Osiągnięcia Naukowe
- Przedyskutuj napięcie i skurcz mięśni
Skurcz Mięśni
Możemy poprawić nasze zrozumienie skurczu mięśni poprzez zbadanie skurczu jednego włókna mięśniowego. Skurcz występuje, gdy jedno włókno mięśniowe kurczy się w odpowiedzi na polecenie (bodziec) ze strony układu nerwowego. Czas pomiędzy aktywacją neuronu ruchowego a skurczem mięśnia nazywany jest fazą opóźnienia (czasami nazywaną fazą utajoną). Podczas fazy opóźnienia sygnał zwany potencjałem czynnościowym przemieszcza się do końca neuronu ruchowego (terminal aksonu). Powoduje to uwolnienie acetylocholiny i depolaryzację płytki końcowej neuronu ruchowego. Depolaryzacja powoduje uwolnienie wapnia przez siateczkę sarkoplazmatyczną, a następnie związanie wapnia z troponiną, co powoduje odsłonięcie miejsca wiążącego miozynę. Po tym następuje właściwy skurcz mięśnia, który wywołuje napięcie w mięśniu. Ta kolejna faza nazywana jest fazą skurczu. Podczas fazy skurczu tworzą się mostki krzyżowe pomiędzy aktyną i miozyną. Miozyna przesuwa aktyny, uwalnia i reformuje mostki krzyżowe wielokrotnie, podczas gdy sarkomer skraca się i mięsień kurczy. W tej fazie zużywane jest ATP, a energia uwalniana jest w postaci ciepła. Miozyna uwalnia się od aktyny, gdy drugi ATP przyłącza się do miozyny. Miozyna jest teraz dostępna dla kolejnego tworzenia mostka poprzecznego. Kiedy mięsień się rozluźnia, napięcie maleje. Faza ta nazywana jest fazą relaksacji. Podczas tej fazy wapń jest aktywnie transportowany z powrotem do retikulum sarkoplazmatycznego przy użyciu ATP. Troponina wraca na swoje miejsce, blokując miejsce wiązania miozyny na aktynie, a mięsień biernie się wydłuża.
Budzenie mięśnia a siła skurczu
Włókno mięśnia szkieletowego wytworzy daną ilość siły, jeśli bodziec jest wystarczająco silny, aby osiągnąć próg skurczu mięśnia. Nazywa się to prawem „wszystko albo nic”. Załóżmy, że stymulujemy elektrycznie włókno mięśniowe. Zaczynamy od niewielkiej stymulacji, która nie osiąga progu wywołania skurczu. Włókno mięśniowe odpowie rozluźnieniem, nie będzie się kurczyć. Jeśli teraz zwiększymy stymulację tak, aby osiągnąć wartość progową, włókno mięśniowe zareaguje skurczem. Wreszcie, jeśli nadal będziemy zwiększać stymulację tak, że znacznie przekroczy ona próg, włókno mięśniowe odpowie skurczem z taką samą siłą, jak wtedy, gdy właśnie osiągnęliśmy próg stymulacji. Mięsień nie będzie się kurczył z większą siłą, jeśli bodziec jest większy. Mięsień reaguje na silniejsze bodźce wytwarzając tę samą siłę. W mięśniach szkieletowych jeden neuron ruchowy może unerwiać wiele włókien mięśniowych. Nazywa się to jednostką motoryczną. W mięśniach szkieletowych znajduje się wiele jednostek motorycznych. Jednostki motoryczne działają w sposób skoordynowany. Jeden bodziec wpłynie na wszystkie włókna mięśniowe unerwione przez daną jednostkę motoryczną.
Zależność długość-mięsień-napięcie
Długość mięśnia jest związana z napięciem generowanym przez mięsień. Mięśnie będą generować więcej siły, gdy zostaną rozciągnięte poza swoją długość spoczynkową do pewnego punktu. Mięśnie rozciągnięte poza ten punkt będą wytwarzać mniejsze napięcie. Jeśli mięsień jest w stanie spoczynku, nie wytworzy maksymalnego napięcia, ponieważ filamenty aktyny i miozyny nadmiernie na siebie zachodzą. Filamenty miozyny mogą rozciągać się do dysków Z i oba filamenty przeszkadzają sobie nawzajem, ograniczając liczbę mostków krzyżowych, które mogą się utworzyć. Jeśli mięsień zostanie rozciągnięty do pewnego punktu, napięcie w mięśniu wzrośnie. Filamenty aktyny i miozyny mogą teraz optymalnie zachodzić na siebie, dzięki czemu może powstać największa liczba mostków poprzecznych. Jeśli mięsień jest nadmiernie rozciągnięty, napięcie spada. Filamenty aktyny i miozyny nie zachodzą na siebie, co powoduje zmniejszenie liczby mostków poprzecznych, które mogą się utworzyć. Idealna długość sarkomeru podczas produkcji maksymalnego napięcia występuje, gdy grube i cienkie filamenty zachodzą na siebie w największym stopniu.
Kontrola napięcia mięśni
Kontrola neuronalna inicjuje tworzenie mostków krzyżowych aktyna-miozyna, prowadząc do skrócenia sarkomeru zaangażowanego w skurcz mięśnia. Skurcze te rozciągają się od włókna mięśniowego poprzez tkankę łączną i ciągną za kości, powodując ruch szkieletu. Siła naciągu wywierana przez mięsień nazywana jest napięciem, a wielkość siły wytwarzanej przez to napięcie może być różna. Dzięki temu te same mięśnie mogą poruszać zarówno bardzo lekkie, jak i bardzo ciężkie przedmioty. W poszczególnych włóknach mięśniowych wielkość wytwarzanego napięcia zależy od powierzchni przekroju poprzecznego włókna mięśniowego i częstotliwości stymulacji nerwowej.
Liczba mostków poprzecznych tworzących się między aktyną i miozyną określa wielkość napięcia, jakie może wytworzyć włókno mięśniowe. Mostki poprzeczne mogą powstawać tylko tam, gdzie grube i cienkie filamenty zachodzą na siebie, umożliwiając miozynie związanie się z aktyną. Jeśli utworzy się więcej mostków krzyżowych, więcej miozyny pociągnie za aktynę i wytworzy się większe napięcie.
Idealna długość sarkomeru podczas produkcji maksymalnego napięcia występuje wtedy, gdy grube i cienkie filamenty zachodzą na siebie w największym stopniu. Jeśli mięsień w spoczynku jest rozciągnięty do idealnej długości spoczynkowej, grube i cienkie włókna nie zachodzą na siebie w największym stopniu i może powstać mniej mostków poprzecznych. Powoduje to, że mniej główek miozyny pociąga za aktynę i powstaje mniejsze napięcie. W miarę skracania się sarkomeru strefa zachodzenia na siebie zmniejsza się, ponieważ cienkie filamenty docierają do strefy H, która składa się z ogonów miozyny. Ponieważ to główki miozyny tworzą mostki poprzeczne, aktyna nie wiąże się z miozyną w tej strefie, co zmniejsza napięcie wytwarzane przez miofiber. Jeśli sarkomer ulegnie jeszcze większemu skróceniu, cienkie filamenty zaczną się na siebie nakładać, co jeszcze bardziej zmniejszy tworzenie mostków poprzecznych i spowoduje jeszcze mniejsze napięcie. I odwrotnie, jeśli sarkomer zostanie rozciągnięty do punktu, w którym grube i cienkie włókna w ogóle nie zachodzą na siebie, nie tworzą się żadne mostki poprzeczne i nie powstaje żadne napięcie. Takie rozciąganie zazwyczaj nie występuje, ponieważ białka pomocnicze, wewnętrzne nerwy czuciowe i tkanka łączna sprzeciwiają się ekstremalnemu rozciąganiu.
Podstawową zmienną determinującą produkcję siły jest liczba miofibrów w mięśniu, które otrzymują potencjał czynnościowy z neuronu kontrolującego dane włókno. Kiedy używamy bicepsa do podniesienia ołówka, kora motoryczna mózgu sygnalizuje tylko kilka neuronów bicepsa i tylko kilka miofibrów odpowiada. U kręgowców każde miofibryle reagują w pełni, jeśli są stymulowane. Podczas podnoszenia fortepianu kora motoryczna wysyła sygnały do wszystkich neuronów w bicepsie i każde włókno mięśniowe bierze w tym udział. Jest to wartość zbliżona do maksymalnej siły, jaką mięsień może wytworzyć. Jak wspomniano powyżej, zwiększenie częstotliwości potencjałów czynnościowych (liczba sygnałów na sekundę) może zwiększyć siłę nieco bardziej, ponieważ tropomiozyna jest zalewana wapniem.
Typy włókien mięśniowych
Istnieją trzy główne typy włókien mięśni szkieletowych. Są one nazywane fast twitch, slow twitch i pośrednie. Ogólnie rzecz biorąc, włókna szybkoskurczowe generują dużą siłę przez krótki okres czasu. Włókna wolnokurczliwe generują mniejsze ilości siły, ale mogą to robić przez dłuższe okresy czasu. Pośrednie włókna mają pewne cechy zarówno szybkich i wolnych włókien twitch. Włókna szybkoskurczowe nazywane są również włóknami typu II. Włókna szybkoskurczowe są dominującymi włóknami w organizmie. Reagują one szybko na bodźce i mogą generować dużą siłę. Mają dużą średnicę ze względu na dużą ilość miofibryli. Ich aktywność jest zasilana przez ATP wytwarzany z metabolizmu beztlenowego. Włókna wolnokurczliwe reagują znacznie wolniej na bodźce niż włókna szybkokurczliwe. Mają one mniejszą średnicę i zawierają dużą liczbę mitochondriów. Są one w stanie wytrzymać długie skurcze i pozyskują ATP z metabolizmu tlenowego. Włókna wolnokurczliwe otoczone są siecią naczyń włosowatych, które dostarczają natlenionej krwi do wykorzystania w tlenowych systemach energetycznych. Zawierają one również czerwony pigment zwany mioglobiną. Mioglobina może wiązać tlen (podobnie jak hemoglobina) i zapewnia znaczne rezerwy tlenowe. Ze względu na czerwonawy kolor mioglobiny, włókna te często nazywane są czerwonymi włóknami mięśniowymi. Włókna wolnokurczliwe nazywane są również włóknami typu I. Włókna pośrednie przypominają włókna szybkokurczliwe, ponieważ zawierają niewielkie ilości mioglobiny. Mają również sieć naczyń włosowatych wokół nich i nie męczą się tak łatwo jak włókna szybkoskurczowe. Zawierają więcej mitochondriów niż włókna szybkokurczliwe, ale nie tak dużo jak włókna wolnokurczliwe. Szybkość skurczu i wytrzymałość również leżą pomiędzy szybkimi i wolnymi włóknami. Włókna pośrednie nazywane są również włóknami typu IIa. Mięśnie, które mają przewagę włókien wolnych są czasami określane jako mięśnie czerwone, takie jak w plecach i obszarach nóg. Podobnie mięśnie, które mają przewagę włókien szybkich określane są jako mięśnie białe. Interesujące jest to, że nie ma włókien wolnokurczliwych w mięśniach oczu lub w mięśniach rąk.
Przyczynić się!
Popraw tę stronęDowiedz się więcej