Lekcja biomechaniki: Jak pracuje mięsień?

 Fot. istockphoto.com

Jak to się dzieje, że wprawiamy swoje ciało w ruch? Że mięśnie kurczą się, pozwalając nam chodzić, siadać, skakać i biegać? Jak to się dzieje, że jedni robią to zdecydowanie sprawniej niż inni? Jak pracuje organiczna maszyna, ludzkie ciało?

Pewnie każdy z was chciał, żeby ktoś mu to powiedział: „Masz mięśnie jak Usain Bolt”. Albo: „Masz mięśnie jak Haile Gebrselassie, Heidi Klum, Robert Burneika lub Borat”. Bo tak naprawdę sama budowa komórki mięśniowej, mechanizm jego kurczenia się i rozkurczania są niemalże u wszystkich identyczne. Dlaczego więc jedni z nas szybciej, dłużej lub mocniej się „kurczą”? Nauczyli tego swoje mięśnie, część niezwykłych zdolności dostali w genach. I co to w zasadzie jest to „kurczenie się”?

Kontrolowana utrata równowagi

Tak naprawdę o tym, dlaczego tak się dzieje, wiemy od całkiem niedawna, bo od 1954 roku. Rok wcześniej były specjalista od radarów Hugh Huxley, zakochany w biologii molekularnej, spotkał w Bostonie wścibską biofizyk Jean Hanson. To oni opracowali ślizgową teorię skurczu mięśni. Do miłej pani Hanson badania te tak przylgnęły, że do dziś historycy nazywają ją „Pani Mięsień”.

Aby zrozumieć cały mechanizm poruszania naszymi kończynami w biegu, trzeba wniknąć głęboko pod skórę. Pobawić się w detektywa mierzonego nanometrami. Hola!

– Najpierw trzeba stracić równowagę – upomina Piotr Żmijewski z Instytutu Sportu.

Stoimy prosto. Nawet o tym nie myślimy, ale nasze mięśnie są napięte. Trzeba więc zwolnić przynajmniej ich część. Dla uproszczenia zobrazujmy sobie to tak: noga jest prosta, napięte są prostowniki i zginacze. Zwalniamy prostownik. Niestety w naszym ciele nic nie jest proste. Nawet do tego, aby mięsień się rozluźnił, potrzebny jest impuls, energia, jony wapnia i cała maszyna, która tym zawiaduje.

Ukryta moc prążków

Owe prążki przykuły pewnego dnia uwagę pani Hanson, która patrząc na nie przez potężne szkło mikroskopu, pomyślała, że to musi coś znaczyć.

Impuls do mięśnia biegnie specjalnie wytyczoną autostradą; motoneuronem (w tym przypadku alfa), który wychodzi z rdzenia kręgowego lub pnia mózgu. To bieg znacznie szybszy niż ten po bieżni. W ułamku mgnienia oka impuls trafia do odpowiedniego włókna nerwowego. I zaczyna się nasze śledztwo.

Mięsień „informację” o tym, że ma się skurczyć, dostaje od nerwu. Na jego końcu (synapsie) uwalniany jest specjalny neurohormon – acetyloholina. To ona wędruje do błony komórkowej mięśnia. Gdy się z nią zderzy w komórce mięśniowej, zaczyna się rewolucja. Taka komórka jest na tyle inna od pozostałych, że naukowcy, by się nie pogubić, nazwali jej części trochę inaczej niż reszty komórek. I tak zamiast klasycznej cytoplazmy, która wypełnia „normalną” komórkę, w tej mięśniowej jest sarkoplazma. To w sarkoplazmie znajdują się (oprócz jądra i mitochondrium) miofibryle. I to są właśnie nasze maluteńkie włókienka mięśniowe. Dla naszych potrzeb budowę miofibryla ograniczymy do białek: troponiny, aktyny i miozyny. Nawet jeśli o nich nie słyszeliście, to słyszeliście zapewne, jak one wyglądają. Otóż mięśnie szkieletowe (takie jak choćby czterogłowy uda, dwugłowy itd.) nazywane są poprzecznie prążkowanymi. To przez aktynę i miozynę właśnie. Te białka ułożone są między sobą. Pod mikroskopem przypominają właśnie jaśniejsze (aktyna) i ciemniejsze (miozyna) prążki.
Owe prążki przykuły pewnego dnia uwagę pani Hanson, która patrząc na nie przez potężne szkło mikroskopu, pomyślała, że to musi coś znaczyć. Przy pomocy pana Huxleya doszła do wniosku, że to dzięki tym niewinnym prążkom poruszamy się z większą lub mniejszą gracją.

Gdy acetylocholina „kopnie” bowiem komórkę mięśniową, informacja o tym dociera do miniaturowego zbiorniczka z wapniem (retikulum sarkoplazmatycznego). Zbiorniczek odbiera sygnał i wypuszcza jony. Te docierają do troponiny, która (w dużym skrócie) oddziela aktynę od miozyny. „Obciążona” wapniem troponina pozwala na połączenie się na chwilę aktyny z miozyną.

Gdybyśmy chcieli to narysować, to aktyna miałaby małą główkę. Gdy główka aktyny styka się z miozyną, w główce aktyny ATP (to właśnie ta energia, która napędza mięsień) zaczyna się rozpadać. Główka minimalnie zmienia swój kąt, a ponieważ jest w tym momencie połączona z miozyną – przesuwa ją.

To właśnie jest skurcz. Taki pojedynczy ma 10 nanometrów. Teraz wyobraźcie sobie, ile takich aktyn i miozyn musi się połączyć i przesunąć, żeby wyprostować nogę. Jeden nanometr to jedna miliardowa część metra!

I tu obserwujemy inny fenomen. Energia (ATP) jest potrzebna do skurczu. Bez niej jednak mięsień także się nie rozkurczy.

– Na filmach kryminalnych czasemjest taka scena: zabity wskazuje na coś palcem. Detektyw idzie tym tropem i odkrywa mordercę. Teoretycznie to jest możliwe. Gdy nagle zostanie odcięty dopływ energii do mięśnia, to zastygnie on w jednej pozycji – przyznaje półżartem Żmijewski.

Poznanie mechanizmów działania motoneuronów pozwoliło na opracowanie skuteczniejszej metody… rozciągania się.

W Instytucie Sportu zajmuje się fizjologią wysiłku. Skurcz, który zobaczyliśmy w skali mikro, choć wydaje się skomplikowany, jest stosunkowo prosty i dobrze poznany w porównaniu z całą resztą, która ten skurcz zamienia w ruch. Bo skoro to wszystko jest takie proste (impuls, wapń, ślizg, rozkurcz i tak w kółko), to dlaczego jedni kurczą się lepiej od innych?

Dlaczego Bolt robi to najszybciej na świecie, skoro ma aktynę i miozynę taką jak Ty, szanowny czytelniku? A dlaczego Patrick Makau Musyoki może to robić najszybciej, ale na dystansie 42 km 195 m? I po co nam w ogóle wiedza o tych całych motoneuronach.

Włókna szybkich i włókna wytrzymałych

Aby zrozumieć, z jak skomplikowanym mechanizmem mamy do czynienia, musimy wiedzieć, że motoneurony zbierają także informacje o rozciągnięciu mięśnia. Dzięki takim impulsom nasze ciało broni się przed jego rozerwaniem. Właśnie poznanie mechanizmów działania motoneuronów pozwoliło na opracowanie skuteczniejszej metody… rozciągania się. Mięsień można bowiem oszukać.

Aby jak najprościej sprawdzić, jak to działa, wystarczy chwycić się za stopę. Przyciągamy ją do uda i rozciągamy mięsień czworogłowy. Zaczyna się bronić – biedaczek jest przekonany, że chcemy go rozerwać. Pojawia się ból. Wtedy trzeba napiąć czworogłowy, potem go rozluźnić i znów rozciągać. Ból, rozluźnienie i kolejne rozciąganie. Komórki mięśniowe trochę „wariują”, ale oszukiwanie ich pomaga w rozciąganiu.

Motoneurony docierają do ogromnej ilości komórek mięśniowych. Jedne są wolnokurczliwe, inne szybkokurczliwe. Te wolniejsze są wytrzymalsze (chociaż mają mniejszą moc), produkują też mniej kwasu mlekowego podczas wysiłku. Przy spokojnym biegu to one są tymi najbardziej zaangażowanymi. Gdy przyspieszamy, musimy używać więcej siły. A tę generują włókna szybkokurczliwe. W nich pojawia się też więcej kwasu mlekowego (to między innymi on sprawia, że bolą nas nogi podczas biegu).

To właśnie dzięki treningowi nasz układ nerwowy uczy się, jak najefektywniej włączać poszczególne włókna i całe grupy mięśni.

Specjalne czujniki (receptory czucia głębokiego) w mięśniach i stawach wysyłają sygnał o tym, że potrzebna jest większa siła. Im większy opór, tym więcej napina się włókien szybkokurczliwych (czyliaktyna przeciąga miozynę).

Najpierw uruchamiane są włókna szybkokurczliwe odporniejsze na zmęczenie. Potem te nieodporne, za to odpowiedzialne za najsilniejszy skurcz. O proporcjach tych włókien decydują między innymi geny. Na to, jak je wykorzystujemy, mamy większy wpływ. To właśnie dzięki treningowi nasz układ nerwowy uczy się, jak najefektywniej włączać poszczególne włókna i całe grupy mięśni. Im mechanizm jest dokładniejszy, tym efektywniej jesteśmy w stanie wykorzystać naszą energię.

Negocjacje ze strażnikiem – mózgiem

Pisząc kolokwialnie, to właśnie ten rozkład jazdy na naszych drogach nerwowych determinuje to, czy potrafimy biegać ekonomicznie. Dzięki częstemu powtarzaniu określonej czynności, te drogi komunikacji przecierają się. Impuls biegnie do odpowiedniej grupy komórek. Mniej aktyny i miozyny angażuje ATP (produkowane w mitochondriach i cytoplazmie) do wykonania niezbędnej czynności. Do tego trzeba dołożyć całą skomplikowaną sztukę wykorzystywania zasobów energetycznych.

Czy zdajecie sobie sprawę, że podanie glukozy podczas biegu może oszukać mózg?

To on zbiera dane dotyczące zużycia energii przez nasze aktyny i miozyny. Gdy dojdzie do wniosku, że chłepczą za dużo ATP i nie starcza na myślenie, odetnie mięśnie. Glukoza trafi jednak najpierw do mózgu, który na chwilę „odczepi się” od mięśni. Można także nauczyć mózg, by dał sobie spokój z utrudnianiem życia synapsom i mitochondriom. A te chwilowo radzą sobie, pobudzane impulsami z innych części układu nerwowego. W ekstremalnych warunkach ze szkodą dla całego organizmu. I to właśnie jest bieganie „w trupa”. Choć i tu wkrada się spora przesada. Organizm nasz tak bardzo kocha życie, że sam nie pozwoli na wyczerpanie wszystkich zasobów energetycznych.

Odcina więc prąd w nóżkach i po biegu.

Oskar Berezowski, „Jak pracuje mięsień”, Bieganie, maj 2012