Tamponi dell’acidosi muscolare per la Performance Sportiva: la beta-alanina

08/04/2024 In Nutrizione Sportiva By Nicolò Cassone

Tamponi dell’acidosi muscolare per la Performance Sportiva: la beta-alanina

La β-alanina è un aminoacido non proteogenico non essenziale che viene prodotto a livello endogeno dal fegato; l’uomo introduce la β-alanina attraverso il consumo degli alimenti, come la carne rossa ed il pollame [1]. La β-alanina è stata identificata come il precursore limitante della sintesi di carnosina ed ha mostrato in maniera consistente di essere in grado di incrementarne i livelli nel muscolo scheletrico umano; la ricerca ha mostrato negli anni come questo ergogenico abbia un grado di evidenza di classe A [2, 3]. La concentrazione di carnosina potrebbe diminuire con l’età ma viene comunemente influenzata dall’assunzione abituale di alimenti che la contengono [4].

La β-alanina agisce incrementando significativamente la concentrazione di carnosina nel muscolo, tamponando in questo modo il pH intracellulare [5, 6]. La dose di 4-6gr al giorno ha mostrato di incrementare i livelli di carnosina muscolare del 64% dopo 4 settimane e dell’80% dopo 10 settimane di assunzione continuativa [7, 8]. Baguet e colleghi hanno dimostrato che la risposta individuale può variare nelle 5-6 settimane di somministrazione di beta-alanina (4.8g/al giorno) con i responder migliori che incrementavano la loro concentrazione di carnosina in media del 55%, mentre i soggetti non responder la aumentavano in media del 15% [9]. Questa differenza fra le due tipologie di individui sembra essere correlata ai livelli muscolari basali di carnosina presente nella fibra muscolare prima dell’assunzione della beta-alanina [4].

Soggetti vegetariani e vegani mostravano un maggiore incremento della concentrazione di carnosina rispetto ai carnivori per via dei livelli basali inferiori. Nell’essere umano, il contenuto della carnosina muscolare generalmente si attesta fra i 10 ed i 40 mmol/kg di peso secco, con valori medi che si attestano fra i 20 ed i 30 mmol/kg (il punto di saturazione della carnosina-sintetasi) in ogni caso, questi valori vengono influenzati da diversi fattori [4, 10-13].

La concentrazione di carnosina tende ad essere maggiore nei maschi rispetto alle femmine e nelle fibre muscolari bianche (fast-twitch) rispetto a quelle rosse lente (slow-twitch) [13-15]. L’assunzione di beta-alanina incrementa i livelli di carnosina indipendentemente dal livello basale, dal sesso, dall’anzianità e dal grado di allenamento degli individui [14-17]. Negli ultimi anni la supplementazione di β-alanina è cresciuta esponenzialmente, diventando uno dei supplementi più popolari nella nutrizione sportiva. L’uso della beta-alanina e delle sue formulazioni si è espanso anche nei pre-workout e nei post workout.

Meccanismo d’azione

La carnosina (beta-alanil-L-istidina) è un dipeptide naturale che ricopre numerose funzioni fisiologiche ed è formato dalla combinazione della beta alanina e dell’L-istidina; la carnosina si trova principalmente nel muscolo scheletrico e può variare ampiamente fra le specie [18]. La carnosinasi è l’enzima che catalizza la rottura della carnosina, essa si trova nel siero di diversi tessuti umani ma è assente nel muscolo scheletrico [18]. La supplementazione di carnosina per via orale è un metodo inefficiente per incrementare la carnosina muscolare nell’uomo poiché quando introdotta viene rapidamente metabolizzata ancora prima di raggiungere il muscolo scheletrico [19].

Il ruolo della carnosina di tampone intracellulare fu identificato all’inizio da Severin e colleghi nel 1953, che dimostrarono come l’assenza di carnosina portava ad un maggiore affaticamento e acidosi muscolare [20]. Per via del pH di 6.83 e dell’alta concentrazione muscolare, la carnosina ha mostrato di essere più efficace nel sequestrare i protoni rispetto al bicarbonato (pH 6.3) o al fosfato inorganico (pH 7.2) gli altri due maggiori tamponi necessari a mantenere il pH in un range fisiologico [21]. Il contributo della carnosina nel tamponare l’acidosi potrebbe essere inferiore al 7%.

La supplementazione di β-alanina ha mostrato di essere in grado di incrementare la concentrazione di carnosina ed attenuare la riduzione di pH indotta dall’esercizio fisico, supportando l’ipotesi che la carnosina svolga un ruolo centrale nel tamponare l’eccesso di protoni e l’acidosi indotta dall’esercizio fisico [22]. La carnosina potrebbe agire come antiossidante, contrastando le specie reattive dell’ossigeno (ROS) prodotte a tassi molto elevati durante il danno muscolare indotto dall’esercizio fisico [23-27]. Incrementare la disponibilità intramuscolare della beta-alanina attraverso la supplementazione incrementa la sintesi endogena di carnosina tramite la carnosina-sintetasi, visto che la beta-alanina sembrerebbe essere il fattore limitante la sintesi di carnosina [28, 29].

Strategie di supplementazione 

La ricerca suggerisce che la beta-alanina andrebbe assunta in cronico nella dose di 4-6gr al giorno, suddivisa in dosi da 2gr o meno per un minimo di due settimane (portando ad un incremento della concentrazione di carnosina muscolare del 20-30%); maggiori benefici sono stati osservati dopo 4 settimane continuative di assunzione (incremento del 40-60%) [30-32]. Una dose di 6gr suddivisa in 4 dosi uguali da 1,5gr sembrerebbe ancora più vantaggiosa per la sintesi di carnosina [30-32]. L’assunzione di un gran quantitativo di beta-alanina in un’unica soluzione potrebbe indurre parestesia e formicolio, un rapido cambiamento nel pH e l’incapacità di ripristinare correttamente la carnosina muscolare, rendendo meno efficace il miglioramento della performance.

La supplementazione di β-alanina durante l’assunzione di pasti contenenti alte quantità di carboidrati e proteine sembra incrementare maggiormente il contenuto di carnosina rispetto all’assunzione a stomaco vuoto [33]. L’insulina potrebbe indurre un assorbimento maggiore della beta-alanina, stimolando un superiore ripristino di carnosina muscolare attraverso l’azione della pompa Na+/K+ presente nei miociti del muscolo scheletrico [34].

Recentemente, la Sport Integrity Australia ha raccomandato che la supplementazione di β-alanina venga inizializzata con una fase di carico da 3.2g al giorno per 8 settimane o 6.4gr al giorno per 4 settimane, seguita da una fase di mantenimento di 1.2g al giorno [35]. Naderi e colleghi hanno osservato come la supplementazione di beta-alanina di 1.2g/al giorno possa mantenere la carnosina muscolare fra il 30-50% al di sopra dei livelli pre-supplementazione [36]. Andrebbe considerato che i livelli intracellulari di carnosina vengono principalmente determinati dalla disponibilità extracellulare di beta-alanina [35]. Anche l’istidina può essere integrata con lo scopo di incrementare i depositi intracellulari di carnosina [36].

Sicurezza ed effetti collaterali

La parestesia è l’effetto collaterale più conosciuto e comune della β-alanina, viene provato comunemente dagli individui che consumano più di 800mg di β-alanina in una forma di rilascio non sostenuta. Negli studi che utilizzavano un’integrazione non a lento rilascio la parestesia scompariva dopo 60-90 minuti a seguito della somministrazione [37]. La parestesia viene descritta come una fastidiosa sensazione di prurito sulla superficie della pelle; si ipotizza che avvenga per via dell’attivazione da parte della β-alanina dei mas-related genes (Mrg), o dei recettori accoppiati a proteine G specifici dei neuroni sensoriali [38]. L’MrgD, espresso nel ganglio della radice dorsale ha le proprie terminazioni sulla pelle [39, 40]. È probabile che l’attivazione dell’MrgD data dalla β-alanina possa portare alla sensazione di parestesia e prurito sulla pelle, ad oggi però non vi è evidenza che ciò possa essere nocivo per la salute. La parestesia si manifesta in maniera dose-dipendente tipicamente su viso, collo, schiena e mani, ma non in tutti i soggetti che la assumono, ed è strettamente correlata al tempo di raggiungimento del picco plasmatico di β-alanina [41]. Per questa ragione, le strategie che ne rallentano il rilascio nel sangue potrebbero ridurre l’estensione del picco plasmatico di beta-alanina riducendo o prevenendo i sintomi della parestesia. Il metodo più comune è la suddivisione della dose desiderata nella giornata, per esempio, assumendo 1.6gr ogni 3-4 ore fino ad arrivare a 6.4g/al giorno; questa strategia potrebbe ridurre ma non eliminare del tutto la manifestazione della parestesia [42].

Una seconda opzione è quella di utilizzare compresse a lento rilascio; queste hanno mostrato di ridurre il rilascio di β-alanina nel torrente circolatorio, abbassando sostanzialmente l’incidenza della parestesia rispetto alla β-alanina a rilascio rapido o dissolta in soluzioni acquose [43, 44]. Anche se viene considerata una spiacevole sensazione, non esiste evidenza che indichi la parestesia come dannosa, andrebbe dunque considerata come un effetto secondario piuttosto che un evento avverso. Lo studio più lungo sulla sicurezza della β-alanina ha avuto una durata di 24 settimane; l’assunzione di beta-alanina nella misura di 6.4g/al giorno non ha mostrato alcun cambiamento nei marker clinici renali, epatici o della salute muscolare in soggetti in salute, lo stesso studio non ha mostrato inoltre una riduzione della taurina muscolare (correlata ad effetti avversi e cali nella performance in modelli animali) [45-47]. Attualmente, dunque, la β-alanina sembra essere sicura in soggetti in salute e nelle dosi raccomandate.

Effetto sulla performance sportiva

L’utilizzo in cronico di β-alanina ha mostrato di essere in grado di migliorare la performance ad alta intensità nell’esercizio fisico grazie all’incremento del contenuto di carnosina muscolare come evidenziato nei precedenti paragrafi, mostrando maggiore efficacia nelle attività in genere limitate dall’eccessiva acidosi (durata fra i 2 ed i 4 minuti) [48-50]. Il primo meccanismo fisiologico associato alla supplementazione di β-alanina è più comunemente correlato al potenziare la capacità tampone intracellulare, di conseguenza, è stato ipotizzato che la beta-alanina potesse avere effetti ergogenici per le attività che coinvolgono principalmente il metabolismo anaerobico. Una meta-analisi svolta sulla beta-alanina ha mostrato come la performance dell’esercizio migliorava nei compiti motori della durata dai 60 ai 240 secondi, ma non nelle attività di durata inferiore ai 60s, dove l’acidosi non è il fattore limitante primario [51]. Inoltre, Sweeney e colleghi non hanno osservato miglioramenti significativi nella potenza durante scatti ripetuti da 5 secondi e Derave e colleghi non hanno osservato miglioramenti significativi nella performance nel tempo di sprint sui 400m in risposta alla supplementazione di β-alanina (tempo medio di sprint = 51.3s) [52, 53].

L’effetto maggiormente pronunciato della beta-alanina si osserva dunque in compiti motori che hanno una durata media di circa 270s [50]. Per esempio, Hill e colleghi hanno osservato un marcato miglioramento nel tempo necessario ad arrivare ad esaurimento (TTE) durante una pedalata eseguita al 110% della massima capacità di potenza (tempo medio 104.1s), portando il TTE a 115.2s. Un incremento simile (13-14%) è stato osservato nei gruppi che assumevano β-alanina negli studi di Sale e Danaher [54, 55]. La ricerca attualmente suggerisce che la β-alanina mostri il più grande potenziale nel migliorare la performance negli esercizi ad alta intensità che durino più di 60s fino ai 240/270s.

Per gli esercizi che durano più di 4 minuti la richiesta di ATP viene incrementata e soddisfatta dal metabolismo aerobico; per questo motivo si pensa che la β-alanina non sia efficace come ergogenico negli esercizi che durano più di 4 minuti. Al contrario, in uno studio di Hobson e colleghi è stato osservato come la supplementazione di β-alanina sia in grado di migliorare i test di esercizio che duravano più di 4 minuti quando venivano confrontati con l’effetto dato dal placebo; tuttavia, l’effetto era inferiore rispetto agli esercizi di sprint della durata da 1 a 4 minuti [55].

La ricerca ha mostrato un modesto beneficio della supplementazione di β-alanina sul tempo totale ad esaurimento (TTE) nei test di esercizio della durata superiore a 4 minuti. Insieme a 6 settimane di allenamento intervallato, Smith e colleghi hanno osservato grandi miglioramenti nel TTE in un test graduale con la supplementazione di β-alanina rispetto ad un placebo [56]. I partecipanti che consumavano un placebo hanno migliorato il TTE da 1128.7 a 1299s, mentre il gruppo che assumeva β-alanina ha avuto un miglioramento da 1168.2 a 1386.7s [56].

In maniera simile, Stout e colleghi hanno osservato che i partecipanti che integravano β-alanina per 28 giorni hanno migliorato il TTE in un test da sforzo graduale da 1117.6s a 1146.7s, mentre non vi era un miglioramento nel gruppo placebo [57]. Nel rowing, Baguet e colleghi hanno osservato come i partecipanti che assumevano β-alanina eseguivano 2000-m di rowing a tempo 4.3s più velocemente rispetto al gruppo placebo, anche se più lenti di 0.3 secondi al basale, un cambiamento significativo per atleti di alto livello [58]. Attualmente, la letteratura scientifica sull’esercizio fisico della durata superiore a 25 minuti assieme all’assunzione di β-alanina è scarsa. Saranno necessari ulteriori studi in futuro per valutare l’efficacia di questo ergogenico sull’attività prevalentemente aerobica.

La capacità di lavoro durante la soglia di fatica nella pedalata (PWCft) indica il grado di potenza erogata che però non porta ad un significativo incremento nell’attivazione muscolare del vasto-laterale. Questa misurazione determina la potenza alla quale inizia a manifestarsi la fatica neuromuscolare e viene spesso utilizzata per determinare l’effetto della β-alanina [59]. Nel 2006, Stout e colleghi hanno osservato un miglioramento del 16.9% nella PWCf dopo 28 giorni di supplementazione con β-alanina negli atleti [59]. Risultati simili sono stati osservati in partecipanti donne l’anno seguente (14.4% di miglioramento) [57].

Durante 6 settimane di allenamento ad alta intensità intervallato, Smith e colleghi hanno osservato un miglioramento del 20.4% nella soglia di fatica osservata elettromiograficamente (EMGft) in partecipanti attivi che integravano β-alanina combinata con l’allenamento intervallato [60]. Le ultime evidenze suggeriscono che la supplementazione con beta-alanina sia in grado di attenuare la fatica neuromuscolare, soprattutto nelle attività di allenamento ad alta intensità.

Gli studi che hanno investigato sull’effetto della β-alanina sulla forza hanno mostrato risultati contrastanti. Mentre gli studi a breve termine non hanno mostrato miglioramenti statisticamente significativi sulla performance di forza, la supplementazione di beta-alanina ha portato ad un incremento del volume di allenamento e ridotto la percezione di affaticamento soggettiva. In uno studio svolto su 4 settimane, Derava e colleghi hanno osservato come la beta-alanina abbia incrementato il quantitativo di carnosina ed attenuato la fatica percepita a seguito di  5 set da 30 ripetizioni di leg extension, mentre l’endurance isometrica rimaneva invariata [61]. Saranno necessari ulteriori studi a lungo termine per chiarire il potenziale effetto sulla forza e sulla composizione corporea della β-alanina rispetto al placebo.

Gli sport di combattimento richiedono movimenti esplosivi ad alta intensità da parte delle estremità inferiori e superiori del corpo [62, 63]. La performance negli sport di combattimento si realizza nell’ordine di pochi secondi o minuti, in base alle diverse regole sportive. Gli sport di combattimento richiedono uno sforzo intermittente costituito da brevi ma intense azioni di forza esplosiva che necessitano di una buona parte di energia proveniente dal sistema anaerobico [64]. Le azioni ad alta intensità che coinvolgono il metabolismo anaerobico utilizzano l’adenosina trifosfato (ATP), la fosfocreatina (PCr) e/o la glicolisi anaerobica durante la performance del combattimento [63]. Queste condizioni metaboliche causano un alto incremento del lattato ematico dopo ogni combattimento; l’accumulo può essere elevato quando diversi combattimenti vengono eseguiti consecutivamente portando ad un acidosi potenzialmente dannosa per la performance [64]. La fatica percepita durante il combattimento può essere dovuta a diverse condizioni metaboliche che avvengono rapidamente, come una diminuzione della fosfocreatina (PCr) intramuscolare, un incremento del lattato e una diminuzione del pH [65, 66].

Nell’organismo umano esistono meccanismi di difesa rapidi volti ad evitare cambiamenti eccessivi del pH dei fluidi corporei, eseguiti da sistemi tampone del corpo come i bicarbonati, i fosfati e l’emoglobina, insieme alla regolazione renale e respiratoria [67]. La produzione di metaboliti acidi incrementa durante l’attività fisica intensa, causando una situazione di stress fisiologico dove il sistema tampone non è capace di ripristinare lo sbilanciamento elettrolitico causato principalmente dalla produzione di acido lattico, fatica e/o dall’overtraining [65, 66]. Per questa ragione, per l’atleta che pratica sport di combattimento, potrebbe essere utile implementare delle strategie nutrizionali volte a migliorare questa capacità tampone, neutralizzando in questo modo il rapido incremento nella produzione di metaboliti acidi indotti dal combattimento [68].

La β-alanina non ha un effetto ergogenico di per se in questi individui, ma lo fa in quanto precursore della carnosina nel muscolo scheletrico umano, come evidenziato nei paragrafi precedenti [69]. La carnosina migliora la contrattilità muscolare incrementando la sensibilità al calcio delle miofibrille a rapida contrattilità e migliorando dell’8-15% la capacità tampone intra-miocitaria riducendo, in questo modo, la limitazione della performance indotta dall’acidosi [70]. Il numero di proiezioni in combattimento (abilità sport specifica) a seguito di somministrazione di beta-alanina è stato valutato in due studi [71, 72]. In entrambi, il numero di proiezioni è stato incrementato, ma solo nello studio condotto da Andrade e colleghi vi è stato un incremento significativo nel gruppo che assumeva beta-alanina rispetto al gruppo di controllo [71, 72]. Il numero di colpi sferrati è stato valutato nello studio condotto da Donovan e colleghi, ed ha mostrato un incremento significativo nel gruppo che assumeva β-alanina rispetto al placebo [73]. Nello stesso studio, inoltre, è stato osservato un miglioramento nella forza media dei pugni scagliati dagli atleti (boxer) [72]. Kim e colleghi hanno osservato un incremento nella forza dell’estensione del ginocchio e nel salto verticale nel gruppo che assumeva β-alanina, ma non nel gruppo placebo, entrambi questi parametri sono correlati alla performance nel combattimento [75].

Kern e colleghi hanno valutato la potenza degli atleti a seguito della somministrazione di beta-alanina attraverso due test: il primo consisteva in una corsa di 274m (potenza anaerobica) mentre il secondo consisteva nell’appendersi ad una sbarra, mantenendo in isometria le braccia ad un angolo di 90 gradi [74]. Gli atleti che integravano con β-alanina miglioravano significativamente la loro potenza anaerobica muscolare rispetto al gruppo placebo e ai livelli basali del gruppo stesso della β-alanina [74]. In un altro studio, Kim e colleghi hanno osservato un incremento significativo nel picco di potenza degli arti inferiori nel gruppo che assumeva β-alanina rispetto al gruppo di controllo [75]. Halz e colleghi hanno valutato la capacità di lavoro totale dell’esercizio sulla parte alta e bassa del corpo [76]. Sia le estremità inferiori che superiori hanno incrementato la capacità di lavoro complessiva in maniera significativa nel gruppo che assumeva β-alanina rispetto al gruppo placebo [76].

Conclusioni

I risultati descritti negli studi esaminati mostrano collettivamente che la β-alanina è sicura e ha un potenziale effetto sulla performance di forza, sulla potenza, sulla percezione della fatica, sulla capacità totale di lavoro e sui parametri strettamente correlati al combattimento. Questi benefici sembrano associati alla maggiore disponibilità di carnosina fornita dalla β-alanina. La carnosina è in grado di tamponare gli ioni H+ avendo inoltre una discreta capacità antiossidante.

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