В.Н. ПЛАТОВА

Продолжение. См. № 19/2006

Спортивное питание и здоровье

II. Физиология скелетной мускулатуры, или Как работают мышцы

Длинные тонкие мышечные волокна, из которых построена скелетная мышца, – это гигантские клетки, образующиеся в ходе онтогенеза при слиянии множества отдельных клеток. У взрослого человека они могут достигать в длину 5 см! Многочисленные ядра в такой клетке располагаются прямо под цитоплазматической мембраной, а основная часть цитоплазмы состоит из вытянутых вдоль всей клетки миофибрилл (толщиной 1–2 мкм), с характерной поперечной исчерченностью (рис. 3). Такую «раскраску» миофибрилле придают саркомеры, в состав каждого из которых входит два набора параллельных, частично перекрывающихся филаментов: толстых миозиновых, которые образуют темную полосу и тянутся от одного края до другого, и тонких актиновых, лежащих в области светлой полосы и частично заходящих в область темных полос (рис. 4). Один саркомер от другого отделяется Z-диском.

Рис. 3. Схема небольшого отрезка клетки скелетной мышцы (мышечного волокна)

Рис. 4. А. Электронная микрофотография продольного среза через клетку скелетной мышцы кролика (при малом увеличении). Видна регулярная поперечная исчерченность. Клетка содержит множество параллельных миофибрилл (см. рис. 3). Б. Небольшой участок того же фото: показаны отрезки двух смежных миофибрилл и детали саркомера. В. Схема строения отдельного саркомера, объясняющая происхождение темных и светлых полос, которые видны на электронной микрофотографии

Цитоплазма обеспечивает миофибриллы энергией в виде АТФ – в активно функционирующей мышце обнаруживается много митохондрий. Кроме того, в цитоплазме содержатся гликоген, фосфокреатин, гликолитические ферменты.

Скелетная мышца превращает химическую энергию, накопленную в АТФ, в механическую с очень большой эффективностью – в виде тепла теряется всего 30–50%. (Для сравнения: автомобильный двигатель при сжигании бензина обычно теряет в виде тепла 80–90%.)

При мышечном сокращении за счет связывания миозином актина толстые и тонкие нити скользят относительно друг друга (рис. 5).

Рис. 5. Схема, иллюстрирующая процесс мышечного сокращения по принципу скользящих нитей: толстые и тонкие филаменты скользят друг по другу, не изменяя собственной длины

Физиологическим регулятором сокращения мышц служат ионы кальция. В состоянии покоя работает система активного транспорта ионов кальция, и они накапливаются в своеобразном хранилище, из которого высвобождаются под действием нервного импульса, обеспечивая мышечное сокращение.

Система транспорта ионов кальция работает за счет энергии АТФ. Того количества АТФ, которое имеется в мышце, хватает на поддержание работы сократительного аппарата всего в течение доли секунды. Как же работает мышца более продолжительное время? Оказывается, в мышце энергия запасается в форме фосфокреатина, или креатинфосфата, который может переносить больше высокоэнергетических фосфатных групп, чем универсальный АТФ. Фосфокреатин восстанавливает АТФ, обеспечивая тем самым приток энергии для мышечного сокращения. Однако в работающей мышце запасы фосфокреатина быстро истощаются, а это снижает и содержание АТФ.

При более продолжительной физической нагрузке мышцы обеспечиваются энергией за счет гликолиза – расщепления углеводов под действием ферментов с накоплением энергии в виде АТФ. Когда запасы креатина в мышце истощаются, понижается энергетический заряд мышечного сокращения, что приводит к стимуляции гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования в работающей мышце.

В отсутствие кислорода при расщеплении молекулы углеводов образуются две молекулы молочной кислоты (или лактата) и две молекулы АТФ. Однако, если для гликолиза используется гликоген мышц, то возникают две молекулы лактата и три молекулы АТФ.

Гликоген – это, как известно, главный резервный полисахарид, запасаемый в мышцах и печени. При пониженном уровне гликогена в мышцах и печени и наличии свободной глюкозы в крови она используется для синтеза гликогена. И, наоборот, при потребностях организма в энергетическом источнике для процессов гликолиза успешно используется гликоген.

Мышечная система наиболее развита по сравнению с другими системами организма. Для обеспечения работы мышц необходимо огромное количество энергии, которую человек может получать за счет креатинфосфата (фосфокреатина), углеводов в виде гликогена и глюкозы и жиров. Эти три вида энергоносителей различаются между собой по величине освобождаемой при их использовании энергии и по тому, как долго может каждый из них служить «топливным» источником. Так устроен механизм обеспечения мышц энергией (табл. 2, 3). Хорошо известно, что при продолжительной неинтенсивной работе при протекании окислительных процессов используются жиры или углеводы, а при работе несколько большей интенсивности используются механизмы анаэробного гликолиза. При очень интенсивной кратковременной нагрузке работа мышц обеспечивается за счет фосфагенов. Соответственно каждый из источников энергии имеет свою энергетическую стоимость и используется при определенных условиях (табл. 4).

Работающие мышцы для аэробного окисления углеводов по сравнению с другими органами потребляют очень большое количество кислорода (табл. 5).

Таблица 2. Запасы энергии в организме человека массой тела 70 кг

Таблица 3. Максимально возможная мощность скелетных мышц человека при использовании различных субстратов и путей катаболизма

Таблица 4. Максимальная скорость образования энергии из различных источников во время физических упражнений

Таблица 5. Относительное потребление кислорода различными органами человека в покое и при тяжелой работе*

Тонус скелетных мышц. В покое, вне работы, мышцы никогда полностью не расслабляются, а сохраняют некоторое напряжение, называемое тонусом. Внешне это выражается в упругости мышц. Тонус скелетных мышц связан с поступлением к мышце отдельных следующих друг за другом с большим интервалом нервных импульсов, возбуждающих попеременно различные мышечные волокна. Эти импульсы возникают в мотонейронах спинного мозга, активность которых в свою очередь поддерживается импульсами, исходящими как из вышележащих центров, так и с периферии от рецепторов растяжения («мышечных веретен»), находящихся в самих мышцах.

У человека тонус мышц в известных пределах может регулироваться произвольно: по желанию человек может почти полностью расслабить мышцы или же несколько напрячь их, не совершая, однако, при этом движения.

Работа и сила мышц. Величина сокращения (степень укорочения) мышцы при данной силе раздражения зависит как от ее морфологических свойств, так и от физиологического состояния. Длинные мышцы сокращаются на большую величину, чем короткие. Умеренное растяжение мышцы увеличивает ее сократительный эффект, при сильном же растяжении сокращение мышцы ослабляется. Если в результате длительной работы развивается утомление мышцы, то величина ее сокращения падает.

Для измерения силы мышцы определяют тот максимальный груз, который она в состоянии поднять. Эта сила может быть очень велика: собака, например, мышцами челюсти может поднять груз, превышающий вес ее тела в 8,3 раза. О силе икроножных мышц человека судят по величине груза, положенного ему на плечи, с которым он в состоянии приподняться на носки.

Рис. 6. Типы строения различных мышц (по А.А. Ухтомскому).
А – мышцы с параллельным ходом волокон; Б – веретенообразная мышца; В – перистая мышца

Сила мышцы при прочих равных условиях зависит не от ее длины, а от поперечного сечения: чем больше физиологическое поперечное сечение мышцы, т.е. сумма поперечных сечений всех ее волокон, тем больше тот груз, который она в состоянии поднять. Физиологическое поперечное сечение совпадает с геометрическим только в мышцах с продольно расположенными волокнами; у мышц с косыми волокнами сумма поперечных сечений волокон может значительно превышать геометрическое поперечное сечение самой мышцы (рис. 6). По этой причине сила мышцы с косыми волокнами значительно больше, чем сила мышцы той же толщины, но с продольными волокнами. Чтобы сравнить силу разных мышц, максимальный груз, который мышца в состоянии поднять, делят на площадь ее поперечного сечения, вычисляя абсолютную мышечную силу. Например, абсолютная сила икроножной мышцы человека равна 5,9 кг/см², сгибателя плеча – 8,1, жевательной мышцы – 10, двуглавой мышцы плеча – 11,4, трехглавой мышцы плеча – 16,8, гладких мышц – 1 кг/см².

Большинство мышц млекопитающих и человека имеет перистое строение. Перистая мышца имеет большое физиологическое сечение, а поэтому обладает большой силой.

Работа мышцы измеряется произведением поднятого груза на величину укорочения мышцы, т.е. выражается в килограммометрах или граммсантиметрах.

По содержанию миоглобина мышечные волокна разделяют на красные, белые и промежуточные. Красные волокна принято считать «медленными», а белые – «быстрыми». Некоторые ученые считают, что при рождении мышцы человека состоят только из «медленных» волокон и часть из них в процессе развития превращается в «быстрые». Другие убеждены, что расположение мышц, особенности их строения и функций предопределены генетически.

Красные волокна работают в основном в аэробном режиме, а белые – в условиях недостатка кислорода, т.е. в них протекают разные метаболические процессы. Красные волокна, как правило, используются для выполнения легкой или умеренной работы, а белые начинают функционировать лишь после значительного возрастания притока возбуждающих импульсов во время очень интенсивной работы. Волокна промежуточного типа сохраняют свойства и красных, и белых волокон и называются еще «быстрыми красными».

Процентное содержание тех или иных волокон предопределяет специализацию атлета. Как правило, обладатели преимущественно красной мускулатуры достигают лучших результатов в видах спорта, требующих повышенной выносливости (плавание, велосипедный спорт, бег на средние и длинные дистанции и т.д.). Те, у кого больше белых мышечных волокон, лучше выполняют силовые упражнения. Последнее объясняется и тем, что белые волокна легче гипертрофируются (увеличиваются в объеме). Однако не все предопределяется только природой. Существуют еще и тренировочные факторы, которым некоторые специалисты отдают предпочтение в формировании структуры мышц.

Как мышцы «привыкают» к физическим нагрузкам. Во время тренировок в мышцах формируются механизмы запасания и использования энергетических субстратов: креатинфосфата, гликогена и жиров (в виде триацилглицеридов). Запасов АТФ и креатинфосфата, или фосфагена, в мышце очень мало. Фосфаты постоянно синтезируются (содержание креатинфосфата в белых мышечных волокнах составляет примерно 30 мкмоль на 1 г сырой массы мышцы), но быстро расходуются при нагрузке, продолжающейся более нескольких секунд. Энергоемкие гликоген и триацилглицериды составляют основную массу резервных источников «топлива» для мышц.

Под влиянием скоростной и силовой тренировки в белых мышечных волокнах повышается активность гликолитических ферментов и образуется большое количество гликогена, который запасается в мышцах в виде гранул, вокруг которых размещаются соответствующие ферменты. Происходят изменения и в буферных системах мышечных клеток: как только внутри клетки при интенсивной работе изменяется рН, это сразу же сказывается на работе ферментов, отвечающих за гликолиз.

Общее количество работы, которое анаэробный гликолиз может обеспечить при интенсивной нагрузке, зависит от резерва гликогена (при распаде каждой его молекулы образуется 6,2 моль АТФ). Само использование запасов гликогена в мышцах запускается гормональными и нервными стимулами. Один из таких гормонов – адреналин – способен значительно активизировать процессы использования гликогена для ресинтеза АТФ.

Под влиянием тренировки анаэробный гликолиз в мышцах можно многократно увеличить. Так, по некоторым данным, у тренированных спринтеров процессы гликолиза в мышцах ног усиливаются в две тысячи раз.

Однако за счет анаэробного гликолиза человек способен выполнять нагрузку только 2–3 минуты. После этого неизбежно запускаются процессы окислительного фосфорилирования.

При длительной работе главными действующими лицами становятся красные и промежуточные мышечные волокна. Энергия для деятельности этих мышц образуется в митохондриях (их в клетках красных мышечных волокон гораздо больше, чем в белых) с помощью окислительных ферментов в присутствии достаточного количества кислорода.

Гликоген, который активно используется при кратковременной работе, является (вместе с жирами) основным эндогенным субстратом и при продолжительной нагрузке. Оба эти вида «топлива», особенно жиры, содержатся в виде запасов в красных и промежуточных волокнах. Жиры несколько уступают гликогену в эффективности выхода энергии на единицу потребляемого кислорода: при их окислении образуется 5,6 моль АТФ.

При окислительном фосфорилировании мышца может получать энергетические субстраты и из центральных депо (гликоген из печени и жир из жировой ткани) и даже использовать энергетические источники, поступающие извне во время работы, например углеводные добавки при марафонском забеге, – природа предусмотрела для длительной работы дополнительные возможности.

Для представителей видов спорта, которые тренируются на выносливость, будет любопытен тот факт, что длительная и интенсивная работа мышц обеспечивается энергией лучше всего при одновременном использовании углеводов и жиров. Казалось бы, здесь некий парадокс. Ведь углеводов хватает только на 20–30 мин интенсивной работы, а жиры могут использоваться гораздо дольше. Однако дело все в том, что использование одних лишь жиров обеспечивает вдвое меньшую скорость выработки энергии, чем одновременное использование жиров и углеводов. А от этого зависит интенсивность выполняемой работы. Таким образом, как считают биохимики, гликоген является наилучшим «топливом» для обеспечения высокоинтенсивной продолжительной работы в аэробных условиях. Ученые нашли даже зависимость длительности работы до полного изнеможения от содержания гликогена в мышцах перед началом нагрузки. Однако, если нагрузка продолжается 2–3 ч, то организм начинает использовать для обеспечения мышечных сокращений и гликоген, и жиры. При переходе на расщепление жиров мощность работы снижается. Вначале используются триацилглицериды, а затем свободные жирные кислоты, которые поступают из крови.

Атлетов, специализирующихся в силовых видах спорта, и культуристов, конечно же, интересует вопрос рабочей гипертрофии мышц.

Систематическая интенсивная работа мышцы приводит к увеличению массы мышечной ткани. Это явление названо рабочей гипертрофией мышцы. В основе гипертрофии лежит увеличение массы протоплазмы мышечных волокон, приводящее к их утолщению. При этом повышается содержание белков и гликогена, а также веществ, доставляющих энергию, необходимую для мышечного сокращения – АТФ и креатинфосфата. Поэтому сила и скорость сокращения гипертрофированной мышцы выше, чем негипертрофированной.

Увеличение массы мышечной ткани у тренированных людей приводит к тому, что мускулатура тела может составлять 50% веса тела (вместо обычных 35–40%).

Гипертрофия развивается, если человек ежедневно на протяжении длительного времени производит мышечную работу, требующую большого напряжения (силовая нагрузка). Мышечная работа, производимая без особых усилий, даже если она продолжается очень долго, к гипертрофии мышцы не приводит.

Гипертрофия мышц очень важна для выполнения кратковременной «взрывной» работы. Возможно, это связано с тем, что запасы креатинфосфата в мышцах человека не увеличиваются больше определенного количества на единицу массы мышц. Таким образом, увеличение объема мышц способствует увеличению общего количества этого энергоемкого субстрата в мышцах и, соответственно, увеличению способности более эффективно выполнять работу максимальной мощности.

Противоположным рабочей гипертрофии явлением служит атрофия мышцы от бездеятельности. Она развивается во всех случаях, когда мышца почему-либо утрачивает способность совершать свою нормальную работу, например, при длительном обездвиживании конечности в гипсовой повязке, при долгом пребывании больного в постели, при перерезке сухожилия, вследствие чего мышца перестает совершать работу против нагрузки, и т.д.

При атрофии диаметр мышечных волокон и содержание в них сократительных белков, гликогена, АТФ и других важных для сократительной деятельности веществ резко падают. При возобновлении нормальной работы мышцы атрофия постепенно исчезает.

Утомление мышц. Временное понижение работоспособности мышц, наступающее в результате работы или тренировки и исчезающее после отдыха, определяется утомлением.

Если длительно раздражать ритмическими электрическими стимулами изолированную мышцу, к которой подвешен небольшой груз, то амплитуда ее сокращений постепенно убывает, пока не дойдет до нуля. Полученная таким образом кривая называется кривой утомления.

Наряду с изменением амплитуды сокращений при утомлении нарастает латентный период сокращения и понижается возбудимость. Но все эти изменения возникают не тотчас же после начала работы мыш-цы – существует некоторый период, в течение которого наблюдаются увеличение амплитуд сокращений и небольшое повышение возбудимости мышцы. При этом мышца становится легко растяжимой. В таких случаях говорят, что мышца «врабатывается», т.е. приспосабливается к работе при заданном ритме и силе раздражения. При дальнейшем длительном раздражении наступает утомление мышечных волокон.

Это может быть обусловлено накоплением в мышце продуктов обмена веществ (в частности, молочной кислоты, образующейся при расщеплении гликогена), оказывающих угнетающее влияние на работоспособность мышечных волокон. Часть этих продуктов, а также ионы калия диффундируют из волокон наружу в околоклеточное пространство и оказывают угнетающее влияние на способность возбудимой мембраны генерировать потенциалы действия.

Кроме того, на развитие утомления в мышце влияет постепенное истощение в ней энергетических запасов.

Все описанное выше относится к изолированной мышце. Ведь при работе в организме мышца непрерывно снабжается кровью и, следовательно, получает определенное количество питательных веществ (глюкозу, аминокислоты) и освобождается от продуктов обмена, нарушающих нормальную жизнедеятельность мышечных волокон. Главное отличие состоит в том, что в организме возбуждающие импульсы приходят к мышце с нерва. Нервно-мышечное соединение утомляется значительно раньше, чем мышечные волокна, в связи с чем блокирование передачи возбуждения с нерва на мышцу предохраняет последнюю от истощения, вызываемого длительной работой. В целостном организме еще раньше нервно-мышечных соединений утомляются при работе нервные центры.

Восстановление работоспособности утомленных мышц руки человека после длительной работы по подъему груза можно ускорить, если во время отдыха производить работу другой рукой или нижними конечностями.

Продолжение следует