สรีรวิทยาของกล้ามเนื้อ: คำอธิบายโดยย่อ

แก้ไขโดย Dr. Gianfranco De Angelis

เป็นเรื่องที่ "ท้อใจเมื่อเห็นผู้สอนและผู้ฝึกสอนส่วนบุคคลในโรงยิมให้" คำอธิบายเชิงประจักษ์ในหัวข้อต่างๆ: มวลกล้ามเนื้อ (ยั่วยวน) การเพิ่มความแข็งแรง ความอดทน ฯลฯ โดยไม่ได้มีความรู้คร่าวๆเกี่ยวกับโครงสร้างเนื้อเยื่อและสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อ .

มีเพียงไม่กี่คนที่มีความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับกายวิภาคศาสตร์มหภาคมากหรือน้อยราวกับว่าเพียงพอที่จะรู้ว่าลูกหนูหรือหน้าอกอยู่ที่ไหนโดยไม่สนใจโครงสร้างทางเนื้อเยื่อวิทยาและแม้แต่ชีวเคมีและสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อก็น้อยลง ของเรื่อง เข้าถึงได้แม้กระทั่งฆราวาสของวิทยาศาสตร์ชีวภาพ

โครงสร้างทางเนื้อเยื่อ

เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อแตกต่างจากเนื้อเยื่ออื่นๆ (ประสาท กระดูก เกี่ยวพัน) เนื่องจากลักษณะที่ชัดเจน: การหดตัว กล่าวคือ เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อสามารถหดตัวหรือทำให้ความยาวสั้นลงได้ ก่อนจะดูว่ามันสั้นลงอย่างไรและกลไกใด เรามาพูดถึงโครงสร้างของมันกันก่อน เรามีเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อสามประเภท ซึ่งแตกต่างกันทั้งทางเนื้อเยื่อและหน้าที่: เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อโครงร่าง เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อเรียบ และเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อหัวใจ ความแตกต่างในหน้าที่หลักระหว่างอันแรกกับอีกสองอันคือในขณะที่อันแรกถูกควบคุมโดยพินัยกรรม อีกสองอันไม่ขึ้นอยู่กับพินัยกรรม อย่างแรกคือกล้ามเนื้อที่ขยับกระดูก กล้ามเนื้อที่เราฝึกด้วยบาร์เบลล์ ดัมเบลล์ และเครื่องจักร ประเภทที่ 2 มาจากกล้ามเนื้อของอวัยวะภายใน เช่น กล้ามเนื้อท้อง ลำไส้ เป็นต้น ซึ่งอย่างที่เราเห็นทุกวันไม่ได้ถูกควบคุมโดยเจตจำนงประเภทที่สามคือประเภทของหัวใจ: หัวใจทำจากกล้ามเนื้อเช่นกันในความเป็นจริงมันสามารถหดตัวได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กล้ามเนื้อหัวใจยังถูก striated ดังนั้นคล้ายกับโครงกระดูก อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างที่สำคัญ การหดตัวเป็นจังหวะไม่ขึ้นกับเจตจำนง
กล้ามเนื้อโครงร่างเป็นส่วนที่รับผิดชอบกิจกรรมมอเตอร์โดยสมัครใจ ดังนั้นสำหรับกิจกรรมกีฬา กล้ามเนื้อลายประกอบด้วยเซลล์เช่นเดียวกับโครงสร้างและระบบอื่น ๆ ของสิ่งมีชีวิต เซลล์เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดที่สามารถมีชีวิตอิสระ ในสิ่งมีชีวิตของมนุษย์มีเซลล์หลายพันล้านเซลล์และเกือบทั้งหมดมีส่วนกลางที่เรียกว่านิวเคลียส ล้อมรอบด้วยสารเจลาตินที่เรียกว่าไซโตพลาสซึม เซลล์ที่ประกอบขึ้นเป็นกล้ามเนื้อเรียกว่าเส้นใยกล้ามเนื้อ: เป็นองค์ประกอบที่ยาวขึ้นจัดเรียงตามยาวตามแกนของกล้ามเนื้อและรวบรวมเป็นแถบ ลักษณะสำคัญของเส้นใยกล้ามเนื้อลายคือสาม:

มีขนาดใหญ่มากความยาวสามารถเข้าถึงได้ไม่กี่เซนติเมตรเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-100 ไมครอน (1 ไมครอน = 1/1000 มม.) เซลล์อื่น ๆ ของสิ่งมีชีวิตมีขนาดกล้องจุลทรรศน์ยกเว้นบางเซลล์
มีนิวเคลียสจำนวนมาก (เกือบทุกเซลล์มีเพียงหนึ่งเซลล์) จึงเรียกว่า "polynuclear syncytium"
มีเส้นริ้วตามขวางนั่นคือแสดงการสลับของแถบสีเข้มและสีอ่อน เส้นใยของกล้ามเนื้อมีการก่อตัวที่ยาวขึ้นในไซโตพลาสซึมของมัน จัดเรียงตามยาวจนถึงแกนของเส้นใย ดังนั้นเช่นเดียวกับเส้นใยของกล้ามเนื้อที่เรียกว่า myofibrils เราจึงถือได้ว่าเป็นสายยาวที่วางอยู่ภายในเซลล์ของเส้นริ้วของเส้นใยทั้งหมด
ลองพิจารณา myofibril และศึกษาดู มันมีแถบสีเข้มเรียกว่าแถบ A และแถบแสงเรียกว่า I ตรงกลางของแถบ I c เป็นเส้นสีเข้มที่เรียกว่าเส้น Z ช่องว่างระหว่างเส้น Z หนึ่งกับอีกเส้นเรียกว่า sarcomere ซึ่งแสดงถึงองค์ประกอบที่หดตัวและหน่วยทำงานที่เล็กที่สุดของกล้ามเนื้อ ในทางปฏิบัติ เส้นใยจะสั้นลงเนื่องจาก sarcomeres ของมันสั้นลง

ตอนนี้เรามาดูกันว่า myofibril ถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร นั่นคือสิ่งที่เรียกว่าโครงสร้างพื้นฐานของกล้ามเนื้อ มันทำจากเส้นใย เส้นใยขนาดใหญ่บางชนิดเรียกว่าไมโอซิน เส้นใยบาง ๆ เรียกว่า เส้นใยแอคติน อันใหญ่พอดีกับเส้นบาง ๆ เพื่อให้แถบ A ก่อตัวขึ้นจากเส้นใยขนาดใหญ่ (นั่นคือสาเหตุที่มันเข้มกว่า) แถบที่ 1 เกิดจากส่วนของเส้นบางๆ ที่ไม่ติดอยู่กับเส้นลวดหนัก (เกิดจากเส้นบางจะเบากว่า)

กลไกการหดตัว

ตอนนี้เรารู้โครงสร้างเนื้อเยื่อและโครงสร้างพื้นฐานแล้ว เราก็สามารถบอกใบ้ถึงกลไกการหดตัวได้ ในการหดตัวเส้นใยแสงจะไหลระหว่างเส้นใยหนักเพื่อให้แถบยาวลดลง ดังนั้น sarcomere จึงลดความยาวลง นั่นคือ ระยะห่างระหว่างแถบ Z หนึ่งกับอีกแถบหนึ่ง ดังนั้น การหดตัวไม่ได้เกิดขึ้นเนื่องจากเส้นใยสั้นลง แต่เนื่องจากทำให้ความยาวของ sarcomere ลดลงโดยการเลื่อน ความยาวของ myofibrils ดังนั้น เนื่องจาก myofibrils ประกอบเป็นเส้นใยความยาวของเส้นใยจึงลดลงดังนั้นกล้ามเนื้อซึ่งทำจากเส้นใยจึงสั้นลง เห็นได้ชัดว่า เพื่อให้เส้นใยเหล่านี้ไหลจำเป็นต้องมีพลังงานและสิ่งนี้ได้รับจากสาร: ล. " ATP ( อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต) ซึ่งเป็นสกุลเงินพลังงานของสิ่งมีชีวิต ATP เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของอาหาร พลังงานที่อาหารส่งผ่านไปยัง ATP แล้วส่งผ่านไปยังเส้นใยเพื่อให้ไหลผ่าน การหดตัวเกิดขึ้นด้วยองค์ประกอบอื่นที่จำเป็น , ไอออน Ca ++ (แคลเซียม) เซลล์กล้ามเนื้อจะเก็บสะสมไว้ภายในเซลล์จำนวนมากและทำให้ซาร์โคเมียร์สามารถใช้ได้เมื่อ ต้องเกิดการหดตัว

การหดตัวของกล้ามเนื้อจากมุมมองมหภาค

เราได้เห็นแล้วว่าองค์ประกอบที่หดตัวคือ sarcomere ตอนนี้เรามาตรวจสอบกล้ามเนื้อทั้งหมดและศึกษาจากมุมมองทางสรีรวิทยา แต่ด้วย macroscopically เพื่อให้กล้ามเนื้อหดตัวสิ่งกระตุ้นไฟฟ้าจะต้องมาถึง: แรงกระตุ้นนี้มาจากมอเตอร์ เส้นประสาทเริ่มต้นจากไขสันหลัง (ตามที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ) หรืออาจมาจากเส้นประสาทสั่งการที่ถูกตัดและกระตุ้นด้วยไฟฟ้า หรือโดยการกระตุ้นกล้ามเนื้อโดยตรงด้วยไฟฟ้า ; ณ จุดนี้เรากระตุ้นด้วยไฟฟ้า กล้ามเนื้อจะหดตัว กล่าวคือ จะสั้นลงโดยการยกน้ำหนัก การหดตัวนี้เรียกว่าการหดตัวแบบไอโซโทนิก ในทางกลับกัน หากเรามัดกล้ามเนื้อด้วยปลายทั้งสองข้างกับส่วนรองรับแบบแข็งสองอัน เมื่อเรากระตุ้นมัน กล้ามเนื้อจะเพิ่มความตึงเครียดโดยไม่ทำให้สั้นลง นี่เรียกว่าการหดตัวแบบมีมิติเท่ากัน ในทางปฏิบัติ ถ้าเรายกบาร์เบลล์ขึ้นจากพื้นแล้วยกขึ้น นี่จะเป็นการหดตัวแบบไอโซโทนิก หากเราบรรทุกของที่หนักมากและในขณะที่พยายามยกมัน ดังนั้นในขณะที่เกร็งกล้ามเนื้อจนสุด เราจะไม่ขยับมัน จะเรียกว่าการหดตัวแบบมีมิติเท่ากัน ในการหดตัวแบบไอโซโทนิก เราได้ทำงานเกี่ยวกับกลไก (งาน = แรง x การกระจัด); ในการหดตัวแบบสามมิติ งานกลเป็นศูนย์ เนื่องจาก: งาน = แรง x การกระจัด = 0, การกระจัด = 0, งาน = แรง x 0 = 0
หากเรากระตุ้นกล้ามเนื้อด้วยความถี่ที่สูงมาก (เช่น หลายแรงกระตุ้นต่อวินาที) มันจะพัฒนากำลังสูงมาก และจะคงหดตัวจนสุด: กล้ามเนื้อในสภาวะนี้เรียกว่าบาดทะยัก ดังนั้น การหดตัวของบาดทะยักหมายถึงสูงสุด และการหดตัวอย่างต่อเนื่อง กล้ามเนื้อสามารถหดตัวได้น้อยหรือมากได้ตามต้องการ สิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยสองกลไก: 1) เมื่อกล้ามเนื้อไม่ได้หดตัวเพียงเล็กน้อย เส้นใยบางตัวเท่านั้นที่จะหดตัว; เพิ่มความเข้มของการหดตัวและเพิ่มเส้นใยอื่น ๆ 2) เส้นใยสามารถหดตัวด้วยแรงน้อยลงหรือมากขึ้นขึ้นอยู่กับความถี่ของการปลดปล่อยคือจำนวนแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่ไปถึงกล้ามเนื้อในหน่วยเวลา โดยการปรับตัวแปรทั้งสองนี้ ระบบประสาทส่วนกลางจะควบคุมว่ากล้ามเนื้อต้องหดตัวมากเพียงใด เมื่อมันสั่งการหดตัวอย่างแรง เส้นใยเกือบทั้งหมดของกล้ามเนื้อไม่เพียงแต่สั้นลงเท่านั้น แต่ทั้งหมดจะสั้นลงด้วยแรงมาก: เมื่อมันสั่งการหดตัวอย่างอ่อน เส้นใยเพียงไม่กี่เส้นจะสั้นลงและออกแรงน้อยลง

ตอนนี้เรามาพูดถึงประเด็นสำคัญอีกประการหนึ่งของสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อ: โทนสีของกล้ามเนื้อ โทนสีของกล้ามเนื้อสามารถกำหนดได้ว่าเป็นสภาวะต่อเนื่องของการหดตัวของกล้ามเนื้อเล็กน้อย ซึ่งเกิดขึ้นโดยไม่ขึ้นกับเจตจำนง ปัจจัยอะไรทำให้เกิดภาวะหดตัวนี้? ก่อนคลอด กล้ามเนื้อจะมีความยาวเท่ากันกับกระดูก จากนั้นเมื่อโตขึ้น กระดูกจะยืดออกมากกว่ากล้ามเนื้อ ดังนั้นส่วนหลังจึงถูกยืดออก เมื่อกล้ามเนื้อถูกยืดออก เนื่องจากการสะท้อนของกระดูกสันหลัง (myoatic reflex) กล้ามเนื้อจะหดตัว ดังนั้นการยืดกล้ามเนื้ออย่างต่อเนื่องซึ่งกล้ามเนื้อต้องอยู่ภายใต้จะเป็นตัวกำหนดสถานะของแสงอย่างต่อเนื่องแต่มีการหดตัวอย่างต่อเนื่อง สาเหตุคือการสะท้อนกลับ และเนื่องจากลักษณะสำคัญของปฏิกิริยาตอบสนองนั้นไม่ใช่ความสมัครใจ น้ำเสียงจึงไม่ถูกควบคุมโดยเจตจำนง น้ำเสียงเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากการตอบสนองทางประสาท ดังนั้นหากฉันตัดเส้นประสาทที่ไปจากระบบประสาทส่วนกลางไปยังกล้ามเนื้อ มันก็จะอ่อนแอและสูญเสียน้ำเสียงไปโดยสิ้นเชิง

แรงหดตัวของกล้ามเนื้อขึ้นอยู่กับหน้าตัดและเท่ากับ 4-6 kg.cm2 แต่หลักการนั้นใช้ได้จริงในหลักการไม่มีอัตราส่วนสัดส่วนโดยตรงที่แม่นยำ: ในนักกีฬา กล้ามเนื้อที่เล็กกว่าของนักกีฬาคนอื่นเล็กน้อยสามารถแข็งแกร่งขึ้นได้ กล้ามเนื้อจะเพิ่มปริมาตรหากได้รับการฝึกฝน โดยมีความต้านทานเพิ่มขึ้น (สิ่งนี้ เป็นหลักการของน้ำหนักยิมนาสติกเป็นพื้นฐาน) ควรเน้นว่าปริมาณของเส้นใยกล้ามเนื้อแต่ละอันเพิ่มขึ้นในขณะที่จำนวนเส้นใยกล้ามเนื้อคงที่ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ากล้ามเนื้อยั่วยวน

ชีวเคมีของกล้ามเนื้อ

ให้เราพูดถึงปัญหาของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกล้ามเนื้อ เราได้กล่าวไปแล้วว่าจำเป็นต้องมีพลังงานเพื่อให้เกิดการหดตัว เซลล์ประหยัดพลังงานนี้ในสิ่งที่เรียกว่า ATP (adenosine triphosphate) ซึ่งเมื่อให้พลังงานแก่กล้ามเนื้อจะเปลี่ยนเป็น ADP (adenosine diphosphate) + Pi (อนินทรีย์ฟอสเฟต): ปฏิกิริยาประกอบด้วยการกำจัดฟอสเฟต ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกล้ามเนื้อคือ ATP → ADP + Pi + พลังงาน อย่างไรก็ตาม หุ้น ATP มีน้อย และจำเป็นต้องสังเคราะห์องค์ประกอบนี้ใหม่ ดังนั้นเพื่อให้กล้ามเนื้อหดตัว ปฏิกิริยาย้อนกลับจึงต้องเกิดขึ้น (ADP + Pi + พลังงาน> ATP) เพื่อให้กล้ามเนื้อมี ATP อยู่เสมอ พลังงานในการสังเคราะห์ ATP เกิดขึ้นจากอาหาร หลังจากที่พวกมันถูกย่อยและดูดซึมแล้ว จะไปถึงกล้ามเนื้อผ่านทางเลือด ซึ่งพวกมันจะปล่อยพลังงานออกมาเพื่อสร้างรูปแบบ ATP อย่างแม่นยำ

สารให้พลังงานที่เป็นเลิศนั้นมาจากน้ำตาล โดยเฉพาะกลูโคส กลูโคสสามารถย่อยสลายได้เมื่อมีออกซิเจน (ในแอโรไบโอซิส) และอย่างที่พวกเขาพูดอย่างไม่เหมาะสม "เผา"; พลังงานที่ปล่อยออกมาจะถูกใช้โดย ATP ในขณะที่กลูโคสที่เหลือคือน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ 36 โมเลกุลของ ATP ได้มาจากโมเลกุลกลูโคสหนึ่งโมเลกุล แต่กลูโคสก็สามารถถูกโจมตีได้หากไม่มีออกซิเจน ซึ่งในกรณีนี้จะเปลี่ยนเป็นกรดแลคติกและเกิด ATP เพียงสองโมเลกุลเท่านั้น จากนั้นกรดแลคติกจะเข้าสู่กระแสเลือดไปยังตับซึ่งจะเปลี่ยนเป็นกลูโคสอีกครั้ง วัฏจักรของกรดแลคติกนี้เรียกว่าวัฏจักรคอริ จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อกล้ามเนื้อหดตัว? ในช่วงเริ่มต้น เมื่อกล้ามเนื้อเริ่มหดตัว ATP จะหมดลงทันที และเนื่องจากไม่มีการปรับระบบหัวใจและหลอดเลือดและระบบทางเดินหายใจที่จะเกิดขึ้นในภายหลัง ออกซิเจนที่ไปถึงกล้ามเนื้อจึงไม่เพียงพอ กลูโคสจึงแตกตัวเป็นไม่มี ออกซิเจนก่อตัวเป็นกรดแลคติก ในครั้งที่สอง เราสามารถมีได้สองสถานการณ์: 1) หากความพยายามยังคงเบา ๆ ออกซิเจนก็เพียงพอแล้วกลูโคสก็จะออกซิไดซ์ในน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์: กรดแลคติคจะไม่สะสมและออกกำลังกายได้นานหลายชั่วโมง (การวิ่งประเภทนี้จึงเรียกว่าแอโรบิก เช่น วิ่งวิบาก) 2) หากความพยายามยังคงเข้มข้นแม้ว่าออกซิเจนจำนวนมากจะไปถึงกล้ามเนื้อ กลูโคสจำนวนมากก็จะแตกออกเมื่อไม่มีออกซิเจน ดังนั้น กรดแลคติกจำนวนมากที่จะทำให้เกิดอาการเมื่อยล้า (เราพูดถึง การออกแรงแบบไม่ใช้ออกซิเจน เช่น การวิ่งเร็ว เช่น 100 เมตร) ระหว่างพัก กรดแลคติกในที่ที่มีออกซิเจนจะเปลี่ยนกลับเป็นน้ำตาลกลูโคส ในตอนเริ่มต้น แม้จะออกกำลังกายแบบแอโรบิก เราก็ขาดออกซิเจน: เราพูดถึงหนี้ออกซิเจน ซึ่งจะจ่ายเมื่อเราพักผ่อน ออกซิเจนนี้จะถูกใช้เพื่อสังเคราะห์กลูโคสจากกรดแลคติกอีกครั้ง อันที่จริง ทันทีหลังจากที่ออกแรงเราใช้ออกซิเจนมากกว่าปกติ: เรากำลังชำระหนี้ อย่างที่คุณเห็น เราได้อ้างถึงกลูโคสเป็นตัวอย่างของเชื้อเพลิง เพราะมันเป็นตัวแทน ที่สำคัญที่สุดของกล้ามเนื้อ อันที่จริง แม้ว่าไขมันจะมีพลังงานในปริมาณที่มากกว่า ในการออกซิไดซ์พวกมันก็จำเป็นต้องมีไกลไซด์จำนวนหนึ่งและต้องการออกซิเจนมากขึ้น หากไม่มีสิ่งเหล่านี้ จะเกิดการรบกวนอย่างมาก (คีโตซีส และ ภาวะกรดเป็นกรด) โปรตีนสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ แต่เนื่องจากเป็นโปรตีนชนิดเดียวที่ใช้ฝึกกล้ามเนื้อ หน้าที่ของพลาสติกจึงมีชัยไขมันมีลักษณะเฉพาะที่สำหรับน้ำหนักเท่ากัน พวกมันมีพลังงานมากกว่าน้ำตาลและโปรตีน: พวกมันถูกใช้ในอุดมคติเป็นที่กักเก็บ ดังนั้น ไกลไซด์จึงเป็นเชื้อเพลิง โปรตีนเป็นวัตถุดิบ ลิพิดคือสารสำรอง

ฉันได้ลองในบทความนี้เกี่ยวกับสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อให้ชัดเจนที่สุด โดยไม่ละเลยความเข้มงวดทางวิทยาศาสตร์อย่างน้อยที่สุด: ฉันเชื่อว่าฉันจะได้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมถ้าฉันได้กระตุ้นให้ผู้เชี่ยวชาญด้านการออกกำลังกายสนใจสรีรวิทยาอย่างจริงจังมากขึ้นเพราะ ฉันเชื่อว่าแนวคิดพื้นฐานของสรีรวิทยาและกายวิภาคศาสตร์จะต้องเป็นมรดกทางวัฒนธรรมที่ขาดไม่ได้ในการพยายามทำความเข้าใจร่างกายมนุษย์ที่ยอดเยี่ยมนี้ในทางใดทางหนึ่ง

แท็ก: การออกกำลังกาย การย่อยอาหาร ความอ้วน