สรีรวิทยาของกล้ามเนื้อ: คำอธิบายโดยย่อ

โดย Dr. Gianfranco De Angelis

มันทำให้หมดกำลังใจที่จะเห็นอาจารย์ผู้สอนและผู้ฝึกสอนส่วนบุคคลให้คำอธิบาย "เชิงประจักษ์" ในหัวข้อต่าง ๆ : มวลกล้ามเนื้อ (ยั่วยวน) เพิ่มความแข็งแกร่งความต้านทาน ฯลฯ โดยไม่ต้องมีความรู้ขั้นต้นของโครงสร้างเนื้อเยื่อและสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อ

มีเพียงไม่กี่คนที่มีความรู้ในเชิงลึกมากขึ้นหรือน้อยลงของกายวิภาคศาสตร์ด้วยตาเปล่าราวกับว่ามันเพียงพอที่จะรู้ว่าลูกหนูหรือเพอร์รีลิสตั้งอยู่โดยไม่คำนึงถึงโครงสร้างเนื้อเยื่อวิทยาและชีวเคมีและสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อ ฉันจะพยายามเท่าที่เป็นไปได้เพื่อให้การอภิปรายสั้น ๆ และเรียบง่ายของเรื่องยังสามารถเข้าถึงได้โดยคนธรรมดาของวิทยาศาสตร์ชีวภาพ

โครงสร้างทางเนื้อเยื่อวิทยา

เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อแตกต่างจากเนื้อเยื่ออื่น ๆ (ประสาท, กระดูก, เกี่ยวพัน) เนื่องจากมีลักษณะที่ชัดเจน: หดตัวนั่นคือเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อสามารถหดหรือลดความยาวของมัน ก่อนที่เราจะเห็นว่ามันสั้นลงอย่างไรและมีกลไกอย่างไรเรามาพูดถึงโครงสร้างของมันกันก่อน เรามีเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อสามประเภทซึ่งแตกต่างกันไปตามหน้าที่และหน้าที่: เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อโครงร่าง, เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อเรียบและเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อหัวใจ ความแตกต่างระหว่างหน้าที่หลักและอีกสองคือหน้าที่ในขณะที่อดีตจะถูกควบคุมโดยพินัยกรรมอีกสองคนเป็นอิสระจากพินัยกรรม อย่างแรกคือกล้ามเนื้อที่เคลื่อนไหวกระดูกกล้ามเนื้อที่เราฝึกด้วยบาร์เบลล์ดัมเบลล์และเครื่องจักร ประเภทที่สองจะได้รับจากกล้ามเนื้อของอวัยวะภายในเช่นกล้ามเนื้อของกระเพาะอาหารลำไส้ ฯลฯ ซึ่งอย่างที่เราเห็นในแต่ละวันไม่ได้ถูกควบคุมโดยความตั้งใจ ประเภทที่สามคือการเต้นของหัวใจ: หัวใจยังทำจากกล้ามเนื้อในความเป็นจริงมันสามารถที่จะหดตัว; โดยเฉพาะอย่างยิ่งกล้ามเนื้อหัวใจยังมีโครงร่างดังนั้นคล้ายกับโครงกระดูกหนึ่งอย่างไรก็ตามความแตกต่างที่สำคัญการหดตัวของจังหวะเป็นอิสระจากพินัยกรรม

โครงร่างกล้ามเนื้อโครงร่าง มีหน้าที่รับผิดชอบในกิจกรรมการเคลื่อนไหวด้วยความสมัครใจและดังนั้นสำหรับการเล่นกีฬา กล้ามเนื้อโครงร่างประกอบด้วยเซลล์เช่นเดียวกับโครงสร้างและระบบอื่น ๆ ของสิ่งมีชีวิต เซลล์เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดที่มีความเป็นอิสระในชีวิต ในสิ่งมีชีวิตของมนุษย์มีเซลล์นับพันล้านเซลล์และเกือบทั้งหมดมีส่วนกลางที่เรียกว่านิวเคลียสล้อมรอบด้วยสารเจลาตินที่เรียกว่าไซโตพลาสซึม เซลล์ที่ประกอบเป็นกล้ามเนื้อเรียกว่า เส้นใยกล้ามเนื้อ : เป็นองค์ประกอบที่มีความยาวจัดเรียงตามแนวยาวไปตามแนวแกนของกล้ามเนื้อและรวบรวมเป็นแถบ ลักษณะสำคัญของเส้นใยกล้ามเนื้อเป็นสาม:

1. มันมีขนาดใหญ่มากความยาวสามารถเข้าถึงไม่กี่เซนติเมตรเส้นผ่าศูนย์กลางอยู่ที่ 10-100 ไมครอน (1 ไมครอน = 1/1000 ของมม.) เซลล์อื่น ๆ ของสิ่งมีชีวิตมีขนาดยกเว้นด้วยกล้องจุลทรรศน์
2. มันมีนิวเคลียสมากมาย (เกือบทุกเซลล์มีเพียงอันเดียว) และด้วยเหตุนี้จึงมีการกำหนด "polynuclear syncytial"
3. มันจะปรากฏเป็นเส้นขวางตามขวางนั่นคือมันแสดงการสลับของแถบสีเข้มและแถบแสง เส้นใยกล้ามเนื้อนำเสนอในการก่อตัวของไซโตพลาสซึมยาวตามแนวแกนของเส้นใยและยังรวมถึงกล้ามเนื้อที่เรียกว่า myofibrils เราสามารถพิจารณาได้ว่ามันเป็นสายยาวที่อยู่ภายในเซลล์ Myofibrils ยังมีลักษณะเป็นเส้นขวางและมีความรับผิดชอบต่อการเกิดริ้วรอยของเส้นใยทั้งหมด

   ใช้ myofibril และศึกษามันมีแถบสีเข้มเรียกว่าแถบ A และของแถบแสงที่เรียกว่าฉันในช่วงกลางของวงดนตรีฉันมีเส้นสีเข้มที่เรียกว่าเส้น Z ช่องว่างระหว่างเส้น Z และอีกเส้นหนึ่งเรียกว่า sarcomere ซึ่งแสดงถึงองค์ประกอบที่หดตัวและหน่วยการทำงานที่เล็กที่สุดของกล้ามเนื้อ ในทางปฏิบัติไฟเบอร์ถูกทำให้สั้นลงเนื่องจาก sarcomeres นั้นสั้นลง

ตอนนี้เรามาดูกันว่าการทำ myofibril นั้นคืออะไรที่เรียกว่าโครงสร้างพื้นฐานของกล้ามเนื้อ มันทำมาจากเส้นใยบาง ๆ ก็บอกว่าเป็นเส้นใยของ myosin และเส้นใยบาง ๆ ของ actin ตัวใหญ่นั้นเข้ากันได้ดีกับส่วนที่บางเพื่อให้วงดนตรี A ถูกสร้างขึ้นโดยเส้นใยหยาบ (ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้มันมืดกว่า), วงดนตรีที่ฉันถูกสร้างขึ้นโดยส่วนหนึ่งของเส้นใยบาง ๆ ที่ไม่ติดกับเส้นใยหนัก ไส้หลอดบาง ๆ เบา)

กลไกการหดตัว

ตอนนี้เรารู้โครงสร้างทางเนื้อเยื่อและโครงสร้างพื้นฐานเราสามารถพูดถึงกลไกของการหดตัว ในการหดตัวเส้นใยแสงวิ่งระหว่างเส้นใยหนักเพื่อให้วงดนตรีที่ฉันลดความยาว; ดังนั้น sarcomere ก็ลดความยาวนั่นคือระยะห่างระหว่างแถบ z และอื่น ๆ : ดังนั้นการหดตัวที่เกิดขึ้นไม่ได้เกิดจากการที่เส้นใยสั้นลง แต่เพราะพวกเขาลดความยาวของ sarcomere การลดความยาวของ sarcomere จะลดความยาวของ myofibrils ดังนั้นเนื่องจาก myofibrils ประกอบไปด้วยเส้นใยความยาวของเส้นใยจะลดลงดังนั้นกล้ามเนื้อซึ่งทำจากเส้นใยจึงสั้นลง เห็นได้ชัดว่าสำหรับเส้นใยเหล่านี้ในการไหลของพลังงานเป็นสิ่งจำเป็นและสิ่งนี้ได้รับจากสาร: ATP (adenosine triphosphate) ซึ่งเป็นสกุลเงินพลังงานของสิ่งมีชีวิต ATP นั้นเกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของอาหารพลังงานที่อาหารได้ผ่านไปยัง ATP นั้นจะให้แก่เส้นใยเพื่อให้ไหลเวียน เพื่อให้การหดตัวเกิดขึ้นจำเป็นต้องมีองค์ประกอบอื่นคือไอออน Ca ++ (แคลเซียม) เซลล์กล้ามเนื้อมีสต็อกจำนวนมากอยู่ในนั้นและทำให้สามารถหาได้จาก sarcomere เมื่อต้องมีการหดตัว

กล้ามเนื้อหดตัวจากมุมมองด้วยตาเปล่า

เราได้เห็นแล้วว่าองค์ประกอบที่หดตัวนั้นเป็น sarcomere ตอนนี้เราตรวจสอบกล้ามเนื้อทั้งหมดและศึกษาจากมุมมองทางสรีรวิทยา เพื่อให้กล้ามเนื้อหดตัวมันเป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องมาถึงการ กระตุ้นด้วยไฟฟ้า : การกระตุ้นนี้มาจากเส้นประสาทยนต์เริ่มต้นจากเส้นประสาทไขสันหลัง (ตามที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ); หรืออาจมาจากเส้นประสาทยนต์ที่ถูกแก้ไขและกระตุ้นด้วยไฟฟ้าหรือกระตุ้นกล้ามเนื้อด้วยไฟฟ้าโดยตรง ลองจินตนาการถึงการใช้กล้ามเนื้อ: แขนขาหนึ่งถูกผูกไว้กับจุดตายตัวอีกจุดหนึ่งห้อยอยู่ที่น้ำหนัก ณ จุดนี้เรากระตุ้นด้วยไฟฟ้า กล้ามเนื้อจะหดตัวนั่นคือมันจะสั้นลงโดยการยกน้ำหนัก การหดตัวนี้เรียกว่าการหดตัวแบบไอโซโทป ถ้าเรามัดกล้ามเนื้อด้วยปลายทั้งสองข้างให้เป็นแนวรองรับสองด้านเมื่อเรากระตุ้นกล้ามเนื้อจะเพิ่มความตึงเครียดโดยไม่ย่อให้สั้นลงซึ่งเรียกว่าการหดตัวแบบมีมิติเท่ากัน ในทางปฏิบัติถ้าเรายกบาร์เบลล์ออกจากพื้นดินแล้วยกมันจะเป็นการหดตัวแบบ isotonic ถ้าเราโหลดด้วยน้ำหนักที่หนักมากและในขณะที่พยายามยกมันขึ้นมาแม้ว่าเราจะเกร็งกล้ามเนื้อให้มากที่สุดเราก็ไม่ขยับมันจะเรียกว่า isometric contraction ในการหดตัวของไอโซโทนิกเราดำเนินงานเชิงกล (work = force x displacement); ในการหดตัวมีมิติเท่ากันงานเครื่องกลเป็นศูนย์เนื่องจาก: work = force x displacement = 0, displacement = 0, work = force x 0 = 0

ถ้าเรากระตุ้นกล้ามเนื้อด้วยความถี่ที่สูงมาก (นั่นคือแรงกระตุ้นต่อวินาที) มันจะพัฒนาแรงสูงมากและจะยังคงหดตัวจนถึงระดับสูงสุด: กล้ามเนื้อในสภาพนี้ถูกกล่าวว่าเป็นบาดทะยักดังนั้นการหดตัวของ tetanic หมายถึงการหดตัวสูงสุดและต่อเนื่อง กล้ามเนื้อสามารถหดตัวได้เพียงเล็กน้อยหรือมากตามความประสงค์ สิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยสองกลไก: 1) เมื่อกล้ามเนื้อหดตัวเล็กน้อยมีเพียงบางเส้นใยเท่านั้นที่หดตัว เพิ่มความเข้มของการหดตัวเพิ่มเส้นใยอื่น ๆ 2) เส้นใยสามารถหดตัวด้วยแรงที่น้อยลงหรือมากขึ้นอยู่กับความถี่การคายประจุนั่นคือจำนวนของแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่มาถึงกล้ามเนื้อในหน่วยของเวลา โดยการปรับตัวแปรทั้งสองนี้ระบบประสาทส่วนกลางควบคุมซึ่งบังคับให้กล้ามเนื้อต้องหดตัว เมื่อคำสั่งการหดตัวที่แข็งแกร่งเส้นใยเกือบทั้งหมดของกล้ามเนื้อสั้นลงไม่เพียง แต่จะทำให้เส้นใยทั้งหมดของมันถูกทำลายด้วยกำลังแรงสูง: เมื่อการหดตัวที่อ่อนแอนั้นสั่งให้เส้นใยเพียงไม่กี่เส้นสั้นลงและมีแรงกดน้อยลง

ตอนนี้เรากำลังเผชิญกับความสำคัญอีกอย่างของสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อ: กล้ามเนื้อ โทนเสียงของกล้ามเนื้อสามารถนิยามได้ว่าเป็นภาวะต่อเนื่องของการหดตัวเล็กน้อยของกล้ามเนื้อซึ่งเป็นอิสระจากความประสงค์ ปัจจัยใดที่ทำให้เกิดภาวะการหดตัวนี้ ก่อนที่จะเกิดกล้ามเนื้อจะมีความยาวเท่ากับกระดูกจากนั้นเมื่อมีการพัฒนากระดูกจะยืดตัวยาวกว่ากล้ามเนื้อเพื่อที่จะยืดหลัง เมื่อกล้ามเนื้อถูกยืดโดยการสะท้อนกระดูกสันหลัง (myotatic reflex) มันหดตัวดังนั้นการยืดกล้ามเนื้ออย่างต่อเนื่องซึ่งกล้ามเนื้อถูกกำหนดจะกำหนดสถานะของแสงอย่างต่อเนื่อง แต่การหดตัวแบบต่อเนื่อง สาเหตุคือภาพสะท้อนและเนื่องจากคุณสมบัติหลักของการตอบสนองนั้นไม่สมัครใจน้ำเสียงจึงไม่ได้เป็นไปตามความประสงค์ น้ำเสียงเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการสะท้อนประสาทดังนั้นถ้าฉันตัดเส้นประสาทที่ไปจากระบบประสาทส่วนกลางไปยังกล้ามเนื้อมันจะกลายเป็นความหย่อนยานและสูญเสียเสียง

แรงหดตัวของกล้ามเนื้อขึ้นอยู่กับส่วนตามขวางและมีค่าเท่ากับ 4-6 กก. cm2 แต่หลักการนั้นถูกต้องในหลักการไม่มีอัตราส่วนเฉพาะของสัดส่วนโดยตรง: ในนักกีฬากล้ามเนื้อเล็กกว่าเล็กน้อยของนักกีฬาอีกคนจะแข็งแรงกว่า กล้ามเนื้อจะเพิ่มปริมาตรถ้าฝึกด้วยความต้านทานเพิ่มขึ้น (เป็นหลักการที่ยิมนาสติกมีพื้นฐานมาจากน้ำหนัก) มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะขีดเส้นใต้ความจริงที่ว่าปริมาณของเส้นใยกล้ามเนื้อเพิ่มขึ้นในขณะที่จำนวนของเส้นใยกล้ามเนื้อยังคงที่ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ายั่วยวนของกล้ามเนื้อ

ชีวเคมีของกล้ามเนื้อ

ตอนนี้เราต้องเผชิญกับปัญหาปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกล้ามเนื้อ เราได้กล่าวไปแล้วว่า การ หดตัวของ พลังงาน จะเกิดขึ้น พลังงานนี้จะเก็บเซลล์ไว้ใน ATP (adenosine triphosphate) ซึ่งเมื่อให้พลังงานแก่กล้ามเนื้อจะเปลี่ยนเป็น ADP (adenosine diphosphate) + Pi (อนินทรีย์ฟอสเฟต): ปฏิกิริยาประกอบด้วยการกำจัดฟอสเฟต ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกล้ามเนื้อคือ ATP → ADP + Pi + พลังงาน อย่างไรก็ตามหุ้น ATP มีน้อยและเราจำเป็นต้องสังเคราะห์องค์ประกอบนี้อีกครั้ง ดังนั้นเพื่อให้กล้ามเนื้อหดตัวปฏิกิริยาย้อนกลับ (ADP + Pi + พลังงาน> ATP) จะต้องเกิดขึ้นเช่นกันเพื่อให้กล้ามเนื้อมี ATP ที่พร้อมใช้งานเสมอ พลังงานที่จะทำให้เกิดการสังเคราะห์เอทีพีเกิดขึ้นได้จากอาหาร: หลังจากถูกย่อยและดูดซึมผ่านทางเลือดไปถึงกล้ามเนื้อซึ่งพวกเขาปล่อยพลังงานออกมาเพียงเพื่อทำเอทีพี

ความเป็นเลิศของสารพลังงานนั้นได้รับจาก น้ำตาล โดยเฉพาะน้ำตาลกลูโคส กลูโคสสามารถถูกทำลายได้ในที่ที่มีออกซิเจน (ในบรรยากาศแอโรบิก) และเป็นเพราะถูกกล่าวอย่างไม่เหมาะสม "เผา"; พลังงานที่กำจัดนั้นใช้ ATP ในขณะที่กลูโคสไม่เหลืออะไรเลยนอกจากน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ATP 36 โมเลกุลที่ได้จากโมเลกุลกลูโคส แต่กลูโคสก็สามารถถูกโจมตีได้หากไม่มีออกซิเจนซึ่งในกรณีนี้กลายเป็น กรดแลคติค และมีเพียงสองโมเลกุลของ ATP เท่านั้นที่เกิดขึ้น กรดแลคติคจากนั้นผ่านเข้าไปในเลือดไปที่ตับซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคสอีกครั้ง กรดแลกติกนี้เรียกว่าวัฏจักรโคริ จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อกล้ามเนื้อหด? ในตอนแรกเมื่อกล้ามเนื้อเริ่มหดตัว ATP จะหมดไปทันทีและเนื่องจากไม่มีการปรับตัวของระบบหัวใจและทางเดินหายใจที่จะเกิดขึ้นในภายหลังออกซิเจนที่มาถึงกล้ามเนื้อไม่เพียงพอดังนั้นกลูโคสจึงแตกตัว ขาดออกซิเจนสร้างกรดแลคติค ในครั้งที่สองเราสามารถมีสองสถานการณ์: 1) หากความพยายามดำเนินต่อไปเบา ๆ ออกซิเจนก็เพียงพอกลูโคสจะออกซิไดซ์ในน้ำและคาร์บอนแอนไฮไดรต์: ไม่มีกรดแลคติกจะสะสมและการออกกำลังกายสามารถดำเนินต่อไปได้หลายชั่วโมง ความพยายามประเภทนี้จึงเรียกว่าแอโรบิค 2) หากความพยายามยังคงมีอยู่อย่างต่อเนื่องแม้จะมีออกซิเจนมาถึงกล้ามเนื้อจำนวนมากกลูโคสจำนวนมากก็จะแยกตัวออกจากกันหากไม่มีออกซิเจน ดังนั้นกรดแลคติกจำนวนมากจะเกิดขึ้นซึ่งจะทำให้เกิดความเหนื่อยล้า (เรียกว่าความเครียดแบบไม่ใช้ออกซิเจนเช่นวิ่งเร็วเช่น 100 เมตร) ในช่วงที่เหลือกรดแลคติคที่มีออกซิเจนจะกลายเป็นกลูโคสอีกครั้ง ในตอนเริ่มต้นแม้ในความพยายามแอโรบิกขาดออกซิเจนเราพูด ถึงหนี้ออกซิเจน ซึ่งจะจ่ายเมื่อเราพัก กล่าวว่าออกซิเจนจะถูกใช้เพื่อสังเคราะห์น้ำตาลกลูโคสจากกรดแลคติค ในความเป็นจริงทันทีหลังจากความพยายามที่เราใช้ออกซิเจนมากกว่าปกติ: เราจะชำระหนี้ อย่างที่คุณเห็นเราอ้างกลูโคสเป็นตัวอย่างของเชื้อเพลิงเพราะมันเป็นเชื้อเพลิงที่สำคัญที่สุดในกล้ามเนื้อ ในความเป็นจริงแม้ว่าไขมันจะมีปริมาณพลังงานมากขึ้นเพื่อที่จะออกซิไดซ์พวกมันก็จำเป็นที่จะต้องมี glycids และออกซิเจนในปริมาณที่แน่นอน ในกรณีที่ไม่มีสิ่งเหล่านี้มีความผิดปกติอย่างมีนัยสำคัญ (คีโตซีสและดิสก์) อย่างไรก็ตามโปรตีน สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้เนื่องจากเป็นเพียง โปรตีนชนิด เดียวที่ใช้ในการฝึกกล้ามเนื้อหน้าที่ของพลาสติกนั้นมีอยู่ในตัว ไขมัน มีคุณสมบัติที่มีน้ำหนักเท่ากันพวกมันมีพลังงานมากกว่าน้ำตาลและโปรตีนพวกมันถูกใช้เป็นที่เก็บรักษา ดังนั้นไกลโคไซด์จึงเป็นเชื้อเพลิงโปรตีนเป็นวัตถุดิบและไขมันเป็นพลังงานสำรอง

ฉันพยายามในบทความสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อให้ชัดเจนที่สุดเท่าที่จะทำได้โดยไม่ละเลยความแม่นยำทางวิทยาศาสตร์: ฉันคิดว่าฉันจะได้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมหากฉันกระตุ้นผู้ประกอบการฟิตเนสให้สนใจสรีรวิทยาเพราะฉันเชื่อว่า แนวคิดพื้นฐานของสรีรวิทยาและกายวิภาคศาสตร์จะต้องเป็นสินทรัพย์ทางวัฒนธรรมที่สำคัญที่จะพยายามทำความเข้าใจในทางใดทางหนึ่งร่างกายมนุษย์ที่ยอดเยี่ยมนี้