Как устроены мышцы

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций на тему физиологии человека.

Зачем?

Для того, чтобы желающие могли лучше разобраться в сути физического развития. Невозможно обойтись хотя бы без поверхностных знаний о мышцах и физиологических процессах, когда речь заходит о таких ключевых вещах в тренировках, как: интенсивность, рост мышц, увеличение силы и скорости, правильное питание, грамотное снижение веса, аэробные нагрузки. Трудно объяснить человеку, ничего не знающему о строении и функционировании тела, почему заядлые качки обладают смехотворной выносливостью, почему нельзя убрать жир только в области талии, почему нельзя накачать огромные руки, не тренируя всё тело, почему так важны белки для увеличения мышечной массы и много-много других тем.

Если статья понравится, жду комментариев, вопросов и дополнений. Если нет, что ж, лучше ничего не писать. И так пойму :).

Любые физические упражнения всегда имеют отношение к мышцам. Рассмотрим мышцы поближе.

Мышца - это сократительный орган, состоящий из особых пучков мышечных клеток, который обеспечивает движения костей скелета, частей тела, веществ в полостях тела. А также фиксацию определённых частей тела относительно других частей.

Обычно под словом «мышцы» понимают бицепс, квадрицепс или трицепс. Современная биология описывает три разновидности мышц тела человека.

Скелетные мышцы: это как раз и есть мышцы, о которых мы думаем, произнося слово «мышцы». Прикреплённые сухожилиями к костям, эти мышцы обеспечивают движение тела и поддержание определённой позы. Эти мышцы ещё называют поперечно-полосатыми, поскольку при разглядывании в микроскоп бросается в глаза их поперечная исчерченность. Далее будет дано более детальное объяснение этой исчерченности. Скелетные мышцы управляются нами произвольно, то есть по команде нашего сознания. На фотографии Вы можете видеть отдельные мышечные клетки (волокна).

Гладкие мышцы: этот тип мышц содержится в стенках внутренних органов, таких как пищевод, желудок, кишечник, бронхи, матка, уретра, мочевой пузырь, кровеносные сосуды и даже кожа (в которой они обеспечивают движение волос и общий тонус). В отличие от скелетных мышц, гладкие мышцы не находятся под контролем нашего сознания. Они управляются вегетативной нервной системой (бессознательной частью нервной системы человека). Строение и физиология гладких мышц отличается от таковой у скелетных мышц. В данной статье мы не будем касаться этих вопросов.

Сердечная мышца (миокард): эта мышца обеспечивает работу нашего сердца. Она также не контролируется нашим сознанием. Однако, эта разновидность мышц очень похожа на скелетные мышцы по своим свойствам. Кроме этого, сердечная мышца имеет специальный участок (сино-атриальный узел), называемый ещё пейсмейкером ( водитель ритма). Этот участок обладает свойством вырабатывать ритмичные электрические импульсы, обеспечивающие чёткую периодичность сокращения миокарда.

В этой статье я буду говорить только о первой разновидности мышц – скелетных. Но Вам всегда стоит помнить, что существуют и две другие разновидности.

У человека насчитывают около 600 скелетных мышц. У женщин масса мышц может достигать 32% от массы тела. У мужчин даже 45% от массы тела. И это прямое следствие гормональных различий полов. Полагаю, у культуристов это значение ещё больше, поскольку они целенаправленно наращивают именно мышечную ткань. После 40 лет, если не тренироваться, мышечная масса в теле начинает постепенно снижаться примерно на 0,5-1% в год. Поэтому фи зические упражнения с возрастом становятся просто необходимы, если конечно Вы не желаете превратиться в развалину.

Отдельная мышца состоит из активной части – брюшка, и пассивной части – сухожилий, которыми крепится к костям (с двух сторон). Различные разновидности мышц (по форме, по креплению, по функциям) будут рассмотрены в отдельной статье, посвящённой классификации мышц. Брюшко состоит из множества пучков мышечных клеток. Пучки разделены между собой прослойкой соединительной ткани.

Мышечные клетки (волокна) имеют очень вытянутую форму (словно нити) и бывают двух типов: быстрые (белые) и медленные (красные). Часто встречаются данные и о третьем промежуточном типе мышечных волокон. Обсудим более детально типы мышечных волокон в отдельной статье, а здесь ограничимся лишь общими сведениями. В некоторых крупных мышцах длина мышечных волокон может достигать десятка сантиметров (например, в квадрицепсе).

1. Медленные мышечные волокна: эти волокна не способны к быстрым и мощным сокращениям, но зато способны сокращаться долго (часами) и связаны с выносливостью. Волокна этого типа имеют много митохондрий (органоиды клетки, в которых происходят главные энергетические процессы), значительный запас кислорода в соединении с миоглобином. Преобладающим  энергетическим процессом в этих волокнах является аэробное окисление питательных веществ. Клетки этого типа опутаны густой сетью капилляров. Хорошие марафонцы, как правило, имеют в своих мышцах больше волокон именно этого типа. Отчасти это имеет генетические причины, а отчасти объясняется особенностями тренировок. Известно, что при специальных тренировках на выносливость в течение длительного времени в мышцах начинает преобладать именно такая (медленная) разновидность волокон.

2. Быстрые мышечные волокна: эти волокна способны к очень мощным и быстрым сокращениям, однако, они не могут сокращаться продолжительное время. Этот тип волокон имеет меньшее количество митохондрий. Быстрые волокна опутаны меньшим количеством капилляров по сравнению с медленными волокнами. Большинство тяжелоатлетов и спринтеров, как правило, имеют больше белых мышечных волокон. И это вполне закономерно. При специальных тренировках силовой и скоростной направленности в мышцах возрастает процент белых мышечных волокон.

Мышечные волокна тянутся от одного сухожилия до другого, поэтому зачастую длина их равна длине мышцы. В месте соединения с сухожилием оболочки мышечных волокон прочно связываются с коллагеновыми волокнами сухожилия.

Каждая мышца обильно снабжена капиллярами и нервными окончаниями, идущими от мотонейронов (нервных клеток, отвечающих за движение). Причём, чем тоньше работа, совершаемая мышцей, тем меньшее количество мышечных клеток приходится на один мотонейрон. Например, в мышцах глаза на одно нервное волокно мотонейрона приходится 3-6 мышечных клеток. А в трёхглавой мышце голени (икроножная и камбаловидная) на одно нервное волокно приходится 120-160 и даже более мышечных клеток. Отросток мотонейрона соединяется с каждой отдельной клеткой тонкими нервными окончаниями, образуя синапсы. Мышечные клетки, иннервируемые одним мотонейроном, называются двигательной единицей. По сигналу мотонейрона они сокращаются одновременно.

По капиллярам, опутывающим каждую мышечную клетку поступает кислород и другие вещества. Через капилляры же в кровь выводится молочная кислота, когда она образуется в избытке при интенсивных нагрузках, а также углекислый газ, продукты метаболизма. В норме у человека на 1 кубический миллиметр мышц приходится около 2000 капилляров.

Усилие, развиваемое одной мышечной клеткой, может достигать 200 мг. То есть при сокращении одна мышечная клетка может поднять вес в 200 мг. При сокращении мышечная клетка способна укоротиться более, чем в 2 раза, увеличиваясь в толщину. Поэтому мы имеем возможность демонстрировать свои мышцы, например, бицепс, сгибая руку. Он, как известно, приобретает форму шара, увеличиваясь в толщину.

Посмотрите на рисунок. Здесь хорошо видно, как именно расположены в мышцах мышечные волокна. Мышца в целом находится в соединительнотканной оболочке, называемой эпимизием. Пучки мышечных клеток также разделены между собой слоями соединительной ткани, в которых проходят многочисленные капилляры и нервные окончания.

Кстати говоря, мышечные клетки, принадлежащие одной двигательной единице могут лежать в разных пучках.

Далее, переходим к отдельно взятой мышечной клетке.

В цитоплазме мышечной клетки присутствует гликоген (в виде гранул). Интересно, что мышечного гликогена в организме может быть даже больше, чем гликогена в печени в силу того, что мышц в организме много. Однако, мышечный гликоген может быть использован только локально, в данной мышечной клетке. А гликоген печени используется всем организмом, в том числе и мышцами. О гликогене мы ещё поговорим отдельно.

Обратите внимание, мышечная клетка буквально набита сократительными жгутами, которые называются миофибриллами. По сути дела - это мышцы мышечных клеток. Миофибриллы занимают до 80% всего внутреннего объёма мышечной клетки. Белый слой, опутывающий каждую миофибриллу – это ни что иное, как саркоплазматический ретикулум (или, по-другому, эндоплазматическая сеть). Этот органоид густой ажурной сеточкой опутывает каждую миофибриллу и имеет очень важное значение в механизме сокращения и расслабления мышцы (перекачка ионов Ca).

Как Вы можете видеть, миофибриллы состоят из  коротких цилиндрических участков, называемых саркомерами. В одной миофибрилле обычно несколько сотен саркомеров. Длина каждого саркомера около 2,5 микрометров. Саркомеры отделены друг от друга тёмными поперечными перегородками (см. фото). Каждый саркомер состоит из тончайших сократительных нитей двух белков: актина и миозина. Строго говоря, в акте сокращения участвует четыре белка: актин, миозин, тропонин и тропомиозин. Но поговорим об этом в отдельной статье о сокращении мышц.

Миозин это толстая белковая нить, огромная длинная молекула белка, одновременно являющаяся и ферментом, расщепляющим АТФ. Актин – это более тонкая белковая нить, представляющая собой также длинную молекулу белка. Процесс сокращения происходит благодаря энергии АТФ. При сокращении мышцы, толстые нити миозина связываются с тонкими нитями актина, образуя молекулярные мостики. Благодаря этим мостикам, толстые нити миозина подтягивают нити актина, что приводит к укорочению саркомера. Само по себе сокращение одного саркомера незначительно, но поскольку саркомеров очень много в составе одной миофибриллы, сокращение получается весьма заметным. Важным условием сокращения миофибрилл является наличие ионов кальция.

Тонкое устройство саркомера объясняет поперечную исчерченность мышечных клеток. Дело в том, что сократительные белки имеют разные физико-химические свойства и по-разному проводят свет. Поэтому одни участки саркомера выглядят темнее других. А если учесть, что саркомеры соседних миофибрилл лежат в точности друг напротив друга, то отсюда и поперечная исчерченность всей мышечной клетки.

Мы более детально рассмотрим строение и работу саркомеров в отдельной статье о сокращении мышц.

Это очень плотное и нерастяжимое образование, состоящее из соединительной ткани и волокон коллагена, служащее для крепления мышцы к костям. О прочности сухожилий говорит тот факт, что требуется усилие в 600 кг, чтобы разорвать сухожилие четырёхглавой мышцы бедра, и в 400 кг, чтобы разорвать сухожилие трёхглавой мышцы голени. С другой стороны, если говорить о мышцах, это не такие уж и большие цифры. Ведь мышцы развивают усилия в сотни килограммов. Однако система рычагов тела снижает это усилие, чтобы получить выигрыш в скорости и амплитуде движения. Но об этом в отдельной статье по биомеханике тела.

Регулярные силовые тренировки приводят к укреплению сухожилий и костей в местах крепления мышц. Таким образом, сухожилия тренированного атлета могут выдерживать и более серьёзные нагрузки без разрыва.

Соединение сухожилия с костью не имеет чёткой границы, поскольку клетки ткани сухожилия вырабатывают и вещество сухожилия, и вещество кости.

Соединение сухожилия с мышечными клетками происходит за счёт сложного соединения и взаимного проникновения микроскопических волокон.

Между клетками и волокнами сухожилий вблизи мышц лежат специальные микроскопические органы Гольджи. Их предназначение - определение степени растяжения мышцы. По сути, органы Гольджи - это рецепторы, оберегающие наши мышцы от чрезмерного растяжения и напряжения.