Энергетика мышц и типы волокон

Откуда мышцы получают энергию для сокращения, почему разные волокна обменивают скорость на выносливость и как животные приспосабливают свои мышцы к выполняемой задаче.

Definition

Энергетика мышц — это исследование того, как мышцы получают и используют химическую энергию для обеспечения сокращения, включая пути регенерации АТФ, а также теплообразование и эффективность процесса, в то время как типы волокон — это категории мышечных волокон, различающиеся по скорости сокращения, метаболическому профилю и устойчивости к утомлению.

Scope

Эта тема охватывает энергообеспечение и метаболическое разнообразие мышц: немедленные, анаэробные и аэробные пути, которые регенерируют АТФ для сокращения; теплообразование и эффективность мышечной работы; а также классификацию волокон на медленные окислительные, быстрые гликолитические и промежуточные типы с их различными скоростями, устойчивостью к утомлению и порядком рекрутирования. Рассматривается, как состав волокон соответствует локомоторным потребностям животного. Охват является сравнительным и механистическим.

Core questions

• Как мышцы поддерживают запас АТФ во время кратковременной и продолжительной активности?
• Насколько эффективно мышцы превращают химическую энергию в работу, и куда девается остальное?
• Что отличает медленные мышечные волокна от быстрых?
• Как состав волокон соответствует способу передвижения животного?

Key theories

Зависимость сила–скорость и энергетика укорочения

Измерения А. В. Хилла тепла и механики мышц показали, что сила, которую мышца развивает, падает по мере ее более быстрого укорочения, и что сокращение выделяет характерное тепло, связывая механическую отдачу мышцы с ее энергопотреблением.

Специализация типов волокон

Мышечные волокна специализируются на медленные, устойчивые к утомлению окислительные типы или быстрые, мощные, но быстро утомляющиеся гликолитические типы, с промежуточными, и рекрутируются в определенном порядке, чтобы животные могли соответствовать силе, скорости и выносливости задаче.

Mechanisms

Сокращение потребляет АТФ, который мышцы регенерируют тремя перекрывающимися путями: немедленная передача из фосфагенных запасов, таких как креатинфосфат, в течение первых секунд; анаэробный гликолиз, который быстро производит АТФ, но образует лактат и вызывает утомление; и аэробное дыхание в митохондриях, которое поддерживает длительную работу, используя углеводы и жиры. Механическая производительность мышц следует зависимости сила–скорость, с максимальной силой при нулевом укорочении и снижением силы при более высоких скоростях, и только часть химической энергии превращается в работу, в то время как остальная часть выделяется в виде тепла, как это было количественно определено Хиллом. Волокна специализированы соответствующим образом: медленные окислительные волокна богаты митохондриями и миоглобином и устойчивы к утомлению, быстрые гликолитические волокна сокращаются быстро и мощно, но быстро утомляются, а промежуточные волокна занимают промежуточное положение. Животные регулируют пропорцию и порядок рекрутирования этих волокон в соответствии со своими локомоторными потребностями, от миграции на выносливость до взрывного бегства.

Clinical relevance

Энергетика мышц и типирование волокон лежат в основе понимания утомления, выносливости и метаболических потребностей при физической нагрузке и передвижении у животных. Эта статья является образовательным справочным материалом и не предоставляет медицинских рекомендаций.

History

Исследования А. В. Хилла и Отто Мейерхофа по теплообразованию и метаболизму мышц в начале двадцатого века заложили основы энергетики мышц, а более поздние работы по характеристике медленных и быстрых типов волокон и их рекрутированию связали метаболизм мышц с производительностью у животных.

Key figures

• Archibald Vivian Hill
• Knut Schmidt-Nielsen
• Otto Meyerhof
• Reggie Edgerton

Seminal works

• avhill1938
• hill2016
• schmidtnielsen1997

Frequently asked questions

Почему спринт утомляет быстрее, чем ходьба?

Быстрые, мощные усилия в значительной степени зависят от анаэробного гликолиза, который быстро производит АТФ, но накапливает продукты утомления, тогда как более медленная продолжительная активность использует аэробный метаболизм, который может продолжаться гораздо дольше.

Что делает мышечное волокно «медленным» или «быстрым»?

Медленные волокна сокращаются более постепенно, насыщены митохондриями и устойчивы к утомлению, в то время как быстрые волокна сокращаются быстро и мощно, но быстро утомляются, потому что они в большей степени зависят от анаэробной энергии.