Úvod
Svalová kontrakcia je základný biologický proces, ktorý umožňuje pohyb a vykonávanie rôznych funkcií v ľudskom tele. Táto komplexná udalosť je riadená biofyzikálnymi princípmi, ktoré zahŕňajú interakcie medzi molekulami, iónmi a elektrickými signálmi. Pochopenie týchto princípov je kľúčové pre pochopenie mechanizmov, ktoré riadia svalovú činnosť, a pre diagnostiku a liečbu svalových porúch.
Svalová sústava
Svalová sústava (Systema musculorum) je objemovo najmohutnejšou sústavou ľudského tela. Základnou funkciou svalového tkaniva je schopnosť zmršťovať sa a skracovať (tzv. svalové kontrakcie). Túto funkciu majú vláknité myofibrily uložené v cytoplazme svalových buniek. Ľudské telo má tri druhy svalového tkaniva: hladké, priečne pruhované a svalovinu srdca.
V ďalších častiach sa budeme venovať výlučne priečne pruhovaným svalom, ktoré spolu s kostrou umožňujú pohyb človeka a tvoria s ňou jeden funkčný celok - oporno-pohybový orgán (aktívny i pasívny pohybový aparát). Nazývajú sa tiež kostrovými svalmi a umožňujú vykonávanie voľných i zautomatizovaných pohybov celého tela i jeho jednotlivých častí.
Orgánmi svalovej sústavy sú svaly (musculi), ktoré tvoria asi 35 % celkovej hmotnosti tela človeka. Je ich vyše 600 a súhrnne ich označujeme ako svalstvo.
Svaly podľa funkcie delíme na ohýbače (flexory), naťahovače (extenzory), odťahovače (abduktory), priťahovače (adduktory) a zvierače (sfinktery). Podľa tvaru delíme svaly na dlhé, ploché a krátke. Podľa smeru svalových snopcov svaly delíme na priame, šikmé, priečne a pod. Podľa oblasti na prsný, čelový a pod., podľa obrysu napr. kruhový a podľa stavby na dvojhlavý, trojhlavý sval. Niektoré svaly pôsobia súčasne v jednom smere (synergisti), iné svaly sa pri tom istom pohybe uvoľňujú, pôsobia proti sebe (antagonisti). Príkladom je antagonizmus ohýbačov a naťahovačov ramena pri ohnutí v lakti. Kostrové svaly sa delia do skupín podľa oblastí tela na svaly hlavy, krku, trupu a končatín. Ku kostre sa upínajú spravidla v dvoch oblastiach: prvá sa nazýva začiatok (origo) a druhá úpon (insertio).
Prečítajte si tiež: Programovanie pre budúcnosť detí
Na kostrovom svale rozlišujeme mäsitú časť svalu − svalové bruško (najmä u svalov vretenovitého tvaru) a šľachy. Základom mäsitej časti je priečne pruhované svalové tkanivo. Skladá sa z mnohojadrových svalových vlákien mikroskopickej veľkosti, ktoré sú riedkym väzivom združené v makroskopicky viditeľné snopčeky. V snopčeku býva 10 až 100 svalových vlákien. Brušká drobných svalov sú zložené zo snopčekov. V objemných svaloch sa snopčeky spájajú do snopcov, ktoré sú pokryté silnejším väzivovým obalom. Povrch celého svalového bruška kryje pevná a pružná väzivová blana fascia. Na oboch koncoch svalu sa nachádzajú šľachy, ktoré sú zväčša pevne napojené na kosti ako začiatky a úpony svalov. Niekedy sa šľacha rozširuje do plochy. Svaly sú doplnené cievami a nervami.
Chemické zloženie svalu
Najväčšou zložkou svalovej hmoty je voda (75 %), ďalej organické látky (24 %) a približne jedno percento anorganických látok. Z organických látok prevládajú bielkoviny. V sarkoplazme svalových vlákien sú prítomné albumíny, globulíny a myoglobín. Myoglobín je bielkovina podobnej štruktúry a funkcie ako červené krvné farbivo hemoglobín. Má však dvadsaťkrát väčšiu schopnosť viazať a opäť uvoľňovať kyslík. Vytvára sa tak zásoba kyslíku vo svaloch, ktorá je potrebná najmä vtedy, keď nie je jeho dostatočný prísun v krvi napr. pri plávaní pod vodou. Anorganické látky, okrem vody, sú vo svaloch prítomné v malom množstve. Ide o rôzne soli ako draslík, sodík, vápnik, horčík, železo a fosfor nevyhnutné pre činnosť svalu. Z ďalších anorganických látok sú vo svale prítomné na energiu bohaté fosfáty, schopné dodávať energiu priamo (adenozíntrifosfát), kyselina mliečna, svalový glykogén, enzýmy a ďalšie.
Fyzikálne a fyziologické vlastnosti svalu
Kostrové svaly sú pevné a pružné. Pružnosť sa prejavuje tak, že pri zaťažení sa sval pretiahne. V momente, keď prestane sila pôsobiť, sval sa skráti na pôvodnú dĺžku. Sval sa môže pretiahnuť o 40 % svojej pokojovej dĺžky, avšak ďalšie natiahnutie vedie k pretrhnutiu. Pevnosť svalu sa charakterizuje ako odolnosť svalu voči pretrhnutiu.
Základnou fyziologickou vlastnosťou svalových vlákien je dráždivosť a vodivosť. Adekvátnym podnetom pre podráždenie sú nervové vzruchy, ktoré do svalov privádzajú motorické nervové vlákna obvodových nervov na nervovosvalovej platničke. Odtiaľ je potom nervový vzruch vedený po svalových vláknach.
Inervácia svalu
Na činnosť svalov je potrebný prívod vzruchov z centrálnej nervovej sústavy. Svaly sú inervované mozgovými a miechovými nervami, a to motoricky i senzitívne.
Prečítajte si tiež: Predškolské vzdelávanie: Pedagogické základy
Motorické vlákna
Motorické vlákna vychádzajú z motorických jadier mozgových nervov pre svaly tváre a krku a z predných miechových rohov pre svaly trupu a končatín. Vzruchy privádzajú do svalu a vyvolávajú jeho kontrakciu. Vo svale sa každý neurit vetví do krátkych výbežkov, ktoré končia na každom svalovom vlákne v nervovosvalovej platničke.
Nervovosvalová platnička (motorická) má tvar plochého hrboľa, ktorý má stavbu a vlastnosť jednoduchej synapsie. Mediátorom vzruchu z nervovej sústavy na svalové vlákno je acetylcholín. Vzruch z jedného nervového vlákna uvádza do činnosti viac svalových vlákien, pretože nervové vlákno sa pred svojim zakončením vo svale vetví a inervuje tak väčší počet nervovosvalových platničiek. Súbor svalových vlákien, ktoré patria k jednému motoneurónu, sa nazýva hybná (motorická) jednotka.
Vo svaloch vykonávajúcich presné a jemné pohyby sú motorické jednotky veľmi malé (napr. v okohybných svaloch tvorí motorickú jednotku 8 − 12 svalových vlákien). Inervácia svalu má pre aktívnu činnosť svalov zásadný význam. Aktívny svalový pohyb je vyvolaný len na základe nervových impulzov, ktoré do svalu privádzajú motorické vlákna. Najdôležitejšiu úlohu majú práve vzruchy privádzané prostredníctvom pyramídovej dráhy z motorickej oblasti mozgovej kôry, keďže umožňujú voľné pohyby. Pri porušení inervácie v ktoromkoľvek úseku tejto motorickej dráhy (pri detskej mozgovej obrne, pri mozgovej mŕtvici), strácajú svaly schopnosť aktívnych vedomých pohybov. Svaly, ktoré sa nehýbu (napr. počas dlhodobej hospitalizácie) sa zmenšujú (atrofia).
Senzitívne vlákna
Senzitívne vlákna sú dostredivé a vychádzajú zo svalových vretienok a šľachových teliesok. Ich činnosť je základom hybného vnímania (svalstvo je pre veľký obsah receptorov i zmyslovým orgánom podobne ako koža). Je významná pre udržanie vzpriameného postoja, zabezpečenie správnej polohy tela a jeho častí v pokoji ako aj pri vykonávaní rôznych pohybov.
Svalové vretienka sú jemné, 1 - 5 mm dlhé svalové snopčeky, ktoré sú od okolitých snopčekov oddelené vretenovitým väzivovým puzdrom. Vstupuje do nich zväzoček motorických a senzitívnych nervových vlákien. Motorické vlákna končia v nervovosvalových platničkách vretienka. Senzitívne vlákna vytvárajú špirály na povrchu svalových vlákien vretienka. Tieto špirálovité vetvičky sú citlivé na pretiahnutie svalu. Šľachové telieska (Golgiho telieska) majú podobnú stavbu ako svalové vretienka. Sú dráždené pretiahnutím šľachy pri skrátení svalu. Vyskytujú sa na prechode svalu do šľachy.
Prečítajte si tiež: Jedálniček pre rast svalov
Vlákna vegetatívnych nervov, ktoré do svalov vstupujú, vedú k svalovým cievam a sprostredkúvajú ich hybné reakcie.
Princíp svalovej kontrakcie
Sval reaguje na podráždenie sťahom (kontrakciou). Pri podráždení sa zmení najskôr pokojový potenciál na akčný potenciál. Dochádza k zmene usporiadania kladných nábojov na povrchu svalového vlákna a záporných nábojov vo vnútri vlákna. Nastáva depolarizácia a vlna záporného potenciálu sa šíri po povrchu svalového vlákna. Vzniká svalový vzruch, ktorý predchádza svalovému sťahu. Pri dráždení svalu nervovými impulzmi prebehnú nasledujúce deje:
- Nervový vzruch v nervovosvalovej platničke je prenesený pomocou mediátora (acetylcholín) na membránu svalového vlákna, kde vznikne akčný potenciál.
- Nastáva presun iónov (depolarizácia membrány) a vznikne svalový vzruch, ktorý sa šíri po svalovom vlákne. Tým sa vyvolá sťah svalového vlákna. Vznik akčných potenciálov v nervovosvalovej platničke ovplyvňujú niektoré ióny (zvýšenie dráždivosti pri zvýšenej koncentrácii vápnika vyvolá svalové kŕče, zníženie sodíka znižuje dráždivosť svalu).
- Elektrické zmeny prechádzajú do mechanickej kontrakcie. Bielkovina myofibríl aktín sa zasunie medzi vlákna myozínu. Vznikne tak komplex nazývaný aktomyozín a sval sa skráti. Po skončení kontrakcie prechádza aktomyozín opäť na aktín a myozín. K uvedeným dejom je potrebná energia, ktorá vzniká štiepením ATP za prítomnosti iónov vápnika. Uvoľnenie energie nastáva veľmi rýchlo a práve preto sú svaly schopné veľkého výkonu už na začiatku každej činnosti ako napr. rýchly beh po štarte.
Koncentrácia ATP sa vo svaloch príliš nemení, keďže po uvoľnení svalu sa ATP ihneď obnovuje. K tejto reakcii sa získava energia štiepením glukózy zo svalového glykogénu. Po dlhšom zaťažení sa využíva energia v tukoch a bielkovinách.
Pri svalovej činnosti vzniká teplo ako produkt metabolických procesov, ktoré pokrýva tepelné straty tela. Svalový sťah je mechanickou odpoveďou na nervové podráždenie, ku ktorému dochádza v priebehu svalového vzruchu. Svalové vlákno sa pri ňom skráti a zväčší o jeho priečny rozmer. To, čo sa deje s jednotlivými svalovými vláknami, sa deje i s celou mäsitou časťou svalu, ktorá sa počas sťahu skráti, viac vystúpi a stvrdne.
Druhy svalových kontrakcií
Podľa zmien na svale rozlišujeme dva druhy svalových kontrakcií:
- Izotonickú kontrakciu, pri ktorej sa sval zmršťuje a skracuje, mení teda svoju dĺžku, ale vnútorné napätie ostáva rovnaké.
- Izometrickej kontrakcii sval dĺžku nemení, ale mení sa len vnútorné napätie svalu. Podľa stvrdnutia svalového bruška pozorujeme, že sval je v činnosti. Veľkosť kontrakcie závisí od veľkosti a frekvencie podnetu, od teploty a únavy. Dlhodobé skrátenie svalu a neschopnosť ochabnutia sa nazýva kontraktúra. Spôsobuje trvalo chorobné držanie končatín, napr. pri poškodení prvej časti pyramídovej dráhy pri detskej mozgovej obrne. Niekedy sa kontraktúra objavuje pri veľkej únave, napr. kontraktúra lýtkového svalstva pri dlhodobom pochode. Pri odpočinku mizne.
Svalové napätie
Okrem krádkodobých kontrakcií je každý sval i v pokoji v stave určitého zmrštenia (slabá izometrická kontrakcia). Tento pokojový trvalý stav sa nazýva pokojové napätie svalu alebo svalový tonus, a predstavuje základný nervovosvalový reflexný dej. Pokojové napätie zabezpečuje držanie tela a jeho častí.
U niektorých svalov ustupuje pohybová funkcia takmer do úzadia a jej základnou činnosťou je svalový tonus, ktorý napomáha udržovať vzpriamený postoj a spojenie kostí v kĺboch. Svalový tonus nevyvoláva únavu svalu a nie je energeticky náročný. Pre jeho udržovanie má veľký význam senzitívna inervácia z okolitých kĺbov. Pokojový tonus mizne len po strate inervácie alebo po smrti. Behom života nie je pokojové napätie rovnaké. Znižuje sa v spánku, v bezvedomí a narkóze.
Spasticita je zvýšený svalový tonus, ktorý vzniká z rôznych príčin napr. pri poškodení pyramídových a extrapyramídových dráh. Svalová hypotónia je zníženie svalového napätia napr. pri poruchách mozočku.
Svalová sila a svalová práca
Sval pri každom sťahu vyvíja svalovú silu, ktorá sa vyjadruje ako hmotnosť závažia, ktoré sval ešte udrží v rovnováhe proti gratvitácii. Silu svalových skupín meriame rôznymi typmi dynamometrov. Svalová sila je najväčšia na začiatku sťahu a postupne sa zmenšuje. Počas ontogenetického vývinu sa svalová sila zväčšuje do 25. roku života, vrcholí v 30. rokoch a potom postupne klesá. Ženy majú o 30 ‒ 50 % menšiu svalovú silu ako muži, pričom trénovaním sa sila svalov zväčšuje.
Prácou svalu sa rozumie pôsobenie svalovej sily po určitej dráhe. Z fyziologického hľadiska rozlišujeme tri druhy svalovej práce:
- Pozitívna práca, pri ktorej sval pracuje proti odporu a dodáva telesu polohovú alebo pohybovú energiu.
- Statická práca, pri ktorej udržiavame predmet v rovnakej výške.
- Negatívna práca; sval povoľuje proti odporu a zadržuje pohyb alebo pád.
Svalová únava
Pri namáhavej a dlhotrvajúcej práci klesá výkonnosť svalov a dostavuje sa únava. Svalové kontrakcie sa postupne zmenšujú až úplne vymiznú. Rýchlosť nástupu únavy závisí na veľkosti práce a na rytme, v ktorom sval pracuje. Príčinou únavy je vyčerpanie zdrojov energie, najmä ATP, a nahromadenie splodín látkovej premeny. Tieto zmeny znemožňujú prenos vzruchu na nervovosvalovej platničke. Únava má pre organizmus ochranný význam. Nastupuje skôr ako sa úplne vyčerpajú energetické rezervy a tak chráni organizmus pred vyčerpaním a poškodením.
Cievne zásobenie svalu
Krv zabezpečuje vo svaloch látkovú premenu. Kolmo k svalu prichádza tepna, ktorá sa vo vnútri vetví. Konečné vetvičky vytvárajú bohatú sieť vlásočníc. Vlásočnice prebiehajú pozdĺžne medzi svalovými vláknami, majú však medzi sebou priečne spojky. Na 1 mm2 priečneho prierezu svalom pripadá približne 2000 vlásočníc.
Súčet priesvitov vlásočníc tvorí proti vstupnej tepne veľmi široké krvné riečisko, takže prúd krvi sa značne spomalí. Vlásočnice sú miestom výmeny látok medzi krvou a svalovým tkanivom. Privádzajú svalovým vláknam kyslík a výživné látky a odoberajú oxid uhličitý a splodiny látkovej premeny. Na žilovej strane sa spájajú do žíl, ktoré vo svojej dráhe sprevádzajú tepny.
V pokoji je do činnosti zapojených nie viac ako 5 % vlásočníc, pričom ostatné (95 %) tvoria rezervu pre zapojenie svalu z pokoja do činnosti. Činný sval sa bohato prekrvuje a podľa intenzity činnosti sa zvyšuje látková výmena.
Rast a vývin svalstva
Svaly sa začínajú rozlišovať už v prenatálnom období. Pohyby plodu v piatom mesiaci vnútromaternicového vývinu, ktoré tehotná žena pociťuje, sú dôkazom činnosti svalov.
U novorodenca sú všetky svaly tvarovo vyvinuté, ale nie sú schopné plného výkonu, a to aj preto, že centrálna nervová sústava spolu s obvodovými nervami v tomto období iba dozrieva. V priebehu ďalšieho rastu a vývinu sa zvyšuje podiel svalstva asi z jednej štvrtiny na jednu tretinu celkovej telesnej hmotnosti. Svaly detí majú vyšší obsah vody (82 %) a v porovnaní so svalmi dospelých sa omnoho ľahšie unavia. Pri ďalšom vývine sa vo svaloch znižuje obsah vody a zväčšuje sa podiel bielkovín. Veľký rozvoj svalstva nastáva predovšetkým u chlapcov v období pohlavného dospievania, a práve preto potrebujú v tomto období stravu bohatú na bielkoviny.
S pribúdaním svalovej hmoty prebieha i rozvoj činnosti svalov. V predškolskom veku sa vyvíjajú hlavne veľké svaly. Od šiesteho roku sa začína vyrovnávať nepomer vo vývine veľkých a malých svalov. Drobné svaly sa začínajú viac uplatňovať a tak je možné začať s rozvojom jemnej motoriky rúk.
V mladšom školskom veku postupuje vývin svalstva a jeho zdokonaľovanie pozvoľne. Ide o obdobie nácviku pohybových návykov v súlade s vývinom funkcie mozgovej kôry. Toto obdobie je charakteristické krátkodobými a menej výkonnými pohybmi, ktoré nie sú také jemné a presné ako u dospelých ľudí.
V staršom školskom veku svalstvo mohutnie a spresňuje sa jeho pohybová koordinácia. Spevňuje sa aj väzivový aparát kĺbov a dokončuje sa osifikácia kostí. Svalstvo získava schopnosť pohybov, pri ktorých sa prejavuje sila, vytrvalosť, obratnosť a rýchlosť.
Poruchy svalovej funkcie
Príčiny porúch kostrových svalov sú rôzne. Sú spôsobené:
- nečinnosťou, napr. pri dlhodobom znehybnení,
- prerušením spojenia medzi nervovým a svalovým vláknom,
- chorobnými procesmi vo svale, napr. Plégia je totálne ochrnutie.
Energetický základ svalovej kontrakcie
Za biologickú podstatu telesného pohybu sa všeobecne považuje proces premeny ch.E. metabolických substrátov na mechanickú prácu svalovej kontrakcie. Uplatňuje sa tu jedine energia akumulovaná v ch. Štiepenie ATP je energetický základ svalovej kontrakcie.
Biofyzika nervového impulzu
Biofyzika nervového impulzu zahŕňa pokojový potenciál, činnostný potenciál - vznik a šírenie axónom, synaptický prenos.
Vzťah kľudového potenciálu a priepustnosti membrány pre ióny. Donnanova rovnováha, Goldmanova rovnica, iónová pumpa., Synaptický prenos.
tags: #biofyzikalne #zaklady #svalovej #kontrakcie