Физиология скелетных мышц

Мышечное волокно – это двигательная единица мышцы. Эта единица состоит из актиновых и миозиновых белков. Каждая мышца иннервируется двигательными нервами. Каждый двигательный нейрон обычно иннервирует группу мышечных волокон. Однако размер этой группы волокон и количество составляющих в ней, в зависимости от функции мышцы, может быть различным. В мышцах, которые требуют очень точного контроля, например, глазных или мышцах кисти, один двигательный нейрон приходится менее чем на десять мышечных волокон. В других скелетных мышцах насчитывается до 2000 волокон на один мотонейрон.

Мышечный тонус

При нормальных условиях в скелетной мускулатуре всегда некоторая часть мышечных волокон сокращена, а другая находится в расслабленном состоянии. Это мышечное напряжение и обуславливает мышечный тонус, который нужен, в частности, для поддержания вертикального положения тела, но не только. Например, тонус мышц шеи не дает нашей голове болтаться из стороны в сторону, упасть вперед, на грудь, или завалится на спину.

Динамические (изотонические) и изометрические сокращения

Существуют два основных типа мышечного сокращения. При изотоническом сокращении мышца укорачивается в размерах, и, следовательно, производит движение. Мышечный тонус меняется при этом незначительно. При изометрическом сокращении мышца изменяется в размерах в минимальной степени, но напряжение ее значительно повышается. Хотя движения, как такового, и нет, энергия здесь потребляется в любом случае, причем в немалых количествах.

Золотое правило мышечного сокращения: «все или ничего»

Правило «все или ничего» гласит, что каждое мышечное волокно не может сократиться лишь наполовину. Если возбуждение охватывает двигательную единицу, она всегда будет сокращаться в полном объеме. Как же мы тогда умудряемся регулировать силу мышечного сокращения? Дело в том, что наш мозг поступает очень хитро: он отдает приказ на раздражение только части двигательных единиц в мышце, причем, чем сильнее нужно создать усилие, тем больше волокон должно быть подключено. Чтобы мышцы не утомлялись чересчур сильно при повседневной работе, мозг дает команду активировать мышечные волокна по очереди – пока одни работают, другие отдыхают и наоборот.

Видео: Физиологические свойства мышечной и нервной ткани (учебное видео)

Что такое АТФ (аденозинтрифосфорная кислота)?

Клетка может жить (или выживать) только при наличии достаточного количества АТФ в ней. Жизнь означает наличие энергии и, следовательно, АТФ можно обнаружить не только в клетках человека, но и у всех организмов на Земле. АТФ – это универсальный источник энергии для всех живых клеток, макроэргическое соединение, энергия которого запасена в связях между остатком фосфорной кислоты и главной молекулы.

Основная задача АТФ – освобождение энергии из макроэргических связей этой молекулы, когда это необходимо. АТФ, таким образом, выполняет функцию своеобразной "батарейки" в клетке. АТФ состоит из азотистого основания - аденина, молекулы рибозы и трех фосфатных групп. Связи между фосфатными группами очень энергоемки: когда фосфатная группа отщепляется от молекулы, выделяется огромное количество энергии, которая и используется клеткой для ее нужд.

Хотя АТФ и позиционируется как незаменимый источник энергии для мышечных сокращений, всех ее запасов в клетке хватает лишь от силы на 5-6 секунд работы мышцы. Затем запасы АТФ в клетках исчерпываются. После этого «идут в дело» молекулы креатинфосфата, которыми мышечная ткань чрезвычайно богата. С помощью расщепления креатинфосфата, запасы АТФ быстро пополняются вновь. Это позволяет мышце развивать максимальную рабочую нагрузку еще в течение приблизительно 15 секунд.

Видео: Строение скелетных поперечнополосатых мышц

Если мышца работает дольше (здесь мы говорим об одномоментном сокращении без отдыха), то запасы креатинфосфата также сходят на нет, и в качестве энергоемкого субстрата начинает использоваться глюкоза (декстроза). В скелетных мышцах глюкоза находится в виде гликогена. Если мышце нужна дополнительная энергия, начинается процесс гликогенолиза – расщепление гликогена до глюкозы, которая затем становится доступна в качестве источника энергии. К сожалению, глюкоза не может быть непосредственно использована для регенерации новых молекул АТФ. Для этого она должна пройти цикл химических превращений в т.н. цикле трикарбоновых кислот.

Получение энергии в аэробных условиях

При наличии достаточного количества кислорода (что зависит от интенсивности мышечной деятельности и притока крови к мышцам), глюкоза расщепляется полностью, до воды и углекислоты, с получением максимума энергии. Этот процесс называется гликолизом (аэробный распад глюкозы) или липолизом ("сжигание" жирных кислот).

Жирные кислоты также в определенный момент включаются в процессы получения энергии. Количества энергии, запасенной в жире, вдвое больше, чем в углеводах. Таким образом, липолиз играет роль в основном при длительных тренировках, направленных на развитие выносливости, таких как велоспорт или марафон. Благодаря липолизу, выносливость может сохраняться гораздо дольше, чем только при использовании глюкозы.

Получение энергии в анаэробных условиях

Если количества кислорода в единицу времени, получаемого мышцей, не хватает для осуществления процесса аэробного гликолиза, так как интенсивность мышечной работы чересчур велика, мышцы начинают получать энергию из углеводов и жиров без использования кислорода. Этот процесс называется анаэробным гликолизом (распад глюкозы без участия кислорода). Эффективность его по сравнению с аэробным гликолизом всего лишь 5% (образуются 2 молекулы АТФ из одной молекулы глюкозы), тогда как при аэробном – 36 молекул. Таким образом, этот вид получения энергии является весьма невыгодным. Кроме того, он приводит к образованию значительного количества органических кислот, что приводит к закислению цитоплазмы клеток.

Видео: Строение мышц человека

Мышечная работа

Во время тяжелых нагрузок мышца требует примерно в 5000 раз больше кислорода, чем во время отдыха. При этом нужно еще создать условия и для выведения продуктов метаболизма. Все это требует увеличения притока крови к мышце и определенных изменений в сердечно-сосудистой системе и дыхании.

Что происходит при интенсивной работе мышц?

Расширение судов

Значительно увеличить приток крови к мышцам представляется возможным за счет расширения мелких сосудов (артериол и капилляров), находящихся внутри ее. Поводом для этого расширения служит накопление биологических медиаторов, которое происходит уже в первые минуты интенсивных сокращений.

Увеличение нагрузки на сердце

Так как работающей скелетной мышце нужно обеспечить гораздо более интенсивный кровоток, сердечная мышца должны работать во много раз больше. Достигается это с помощью учащения сердцебиения, которое может «подпрыгнуть» от 70 в минуту в состоянии покоя примерно до 180 в минуту при нагрузке. Увеличивается и ударный объем сердца в среднем на 50%. Таким образом, сердце прокачает в системный кровоток до 20 литров крови в минуту у опытных спортсменов, и до 32 литров – у неподготовленных. Во время отдыха это число равно 5 л. в минуту.

Факторы, определяющие физическую работоспособность

Физическая работоспособность зависит от многих индивидуальных факторов (возраст, тип телосложения, состояние здоровья, стаж тренировок, индивидуальные особенности) и колеблется в широких пределах.

Пределы мощности мышц

Пределы мощности мышцы ограничены скоростью получения энергии в рабочей мускулатуре. Ограничивающий фактор развития максимальной мощности – время регенерации АТФ и креатинфосфата. Это касается максимального кратковременного мышечного сокращения (не более 5-6 секунд). Эффективность физической нагрузки, происходящей в другом временном интервале – от 3 до 5 минут, зависит также от скорости анаэробного гликолиза и скорости местного кровотока (скорость кровотока определяет выведение из мышцы окисленных и недоокисленных продуктов обмена. Если их накапливается в мышце слишком много, она не может работать эффективно). Максимальная эффективность мышечной работы, таким образом, зависит также от скорости доставки кислорода, а возможности сердечно-сосудистой системы по доставке кислорода у всех людей ограничены.

Мышечная усталость и восстановление

Под усталостью понимается сложный процесс, который приводит к снижению эффективности работы в результате изменения соматических или психических функций организма. Тяжелый физический труд всегда вызывает состояние усталости, которая во многом обусловлена также переутомлением центральной нервной системы.

Физическая усталость вызывается недостаточным производством энергии и накоплением молочной кислоты в работающих мышцах. Во время физической работы, которая не требует подключения анаэробного гликолиза, запасы энергии пополняются и избытки лактата удаляются. При работе за пределом выносливости, при включении анаэробного гликолиза, усталость накапливается в десятки раз быстрее. Если подобное происходит изо дня в день, "остаточная усталость" нарастает катастрофическими темпами. Это легко может привести к перетренированности.

Восстановление после физической нагрузки необходимо для пополнения запасов энергии и устранения излишек молочной кислоты. Вначале восстанавливаются запасы мышечного гликогена, затем начинается процесс регенерации поврежденных миоцитов. Усиленный кровоток в зоне воспаления (она всегда образуется в мышце после тяжелого тренинга) способствует вымыванию из нее медиаторов воспаления, кислот, и т.д. К тому же, вместе с большим количеством крови к мышце поступает больше аминокислот и нуклеотидов, а это стимулирует ее рост.