Năng lượng cơ và các loại sợi cơ

Cơ bắp lấy năng lượng để co rút như thế nào, tại sao các loại sợi cơ khác nhau lại đánh đổi tốc độ lấy sức bền, và cách động vật điều chỉnh cơ bắp của chúng phù hợp với công việc đang thực hiện.

Definition

Năng lượng cơ là nghiên cứu về cách cơ bắp thu nhận và sử dụng năng lượng hóa học để cung cấp năng lượng cho sự co cơ, bao gồm các con đường tái tạo ATP và nhiệt cũng như hiệu quả của quá trình này, trong khi các loại sợi cơ là các loại sợi cơ được phân biệt bởi tốc độ co cơ, hồ sơ trao đổi chất và khả năng chống mỏi.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguồn cung cấp năng lượng và sự đa dạng trao đổi chất của cơ bắp: các con đường tức thời, kỵ khí và hiếu khí tái tạo ATP cho sự co cơ; nhiệt và hiệu quả của công cơ; và phân loại các sợi cơ thành loại oxy hóa chậm, đường phân nhanh và loại trung gian với tốc độ, khả năng chống mỏi và sự huy động khác nhau của chúng. Nó đề cập đến cách thành phần sợi cơ được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu vận động của động vật. Phạm vi bao gồm so sánh và cơ chế.

Core questions

• Cơ bắp duy trì nguồn cung cấp ATP như thế nào trong hoạt động ngắn và kéo dài?
• Cơ bắp hiệu quả đến mức nào trong việc biến năng lượng hóa học thành công, và phần còn lại đi đâu?
• Điều gì phân biệt sợi cơ chậm với sợi cơ nhanh?
• Thành phần sợi cơ được điều chỉnh như thế nào để phù hợp với cách di chuyển của động vật?

Key theories

Mối quan hệ lực–vận tốc và năng lượng của sự rút ngắn

Các phép đo của A. V. Hill về nhiệt và cơ học của cơ bắp cho thấy lực mà cơ bắp tạo ra giảm khi nó rút ngắn nhanh hơn và sự co cơ giải phóng nhiệt đặc trưng, liên kết đầu ra cơ học của cơ bắp với việc sử dụng năng lượng của nó.

Sự chuyên biệt hóa loại sợi cơ

Các sợi cơ chuyên biệt hóa thành loại oxy hóa chậm, chống mỏi hoặc loại đường phân nhanh, mạnh nhưng nhanh mỏi, với các loại trung gian, và được huy động theo thứ tự để động vật có thể điều chỉnh lực, tốc độ và sức bền cho nhiệm vụ.

Mechanisms

Sự co cơ tiêu thụ ATP, mà cơ bắp tái tạo thông qua ba con đường chồng chéo: chuyển giao tức thời từ các kho phosphagen như creatine phosphate trong vài giây đầu tiên, đường phân kỵ khí tạo ra ATP nhanh chóng nhưng tạo ra lactate và gây mỏi, và hô hấp hiếu khí trong ty thể duy trì công việc kéo dài bằng cách sử dụng carbohydrate và chất béo. Hiệu suất cơ học của cơ bắp tuân theo mối quan hệ lực–vận tốc, với lực tối đa ở độ rút ngắn bằng không và lực giảm ở tốc độ cao hơn, và chỉ một phần năng lượng hóa học xuất hiện dưới dạng công trong khi phần còn lại được giải phóng dưới dạng nhiệt, như Hill đã định lượng. Các sợi cơ được chuyên biệt hóa tương ứng: sợi oxy hóa chậm giàu ty thể và myoglobin và chống mỏi, sợi đường phân nhanh co nhanh và mạnh nhưng mỏi nhanh, và sợi trung gian nằm giữa. Động vật điều chỉnh tỷ lệ và thứ tự huy động các sợi cơ này theo nhu cầu vận động của chúng, từ di cư bền bỉ đến thoát hiểm bùng nổ.

Clinical relevance

Năng lượng cơ và phân loại sợi cơ là nền tảng để hiểu về sự mỏi, sức bền và nhu cầu trao đổi chất của việc tập thể dục và vận động ở động vật. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục và không cung cấp hướng dẫn y tế.

History

Các nghiên cứu của A. V. Hill và Otto Meyerhof về nhiệt và trao đổi chất của cơ bắp vào đầu thế kỷ XX đã thiết lập lĩnh vực năng lượng cơ, và các công trình sau này mô tả đặc điểm các loại sợi cơ chậm và nhanh cũng như sự huy động của chúng đã liên hệ trao đổi chất của cơ bắp với hiệu suất ở động vật.

Key figures

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

Seminal works

• avhill1938
• hill2016
• schmidtnielsen1997

Frequently asked questions

Tại sao chạy nước rút lại làm bạn mỏi nhanh hơn đi bộ?

Các nỗ lực nhanh, mạnh mẽ phụ thuộc nhiều vào đường phân kỵ khí, tạo ra ATP nhanh chóng nhưng tích tụ các sản phẩm gây mỏi, trong khi hoạt động duy trì chậm hơn sử dụng quá trình trao đổi chất hiếu khí có thể tiếp tục lâu hơn nhiều.

Điều gì làm cho một sợi cơ 'chậm' hay 'nhanh'?

Sợi cơ chậm co rút dần dần hơn, chứa nhiều ty thể và chống mỏi, trong khi sợi cơ nhanh co rút nhanh và mạnh nhưng mỏi nhanh vì chúng phụ thuộc nhiều hơn vào năng lượng kỵ khí.