La caffeina esercita i suoi effetti principalmente attraverso l'influenza sul sistema nervoso centrale (SNC) e sul sistema nervoso simpatico (SNS) deputato all’attivazione della risposta “lotta o fuga”, in contrapposizione al sistema nervoso parasimpatico (SNP) che promuove le condizioni di calma e riposo.
La caffeina è un antagonista non selettivo dei recettori dell'adenosina, in particolare i recettori A1 e A2A, che sono i bersagli preferenziali nel cervello. L'adenosina è un neuromodulatore endogeno che rallenta l'attività delle cellule nervose e inibisce il rilascio di neurotrasmettitori, promuove il sonno e la sensazione di fatica. Bloccando questi recettori la caffeina contrasta gli effetti inibitori dell'adenosina, aumentando l'eccitabilità neurale e il rilascio di neurotrasmettitori.
L’adenosina dunque si lega ai suoi recettori e ha un effetto “calmante”: riduce l’attività neuronale, induce sonnolenza e rallenta il rilascio di neurotrasmettitori come dopamina e acetilcolina. La caffeina, grazie a una struttura simile all’adenosina, lega i medesimi recettori senza attivarli ma bloccandone l’azione. Questo provoca un repentino aumento dell’attività neuronale, maggiore rilascio di neurotrasmettitori eccitatori, sensazione di vigilanza, concentrazione, energia.
L'attivazione dei recettori A2A localizzati nell'ipotalamo ventrolaterale preottico (VPON) è cruciale per gli effetti di promozione del sonno da parte dell'adenosina e per gli effetti di miglioramento della veglia a opera della caffeina.
Tabella - Effetti della caffeina sui sistemi fisiologici e le prestazioni sportive
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Sistema / Ambito |
Effetto |
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Sistema Nervoso Centrale |
↑ Allerta mentale |
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↓ Percezione della fatica |
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↑ Coordinazione neuromuscolare |
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Sistema Muscolare |
↑ Contrazione muscolare |
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↑ Potenza e resistenza |
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↑ Forza isocinetica |
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Sistema Cardiovascolare |
↑ Gittata cardiaca |
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↑ Flusso sanguigno muscolare |
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↑ Pressione sistolica |
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Sistema Respiratorio |
↑ Ventilazione polmonare |
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↑ Ossigenazione muscolare |
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Sistema Ormonale/Metabolico |
↑ Lipolisi |
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↑ Catecolamine |
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↑ Tasso metabolico |
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Prestazioni Sportive |
↑ Performance di endurance |
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↑ Sprint e potenza |
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↑ Accuratezza e reattività |
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Aspetti Cognitivi |
↑ Concentrazione |
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↑ Prontezza mentale |
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↓ Tendenza all’errore |
La caffeina interagisce fortemente con i sistemi dopaminergici centrali, mimando e potenziando gli effetti comportamentali degli agonisti dopaminergici, agisce "rilasciando i freni" presinaptici e postsinaptici che l'adenosina impone sulla neurotrasmissione dopaminergica. Questo si traduce in un aumento delle concentrazioni extracellulari di dopamina e glutammato, in particolare nel guscio mediale del nucleo accumbens, un'area cerebrale coinvolta nell'attivazione motoria e negli effetti di rinforzo. Si tratta della medesima area cerebrale coinvolta nei processi legati alla dipendenza, particolarmente sensibile all’azione delle droghe.
A livello presinaptico l'antagonismo dei recettori A1 porta all'aumento del rilascio di dopamina, e questo determina un ulteriore potenziamento delle risposte mediate dai recettori dopaminergici.
L’azione centrale della caffeina porta anche a diminuzione della percezione dello sforzo (RPE) durante l’attività fisica, e attenuazione del dolore muscolare percepito durante esercizi intensi, questi effetti, come di seguito meglio chiarito, migliorano la tolleranza allo sforzo e prolungano la capacità di esercizio.
La caffeina aumenta l'eccitabilità del SNS che è tra l’altro essenziale per il mantenimento dell'omeostasi energetica. L'attivazione del SNS infatti sopprime la fame, aumenta il senso di sazietà e stimola il dispendio energetico (EE). Questa stimolazione intensifica la secrezione di catecolamine (come l'adrenalina e, in misura minore, la noradrenalina). Le catecolamine si legano alle cellule adipose aumentando la termogenesi e il rilascio di acidi grassi liberi (FFA), il che a sua volta aumenta l’attività delle proteine disaccoppianti mitocondriali (UCPs) che dissipano energia sottoforma di calore.
La caffeina, in quanto metilxantina, inibisce l'enzima fosfodiesterasi (PDE), che normalmente è preposta a degradare il segnale intracellulare dell’adenosina monofosfato ciclico (cAMP[1]/AMP ciclico). Questo riduce l’inibizione del cAMP e porta a un aumento prolungato della sua concentrazione, che a sua volta produce un aumento della lipolisi, della produzione di calore nel muscolo scheletrico e dei segnali di sazietà. Livelli elevati di cAMP stimolano anche il rilascio di noradrenalina ed epinefrina, migliorando il flusso sanguigno coronarico e scheletrico.
La caffeina è ampiamente riconosciuta per i suoi effetti positivi sulle funzioni cognitive e sull'umore, aumenta la vigilanza, la lucidità mentale e il senso di "energia". Riduce la fatica e la percezione dello sforzo associato all'attività fisica, migliora le prestazioni cognitive inclusa la concentrazione, il tempo di reazione, l'accuratezza delle reazioni, la memoria a breve termine e la capacità di risolvere problemi che richiedono ragionamento. Sotto il profilo cognitivo tutte le prestazioni tendono a ottimizzare il rendimento atteso. Può migliorare la coordinazione intermuscolare e intramuscolare aumentando il reclutamento delle unità motorie e, un effetto significativo è la riduzione della percezione del dolore (ipoalgesia), che permette agli atleti di sostenere sforzi più intensi e di produrre più lavoro.
Tuttavia l'efficacia di questi effetti può variare a seconda dell'età, del sesso, dell'uso precedente e del livello di tolleranza individuale. Dosi elevate (superiori a 9-13 mg/kg) possono causare effetti negativi come vertigini, mal di testa, nervosismo, insonnia e disturbi gastrointestinali. La tolleranza alla caffeina, derivante dall'esposizione ripetuta, può ridurre la sensibilità e gli effetti ergogenici, mentre la sua dipendenza è associata a sintomi di astinenza (mal di testa, fatica, irritabilità) che possono compromettere la performance.
Meccanismi fisiologici che modulano la prestazione atletica
La caffeina è stata ampiamente studiata per i suoi effetti sulla fisiologia umana, in particolare sul bilancio energetico e sulla prestazione atletica.
Poiché aumenta il dispendio (EE) e contestualmente può avere azione anoressizzante, è considerata un potenziale regolatore del peso corporeo dalla duplice azione, può inoltre amplificare l'effetto anoressizzante di altre sostanze se combinate ad essa (es. peperoncino, nicotina, fibre solubili, catechine del tè verde), e può contrastare la diminuzione del tasso metabolico basale[2] (TMB/BMR) che si verifica comunemente durante i periodi di riduzione del peso. Aumenta il BMR a riposo sia in soggetti allenati che non allenati, aumenta l'ossidazione dei grassi ma, sebbene l'aumento dell'EE sia simile tra soggetti magri e obesi, l'aumento nell'ossidazione dei grassi è stato osservato principalmente nei soggetti magri.
La farmacocinetica della caffeina, e non solo la farmacodinamica, e la risposta alla lipolisi differiscono quindi tra soggetti magri e obesi, gli obesi hanno un assorbimento più rapido, un'eliminazione più lenta e un'emivita più lunga, con una risposta degli acidi grassi liberi (FFA) ritardata.
Il consumo regolare di caffè è stato associato a una riduzione del grasso corporeo, a un aumento dei livelli plasmatici di serotonina e a una diminuzione dei livelli di grelina, ormoni che regolano la fame e la sazietà (minore grelina minor senso di fame).
[1] Il cAMP (acronimo di adenosina monofosfato ciclico) è una molecola segnale fondamentale nelle cellule con azione di secondo messaggero. Nel caso specifico un primo messaggero è un segnale esterno alla cellula, come un ormone (ad esempio, l’adrenalina o il glucagone). Quando questo segnale si lega a un recettore sulla superficie della cellula, viene attivata una cascata interna ed entra in gioco il cAMP come secondo messaggero.
Il cAMP viene prodotto a partire dall'ATP per tramite di un enzima, l’adenilato ciclasi, attivata dal primo messaggero.
Il cAMP attiva vari processi cellulari, tra cui: attivazione della proteina chinasi A (PKA) capace di aumentare la degradazione del glicogeno; attivare proteine che entrano nel nucleo e stimolano la produzione di specifici geni; controllo di funzioni fisiologiche come il battito cardiaco, la dilatazione dei bronchi, la produzione di ormoni, ecc.
[2] Il tasso metabolico basale (BMR, Basal Metabolic Rate) è la quantità di energia (calorie) che il corpo consuma a riposo, in uno stato di completo relax, per mantenere le funzioni vitali come la respirazione, la circolazione del sangue, la regolazione della temperatura corporea e l’attività del cervello. In altri termini è l’energia minimia necessaria per restare in vita, spesso definito come “metabolismo basale”. Il BMR dipende da diversi fattori, tra cui età, sesso, volumi muscolari, assetto ormonale e profilo genetico.
