Биология мышечной клетки
Автор: Андрей Антонов
По роду своей деятельности последние годы мне достаточно часто приходится выступать с лекциями по физической подготовке перед тренерами фитнес-клубов и спортсменами различных видов спорта. Перепробовав несколько форматов подачи материала, я пришел к выводу, что наиболее эффективно и понятно для слушателей начинать со строения мышечной клетки. Казалось бы, азбучные истины знакомые всем слушателям.
Но, во-первых, в спортивной адаптологии некоторые позиции этой азбуки пересмотрены в соответствии с новыми научными взглядами. А во-вторых многие тренеры, зная биологию мышечной клетки не рассматривают ее связь с тренировочным процессом. А ведь спортивные тренировки воздействуют не на мышцу в целом, а на каждую отдельную мышечную клетку. Понимание следовых эффектов различных тренировок невозможно без понимания того, какие физиологические процессы происходят в клетки во время тренировки и какие механизмы запускаются по ее окончанию. Только хорошо понимая каким образом каждая конкретная тренировка воздействует на клеточные структуры можно правильно составлять тренировочный план и добиваться максимальной реализации своего генетического потенциала. Поэтому начнем со строения мышечной клетки.
Но, во-первых, в спортивной адаптологии некоторые позиции этой азбуки пересмотрены в соответствии с новыми научными взглядами. А во-вторых многие тренеры, зная биологию мышечной клетки не рассматривают ее связь с тренировочным процессом. А ведь спортивные тренировки воздействуют не на мышцу в целом, а на каждую отдельную мышечную клетку. Понимание следовых эффектов различных тренировок невозможно без понимания того, какие физиологические процессы происходят в клетки во время тренировки и какие механизмы запускаются по ее окончанию. Только хорошо понимая каким образом каждая конкретная тренировка воздействует на клеточные структуры можно правильно составлять тренировочный план и добиваться максимальной реализации своего генетического потенциала. Поэтому начнем со строения мышечной клетки.
Структурной единицей скелетной мышцы является мышечная клетка. Мышечная клетка, или как ее еще называют, симпласт представляет собой большую клетку имеющую форму удлиненного цилиндра и по длине чаще всего соответствующей длине целой мышцы. Ее поперечное сечение от 10 до 80 микрометров. Раньше, кстати, эта единица называлась микроном. При этом длина мышечных клеток относительно большая, например, у бицепса 15 см, а длина мышечной клетки бедра может превышать 35 см. Из-за этого нитевидного строения мышечную клетку называют также мышечным волокном (МВ). Если мы представим мышечное волокно бедра в виде поезда, то, при стандартной высоте вагона 4,35 метров, длина состава составит около 400 км. Такой огромный размер МВ определяет ее отличную от других клеток организма особенность – многоядерность. Исследования мышц выдающихся тяжелоатлетов с экстремально развитой мускулатурой показало, что объем мышечного волокна, приходящийся на одно клеточное ядро (то есть, объем волокна, обслуживаемый одним ядром), у спортсменов такое же, как и у нетренированных людей. То есть с гипертрофией МВ увеличивается и количество ядер. Число ядер в МВ может доходить до нескольких десятков тысяч.
Скелетная мышца состоит из большого количества МВ, составляющих 85-90% от ее общей массы. Так, например, в состав бицепса входит более одного миллиона волокон. Миллион — это сложная для визуального восприятия цифра. Тем не менее представить это количество вполне возможно на простом примере. Текст развернутого листа газеты содержит около 50 000 букв. Расстелив в зале 20 газет, мы можем одним взором воспринимать примерно миллион букв на площади около 10 квадратных метров. Вот такое примерно количество МВ находится в бицепсе даже нетренированного человека.
Между мышечными волокнами расположена тонкая сеть мелких кровеносных сосудов (капилляров) и нервов (приблизительно 10% от общей массы мышцы). От 10 до 50 мышечных волокон соединяются в пучок. Пучки мышечных волокон и образуют скелетную мышцу. Мышечные волокна, пучки мышечных волокон и мышцы окутаны соединительной тканью переходящей на концах мышцы в сухожилия, крепящиеся к кости. Сократительным аппаратом мышечного волокна являются специальные органеллы — миофибриллы, которые у всех животных имеют примерно равное поперечное сечение, колеблющееся от 0,5 до 2 мкм. Число миофибрилл в волокне достигает двух тысяч. Миофибриллярный аппарат составляет около 90% от объема МВ и располагается в центральной ее части. Ядра клетки и большинство клеточных органелл (органоидов), так называются специализированные постоянные клеточные структуры имеющие определенное строение и выполняющие определенные функции, находятся на периферии МВ.
Рассмотрим детально строение мышцы. Для примера возьмём бицепс. Размер поперечного сечения целой мышцы равен примерно 5 см, одного пучка полмиллиметра, мышечного волокна - от 12 до 100 микрометров, миофибриллы от 5 до 2 микрометров.
Состоят миофибриллы из последовательно соединенных отсеков под названием саркомеры, длина которых в состоянии покоя составляет 2.5 мкм. Саркомеры отделены друг от друга Зет-дисками. Каждый саркомер включает в себя нити (миофиламенты) актина и миозина. Тонкие нити состоят преимущественно из белка актина, они крепятся к ЗЕТ дисками. Их толщина 6 нанометров. Толстые нити состоят из белка миозина и располагаются в центре саркомера. Их толщина 15 нм.
Оценить пропорции в сотых и тысячных долях мм, а тем более в нанометрах мы, конечно, не можем визуально. Чтобы сделать это в более близких нашему восприятию величинах, нужно умножить эти цифры на 10 000. Тогда толщина актиновой нити будет равна толщине человеческого волоса. Волоса брюнета. Его толщина как раз пять сотых миллиметра. У блондинов, к примеру, эта величина 0,03 мм, у русого человека - 0,04 мм, а у рыжеволосых самый толстый 0,07 мм. Ну, мы несколько отвлеклись. Итак, если диаметр актиновой нити — это волос брюнета, то диаметр миозиновой нити будет равен соответственно 2,5 таких волоса. Длина саркомера в этой системе будет равняться 2.5 мм. Диаметр миофибриллы - примерно полтора см, диаметр мышечного волокна будет равен 60 см. А целый же бицепс в диаметре будет равен 500 метров, почти как Останкинская башня (ее высота 540 метров). Ну, а если мы возьмем напряженный бицепс атлета, окружностью в 50 см, то диаметр его будет примерно 16 см, что в нашей системе будет равняться 1км 600 метров. А это уже горная вершина.
Представьте человеческий волос и сравните его с Останкинской башней, или горой превосходящей ее втрое. Вот насколько малы эти клеточные структуры мышц и именно на таком микроскопическом уровне и совершаются процессы, которые приводят к росту спортивного результата.
Под микроскопом видно, что миофибрилла имеет поперечную исчерченность – чередующиеся темные и светлые полосы. Поэтому скелетные мышцы еще называют поперечно полосатыми. При сокращении миофибриллы светлые участки уменьшают свою длину и при полном сокращении исчезают вовсе.
Представьте человеческий волос и сравните его с Останкинской башней, или горой превосходящей ее втрое. Вот насколько малы эти клеточные структуры мышц и именно на таком микроскопическом уровне и совершаются процессы, которые приводят к росту спортивного результата.
Под микроскопом видно, что миофибрилла имеет поперечную исчерченность – чередующиеся темные и светлые полосы. Поэтому скелетные мышцы еще называют поперечно полосатыми. При сокращении миофибриллы светлые участки уменьшают свою длину и при полном сокращении исчезают вовсе.
Чередование светлых и темных полос в миофибрильной нити определяется упорядоченным расположением по длине миофибриллы толстых нитей белка миозина и тонких нитей белка актина. Толстые нити содержатся только в темных участках (А - диск), светлые участки (I - диск) не содержат толстых нитей, в середине I диска находится Z диск – к которому, как мы уже говорили, крепятся тонкие нити актина.
Механизм сокращения миофибрилл был открыт относительно недавно. В 1954 г. До этого, в первой половине 20-го века, ученые выдвигали различные гипотезы этого процесса. Мне лично пришлось встретиться с двумя описаниями в трудах маститых советских ученых . Автор учебника «Нормальная физиология» , член-корреспондент Академии медицинских наук, Александр Григорьевич Гинецинский в своей статье в популярном естественно-научном журнале «Человек и природа», в 1926 году писал:
Благодаря ряду блестящих исследований последних лет, мы достаточно глубоко проникли в сущность тех физико-химических изменений, которые обусловливают укорочение мышцы и развитие тяги во время мышечного сокращения.
И далее следовало описание простого эксперимента с каплей воды. Капля, частично растекаясь по поверхности, сохраняет форму половинки овала. Если ввести в каплю немного кислоты, объем капли резко уменьшится, поскольку поверхностное натяжение воды увеличится. Наоборот, если ввести щелочь, например, соду, капля сильнее растечется по поверхности. Автор сделал вывод, что достаточно одного лишь появления кислотной реакции для того, чтобы поверхностное натяжение бесчисленного количества протоплазматических образований, погруженных в вязкую бесструктурную белковую массу, резко возросло. Образование молочной кислоты в работающей мышце, по мнению Гинецинского, и ее взаимодействие с белковой основой мышечной клетки ведет к увеличению поверхностного натяжения ее частиц, к укорочению и к развитию тяги.
А выдающийся советский физиолог, лауреат сталинской премии Николай Александрович Бернштейн, в своей замечательной книге «О ловкости и ее развитии», написанной в конце 40-х годов считал, что поперечнополосатая мышца состоит из двух типов частиц анизоэлементов, и изо элементов. По мнению Бернштейна, у поперечнополосатай мускулатуры, эволюционно пришедшей на смену гладкой, манера сокращения напоминала резкий и грубый рывок, способный искрошить скрепленные с ней кости, компромисс, который выработался как мера борьбы с этой никуда не пригодной резкостью состоял в том, что анизоэлементы, по мнению ученого они были активной мышечной тканью, которая и совершала этот рывок, были переслоены элементами упругой сухожильной тканью изоэлементами. Эти последние играли роль упругих буферов, амортизаторов, которые сдерживали яростные рывки анизоэлементов.
Сейчас эти версии советских ученых кажутся наивными и вызывают улыбку, но в те времена это был авангард мировой научной мысли.
Благодаря ряду блестящих исследований последних лет, мы достаточно глубоко проникли в сущность тех физико-химических изменений, которые обусловливают укорочение мышцы и развитие тяги во время мышечного сокращения.
И далее следовало описание простого эксперимента с каплей воды. Капля, частично растекаясь по поверхности, сохраняет форму половинки овала. Если ввести в каплю немного кислоты, объем капли резко уменьшится, поскольку поверхностное натяжение воды увеличится. Наоборот, если ввести щелочь, например, соду, капля сильнее растечется по поверхности. Автор сделал вывод, что достаточно одного лишь появления кислотной реакции для того, чтобы поверхностное натяжение бесчисленного количества протоплазматических образований, погруженных в вязкую бесструктурную белковую массу, резко возросло. Образование молочной кислоты в работающей мышце, по мнению Гинецинского, и ее взаимодействие с белковой основой мышечной клетки ведет к увеличению поверхностного натяжения ее частиц, к укорочению и к развитию тяги.
А выдающийся советский физиолог, лауреат сталинской премии Николай Александрович Бернштейн, в своей замечательной книге «О ловкости и ее развитии», написанной в конце 40-х годов считал, что поперечнополосатая мышца состоит из двух типов частиц анизоэлементов, и изо элементов. По мнению Бернштейна, у поперечнополосатай мускулатуры, эволюционно пришедшей на смену гладкой, манера сокращения напоминала резкий и грубый рывок, способный искрошить скрепленные с ней кости, компромисс, который выработался как мера борьбы с этой никуда не пригодной резкостью состоял в том, что анизоэлементы, по мнению ученого они были активной мышечной тканью, которая и совершала этот рывок, были переслоены элементами упругой сухожильной тканью изоэлементами. Эти последние играли роль упругих буферов, амортизаторов, которые сдерживали яростные рывки анизоэлементов.
Сейчас эти версии советских ученых кажутся наивными и вызывают улыбку, но в те времена это был авангард мировой научной мысли.
В 1954 г. была опубликована работа британского ученого, впоследствии лауреата Нобелевской премии Эндрю Хаксли. В ней он описал тонкую структуру миофибрилл, обнаружил, что во время сокращения происходит скольжение и сближение актиновых и миозиновых нитей, образующих миофибриллу.
Нити актина начинают скользящие движение относительно нитей миозина к центру саркомера. При этом, нить миозина окружает 6 нитей актина, а нить актина окружает 3 нити миозина. Кстати у насекомых это отношение другое. Перемещение нитей миозина возможно благодаря тому, что миозиновый филамент имеет боковые ответвления, так называемые мостики.
Между филаментами актина и миозина могут образовываться мостики и при затрате энергии, заключенной в АТФ, может происходить поворот мостиков, т.е. сокращение миофибриллы, сокращение мышечного волокна, сокращение мышцы и разрыв его. Основная энергия молекул АТФ тратится именно на разрыв мостиков. Мостики образуются в присутствии в саркоплазме ионов кальция. Увеличение количества миофибрилл (гиперплазия) в мышечном волокне приводит к увеличению поперечного сечения (гипертрофии), а, следовательно, силы и скорости сокращения при преодолении существенной внешней нагрузки. Удельная сила, приходящаяся на поперечное сечение мышечных волокон у всех людей примерно одинаковая, и не имеет зависимости от степени тренированности.