Основы физиологии мышечного сокращения

Сила - это способность человека преодолевать внешнее сопротивление, в частности инерционность звеньев тела, за счет мышечной активности. Мышцы человека состоят из мышечных волокон - клеток, в которых основными специфическими органеллами являются миофибриллы. Эти органеллы при возбуждении мышечного волокна начинают сокращаться с затратой энергии, заключенной в молекулах АТФ. Молекулы АТФ разрушаются и появляются молекулы АДФ и свободный фосфат (Ф). Внутри миофибрилл имеется также запас креатин-фосфата (КрФ), который при появлении АДФ и Ф отдает свою энергию для ресинтеза молекулы АТФ = АДФ+Ф+Энергия (от КрФ). При этом появляются свободные креатин (Кр) и фосфат (Ф), которые выходят в саркоплазму и начинают активировать анаэробный и аэробный гликолиз, а также липолиз. Заметим, что суммарная мощность I анаэробного, аэробного гликолиза и липолиза не превышает 50% мощности, которую могут демонстрировать мышцы при ресинтезе АТФ из запасов КрФ.

При выполнении силового упражнения человек посылает из двигательной зоны коры головного мозга импульсы по аксонам (наиболее длинным веточкам нейронов головного мозга) в спинной мозг. В спинном мозге есть скопления других двигательных нейронов (мотонейронный пул). Каждое такое скопление нейронов связано своими аксонами, объединенными в нерв, с определенными мышцами. Каждый нейрон связан аксоном с группой мышечных волокон. Причем, как правило, малого размера нейроны связаны с небольшим количеством мышечных волокон данной мышцы (десятки или сотни), а самые крупные нейроны с тысячами мышечных волокон в той же мышце. Один мотонейрон спинного мозга и связанные с ним мышечные волокна получили название двигательная единица. Двигательная единица (ДЕ) - основной элемент управления мышцей. Такое строение нервно-мышечного аппарата порождает физиологический закон - рекрутирования (задействования) двигательных единиц и соответственно мышечных волокон. Закон рекрутирования двигательных единиц (мышечных волокон) играет ведущую роль в управлении активностью мышцы. Различают низкопороговые и высокопороговые двигательные единицы. Низкопороговые ДЕ имеют малого размера мотонейроны и окислительные (медленные) мышечные волокна, высокопороговые ДЕ - большие мотонейроны и гликолитические (быстрые) мышечные волокна.

Таким образом, из коры головного мозга идут по аксону импульсы в мотонейронный пул. От количества поступающих в единицу времени импульсов становятся активными определенная часть мотонейронов - ДЕ. Например, при низкой частоте импульсации активными становятся нейроны малого размера, а при увеличении частоты импульсации становятся активными все более крупные мотонейроны. Известно, что при психическом напряжении около 80% от максимума активными становятся все мотонейроны, а следовательно, и все мышечные волокна данной мышцы.

Предположим, что атлет выполняет разгибание ног в коленных суставах на тренажере. Сопротивление установлено такое, что атлет его преодолеть не может. В этом случае концы мышцы остаются неподвижными, но внутри мышцы идут биохимические процессы. Молекулы АТФ отдают свою энергию на создание напряжения в мышце, и если измерять степень натяжения сухожилий мышц, можно измерить силу тяга мышцы. Такой режим функционирования мышцы называется изометрическим - активность мышцы без изменения ее начальной длины. Заметим, что в этом случае мышца механической работы не совершает, так как работа А = сила * путь, а путь равен в данном случае нулю.

Однако мышца тратит химическую энергию, которая преобразуется в микродвижения внутри миофибрилл и тепло. Примерно 50% химической энергии преобразуется в тепло.

Если позволить мышце сокращаться с постоянной скоростью, то такой режим функционирования будет называться - изокинетическим. Это название не точное, поскольку понятие "кинетика" относится к силовым проявлениям, а для случая постоянства скорости корректнее подошло бы понятие "изокинематический" режим. Для случая выполнения упражнения с постоянным напряжением в мышце применяют понятие "изотонический" режим функционирования мышцы.

В ходе выполнения обычных силовых упражнений скорость и сила сокращения мышц изменяются от нуля до некоторого максимума. причем режим сокращения мышц чередуется с уступающим (плиометричесим) режимом, когда активная мышца удлиняется под действием внешних сил и управляющих нервных команд из ЦНС. В целом такой смешанный режим функционирования мышц назвали ауксотоническим.

Выше были приведены определения режимов, на языке физиологии в спортивной практике чаще используются понятия:

- "статические" упражнения(изометрический режим функционирования мышц),

- "динамические" упражнения (ауксотонический режим функционирования мышц),

- "статодинамические" упражнения (динамическое упражнение без полного расслабления мышц или чередование статических и динамических режимов в одном упражнении),

- "уступающие" упражнения (только плиометрический режим функционирования мышц).