Μυϊκή συστολή

Οι μύες είναι τα όργανα που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε κίνηση 💪. Κάθε φορά που ένας αθλητής τρέχει, πηδά ή σηκώνει βάρος, χιλιάδες μυϊκές ίνες συστέλλονται συντονισμένα. Η υποενότητα αυτή εξηγεί πώς ακριβώς γίνεται η μυϊκή συστολή, από πού παίρνει ο μυς την ενέργειά του και τι συμβαίνει όταν το οξυγόνο δεν επαρκεί.

Το ερέθισμα και η απάντηση της μυϊκής ίνας

Η γραμμωτή μυϊκή ίνα δεν συστέλλεται από μόνη της. Χρειάζεται ένα ερέθισμα, το οποίο μπορεί να είναι:

• νευρικό, δηλαδή μια νευρική ώση που φτάνει στον μυ μέσω ενός κινητικού νευρώνα, ή
• χημικό, δηλαδή η επίδραση κάποιας ουσίας πάνω στη μυϊκή ίνα.

Μόλις το ερέθισμα φτάσει στη μυϊκή ίνα, ξεκινά μια σειρά γεγονότων που καταλήγει στη συστολή και μετά στη χαλάρωσή της.

Το μυογράφημα: τα τρία στάδια της μυϊκής συστολής

Για να μελετηθεί η συστολή, οι επιστήμονες καταγράφουν την ένταση της συστολής σε σχέση με τον χρόνο. Η καταγραφή αυτή ονομάζεται μυογράφημα.

Η καμπύλη που προκύπτει έχει την εξής μορφή: μετά τη στιγμή του ερεθίσματος (χρόνος $0$) η γραμμή παραμένει για λίγο επίπεδη — δεν συμβαίνει τίποτα ορατό. Στη συνέχεια ανεβαίνει απότομα μέχρι μια κορυφή, τη μέγιστη ένταση, γύρω στα $40\ \text{msec}$, και μετά κατεβαίνει σταδιακά πίσω στο μηδέν, γύρω στα $100\ \text{msec}$. Έτσι η συστολή εξελίσσεται σε τρία διαδοχικά στάδια.

Παρατηρείται ότι ολόκληρη η συστολή μιας μυϊκής ίνας ολοκληρώνεται μέσα σε δέκατα του δευτερολέπτου ⏱️ — γι' αυτό και οι κινήσεις μας μπορούν να είναι τόσο γρήγορες.

Από τι εξαρτάται η ένταση της συστολής;

Ένας ολόκληρος μυς αποτελείται από χιλιάδες μυϊκές ίνες. Η ένταση της συστολής του μυός είναι ανάλογη:

1. του αριθμού των μυϊκών ινών που συστέλλονται, και
2. της συχνότητας των ερεθισμάτων που δέχεται.

Έτσι, όταν το ερέθισμα είναι ασθενές, διεγείρεται μικρός αριθμός μυϊκών ινών και προκύπτει συστολή μικρής έντασης. Όταν το ερέθισμα είναι ισχυρότερο, διεγείρεται μεγαλύτερος αριθμός ινών και η συστολή είναι εντονότερη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορούμε να σηκώσουμε τόσο ένα φτερό όσο και μια τσάντα με βιβλία, χρησιμοποιώντας τους ίδιους μύες αλλά με διαφορετική «στρατολόγηση» ινών.

Η μυοσφαιρίνη: η «αποθήκη οξυγόνου» του μυός

Για να συσταλεί ένας μυς χρειάζεται ενέργεια, και για να παραχθεί ενέργεια αποδοτικά χρειάζεται οξυγόνο. Οι μυϊκές ίνες διαθέτουν μια ειδική πρωτεΐνη γι' αυτόν τον σκοπό: τη μυοσφαιρίνη.

Η μυοσφαιρίνη είναι ανάλογη της αιμοσφαιρίνης του αίματος, με μια κρίσιμη όμως διαφορά: παρουσιάζει υψηλότερη συγγένεια με το οξυγόνο από ό,τι η φυσιολογική αιμοσφαιρίνη. Αυτό σημαίνει ότι «τραβά» το οξυγόνο από την αιμοσφαιρίνη και το κρατά πάνω της.

Πότε απελευθερώνει η μυοσφαιρίνη το οξυγόνο της;

Επειδή κρατά το οξυγόνο τόσο σφιχτά, η μυοσφαιρίνη το δίνει μόνο όταν η συγκέντρωση του οξυγόνου μέσα στο μυϊκό κύτταρο πέσει πολύ χαμηλά — δηλαδή σε συνθήκες έντονης μυϊκής δραστηριότητας, όταν τα μιτοχόνδρια έχουν ήδη καταναλώσει το διαθέσιμο οξυγόνο. Λειτουργεί έτσι σαν εφεδρική δεξαμενή οξυγόνου 🫁, που ανοίγει ακριβώς τη στιγμή της ανάγκης.

Γιατί οι ερυθρές μυϊκές ίνες έχουν άφθονη μυοσφαιρίνη;

Οι ερυθρές μυϊκές ίνες (ή ίνες βραδείας συστολής) είναι εκείνες που δουλεύουν για πολλή ώρα χωρίς να κουράζονται, όπως στο τρέξιμο αντοχής ή στον μαραθώνιο 🏃. Οι ίνες αυτές παράγουν την ενέργειά τους κυρίως με αερόβια κυτταρική αναπνοή, άρα χρειάζονται συνεχή και σταθερή τροφοδοσία οξυγόνου. Η άφθονη μυοσφαιρίνη τους εξασφαλίζει ακριβώς αυτό: αποθήκη οξυγόνου μέσα στην ίδια την ίνα. Επιπλέον, η μυοσφαιρίνη είναι κόκκινη χρωστική — γι' αυτό οι ίνες αυτές έχουν ερυθρό χρώμα και πήραν το όνομά τους.

Η παραγωγή ενέργειας με αερόβια αναπνοή

Η ενέργεια για τη μυϊκή συστολή προέρχεται από την κυτταρική αναπνοή, τη διάσπαση δηλαδή θρεπτικών ουσιών (κυρίως γλυκόζης) μέσα στα κύτταρα.

Όταν υπάρχει επαρκές οξυγόνο, η διάσπαση είναι πλήρης και γίνεται μέσα στα μιτοχόνδρια της μυϊκής ίνας:

Η διαδικασία αυτή έχει τα εξής χαρακτηριστικά:

• Το οξυγόνο φτάνει στους μύες από τους πνεύμονες, μέσω του αίματος και της αιμοσφαιρίνης των ερυθρών αιμοσφαιρίων.
• Η γλυκόζη προέρχεται από την τροφή, μέσω του πεπτικού και του κυκλοφορικού συστήματος.
• Παράγεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας ανά μόριο γλυκόζης.
• Τα παραπροϊόντα (διοξείδιο του άνθρακα και νερό) είναι αβλαβή και αποβάλλονται εύκολα — το $CO_2$ μέσω της αναπνοής.

Αερόβια ικανότητα και μέγιστη πρόσληψη οξυγόνου (VO₂max)

Όσο μεγαλύτερη είναι η αερόβια ικανότητα ενός οργανισμού, τόσο περισσότερο έργο μπορεί να παράγει χωρίς να επέρχεται άμεσα το αίσθημα της κόπωσης.

Ο πιο συνηθισμένος δείκτης αξιολόγησης της αερόβιας ικανότητας στην επιστημονική βιβλιογραφία είναι η μέγιστη πρόσληψη οξυγόνου, που συμβολίζεται ως $VO_2max$. Πρόκειται για τη μέγιστη ποσότητα οξυγόνου που μπορεί να προσλάβει και να αξιοποιήσει ο οργανισμός στη μονάδα του χρόνου κατά τη διάρκεια μέγιστης προσπάθειας. Χρησιμοποιείται:

• για την αξιολόγηση της αθλητικής απόδοσης ενός αθλητή, και
• για τον σχεδιασμό του προπονητικού πλάνου του.

Από ποιους παράγοντες εξαρτάται

Η $VO_2max$ εξαρτάται πρώτα απ' όλα από την ικανότητα των συστημάτων που μεταφέρουν και αξιοποιούν το οξυγόνο:

• Από την απόδοση του αναπνευστικού συστήματος, δηλαδή πόσο οξυγόνο μπορεί να περάσει στο αίμα στους πνεύμονες.
• Από την απόδοση του κυκλοφορικού συστήματος (καρδιά, αίμα, αγγεία), δηλαδή πόσο γρήγορα και πόσο άφθονα το οξυγόνο φτάνει στους μύες.
• Από τον τύπο και τον αριθμό των μυϊκών ινών: όσο περισσότερες ερυθρές ίνες βραδείας συστολής διαθέτει ο αθλητής, με πολλά μιτοχόνδρια και άφθονη μυοσφαιρίνη, τόσο μεγαλύτερη είναι η αερόβια ικανότητά του.

Επιπλέον, η $VO_2max$ επηρεάζεται και από άλλους παράγοντες, όπως:

• η προπόνηση (η συστηματική αερόβια άσκηση την αυξάνει),
• η ηλικία (μειώνεται καθώς μεγαλώνουμε),
• το φύλο,
• η κληρονομικότητα,
• το σωματικό βάρος και η σύσταση του σώματος,
• το υψόμετρο και οι περιβαλλοντικές συνθήκες,
• το κάπνισμα και οι παθήσεις του αναπνευστικού, που τη μειώνουν σημαντικά 🚭.

Όταν το οξυγόνο δεν φτάνει: αναερόβια κυτταρική αναπνοή

Σε έντονη μυϊκή δραστηριότητα (π.χ. σε ένα σπριντ), το οξυγόνο που φτάνει στους μύες δεν επαρκεί για να καλύψει τις τεράστιες ενεργειακές τους ανάγκες. Τότε οι μύες παράγουν ενέργεια και χωρίς οξυγόνο, με αναερόβια κυτταρική αναπνοή.

Η διάσπαση αυτή γίνεται στο κυτταρόπλασμα των μυϊκών ινών, είναι ατελής και έχει τελικό προϊόν το γαλακτικό οξύ:

Αποδίδει πολύ λιγότερη ενέργεια από την αερόβια αναπνοή, αλλά έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα: είναι πολύ γρήγορη και δεν εξαρτάται από την τροφοδοσία με οξυγόνο ⚡.

Πείραμα: οξυγόνο και γαλακτικό οξύ σε αθλητή ταχύτητας

Σε έναν αθλητή ταχύτητας μετρήθηκε με σπιρόμετρο η ποσότητα του οξυγόνου που καταναλώνει καθώς τρέχει, ενώ ταυτόχρονα μετρήθηκε και η περιεκτικότητα του γαλακτικού οξέος στο αίμα του. Η μέτρηση έγινε σε τρεις φάσεις: χαλάρωση πριν, άσκηση, και χαλάρωση μετά.

Τα αποτελέσματα συνοψίζονται ως εξής:

Ερμηνεία των μεταβολών

Κατά την άσκηση, η κατανάλωση οξυγόνου εκτοξεύεται, γιατί οι μύες δουλεύουν εντατικά. Όμως, όσο κι αν αυξηθεί η αναπνοή και οι σφυγμοί, το οξυγόνο δεν αρκεί. Έτσι ενεργοποιείται παράλληλα η αναερόβια αναπνοή και το γαλακτικό οξύ συσσωρεύεται.

Γιατί αυξάνεται το γαλακτικό οξύ στο αίμα, αφού παράγεται στο κυτταρόπλασμα των μυϊκών ινών; Επειδή το γαλακτικό οξύ που παράγεται μέσα στις ίνες διαχέεται από το κυτταρόπλασμα προς το αίμα που τις αρδεύει: η συγκέντρωσή του μέσα στον μυ γίνεται πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στο αίμα, οπότε περνά μέσα από τη μεμβράνη προς τα τριχοειδή αγγεία και μεταφέρεται σε όλο τον οργανισμό.

Μετά το τέλος της άσκησης, ο αθλητής συνεχίζει να λαχανιάζει και να καταναλώνει αυξημένες ποσότητες οξυγόνου, παρόλο που έχει σταματήσει να τρέχει. Αυτό εξηγείται από το ότι μέρος του γαλακτικού οξέος εισέρχεται στα μιτοχόνδρια της μυϊκής ίνας και διασπάται αερόβια, απελευθερώνοντας ενέργεια. Για τη διάσπαση αυτή απαιτείται επιπλέον οξυγόνο, το οποίο ο οργανισμός «χρωστούσε» κατά τη διάρκεια της άσκησης και τώρα το εξοφλεί.

Μυϊκός κάματος και κράμπα

Η συσσώρευση γαλακτικού οξέος στους μύες έχει και δυσάρεστες συνέπειες.

• Μυϊκός κάματος: Η συσσώρευση γαλακτικού οξέος και άλλων άχρηστων ουσιών — που ονομάζονται συνολικά καματογόνες ουσίες — στους μύες κατά την εντατική εργασία τους, οδηγεί σε ολική ή μερική ανικανότητα του μυός για συστολή. Ο μυς απλώς «δεν τραβάει άλλο».
• Κράμπα: Είναι μια ακούσια παρατεταμένη συστολή του μυός. Ο μυς μένει σφιγμένος χωρίς να το θέλουμε, ερεθίζονται ορισμένες νευρικές απολήξεις και προκαλείται έντονος πόνος. Το φαινόμενο είναι σύνηθες στους αθλητές, ιδίως ύστερα από μακρά και εξαντλητική προσπάθεια και έντονη εφίδρωση 💦.