Мышечные волокна: быстрые и медленные
Различают три вида мышц: поперечно-полосатые скелетные, поперечно-полосатые сердечные и гладкие.
Скелетные мышечные волокна подразделяются на быстрые и медленные. Скорость сокращения мышц различна и зависит от их функции. Например, быстро сокращается икроножная мышца, а глазная мышца сокращается еще быстрее.
Рис. Типы мышечных волокон
В быстрых мышечных волокнах более развит саркоплазматический ретикулум, что способствует быстрому выбросу ионов кальция. Их называют белыми мышечными волокнами.
Медленные мышцы построены из более мелких волокон, и их называют красными из-за их красноватой окраски, обусловленной высоким содержанием миоглобина.
Рис. Быстрые и медленные мышечные волокна
Таблица. Характеристика трех типов волокон скелетных мышц
|
Показатель |
Медленные оксидативные волокна |
Быстрые оксидативные волокна |
Быстрые гликолитические волокна |
|
Главный источник образования АТФ |
Окислительное фосфорилирование |
Окислительное фосфорилирование |
Гликолиз |
|
Митохондрии |
Много |
Много |
Мало |
|
Капилляры |
Много |
Много |
Мало |
|
Содержание миоглобина |
Высокое (красные мышцы) |
Высокое (красные мышцы) |
Низкое (белые мышцы) |
|
Активность ферментов гликолиза |
Низкая |
Промежуточная |
Высокая |
|
Содержание гликогена |
Низкое |
Промежуточное |
Высокое |
|
Скорость утомления |
Медленная |
Промежуточная |
Быстрая |
|
Активность АТФазы миозина |
Низкая |
Высокая |
Высокая |
|
Скорость укорочения |
Медленная |
Быстрая |
Быстрая |
|
Диаметр волокна |
Малый |
Средний |
Большой |
|
Размер двигательной единицы |
Малый |
Средний |
Большой |
|
Диаметр двигательного аксона |
Малый |
Средний |
Большой |
Сила мышц
Силу мышцы определяют по максимальной величине груза, который она может поднять, либо по максимальной силе (напряжению), которую она может развить в условиях изометрического сокращения.
Одиночное мышечное волокно способно развить усилие 100-200 мг. В теле примерно 15-30 млн волокон. Если бы они действовали параллельно в одном направлении и одновременно, то могли бы создать напряжение 20-30 т.
Сила мышц зависит от ряда морфофункциональных, физиологических и физических факторов.
Расчет мышечной силы
Сила мышц возрастает с увеличением площади их геометрического и физиологического поперечного сечения. Физиологическое поперечное сечение мышцы представляет собой сумму поперечных сечений всех волокон мышцы по линии, проведенной перпендикулярно ходу мышечных волокон.
В мышце с параллельным ходом волокон (например, портняжная мышца) площади геометрического и физиологического поперечных сечений равны. В мышцах с косым ходом волокон (межреберные) площадь физиологического сечения больше площади геометрического и это способствует увеличению силы мышц. Еще больше возрастают физиологическое сечение и сила у мышц с перистым расположением мышечных волокон, которое наблюдается в большинстве мышц тела.
Для того чтобы иметь возможность сопоставить силу мышечных волокон в мышцах с различным гистологическим строением, используют понятие абсолютной силы мышцы.
Абсолютная сила мышцы — максимальная сила, развиваемая мышцей, в перерасчете на 1 см2 физиологического поперечного сечения. Абсолютная сила бицепса составляет 11,9 кг/см2, трехглавой мышцы плеча — 16,8, икроножной 5,9, гладких мышц — 1 кг/см2.
где Амс — мышечная сила (кг/см2); Р — максимальный груз, который способна поднять мышца (кг); S — площадь физиологического поперечного сечения мышцы (см2).
Сила и скорость сокращения, утомляемость мышцы зависят от процентного соотношения различных типов двигательных единиц, входящих в эту мышцу. Соотношение разных типов двигательных единиц в одной и той же мышце у разных людей неодинаково.
Различают следующие типы двигательных единиц:
- медленные неутомляемые (имеют красный цвет), они развивают небольшую силу сокращения, но могут длительно находиться в состоянии тонического напряжения без признаков утомления;
- быстрые, легко утомляемые (имеют белый цвет), их волокна развивают большую силу сокращения;
- быстрые, относительно устойчивые к утомлению, развивающие относительно большую силу сокращения.
У разных людей соотношение числа медленных и быстрых двигательных единиц в одной и той же мышце определено генетически и может значительно различаться. Чем больше в мышцах человека процент медленных волокон, тем более она приспособлена к длительной, но небольшой по мощности работе. Лица с высоким содержанием в мышцах быстрых сильных моторных единиц способны развивать большую силу, но склонны к быстрому утомлению. Однако надо иметь в виду, что утомление зависит и от многих других факторов.
Сила мышцы увеличивается при ее умеренном растяжении. Одним из объяснений этого свойства мышц является то, что при умеренном растяжении саркомера (до 2,2 мкм) увеличивается вероятность образования большего количества связей между актином и миозином.
Рис. Соотношение между силой сокращения и длиной саркомера
Рис. Соотношение между силой мышцы и ее длиной
Сила мышц зависит от частоты нервных импульсов, посылаемых к мышце, синхронизации сокращения большого числа моторных единиц, преимущественного вовлечения в сокращение того или иного типа моторных единиц.
Сила сокращений увеличивается:
- при вовлечении в процесс сокращения большего количества моторных единиц;
- при синхронизации сокращения моторных единиц;
- при вовлечении в процесс сокращения большего количества белых моторных единиц.
При необходимости развить небольшое усилие сначала активируются медленные неутомляемые моторные единицы, затем быстрые, устойчивые к утомлению. Если надо развить силу более 20-25% от максимальной, то в сокращение вовлекаются быстрые, легко утомляемые моторные единицы.
При напряжении до 75% от максимально возможного практически все моторные единицы активированы и дальнейший прирост силы идет за счет увеличения частоты импульсов, посылаемых к мышечным волокнам.
При слабых сокращениях частота посылки нервных импульсов по аксонам мотонейронов составляет 5-10 имп/с, а при большой силе сокращения может доходить до 50 имп/с.
В детском возрасте прирост силы идет главным образом за счет увеличения толщины мышечных волокон, что связано с увеличением в них количества миофибрилл. Прирост числа волокон незначителен.
При тренировке мышц у взрослых нарастание их силы связано с увеличением миофибрилл, а повышение их выносливости обусловлено увеличением числа митохондрий и получением АТФ за счет аэробных процессов.
Имеется взаимосвязь силы и скорости сокращения мышцы. Скорость сокращения мышцы тем больше, чем больше ее длина (за счет суммации сократительных эффектов саркомеров). Она уменьшается при увеличении нагрузки. Тяжелый груз можно поднять только при медленном движении. Максимальная скорость сокращения, достигаемая при сокращении мышц человека, около 8 м/с.
Мощность мышцы равна произведению мышечной силы на скорость укорочения. Максимальная мощность достигается при средней скорости укорочения мышц. Для мышц руки максимальная мощность (200 Вт) достигается при скорости сокращения 2,5 м/с.
Сила сокращения и мощность мышцы снижаются при развитии утомления.
0.074 сек.