Строение и работа мышц человека

Когда мы слышим слово "мышца", нам представляются мощные мускулы боксёров или тяжелоатлетов. Однако мышцы присутствуют в сердце и в стенках внутренних органов. Каждое ваше движение — от простого моргания до сложных координированных действий — является результатом работы мышечной системы.Мышечная система человека состоит из миллионов мышечных клеток, объединённых в ткани и органы. Мышцы составляют почти половину массы тела человека. Название "мышца" происходит от латинского слова "mus", означающего "маленькая мышь", так как сгибающиеся мышцы напоминали древним учёным небольших грызунов, бегущих под кожей.Мышечная ткань обладает уникальной способностью преобразовывать химическую энергию (АТФ) в направленное механическое движение. Благодаря этому мы можем не только двигаться, но и поддерживать осанку, дышать, перекачивать кровь по сосудам.

3 типа мышечной ткани

Мышца как органКаждая скелетная мышца — это отдельный орган, состоящий из нескольких типов тканей. Основными являются мышечные волокна, но также присутствуют кровеносные сосуды, нервные волокна и соединительная ткань, образующая оболочки.Для работы мышцы необходимо много энергии. Кислород и питательные вещества поступают в мышцы через капилляры. Эти капилляры изгибаются, когда мышца сокращается, и выпрямляются, когда она растягивается.В отличие от клеток сердечной и гладкой мышц, которые могут сокращаться без нервной стимуляции, каждое волокно скелетной мышцы снабжено нервным окончанием, которое контролирует его работу.Каждое мышечное волокно (одна отдельная мышечная клетка) окружено тонким слоем волокнистой соединительной ткани — эндомизием. Несколько волокон (от 10 до 100) объединяются в пучки, которые заключены в соединительнотканную оболочку перимизий. Все пучки мышцы обвиты внешней волокнистой оболочкой — эпимизием. Эти оболочки соединяются с сухожилиями, которые прикрепляют мышцу к кости. Соединительная ткань укрепляет мышцу, предотвращая её повреждения при сильных сокращениях. Когда мышечные волокна сокращаются, они тянут за собой оболочки, передавая усилие на кость и вызывая её движение.

Строение мышечного волокнаСкелетное мышечное волокно – это длинная цилиндричая клетка с несколькими овальными ядрами, расположенными непосредственно под сарколеммой (плазматической мембраной). Диаметр волокон от 10 до 100 мкм, что в 10 раз больше, чем у большинства клеток тела.  Длина волокон достигает 30 см, что делает их одними из самых длинных клеток в организме. Их большой размер и множественные ядра объясняются тем, что каждое волокно образуется за счет слияния нескольких эмбриональных клеток — миобластов.Мышечная клетка имеет те же органеллы, что и обычная клетка. Однако некоторые органеллы в мышечной клетке выглядят и именуются иначе.Миофибриллы – уникальные для мышечных клеток структуры, состоящие из сократительных белков актина и миозина. Все типы мышечных клеток содержат миофибриллы, но они по-разному расположены в  скелетных, гладкомышечных и сердечных миоцитах. Миофибрилла имеет диаметр около 1 мкм или около 1/100 толщины человеческого волоса. Каждая мышечная клетка имеет сотни или тысячи миофибрилл — они составляют около 50–80% объема клетки. Скелетные мышечные волокна на микроснимках выглядят “полосато”, что связано с чередующимся расположением миофибрилл.

Саркомер состоит из различных белков

Запуск мышечного сокращения: активация нейроном

8. Потенциал действия движется по сарколемме подобно волне. Кратковременное изменение заряда в одной области мембраны вызывает открытие натриевых каналов в соседних участках. В итоге потенциал действия достигает Т-трубочек – глубоких вдавлений сарколеммы, через которые сигнал проходит глубоко внутрь мышечного волокна.9. Распространение потенциала действия по Т-трубочкам открывает кальциевые каналы в саркоплазматическом ретикулуме. Это приводит к выбросу большого количества ионов кальция (Ca²⁺) в саркоплазму – жидкую среду клетки.

7. Большой приток натрия внутрь мышечного волокна вызывает потенциал действия – электрический импульс, распространяющийся вдоль мембраны мышечного волокна.

Запуск мышечного сокращения: распространение потенциала действия по мышечному волокну 

Изменения в саркомере при сокращении Представьте, что вы складываете ладони, при этом ваши пальцы — это тонкие и толстые нити. С каждым движением пальцев внутрь ладони (скольжение нитей) длина саркомера (ваших рук) уменьшается. Этот процесс иллюстрирует механизм сокращения мышцы: тонкие нити (актин) скользят вдоль толстых (миозин), что приводит к укорочению саркомера, но длина самих нитей не меняется.

Механизм расслабления мышцы после сокращения

Двигательная единицаКаждую мышцу обслуживает по крайней мере один двигательный нейрон. Когда отросток нейрона (аксон) входит в мышцу, он разветвляется на ряд окончаний, каждое из которых образует нервно-мышечное соединение с одним мышечным волокном. Двигательная единица – это функциональная единица нервно-мышечной системы, состоящая из одного двигательного нейрона и всех мышечных волокон, которые он иннервирует. Когда двигательный нейрон передает потенциал действия, все его мышечные волокна сокращаются одновременно и согласованно. Сокращение мышцы начинается с активации небольшого количества двигательных единиц. По мере увеличения требуемой силы в работу вовлекаются дополнительные двигательные единицы.Чем более точные и тонкие движения необходимо совершать, тем меньше мышечных волокон образуют двигательную единицу.

3. Аэробное дыханиеДля продолжительной мышечной активности организм использует аэробный катаболизм (окислительное фосфорилирование), который происходит в митохондриях и требует кислорода. Этот процесс позволяет полностью расщеплять глюкозу на углекислый газ и воду, производя до 32 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы:Глюкоза + O₂ → CO₂ + H₂O + 32 АТФВо время умеренной и длительной активности (например, бега на длинные дистанции) 95% АТФ вырабатывается именно аэробным дыханием. Источниками топлива для этого процесса служат глюкоза из крови, пируват из гликолиза, а также свободные жирные кислоты. Примерно через 30 минут упражнений жирные кислоты становятся основным источником энергии.Аэробное дыхание работает медленнее, чем анаэробное, так как включает множество этапов и требует постоянного поступления кислорода. Миоглобин — белок, содержащийся в мышцах, — связывает и накапливает кислород, помогая обеспечивать его доступность в условиях повышенной нагрузки.

Три типа мышечных волокон 

Реакция скелетных мышц на тренировкиФизическая тренировка вызывает изменения в структуре и биохимии скелетных мышц, улучшая их способность справляться с нагрузками. Мышцы малоподвижных людей адаптируются к низкому уровню активности, а регулярные тренировки приводят к перестройке волокон, повышая их эффективность. При тренировке изменения происходят в уже существующих волокнах (новых мышечных волокон НЕ образуется). Хотя при травме мышечные волокна могут восстанавливаться за счет сателлитных мышечных клеток. Тренировки на выносливость (бег, плавание, велосипед) активируют больше двигательных единиц при умеренной нагрузке. Эти тренировки увеличивают количество капилляров и митохондрий, улучшая кровоснабжение и аэробный метаболизм, а также усиливают синтез миоглобина. Развиваются медленные волокна (тип I), что улучшает выносливость мышц и их способность работать долго без усталости. Силовые тренировки (тяжелая атлетика, тренажеры) предполагают работу с высокой нагрузкой и малым числом повторений. Это способствует гипертрофии (увеличении) мышечных волокон за счет увеличения числа сократительных белков. В быстрых аэробных волокнах усиливается анаэробный метаболизм, что повышает силу, но снижает выносливость.

Мышечная усталостьАктивная мышечная деятельность не может продолжаться бесконечно, и с течением времени мышцы начинают уставать. Мышечная усталость — это состояние, при котором мышцы теряют способность сокращаться, несмотря на наличие стимулов. Многим кажется, что истощение АТФ — это главная причина усталости, но на самом деле уровень АТФ в клетках действительно снижается, но мышечная усталость предотвращает полное истощение АТФ, что могло бы привести к повреждению клеток и даже трупному окоченению.Механизм мышечной усталости сложен и еще не до конца изучен. Предполагается, что к мышечной усталости приводит истощение метаболитов (креатинфосфата и гликогена) и накопление химических веществ (ионы кальция, фосфаты и АДФ). Эти вещества мешают нормальной работе митохондрии и нарушают процесс возбуждения и сокращения. К тому же с увеличением интенсивности упражнений мышцы начинают больше зависеть от анаэробного гликолиза, что приводит к дополнительному накоплению молочной кислоты.

Восстановление после физической активностиВо время и после интенсивной физической нагрузки дыхание становится учащенным и углубленным, что связано с избыточным потреблением кислорода. Дополнительный кислород необходим для:Вы наверняка испытывали болезненные ощущения в мышцах на следующий день после занятий в спортзале. Это явление называется отсроченной болезненностью мышц. Обычно болезненность в мышцах обычно начинается через 12–24 часа после тренировки и достигает пика через 48 часов. Болезненность возникает из-за микроповреждений в мышечных волокнах. Это нормальный физиологический процесс восстановления мышечных волокон, позволяющий адаптироваться к возросшей нагрузке на мышцы.