni fatte esclusivamente tramite l’ossigeno, indicherebbero che non c’è differenza nell’esercizio e nel dispendio energetico totale tra prove di 1 minuto equivalenti al lavoro di ciclismo intenso e corsa in salita.
Metodi
- Soggetti
Lo studio è stato approvato dal Consiglio di revisione istituzionale dell’Università del Maine del Sud. Il consenso informato è stato ottenuto da quattordici volontari fisicamente attivi a ben allenati (valori medi – altezza: 179,6 ± 8,0 cm; peso: 77,5 ± 14,2 kg; età: 28,6 ± 9,4 anni; sesso: 13 maschi, 1 femmina).
- Raccolta dati
I soggetti hanno completato a caso due test di esercizio massimali fino all’esaurimento in giorni separati. Il test massimale del tapis roulant è stato completato fino all’esaurimento volontario utilizzando un protocollo standard “Bruce” (tapis roulant Trackmaster, Carrollton, TX). Il test ciclistico massimale è stato completato all’esaurimento volontario con una bicicletta da strada Diamondback montata su un ergometro Velodyne (Velodyne Sports, Laguna Hills, CA).
Il test massimale sul cicloergometro è stato avviato a 50 watt con altri 50 watt aggiunti ogni 2 minuti fino a raggiungere 250 watt; a questo punto l’aumento è stato di 25 Watt ogni 2 minuti. È stato analizzato lo scambio di gas in periodi di campionamento di 15 secondi durante i test d’esercizio massimale di 1 minuto con un metabolimetro Parvomedics (Sandy, UT). Le concentrazioni di lattato nel sangue sono state raccolte in duplicato da un pungi dito (una goccia di sangue) a riposo e nei 2 minuti di recupero dopo i test da sforzo (Lactate Pro, Arkray, Inc., Kyoto, Giappone). Un progetto pilota ha determinato i livelli di picco di lattato per queste attività avvenute dopo 2 minuti dall’esercizio (vedi anche [10]).
- Protocolli di allenamento
I soggetti si sono presentati al laboratorio due volte, in giorni separati, almeno 3 ore dopo il pranzo e sono stati assegnati in modo casuale alla prova su ciclo-ergometro o al protocollo di corsa. Prima della prova di allenamento è stata registrata una misurazione dell’assorbimento di ossigeno a riposo di 5 minuti (sulla bici) o in piedi (sul tapis roulant). Il dispendio energetico a riposo si è basato sul rapporto di scambio respiratorio (RER) ed è stato sottratto da tutte le misure di assorbimento di ossigeno dell’esercizio e EPOC.
La potenza erogata per il ciclismo è stata misurata in Watt. È stata stimata la potenza erogata per il tapis roulant sulla base di una conversione standard del lavoro verticale, del peso corporeo e della velocità. Entrambi i test sono stati progettati per generare una potenza di 250 watt nel corso di 1 minuto. Questo carico di lavoro assoluto è stato selezionato per garantire che tutti i soggetti lavorassero intensamente, che potessero completare 1 minuto di esercizio e per tentare di equiparare il rendimento e il tempo di lavoro tra le modalità di esercizio (la selezione di una frequenza di lavoro come percentuale relativa del VO2max ha il potenziale d’influenzare il tempo d’allenamento individuale, influenzando ulteriormente l’EPOC e il dispendio energetico). Per l’esercizio sul ciclo-ergometro il Velodyne era preimpostato a 250 Watt. I soggetti hanno iniziato a pedalare al comando a 60 rpm. L’esercizio sul tapis roulant è stato condotto con una pendenza del 10% con una velocità che ha generato 250 watt in base al peso del soggetto come: metri/min= [(1530 kg-m/min-1) (peso corporeo in kg) -1 (0,1) -1]
(ad esempio, un soggetto del peso di 85 kg corre a 180 metri/min-1; 250 Watt= 1530 kg-m/min-1).
Il dispendio energetico dell’esercizio per il metabolismo aerobico e anaerobico è stato convertito in 1 litro di O2= 21,1 kJ. Al termine del periodo di lavoro di 1 minuto, i soggetti sono stati seduti su una sedia accanto al cicloergoemtro o al tapis roulant e l’EPOC è stato registrato fino a quando non è sceso al di sotto della rispettiva misurazione dell’assorbimento di O2 a riposo di 5 minuti. L’EPOC è stato calcolato come 1 litro di O2= 19,6 kJ per escludere una rapida re-sintesi dell’ATP glicolitico come parte della conversione dell’assorbimento di ossigeno in dispendio energetico; a questo proposito l’EPOC rappresentava solo il dispendio di energia aerobica [2,7]. Il dispendio di energia glicolitica anaerobica (vale a dire una rapida sintesi di ATP glicolitico) è stato stimato usando lattato nel sangue (si presume che l’uso delle riserve “anaerobiche di ATP/PC sia preso in considerazione nell’ambito dell’EPOC [7]). Le misure di lattato nel sangue (mmoli) sono state convertite in valori equivalenti di ossigeno come 3 ml di O2/kg di peso corporeo per mmol di △ lattato nel sangue [11]. △ il lattato nel sangue è stato ottenuto sottraendo il recupero dalle concentrazioni di picco di lattato [11].
- Analisi dei dati
Il dispendio energetico dell’esercizio aerobico, il dispendio energetico anaerobico e il dispendio energetico acuto di recupero, sono stati confrontati tra cicloergometro e tapis roulant in salita con un test t standard a 2 code accoppiato.
Risultati
Tutte le misurazioni sono riportate come media± DS (Deviazione Standard). VO2max non differiva tra il ciclo e il test del tapis roulant (57,0 ± 12,9 ml/kg/min ciclo; 59,3 ± 13,7 ml/ kg/min corsa; p= 0,44). Anche i picchi di watt durante il test massimo non differivano (misurato 279 ± 33 watt ciclo; stimato 281 ± 65 watt tapis roulant). Le valutazioni dei soggetti dello sforzo percepito (RPE) non differivano tra i test (ciclo 14,0 ± 2,3; corsa 13,2 ± 2,1; p= 0,29) (13= “un po ‘difficile”; 15= “duro”). I valori di dispendio energetico assoluto sono riportati nella Tabella 1. Il dispendio energetico per l’esercizio aerobico più l’anaerobico è stato simile per il ciclismo (64,3 ± 12,2 kJ) e la corsa (63,9 ± 10,1 kJ) (p = 0,90). Il dispendio energetico dell’esercizio aerobico inferiore per il ciclismo rispetto alla corsa (31,7 kJ contro 41,4 kJ, rispettivamente; p = 0,0001). Il dispendio energetico dell’esercizio anaerobico maggiore per il ciclismo rispetto alla corsa (rispettivamente 32,7 kJ contro 22,5 kJ; p = 0,009). I valori di EPOC non sono stati statisticamente diversi (ciclo 53,7 kJ contro corsa 61,5 kJ; p = 0,21). Il dispendio energetico dell’esercizio fisico e i valori di EPOC sono stati significativamente inferiori per il ciclismo rispetto alla corsa (85,4kJ contro 103,0kJ, rispettivamente; p= 0,008). Il dispendio energetico totale, che includeva il dispendio energetico dell’esercizio aerobico e anaerobico insieme all’EPOC, non è stato statisticamente diverso (ciclo 118,0kJ contro corsa 125,4kJ; p= 0,36).
Tabella 1: spesa energetica assoluta tra ciclismo e corsa in salita
I valori relativi di dispendio energetico sono riportati nella Tabella 2. I contributi aerobici percentuali (assorbimento di O2 dell’esercizio + EPOC) erano significativamente più bassi per il ciclismo rispetto alla corsa (72,1% vs 82,8%, rispettivamente; p = 0,0001). Il dispendio energetico percentuale dell’esercizio aerobico era significativamente inferiore per il ciclismo rispetto alla corsa (27,7% vs 34,0%, rispettivamente; p = 0,02). Il dispendio energetico anaerobico percentuale era significativamente maggiore per il ciclismo rispetto alla corsa (27,9% vs 17,2%, rispettivamente; p = 0,0001). I contributi percentuali di dispendio energetico per EPOC non erano statisticamente diversi tra i test (ciclo 44,4% contro ciclo 48,8%; p = 0,08).
Tabella 2: consumo energetico relativo tra ciclismo e corsa in salita.
Discussione
Come per le precedenti indagini fatte su esercizi di maggiore durata [3-6], i nostri dati rivelano che l’assorbimento di ossigeno nell’esercizio è inferiore e che il lattato di sangue è più alto per una prova di allenamento non costante di ciclismo rispetto alla corsa in salita.
Ricerche precedenti hanno anche dimostrato che il consumo eccessivo di ossigeno post-esercizio (EPOC) non è diverso tra prove comparabili di ciclismo di lunga durata e corsa in salita, anche se la corsa ha comportato un maggiore dispendio energetico dell’esercizio aerobico [5]; questo vale anche per lo studio qui descritto.
I dati suggeriscono che quando una misura del dispendio energetico aerobico e una stima del dispendio energetico anaerobico vengono entrambe utilizzate per interpretare in modo indipendente il trasferimento di energia, allora l’esercizio fisico e il dispendio energetico totale sono simili per le prove di 1 minuto di ciclismo e corsa in salita con uguale lavoro. Sono necessari ulteriori studi per determinare se questo risultato si estende a esercizi di minore intensità e durata.
L’esercizio fisico intenso o severo promuove una rapida re-sintesi dell’ATP glicolitico [12 – 17]e inoltre le misurazioni sia della produzione di lattato [18], che dell’ossidazione del lattato [2] utilizzando la calorimetria diretta e indiretta simultanea, hanno dimostrato in modo conclusivo che la rapida re-sintesi dell’ATP glicolitico anaerobico non può essere rappresentata da una misurazione dell’assorbimento di ossigeno durante o dopo l’esercizio.
Comunque le indagini che stimano una rapida sintesi di ATP glicolitico raramente aggiungono questo componente a una misura di EPOC per ottenere una misurazione del dispendio energetico totale; ciò può essere dovuto alla riluttanza dei ricercatori a respingere la pratica tradizionale di quantificare rapidamente la re-sintesi dell’ATP glicolitico come parte di una misurazione dell’assorbimento di ossigeno, come proposto dall’ipotesi del debito di ossigeno [2,7]. Mantenendo questo aspetto del metabolismo anaerobico separato dalle misurazioni aerobiche, abbiamo scoperto che il dispendio energetico totale conteneva un componente glicolitico rapido di re-sintesi ATP che era del 28% per il ciclismo e del 17% per la corsa (Tabella 2).
Se l’assorbimento di ossigeno fosse l’unico mezzo per misurare il dispendio energetico per il lavoro breve, intenso ed equivalente nel presente studio, si sarebbe erroneamente concluso che il ciclismo fosse il più efficiente e l’esecuzione dell’esercizio più “costoso” (Tabella 1). Tuttavia il ciclismo sembra reclutare una massa muscolare diversa rispetto alla corsa che può provocare una glicogenolisi accelerata con produzione di lattato che svolge un ruolo significativo nella re-sintesi totale dell’ATP [6]. I dati suggeriscono che la differenza nei modelli di reclutamento delle unità motorie, tra prove equivalenti di ciclismo e corsa in salita, ha maggiori probabilità d’influenzare l’entità del trasferimento di energia aerobica e anaerobica piuttosto che l’esercizio fisico e il dispendio energetico totale. Una misurazione dell’assorbimento di ossigeno dell’esercizio (cioè, dispendio di energia aerobica) insieme a una stima ragionevole del dispendio di energia glicolitica anaerobica (ovvero, il lattato nel sangue) può probabilmente fornire un migliore confronto del dispendio energetico tra modalità di esercizio diverse. Questo studio non è certamente senza limiti poiché sono state fatte ipotesi sulla produzione equivalente di lavoro, sull’efficienza metabolica e lavorativa e sui problemi inerenti alla conversione del lattato nel sangue in una stima del dispendio energetico anaerobico. Il lattato nel sangue è un marker discutibile nella quantificazione della rapida sintesi di ATP glicolitico perché è un metabolita dinamico che viene prodotto e rimosso a velocità diverse. È stato anche dimostrato che le concentrazioni muscolari e/o di lattato nel sangue possono essere molto variabili sia all’interno del soggetto, che tra i soggetti [12 – 17, 19]. Tuttavia come menzionato in tutto questo testo l’uso di misurazioni solo dell’ossigeno introduce anche un errore considerevole nella quantificazione del dispendio energetico per un esercizio breve, intenso e non costante. In effetti abbiamo dimostrato che nell’esercizio alimentato da una grande proporzione della rapida sintesi di ATP glicolitico, il più grande potenziale di errore nella quantificazione e nell’interpretazione del dispendio energetico totale per brevi attività intense si è verificato non con la stima del dispendio energetico anaerobico, ma quando il la componente del dispendio energetico anaerobico è esclusa o omessa dalla stima del dispendio energetico totale [19]. Come misura indiretta i livelli di lattato nel sangue dopo lo sprint hanno dimostrato di fornire una stima ragionevole del rapido turnover dell’ATP glicolitico muscolare [12]. In effetti è stato avanzato un caso favorevole per l’uso del lattato nel sangue come stima ragionevole del dispendio energetico anaerobico che dura da oltre 30 anni [11, 16].
La metodologia qui applicata include la re-sintesi ATP anaerobica come parte del metabolismo del glicogeno durante la misurazione dell’assorbimento di ossigeno dell’esercizio (1l di O2 = 21,1 kJ) ma abbiamo eliminato questa componente anaerobica dalla misurazione EPOC (1l di O2 = 19,6 kJ) per evitare interpretazioni del tipo di debito di ossigeno di rapido turnover glicolitico dell’ATP [2, 7]. La rapida re-sintesi dell’ATP glicolitico durante l’esercizio (che supera l’assunzione di ossigeno nell’esercizio) è stata stimata in modo indipendente come 3 ml di O2/kg per mmol di △ lattato nel sangue (ovvero, il lattato è stato convertito in unità di ossigeno equivalente, quindi come 1 lO2 = 21,1 kJ) [11]. Questa conversione del lattato nel sangue è stata derivata dalla corsa [16], ma è stata segnalata come simile per diverse forme di esercizio [11]. È stata riportata una conversione per il ciclismo a 5,2 ml di O2/kg per mmol di lattato nel sangue, ma questo non era basato su △ lattato nel sangue [14] e quindi potrebbe non essere credibile [11].
Conclusioni
In termini di efficienza del lavoro, è stato dimostrato che il ciclismo su cicloergometro e la corsa su tapis roulant possono essere simili, ma occorre fare attenzione poiché i confronti sono fortemente influenzati da fattori diversi [20]. La corsa su tapis roulant contiene un componente di potenza orizzontale e verticale che può aumentare la produzione totale di lavoro rispetto al ciclismo; non si è tenuto conto di questa componente di lavoro orizzontale. Mentre le potenziali differenze nelle componenti orizzontale e verticale della produzione di energia insieme all’efficienza metabolica e di lavoro, sono certamente possibili tra un’intensa prova di ciclismo e corsa in salita, queste non hanno promosso una discrepanza significativa nello sforzo percepito o nel dispendio energetico di recupero (EPOC), in modo che anche i soggetti sembravano aver lavorato alla stessa intensità di esercizio relativa. Pertanto si sostiene che la produzione di lavoro insieme all’efficienza metabolica e di lavoro, non erano significativamente diverse tra ciclismo e tapis roulant in salita, sebbene l’assorbimento di ossigeno nell’esercizio abbia indicato il contrario (Tabella 1). Le misure di solo ossigeno rivelano discrepanze nel dispendio energetico tra ciclismo e corsa in salita. Le misurazioni dell’assorbimento di O2 nell’esercizio, △ lattato nel sangue ed EPOC modificati, promuovono l’ipotesi di una somiglianza nell’esercizio e del dispendio energetico totale tra prove di 1 minuto equivalenti in termini di lavoro, di ciclismo e di corsa in salita.
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