Как работают мышцы: механизм сокращения от нервного импульса до движения
Мышцы работают по принципу скользящих нитей: при получении нервного импульса внутри каждого мышечного волокна тонкие белковые нити актина и толстые нити миозина сцепляются и скользят друг относительно друга, укорачивая волокно. Этот процесс происходит одновременно в миллионах волокон, создавая усилие, достаточное для любого движения: от моргания до подъёма штанги.
Структура: от волокна до саркомера
Скелетная мышца состоит из пучков мышечных волокон, клеток диаметром 10–100 микрометров и длиной до нескольких сантиметров. Каждое волокно содержит сотни миофибрилл, продольных структур, несущих сократительный аппарат. Миофибриллы в свою очередь состоят из повторяющихся единиц, саркомеров длиной около 2,5 микрометра. Именно саркомер является минимальной функциональной единицей мышцы. Внутри него чередуются светлые и тёмные полосы, следствие упорядоченного расположения актиновых и миозиновых нитей. Под электронным микроскопом эта полосатость хорошо видна, поэтому скелетные мышцы называют поперечно-полосатыми.
Механизм сокращения: теория скользящих нитей
Процесс сокращения запускается нервным импульсом, который достигает нервно-мышечного синапса. Здесь из окончания нервного волокна выбрасывается ацетилхолин — нейромедиатор, связывающийся с рецепторами на мембране мышечного волокна. Это вызывает электрический потенциал действия, который распространяется по всей поверхности волокна и проникает вглубь через систему Т-трубочек. Внутри саркоплазматического ретикулума этот сигнал провоцирует выброс ионов кальция. Именно кальций является главным пусковым механизмом: он связывается с белком тропонином, изменяет конформацию тропомиозина и открывает активные центры на нитях актина. Головки миозина, используя энергию АТФ, присоединяются к актину, делают «гребок» и тянут нить внутрь саркомера, который укорачивается примерно на 20–50% своей длины. После гребка головка отсоединяется, получает новую молекулу АТФ и готова к следующему циклу. Этот цикл повторяется 5–10 раз в секунду при максимальной нагрузке.
Два типа мышечных волокон
В скелетных мышцах присутствуют волокна двух основных типов. Медленные волокна первого типа богаты митохондриями и миоглобином, что придаёт им красноватый цвет. Они устойчивы к усталости и работают при длительных нагрузках малой и средней интенсивности: ходьба, бег трусцой, удержание позы. Быстрые волокна второго типа крупнее, развивают большее усилие и скорость, но быстро истощаются из-за ограниченных запасов гликогена и меньшего числа митохондрий. Они включаются при взрывных усилиях: прыжок, спринт, удар. Соотношение этих волокон в конкретной мышце во многом определяется генетически, однако тренировки способны смещать это соотношение в ту или иную сторону.
Откуда мышцы берут энергию
Главный энергоноситель мышечного сокращения: аденозинтрифосфат (АТФ). Непосредственных запасов АТФ в мышце хватает примерно на 1–2 секунды интенсивной работы. Дальнейшее восполнение идёт тремя путями. Первый: ресинтез из креатинфосфата, быстрый, но запасов хватает лишь на 8–10 секунд. Второй: анаэробный гликолиз, расщепление глюкозы без кислорода, что даёт энергию в течение 30–90 секунд, но сопровождается накоплением лактата и снижением pH, что и вызывает ощущение жжения. Третий: аэробное окисление, длительный и продуктивный процесс с участием кислорода, позволяющий работать часами. Именно переключение между этими системами лежит в основе разграничения спортивных дисциплин на спринтерские и стайерские.
