Podstawowe zagadnienia z zakresu fizjologii wysiłku. Budowa mięśni szkieletowych: Tkanka mięśniowa szkieletowa nazywana także poprzecznie prążkowaną zbudowana jest z brzuśca, w którego skład wchodzą włókna mięśniowe otoczone powięzią przechodzącą w ścięgna, które w większości przymocowane są do kości i przenoszą siłę generowaną przez włókna na aparat ruchu. Mięsień pokryty jest mocną, grubą tkanką łączną omięsną zewnętrzną. Cieńsza i głębiej położona tkanka to omięsna wewnętrzna, która otacza pęczek włókien mięśniowych. Tkanka otaczająca pojedyncze włókno mięśniowe nazywa się śródmięsną. Wszystkie te warstwy są jednak połączone ze sobą i to one wytwarzają ścięgna. Błona komórkowa przenosząca pobudzenie to sarkolema. Otacza ona włókienka mięśniowe składające się na włókno mięśniowe. Wnętrze włókienka mięśniowego zbudowane jest z kurczliwych filamentów (nici białkowych) aktyny i miozyny, nazywanymi miofibrylami. Najmniejszą częścią kurczliwą mięśnia jest sarkomer, który składa się z nici białkowych grubych (czyli miozyny) i cienkich (czyli aktyny). Ułożone są one w taki sposób, że nici cienkie nakładają się częściowo na nici grube. Powstaje przez to w mikroskopie świetlnym obraz poprzecznego prążkowania mięśnia [Ignasiak Z. 2002, Trzaskoma Z. 2001]. W zależności od ilości miofibryli włókna mięśniowe mogą być bogate w sarkoplazmę (włókna czerwone), lub też ubogie w nią (włókna białe). W sarkoplazmie włókien czerwonych, nazywanych również wolnokurczliwymi ST, znajduje się więcej mioglobiny oraz duża ilość mitochondrium, co powoduje, że włókna czerwone pracują wolniej i generują mniejszą siłę, lecz długo i są bardziej odporne na zmęczenie. Włókna białe nazywane szybkokurczliwymi FT, zawierają natomiast mniejszą ilość mioglobiny i mitochondrium, pracują szybciej i generują większą siłę, lecz szybko ulegają zmęczeniu [Ignasiak Z. 2002, Trzaskoma Z. 2001]. Napięcie mięśniowe Napięcie mięśniowe tonus mięśniowy to stałe spoczynkowe, fizjologiczne pobudzenie mięśniowe napięcie posturalne, nie zależne od naszej woli, którego celem jest utrzymanie w gotowości aparatu ruchu. Jednakże pośrednio człowiek ma wpływ na poziom tonusu mięśniowego poprzez styl życia oraz aktywność fizyczną. Podczas snu tonus zmniejsza swoje napięcie, natomiast w dzień się zwiększa, może być podniesiony pod wpływem stresu, strachu, czy też w stanach pobudzenia. Aktywność fizyczna ma też znaczący 1
wpływ na jego poziom. Osoby trenujące dyscypliny siłowe, sztuki walki, będą miały wyższy tonus mięśniowy, natomiast trenujący dyscypliny w których potrzebne jest rozluźnienie np. pływanie niższy [Halicka-Ambroziak H. 1996]. Kontrola mięśni przez ośrodkowy układ nerwowy Układ ruchu znajduje się pod kontrolą ośrodkowego układu nerwowego. Mózgowie odbiera informacje napływające ze środowiska zewnętrznego jak i wewnętrznego i na ich podstawie koordynuje czynności wszystkich narządów, zapewniając stałość środowiska wewnętrznego ustroju (homeostazę) i adaptację do środowiska zewnętrznego. Rdzeń kręgowy przewodzi bodźce czuciowe z receptorów do mózgowia (drogi wstępujące- aferentne), przy czym impulsy odbierane z mięśni, ścięgien i powierzchni stawowych kierowane są do móżdżku, który kontroluje napięcie mięśni i utrzymywanie równowagi. Drogami zstępującymi rdzenia kręgowego, kontrolującymi ruchy dowolne, biegną impulsy z nadrzędnych ośrodków ruchowych w mózgowiu do mięśni (drogi zstępujące eferentne). Do zadań rdzenia kręgowego, poza przenoszeniem informacji, należy udział w tworzeniu odruchów, czyli reakcji na bodźce czuciowe, zachodzącymi bez udziału naszej woli. Reakcje odruchowe (np. cofnięcie ręki przy kontakcie z gorącym przedmiotem) koordynowane są na poziomie rdzenia kręgowego (odruchy rdzeniowe). Ruchy dowolne zamierzone przez człowieka, wywoływane są przez impulsy powstające w nadrzędnych motoneuronach (kora mózgu). Te ruchy znajdują się pod kontrolą zarówno kory mózgu, jak i motoneuronów umiejscowionych w móżdżku, jądrach podkorowych i rdzeniu kręgowym. Każda z półkul mózgu steruje przeciwległą połową ciała, ponieważ drogi zstępujące krzyżują się w rdzeniu przedłużonym [Ignasiak Z. 2002]. Jednostka motoryczna Duże mięśnie szkieletowe człowieka składają się z setek tysięcy włókien mięśniowych. Skoordynowanie skurczu tak olbrzymiej liczby włókien jest możliwe dzięki ich podziałowi na jednostki czynnościowe - jednostki motoryczne. Pojedynczy motoneuron, poprzez swoją wypustkę akson, która rozgałęzia się na wiele cienkich gałązek, unerwiając włókna mięśniowe, tworząc wraz z nimi najmniejszą część mięśnia - jednostkę motoryczną, która może kurczyć się niezależnie od pozostałych części mięśnia. Liczby włókien w jednostce motorycznej determinuje precyzję i siłę mięśnia. Im mniejsza liczba włókien w jednostce motorycznej tym jest bardziej precyzyjny, lecz generuje mniej siły, natomiast im większa ilość włókien w jednostce motorycznej tym jest silniejszy, lecz mniej precyzyjny [Trzaskoma Z. 2001]. 2
Mechanizm skurczu mięśnia Dotarcie bodźca z motoneuronu do płytki ruchowej powoduje uwolnienie do szczeliny synaptycznej acetylocholiny, która podwyższa przepuszczalność błony postsynaptycznej. Potencjał czynnościowy wytwarzany jest przez nagły wzrost przepuszczalności dla jonów sodu (Na+), które inicjują uwolnienie z retikulum sarkoplazmatycznego zapasów jonów wapnia (Ca++). Gwałtowny wzrost stężenia jonów Ca++ w cytoplazmie uruchamia mechanizm skurczu [Trzaskoma Z. 2001]. Ślizgowa teoria skurczu. Zgodnie ze ślizgową teorią skurczu, podstawą skurczu mięśnia jest przesuwanie się w stosunku do siebie dwóch filamentów, przy czym cienki filament (aktyna) przesuwa się w kierunku środka grubego filamentu (miozyny). Przesunięcia aktyny w kierunku środka sarkomeru odbywają się za pośrednictwem miozynowych mostków poprzecznych, które łączą się z receptorami aktyny i są siła napędowa skurczu. W rezultacie następuje skurcz sarkomeru. Ponieważ mięśnie szkieletowe mogą się skracać o około 30% swojej długości spoczynkowej, to musi następować odłączanie się mostków od nici aktyny i ponowne łączenie się z nią w nowych miejscach i dalsze jej przesuwanie. Podczas skurczu ten proces powtarza się od 5-6 razy. Reakcji filamentów miozyny i aktyny towarzyszy zmiana energii chemicznej - hydroliza ATP na energię mechaniczną, która uwalniana jest w chwili odszczepienia nieorganicznego fosforanu od ATP pod wpływem ATP-azy [Trzaskoma Z. 2001]. ATP ATP-aza = ADP + P - jest to proces odwracalny. gdzie: ATP - kwas adenozynotrójfosforowy, ATP-aza - enzym rozkładający ATP i uwalniający energię do skurczu mięśnia, ADP - kwas adenozynodwufosforowy, P - fosforan nieorganiczny. Podczas skurczu nici miozyny i aktyny mają stałą długość, natomiast zmienia się, wraz z długością włókna mięśniowego, obszar ich wzajemnego zachodzenia na siebie. Akumulacja ADP, P i jonów H+ występująca podczas intensywnych skurczów (np. podczas ćwiczenia) ma ujemny wpływ na wytwarzanie siły przez mostki poprzeczne i jest uważana, jako istotna przyczyna zmęczenia mięśni. W warunkach statycznych (skurcz izometryczny) mostki poprzeczne działają 3
spontanicznie, rozłączając się i ponownie łącząc, starając się zachować stałą liczbę połączeń, która umożliwia utrzymanie stałego poziomu siły. W warunkach dynamicznych podczas wykonywania ruchów ze wzrastającymi prędkościami, czyli zmniejsza się pokonywany opór, liczba połączeń mostków poprzecznych z aktyną maleje. Dzięki temu mechanizmowi występuje dostosowanie liczby połączeń do wielkości pokonywanego oporu, czyli ekonomiczne wykorzystanie źródeł energii [Trzaskoma Z. 2001]. Znaczenie rozgrzewki w profilaktyce sportowej Rozgrzewka przygotowanie organizmu do zwiększonego wysiłku fizycznego poprzez pobudzenie układów: krążenia, mięśniowego, kostno stawowego i nerwowego. Pobudzenie układu krążenia umożliwia większe ukrwienie mięśni, poprzez co dostarcza się więcej tlenu i składników odżywczych niezbędnych do pracy mięśniowej oraz odprowadzenie dwutlenku węgla i metabolitów. Właściwa temperatura układu mięśniowego wpływa na właściwości kurczliwe i metaboliczne włókien mięśniowych, od których zależy prędkość skracania się mięśni, czyli zdolność rozwijania mocy. Właściwa temperatura stawów, a dokładnie mazi stawowej zmniejsza tarcie przylegających powierzchni stawowych oraz zwiększa lepkość mazi. Odpowiednie pobudzenie podczas rozgrzewki układu nerwowego wpływa na szybkość przepływu impulsów nerwowych oraz ilość pobudzonych jednostek motorycznych. Poprawia się precyzja, koordynacja i szybkość ruchów oraz czas reakcji. Rozgrzewka również pełni funkcję profilaktyczną, zapobiegając nadciągnięciom, naderwaniom, lub zerwaniom ścięgien mięśni, więzadeł, czy też uszkodzeniom torebek stawowych [Sozański H. 1999, Trzaskoma Z. 2001]. Proces resyntezy ATP Do skurczu mięśnia niezbędny jest ATP (adenozynotrójfosforan), który jest resyntezowany za pomocą: - rozpadu fosfokreatyny (do 8 sekund) maksymalna moc anaerobowa MMA - niekwasomlekowa, - glikoliza beztlenowa - maksymalna moc anaerobowej MMA kwasomlekowa (około 30 sekund), - glikoliza tlenowa procesy tlenowe niekwasomlekowe, długotrwały czas pracy, - cykl Krebsa łańcuch oddechowy - procesy tlenowe niekwasomlekowe, długotrwały czas pracy [Trzaskoma Z. 2001]. 4
Wydolność fizyczna - to zdolność do długotrwałych wysiłków wykonywanych z zaangażowaniem dużych grup mięśniowych. Zależna jest od sprawności fizjologicznych mechanizmów zapewniających adaptację ustroju podczas pracy mięśniowej i umożliwiających szybki powrót do stanu wyjściowego w czasie wypoczynku. Literatura zalecana: 1. Bober T., Zawadzki J. (2006): Biomechanika układu ruchu człowieka. BK, Wrocław; 2. Górski J. Fizjologia człowieka. PZWL, Warszawa 2010. 3. Górski J. Fizjologia wysiłku i treningu fizycznego. PZWL, Warszawa 2011. 4. Halicka-Ambroziak H., Jusiak R., Martyn A. i wsp. Wskazówki do ćwiczeń z fizjologii dla studentów wychowania fizycznego. AWF, Warszawa 1996. 5. Ignasiak Z., Janusz A., Jarosińska A. Anatomia człowieka. PZWL, Wrocław 2002. 6. Malarecki I. Wskazówki do ćwiczeń z fizjologii wysiłku fizycznego. AWF, Warszawa 1997. 7. Sozański H. (red). Podstawy teorii treningu sportowego. Biblioteka Trenera, Warszawa 1999. 8. Traczyk W. Fizjologia człowieka w zarysie. PZWL, Warszawa 2005. 9. Traczyk W. Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej. PZWL, Warszawa 2007. 10. Trzaskoma Z., Trzaskoma Ł. (2001): Kompleksowe zwiększanie siły mięśniowej sportowców. Biblioteka Trenera Warszawa; Opracował: Dr Mariusz Hrycyna 19.01.2012 5