فسيولوجيا العضلات: وصف موجز

من قبل الدكتور جيانفرانكو دي انجيليس

من المثبط للهمم أن نرى المدربين والمدربين الشخصيين يقدمون تفسيرات "تجريبية" حول الموضوعات المختلفة: كتلة العضلات (تضخم) ، زيادة في القوة ، المقاومة ، إلخ ، دون أن يكون لديهم معرفة جسيمة بالهيكل النسيجي ووظائف الأعضاء في العضلات.

قليلون لديهم فقط معرفة متعمقة أكثر أو أقل عن التشريح العياني ، كما لو كان كافياً لمعرفة مكان وجود العضلة ذات الرأسين أو الصدرية ، بغض النظر عن البنية النسيجية وحتى أقل الكيمياء الحيوية ووظائف الأعضاء في العضلات. سأحاول ، قدر الإمكان ، أن أقوم بمناقشة موجزة وبسيطة للموضوع ، كما يمكن الوصول إليها للشخص العادي في العلوم البيولوجية.

هيكل نسجي

يختلف نسيج العضلات عن الأنسجة الأخرى (العصبية والعظمية والرابطية) ، بسبب خاصية واضحة: الانقباض ، أي أن النسيج العضلي قادر على التعاقد ، أو تقصير طوله. قبل أن نرى كيف تصبح أقصر ولأي آليات ، دعونا نتحدث عن هيكلها. لدينا ثلاثة أنواع من الأنسجة العضلية ، على حد سواء مختلفة نسجيا ووظيفيا: الأنسجة العضلية الهيكلية المخططة ، والأنسجة العضلية الملساء والأنسجة العضلية القلبية. والفرق الوظيفي الرئيسي بين الأول والثاني الآخر هو أنه في حين أن الأول محكوم بالإرادة ، فإن الاثنين الآخرين مستقلان عن الإرادة. الأول هو العضلات التي تحرك العظام ، العضلات التي نتدربها باستخدام الأثقال والدمبل والآلات. النوع الثاني يعطى بعضلات الأحشاء ، مثل عضلات المعدة والأمعاء ، إلخ. التي ، كما نرى كل يوم ، لا تخضع للإرادة. النوع الثالث هو القلب القلبي: القلب يصنع أيضًا من العضلات ، وهو في الواقع قادر على التعاقد ؛ على وجه الخصوص ، أيضا عضلة القلب متقاربة ، لذلك مشابهة للهيكل العظمي ، ومع ذلك ، فرق مهم ، الانكماش الإيقاعي مستقل عن الإرادة.

العضلات الهيكلية المريضة هي المسؤولة عن الأنشطة الحركية الطوعية ، وبالتالي للأنشطة الرياضية. تتكون العضلات المخططة من خلايا ، مثل جميع البنى والأنظمة الأخرى للكائن الحي. الخلية هي أصغر وحدة قادرة على الحياة الذاتية. في الكائن البشري هناك مليارات الخلايا ، وكلها تقريبا لها جزء مركزي يسمى النواة ، محاطة بمادة هلامية تسمى السيتوبلازم. تسمى الخلايا التي تكون العضلة الألياف العضلية : وهي عناصر مطولة ، ترتب طوليا إلى محور العضلات وتجمع في العصابات. الخصائص الرئيسية لألياف العضلات المخططة هي ثلاثة:

1. إنه كبير جدا ، يمكن أن يصل طوله إلى بضعة سنتيمترات ، وقطره 10-100 ميكرون (1 ميكرون = 1/1000 مم). الخلايا الأخرى من الكائن الحي ، مع بعض الاستثناءات ، في الحجم المجهرية.
2. لديها العديد من النوى (تقريبا كل الخلايا لديها واحد فقط) ولهذا السبب يتم تعريف "syncytial polynuclear".
3. يبدو مخططا بشكل مستعرض ، بمعنى أنه يقدم تباينا من العصابات المظلمة والنطاقات الخفيفة. ويعرض الألياف العضلية في تكويناتها الممدودة السيتوبلازم ، والتخلص طوليا إلى محور الألياف ، وبالتالي إلى العضلات ، التي تسمى اللييفات العضلية ، ويمكننا اعتبارها كأسلاك مطولة موضوعة داخل الخلية. Myofibrils هي أيضا مخططة مستعرضة ومسؤولة عن ضربات الألياف بأكملها.

   خذ ليف عضلي ودراسته: يحتوي على عصابات داكنة ، تدعى العصابات A ، والشرائط الخفيفة التي تسمى I ، في منتصف الشريط I هناك خط مظلم يسمى الخط Z. والمسافة بين الخط Z والأخرى تسمى ساركوميري ، الذي يمثل العنصر مقلص وأصغر وحدة وظيفية للعضلة ؛ من الناحية العملية ، يتم تقصير الألياف بسبب تقصير ساركوميريزها.

الآن دعونا نرى كيف يتم تصنيع الليف العضلي ، وهذا هو ما يسمى البنية التحتية للعضلة. انها مصنوعة من خيوط ، وقال بعض كبير خيوط الميوسين ، خيوط رقيقة أخرى من الأكتين. تتناسب الأحجام الكبيرة مع الأشرطة الرفيعة بحيث تتكون الفرقة A من الشعيرات الخشنة (وهذا هو السبب في أنها أغمق) ، وتتكون الفرقة I من ذلك الجزء من الخيوط الرفيعة التي لا تلتصق بالفتيل الثقيل (يتم تشكيلها بواسطة خيوط رقيقة أخف وزنا).

آلية الانكماش

الآن بعد أن عرفنا التركيب النسيجي والبنية التحتية ، يمكننا ذكر آلية الانكماش. في الانكماش ، يتم تشغيل الخيوط الخفيفة بين الخيوط الثقيلة ، حتى أن النطاقات التي أتناقص في الطول ؛ وهكذا ينخفض ​​طول القسيم أيضا ، وهذا هو المسافة بين النطاق Z والأخرى: وبالتالي لا يحدث الانكماش بسبب اختزال الخيوط ، ولكن لأنها قد خفضت طول sarcomere. يقلل تناقص طول العضلة القشرية طول اللييفات العضلية ، وذلك لأن الألياف الليفية تشكل الألياف ، ويقل طول الألياف ، وبالتالي يتم تقصير العضلات ، المصنوعة من الألياف. من الواضح أن هناك حاجة إلى هذه الطاقات لتدفق الطاقة وهذا ما يتم الحصول عليه بواسطة مادة: ATP (الأدينوسين ثلاثي الفوسفات) ، والذي هو عملة الطاقة للكائن الحي. يتم تشكيل ATP بواسطة أكسدة الطعام: الطاقة التي تم تمريرها إلى ATP الطاقة التي تعطي بعد ذلك إلى خيوط لجعلها تتدفق. من أجل حدوث الانكماش ، هناك حاجة إلى عنصر آخر ، أيون Ca ++ (كالسيوم). تحتفظ الخلية العضلية بمخزون كبير منها وتتيحها للقسيم العضلي عندما يحدث الانكماش.

انقباض العضلات من وجهة نظر مجهرية

لقد رأينا أن العنصر الانقباضي هو العضلة القلبية ، ونحن الآن ندرس كل العضلات ونبحثها من الناحية الفيزيولوجية ، ولكن بشكل ظاهري. لكي تتقلص العضلة ، من الضروري أن تصل إلى حافز كهربائي : يأتي هذا التحفيز من العصب الحركي ، بدءا من الحبل الشوكي (كما يحدث بشكل طبيعي) ؛ أو يمكن أن تأتي من عصب المحرك الذي يتم استئصاله بالكهرباء أو تحفيزه ، أو تحفيز العضلات بشكل كهربائي. تخيل أخذ عضلة: تعادل طرف واحد إلى نقطة ثابتة ، والظرف الآخر يعلقها بوزن. عند هذه النقطة نقوم بتحفيزها كهربائيا. العضلات سوف تتقلص ، أي أنها سوف تقصر عن طريق رفع الوزن. يسمى هذا الانكماش التقلص متساوي التوتر. إذا قمنا بدلاً من ذلك بربط العضلات بكلتا النهايتين إلى دعامتين صلبتين ، عندما نحفزها ، ستزيد العضلات من التوتر دون تقصير ، وهذا ما يسمى الانكماش المتساوي. من الناحية العملية ، إذا أخذنا الحديد من الأرض ورفعناه ، فسيكون هذا تقلصًا متساوي التوتر. إذا قمنا بتحميله بوزن ثقيل جداً ، وأثناء محاولة رفعه ، على الرغم من أننا نقلص العضلات إلى الحد الأقصى ، فإننا لا نتحرك ، وهذا ما يسمى الانكماش المتساوي. في الانكماش متساوي التوتر ، أجرينا عملًا ميكانيكيًا (العمل = القوة x الإزاحة) ؛ في الانكماش المتساوي ، يكون العمل الميكانيكي صفر ، حيث: work = force x displacement = 0، displacement = 0، work = force x 0 = 0

إذا قمنا بتحفيز العضلة بتردد عالٍ جدًا (وهو عدد كبير من الدوافع في الثانية) ، فإنها ستطور قوة عالية جدًا وستبقى متقلصة إلى أقصى حد: ويقال إن العضلة في هذه الحالة هي كزاز ، وبالتالي فإن الانكماش الكزازي يعني تقلصًا كبيرًا ومستمرًا. العضلة يمكن أن تنكمش قليلا أو كثيرا ، متى شئت. وهذا ممكن من خلال آليتين: 1) عندما يتم التعاقد العضلي قليلًا ، تتقلص بعض الألياف فقط ؛ زيادة كثافة الانكماش ، يتم إضافة ألياف أخرى. 2) يمكن أن تتقلص الألياف بقوة أقل أو أكبر اعتمادًا على تردد التفريغ ، أي عدد النبضات الكهربائية التي تصل إلى العضلات في الوحدة الزمنية. من خلال تعديل هذين المتغيرين ، فإن الجهاز العصبي المركزي يتحكم في العضلات ويجبر العضلات على الانقباض. فعندما يكون هناك انكماش قوي ، تقصر جميع ألياف العضلات تقريبًا ، ليس فقط ، بل سيتم تقطيعها كلها بقوة كبيرة: فعندما يكون الانكماش الضعيف يفرض فقط عددًا قليلًا من الألياف يتم تقصيرها وبقوة أقل.

دعونا نواجه الآن جانبا هاما آخر من فسيولوجيا العضلات: لهجة العضلات. يمكن تعريف نغمة العضلات بأنها حالة مستمرة من تقلص طفيف في العضلات ، وهي مستقلة عن الإرادة. ما العامل الذي يسبب هذه الحالة من الانكماش؟ قبل الولادة ، تكون العضلات هي نفس طول العظام ، ثم ، مع التطور ، تمتد العظام لفترة أطول من العضلات ، بحيث يتم تمديد هذه الأخيرة. عندما يتمدد العضلات ، عن طريق منعكس العمود الفقري (المنعكس العضلي) فإنه يتعاقد ، وبالتالي فإن التمدد المستمر الذي تخضع له العضلات يحدد حالة مستمرة من الضوء ولكن الانكماش المستمر. السبب هو انعكاس ، وبما أن السمة الرئيسية لردود الفعل هي عدم التطوع ، فالنبرة لا تحكمها الإرادة. النغمة هي ظاهرة مبنية على رد الفعل العصبي ، لذلك إذا قمت بتقطيع العصب الذي ينتقل من الجهاز العصبي المركزي إلى العضلة ، فإنه يصبح متردداً ، ويفقد النغمة تماماً.

تعتمد قوة الانقباض للعضلة على قسمها المستعرض وهي تساوي 4-6 كجم .cm2. لكن المبدأ صحيح من حيث المبدأ ، وليس هناك نسبة محددة من التناسب المباشر: في رياضي ، يمكن أن تكون عضلة أصغر بقليل من تلك التي يلعبها رياضي آخر أقوى. تزيد العضلات من حجمها إذا تم تدريبها بمقاومة متزايدة (وهذا هو المبدأ الذي تعتمد عليه الجمباز بالأوزان) ؛ من المهم التأكيد على حقيقة أن حجم كل ألياف العضلات يزداد ، في حين أن عدد الألياف العضلية لا يزال ثابتًا. هذه الظاهرة تسمى تضخم العضلات.

الكيمياء الحيوية للعضلات

دعونا الآن نواجه مشكلة ردود الفعل التي تحدث في العضلات. لقد سبق أن قلنا أن يحدث لتقلص الطاقة ؛ هذه الطاقة تحفظ الخلية في ما يسمى ATP (الأدينوسين ثلاثي الفوسفات) ، والذي ، عندما يعطي الطاقة للعضلة ، يتحول إلى ADP (الأدينوزين ثنائي فسفات) + Pi (الفوسفات غير العضوي): يتكون التفاعل في إزالة الفوسفات. لذا فإن التفاعل الذي يحدث في العضلات هو ATP → ADP + Pi + energy. ومع ذلك ، فإن أسهم ATP قليلة ونحتاج إلى إعادة تجميع هذا العنصر. لذا ، لكي تتقلص العضلة ، يجب أيضًا أن يحدث التفاعل العكسي (ADP + Pi + energy> ATP) ، بحيث يكون لدى العضلات دائمًا ATP. تعطى الطاقة اللازمة لتجديد إعادة بناء الجزيء ATP بواسطة الأطعمة: هذه ، بعد هضمها وامتصاصها ، من خلال الدم تصل إلى العضلات ، حيث تتخلى عن طاقتها ، فقط لجعل ATP.

يتم إعطاء مادة الطاقة بامتياز من قبل السكريات ، وخاصة الجلوكوز. يمكن تقسيم الجلوكوز في وجود الأكسجين (في جو هوائي) ، وكما يقال بشكل غير صحيح ، "محروق" ؛ الطاقة التي يتخلص منها تأخذ ATP ، في حين أن الجلوكوز لا يبقى سوى الماء وثاني أكسيد الكربون. يتم الحصول على 36 جزيء من ATP من جزيء الجلوكوز. ولكن يمكن أيضا هجمة الجلوكوز في غياب الأكسجين ، وفي هذه الحالة يتحول إلى حمض اللبنيك ويتم تشكيل اثنين فقط من جزيئات ATP. ثم ينتقل حمض اللاكتيك إلى الدم حيث يتم تحويله مرة أخرى إلى جلوكوز. تسمى هذه الدورة من حمض اللاكتيك بدورة كوري. ما الذي يحدث عمليا عندما يتم التعاقد العضلي؟ في البداية ، عندما تبدأ العضلة في الانكماش ، يتم استنفاذ الـ ATP على الفور ، وحيث أنه لم تكن هناك تكيفات تنظيميّة و تنظيميّة للقلب و التي ستحدث لاحقًا ، فإن الأكسجين الذي يصل إلى العضلة غير كافٍ ، لذلك ينقسم الجلوكوز إلى غياب الأكسجين تشكيل حمض اللبنيك. في المرة الثانية يمكن أن يكون لدينا حالتين: 1) إذا استمر الجهد على محمل الجد ، فإن الأكسجين يكون كافياً ، ثم يتأكسد الجلوكوز في الماء و الكربون الأنهيدريت: لن يتراكم حمض اللاكتيك ويمكن أن يستمر التمرين لساعات ( هذا النوع من الجهد يسمى الأيروبيك ، على سبيل المثال سباق الخلفية). 2) إذا استمر الجهد المكثف ، على الرغم من وصول العضلات إلى الكثير من الأكسجين ، فإن الكثير من الجلوكوز سينقسم في غياب الأكسجين. وبالتالي ، فإن الكثير من حامض اللبنيك سوف يتشكل ، مما سيسبب الإرهاق (يطلق عليه اسم الإجهاد اللاهوائي ، على سبيل المثال الجري السريع ، مثل 100 متر). أثناء الراحة ، سيتحول حمض اللاكتيك ، في وجود الأكسجين ، مرة أخرى إلى جلوكوز. في البداية ، حتى في الجهد الهوائي ، ينقص الأكسجين: نتحدث عن ديون الأكسجين ، التي سوف تدفع عندما نرتاح. سيتم استخدام الأكسجين لإعادة تركيب الجلوكوز من حمض اللاكتيك. في الواقع ، بعد المجهود الذي نستهلكه من الأوكسجين أكثر من المعتاد: نحن ندفع الديون. كما ترون ، استشهدنا بالجلوكوز كمثال على الوقود ، لأنه أهم وقود في العضلات. في الواقع ، حتى إذا كانت الدهون تحتوي على كمية أكبر من الطاقة ، من أجل أكسدتها ، فمن الضروري دائمًا الحصول على كمية معينة من الغليسيدات والكثير من الأكسجين. في غياب هذه هناك اضطرابات كبيرة (الكيتوزية والحماض). ومع ذلك ، يمكن استخدام البروتينات كوقود لأنها هي الوحيدة التي تستخدم لتدريب العضلات ، والوظيفة البلاستيكية السائدة فيها. تتمتع الدهون بالميزة المتمثلة في أن لها ، بنفس الوزن ، طاقة أكثر من السكريات والبروتينات: فهي تستخدم بشكل مثالي كخزن. لذا فإن الجلايسايد هي الوقود ، والبروتينات هي المواد الخام ، والدهون هي الاحتياطيات.

لقد حاولت في هذه المقالة في علم وظائف الأعضاء أن تكون واضحة قدر الإمكان ، دون إهمال الصرامة العلمية: أعتقد أنني كنت سأحصل على نتيجة ممتازة إذا قمت بتحفيز مشغلي اللياقة البدنية لأخذ اهتمام أكثر جدية في علم وظائف الأعضاء ، لأنني أعتقد أن يجب أن تكون المفاهيم الأساسية لعلم وظائف الأعضاء وعلم التشريح من الأصول الثقافية الأساسية في محاولة فهم هذا الجسم البشري الرائع بطريقة ما.