Энергетические источники мышечного сокращения.

Введение

В теле человека насчитывается 639 мышц, из них всего 5 – непарные.
В среднем, у мужчин мышцы составляют 40% от общей массы тела, у женщин – 35%. При активных и постоянных физических нагрузках процент увеличивается, поэтому у спортсменов-тяжелоатлетов 50-60% веса составляют мышцы.
Скелетная мышца – орган, который имеет определенное строение, состоящий в основном из поперечнополосатой мышечной ткани, снаружи покрытый собственной фасцией. Скелетная мышца обладает способностью к сокращению.
Любая физическая активность требует затрат энергии. Источники энергии различаются двумя факторами:
Количеством выделяемой энергии
Продолжительностью выделения энергии
Актуальность выбранной темы заключается в том, что любому человеку необходимо знать о том, откуда же идет мышечное сокращение, и какова его биохимия.
Цель данной работы – определить источники мышечного сокращения.


Анатомо-физиологические особенности строения мышечного волокна


1.1 Строение мышц
Мышечная ткань по большей части состоит из воды – примерно 75%. Около 20-25% составляют белки и другие органические соединения. Лишь небольшую часть (1-1,5%) формируют минеральные соединения, находящиеся в состоянии ионов.
Скелетная мышца включает в себя две части: собственно мышечную и сухожильную. Также в состав входит система соединительных оболочек, сосуды и нервы. На концах мышцы располагаются сухожилия, за счет них осуществляется прикрепление к костям. Апоневрозом называется широкое и тонкое сухожилие. Средняя, утолщенная часть мышцы носит название «брюшко».
Поперечнополосатое мышечное волокно является структурно-функциональной единицей собственно мышечной ткани. Снаружи оно окружено плазматической оболочкой, которая называется сарколеммой. Данная оболочка покрыта сетью коллагеновых волокон, придающих прочность и эластичность. На ней также находятся места крепления с окончаниями двигательных нервов-синапсов (нервно-мышечных соединений)
Внутреннее пространство заполнено внутриклеточной жидкостью – саркоплазмой. В саркоплазме находятся ядра и специальные сократительные элементы – миофибриллы. Миофибриллы имеют вид длинных тонких нитей, располагающихся вдоль мышечного волокна. В состав одного волокна входит от 100 до 1000 миофибрилл.
Миофибрилла состоит из 1500-2000 протофибрилл, которые построены из макромолекул мышечных белков – миозина и актина. При микроскопии данные белки видны в виде чередующихся темных и светлых участков.
В процессе мышечного сокращения актиновые нити втягиваются в промежутке между миозиновыми и сцепляются друг с другом. Обеспечение энергией этих процессов происходит за счет расщепления в митохондриях молекул АТФ.
Митохондрии выполняют роль «энергетических станций» мышечного волокна. В митохондриях происходит присоединение фосфатной группы к аденезиндифосфату, за счет этого образуется аденезитрифосфат (АТФ). В тренированных мышцах количество митохондрий при окислении увеличивается.
К мышечному волокну подходят окончания двигательных нервов. Мотонейрон (двигательный нерв) может возбуждать несколько мышечных волокон за счет своего разветвления. Возбужденная мышца сработает быстрее и сильнее, если она имеет более лучшую проводимость мышечных волокон. Связь с центральной нервной системой обеспечивается за счет снабжения мышечной ткани нервами, и называется иннервацией.
Мион – совокупность поперечнополосатых мышечных волокон, иннервируемых одним и тем же мотонейроном. Мышца, которая состоит из большого количества мионов, может сокращаться не вся, а отдельными пучками.


1.2 Содержание ионов кальция в мышечных волокнах
Мышечное сокращение начинается именно с выхода в саркоплазму ионов кальция. Если ионов кальция будет недостаточно, то взаимодействовать смогут не все участки белков актина и миозина, вследствие этого сила мышечного сокращения будет снижаться.
Силовые физические упражнения способствуют увеличению объема саркоплазматического ретикулума и содержания в нем кальция.
Саркоплазматический ретикулум отвечает за накопление ионов кальция, представляет собой сеть трубочек, протягивающуюся по всем мышечным клеткам. Произвольные элементы могут быть представлены тонкими участками, которые соединяют между собой терминальные цистерны.
Также повышению кальция способствует применение рациональных тренировочных режимов и достаточный прием кальция при употреблении пищи.


1.3 Факторы, определяющие силу мышц

Физиологический поперечник – сумма площадей поперечного сечения всех поперечнополосатых мышечных волокон.
Анатомический поперечник включает площадь поперечного сечения не только мышечных волокон, но и сосудов, нервов, соединительной ткани.
Величина площади опоры на костях, хрящах, фасциях.
Степень нервного возбуждения.
Адекватность кровоснабжения.
Составление кожи и подкожной жировой клетчатки.


Механизмы сокращения и расслабления мышечного волокна


Сократительная деятельность скелетных мышц
За счет деятельности поперечнополосатых мышц осуществляется несколько видов действий:
Передвижение тела в пространстве
Перемещение частей тела относительно друг друга
Поддержание позы

Мышцы человека обладают некоторыми свойствами, такими как:
Возбудимость
Способность отвечать изменениями ионной проницаемости и мембранного потенциала на раздражитель.
Проводимость
Способность к проведению потенциала действия вдоль всего волокна.
Сократимость
Способность сокращаться или изменять напряжение при возбуждении.
Эластичность
Способность при растягивании развивать напряжение.

Раздражения скелетных мышц классифицируют на прямое и непрямое.
Прямое раздражение – воздействие раздражителя непосредственно на саму мышцу.
Непрямое раздражение – раздражение двигательного нерва, которое ведет к сокращению мышцы, иннервируемой этим нервом.
Ток распространяется по мышечной ткани и оказывает действие в первую очередь на окончания двигательных нервов, вследствие этого мышца сокращается.
В основе сокращений мышц лежит совокупность разнообразных биохимических реакций. Скорость протекания, безусловно, зависит от температуры.
Выявлено, что наибольшая скорость ферментативных реакций в организме человека отмечается при температуре от 37 до 40 градусов.
Наибольшая ила и скорость сокращения мышц отмечается при температуре 39-38,5.


2.2 Этапы сокращения волокна скелетной мышцы
Выделяют шесть этапов сокращения:

Первый этап – генерация потенциального действия.
Происходит передача возбуждения с мотонейрона на мышечное волокно при помощи ацетилхолина

. Ацетилхолин воздействует на рецепторы, и область концевой пластинки становится источником раздражения для мембраны мышечного волокна.

Второй этап – распространение потенциального действия.
Роль поперечной системы трубочек заключается в связи поверхностной мембраны и сократительного аппарата мышечного волокна. Электрическая стимуляция приводит к активации ферментов.

Третий этап – повышение внутриклеточной концентрации кальция.
На первых трех этапах мышечного сокращения происходит электрохимическое преобразование.

Четвертый этап – взаимодействие кальция с тропонином.
На актиновых нитях открываются участки, с которыми могут взаимодействовать поперечные мостики миозина.

Пятый этап – происходит присоединение головки поперечного мостика миозина к мостику актина.
На четвертом и пятом этапе происходит хемомеханическое преобразование.

Шестой этап – уменьшение общей длины мышцы.
Для расслабления в первую очередь необходимо понижение концентрации ионов кальция.

2.3 Типы мышечных сокращений

Различают три типа мышечных сокращений:
Изотонические
При постоянном напряжении (внешней нагрузке) мышца укорачивается. Длина мышечного волокна изменяется без мышечного тонуса. Данный тип мышечного сокращения наблюдается в том случае, когда мышца не перемещает груз, получают только при проведении экспериментов.

Изометрические
Длина мышцы не изменяется при возрастании напряжения. Изометрический тип отмечается при совершении статической работы или при попытке поднять непосильный груз.

Ауксотонические
Мышца укорачивается, и ее напряжение изменяется, выполняется при динамической преодолевающей работе. Сокращения имеют смешанный характер. Этот тип можно заметить при осуществлении трудовой деятельности.
Концентрические сокращения – при укорочении мышцы возрастает напряжение.
Эксцентрические сокращения – увеличение напряжения мышцы при ее удлинении, например при медленном опускании груза.


2.4 Виды мышечных сокращений
Выделяют 2 вида мышечных сокращений: одиночное и тетаническое.
Одиночное сокращение – сокращение, возникающее при действии одиночного раздражителя, прямым или непрямым раздражением
Тетаническое сокращение – длительное сокращение мышц, которое возникает вследствие повторных возбуждений, следующих друг за другом с малым интервалом времени.
В одиночном сокращении выделяют три фазы:
1 фаза – фаза латентного периода — от начала действия раздражителя и до начала укорочения;
2 фаза – фаза сокращения (фаза укорочения) — от начала сокращения до максимального значения;
3 фаза – фаза расслабления — от максимального сокращения до начальной длины.

Длительность одиночного сокращения может сильно варьировать и зависит от функционального состояния мышцы. К быстрым мышцам, имеющим кратковременное одиночное сокращение, относятся наружные мышцы глазного яблока, век, среднего уха и др.

Суммирование усилий, развиваемых при сокращении волокон множества двигательных единиц, способствует увеличению силы тетанического сокращения мышцы и влияет на длительность сокращения.
Различают зубчатый и гладкий тетанус.
Гладкий тетанус – нормальное рабочее состояние скелетных мышц обусловливается поступлением из ЦНС нервных импульсов с частотой 40-50 в 1с.
Зубчатый тетанус возникает при частоте нервных импульсов до 30 в 1с. Если мышца получает 10-20 нервных импульсов в 1с, то она находится в состоянии мышечного тонуса, т.е. умеренной степени напряжения.
Для наблюдения в эксперименте зубчатого тетануса мышцы ее стимулируют импульсами электрического тока с такой частотой, чтобы каждый последующий стимул наносился после фазы укорочения, но еще до окончания расслабления.

2.5 Теория скольжения нитей
В основе данной теории заключена мысль о том, что механическое взаимодействие между миозиновыми и актиновыми миофиламентами является ядром мышечного сокращения, вследствие образования между ними поперечных мостиков.
В образовании поперечных мостиков между толстыми и тонкими миофиламентами принимает участие АТФ.
Когда мышца находится в расслабленном состоянии, АТФ прикреплена только с одной стороны мостика, предотвращая соединение актина с миозином. В результате данного расположения миофиламенты могут свободно скользить при пассивном растяжении или укорочении мышц.
С выделением ионов кальция из цистерн саркоплазматического ретикулума они присоединяются с одной стороны к АТФ, а с другой – к местам на актине, образуя поперечные мостики.
Гидролиз АТФ вызывает продвижение актина относительно миозина к зоне расположения АТФ. Далее АТФ восстанавливается, в следующем цикле вновь формируются новые поперечные мостики.
Этот процесс происходит повторно и во многих участках миоиламентов. В результате этого процесс сокращения носит непрерывный и плавный характер.



Механизмы обеспечения мышечных сокращений энергией
Важным фактором, который определяет мышечную силу, является достаточное количество энергии для взаимодействия сократительных белков. Источником энергии для работы мышц является АТФ. При недостатке АТФ происходит взаимодействие только некоторых участков актина и миозина, вследствие этого сила сокращения уменьшится.
В мышцах запасается лишь незначительное количество АТФ – на 1-2 секунды интенсивной работы.
Однако именно в мышцах происходит ресинтез АТФ, или же обратный синтез. Осуществляется данный процесс при помощи трех механизмов (энергетических систем):
Фосфагенной (креатинфосфатной)
Гликолитической (лактацидной)
Окислительной (кислородной)
Фосфагенная и гликолитическая системы работают по анаробному пути. Окислительная – по аэробному. Для проявления силовых качеств необходима высокая работоспособность энергетических систем, которая определяется количеством энергии. Количество энергии может синтезироваться в единицу времени.
Для проявления выносливости важна емкость энергетически систем, определяемая также количеством энергии. В данном случае молекула АТФ может синтезироваться за время работы.


3.1 Фосфагенная энергетическая система
Обратный синтез АТФ происходит в протоплазме мышечных клеток (цитоплазме и ядре клеток) в непосредственной близости от сократительных волокон (миофибрилл) за счет другого соединения под названием креатинфосфат