Концепция возникновения болей в мышцах во время и после физической нагрузки

В статье на основе анализа литературных источников описана концепция возникновения острых болезненных ощущений в скелетных мышцах человека под воздействием физической нагрузки. Показано, что острые болезненные ощущения возникают в скелетных мышцах следствие их отёка и накопления ионов водорода, которые вызывают активацию ноцицепторов, реагирующих на давление и изменение кислотности среды.

Самсонова А.В., Самсонов М.А., Самсонов Г.А. Концепция возникновения острых болезненных ощущений в скелетных мышцах под воздействием физической нагрузки // Труды кафедры биомеханики университета имени П.Ф.Лесгафта, 2021.- Вып.15.- С. 35-41.

УДК 612.746+796

КОНЦЕПЦИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСТРЫХ БОЛЕЗНЕННЫХ ОЩУЩЕНИЙ В СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦАХ ЧЕЛОВЕКА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Самсонова А.В., Самсонов Г.А., Самсонов М.А.

Аннотация 

В статье на основе анализа литературных источников описана концепция возникновения острых болезненных ощущений в скелетных мышцах человека под воздействием физической нагрузки. Показано, что острые болезненные ощущения возникают в скелетных мышцах следствие их отёка и накопления ионов водорода, которые вызывают активацию ноцицепторов, реагирующих на давление и изменение кислотности среды.

Ключевые слова

скелетные мышцы, острые болезненные ощущения, гидролиз АТФ, гликолиз, ноцицепторы

THE CONCEPT OF THE OCCURRENCE OF ACUTE SORENESS IN HUMAN SKELETAL MUSCLES UNDER THE INFLUENCE OF EXERCISE STRESS

 Samsonova A.V., Samsonov G.A., Samsonov M.A.

Abstract

Based on the analysis of literary sources, the article describes the concept of the occurrence of acute soreness in human skeletal muscles under the influence of physical activity. It has been shown that acute soreness arises in skeletal muscles as a consequence of their edema and accumulation of hydrogen ions, which cause the activation of nociceptors that respond to pressure and changes in the acidity of the environment.

Key words

skeletal muscle, acute soreness, ATP hydrolysis, glycolysis, nociceptors

Введение

Известно, что многие люди во время и после физической нагрузки испытывают боли в мышцах. Особенно это ярко проявляется у начинающих после первых силовых тренировок. В зависимости от времени проявления болезненных ощущений их разделяют на острые и запаздывающие. Острые болезненные ощущения возникают в течение, и сразу после физической нагрузки. Запаздывающие болезненные ощущения, возникают через 8-12 часов после физической нагрузки и достигают максимума через один-два дня [7]. Несмотря на большое количество публикаций по этой тематике до настоящего времени отсутствует целостная концепция, объясняющая возникновение болезненных ощущений во время тренировки.

Целью настоящей работы являлась разработка концепции, описывающей причины возникновения и механизмы, лежащие в основе острых болезненных ощущений.

Результаты

Научные данные свидетельствуют о том, что возникновение боли и жжения в мышечных волокнах является следствием протекающих в них биохимических процессов, а именно: гидролиза АТФ и ресинтеза АТФ [7].

АТФ (аденозинтрифосфат) является основным источником энергии в мышцах. Эту энергию поставляет реакция гидролиза АТФ, которая протекает в саркоплазме. При взаимодействии АТФ с водой выделяется энергия, а также образуются аденозиндифосфат (АДФ), неорганический фосфат (HРО₄^2-) и ионы водорода (H⁺). Реакция гидролиза АТФ имеет следующий вид:

ATФ + H₂O → AДФ + HРО₄^2- + H⁺ + энергия.

В результате реакции гидролиза АТФ в саркоплазме возрастает количество ионов водорода H⁺. Это сдвигает pH[1] саркоплазмы в кислую сторону и приводит к «закислению» скелетных мышц [11,12].

Однако АТФ в мышцах очень мало, и он расходуется в течение двух секунд после начала работы [3]. Поэтому, чтобы сокращение мышц было продолжено, АТФ нужно восполнять. Для этого необходим ресинтез АТФ.

Одним из путей ресинтеза АТФ является гликолиз. Если уровень физической нагрузки находится в пределах от 30% до 75% от максимума, примерно после 30 с работы гликолиз становится основным механизмом восстановления АТФ в мышцах [3]. Суть этой реакции заключается в анаэробном распаде глюкозы или мышечного гликогена до молочной кислоты, АТФ и воды. Реакция гликолиза имеет следующий вид:

С₆H₁₂O₆ + 2 АДФ + 2 H₃PO₄   →  2 С₃H₆O₃ + 2 АТФ + 2H₂O,

(С₆H₁₀O₅)_n + 3 АДФ + 3 H₃PO₄ → 2 С₃H₆O₃ + (С₆H₁₀O₅)_n-1 + 3 АТФ + 2H₂O,

где: С₆H₁₂O₆ – глюкоза; (С₆H₁₀O₅)_n – гликоген; H₃PO₄ – фосфорная кислота, С₃H₆O₃ – молочная кислота; H₂O – вода.

В мышечных волокнах в свободном виде глюкоза практически не присутствует [3], поэтому в основном распадается гликоген. В результате в саркоплазме накапливается много молочной кислоты, которая очень быстро разлагается и образует соль (лактат натрия или лактат калия). При превращении молочной кислоты в лактат, в саркоплазму поступают ионы водорода в дополнение к тем, которые выделились при гидролизе АТФ. В результате pH саркоплазмы еще больше уменьшается, а мышечные волокна еще больше «закисляются».

Долгое время считалось, что основной причиной «закисления» мышц является гликолиз, так как его конечными продуктами являются молочная кислота и (или) лактат. Однако, согласно современным научным данным [11,12] именно гидролиз АТФ является главным поставщиком ионов водорода и причиной «закисления» мышц. Из рис.1, построенного на основе данных R.A. Robergs [11] следует, что в результате гидролиза АТФ высвобождается значительно больше (63%) ионов водорода, чем в результате гликолиза (37%).

В дальнейшем, накопившиеся ионы водорода повышают проницаемость оболочки мышечных волокон [6], и из тканевой жидкости и плазмы крови в них начинает поступать вода. Саркоплазма становится более соленой из-за накопленного лактата (солей натрия или калия). В результате этого под действием осмотического давления вода из менее соленого раствора (тканевой жидкости) поступает в более соленый.

Поступление воды в мышечные волокна вызывает их отёк, что приводит к увеличению объёма волокна [2]. Следует отметить, что вода поступает в мышечные волокна посредством специального белка в водопроводящих каналах сарколеммы, который называется Аквапорин-4. Эти каналы более выражены в быстрых мышечных волокнах [9, 8].

Увеличенные в размерах мышечные волокна сжимают болевые рецепторы (ноцицепторы), расположенные между ними. Эти рецепторы чувствительны к давлению, поэтому они отправляют в нервную систему сигналы о боли [10].

Помимо этого, в мышечных волокнах активно функционирует натрий-водородный антипортер [4]. Посредством антипорта из мышечных волокон в тканевую жидкость выводятся ионы водорода, а в мышечные волокна поступают ионы натрия. Повышенная концентрация ионов водорода повышает кислотность тканевой жидкости. В результате этого активируются болевые рецепторы, чувствительные к изменению кислотности среды, что является причиной жжения в мышцах [14].

Кроме болезненных ощущений, отёк мышечных волокон приводит к увеличению твёрдости и объёма мышцы. Это и есть тот самый памп-эффект, который возникает в процессе силовой тренировки.

Обычно острые болезненные ощущения в мышцах исчезают через несколько минут после окончания нагрузки, но могут длиться до двух часов. Это связано с тем, что за полтора-два часа концентрация ионов водорода, лактата и воды приходит в норму [1].

Установлено, что наибольшая концентрация ионов водорода в мышце (то есть максимальное закисление мышцы и минимальное значение pH) наблюдается в течение первых 2-3 минут отдыха после окончания работы [7], рис.2. В это время болезненные ощущения наиболее сильны.

В течение 1-1,5 часов после физической нагрузки лактат удаляется из мышечных волокон и достигает своих исходных значений [1]. Наибольшее количество лактата (немногим более 60%) превращается в пируват (соль пировиноградной кислоты), который поступает в митохондрии мышечных волокон. В митохондриях пируват окисляется до углекислого газа и воды. Значительно меньшая часть лактата (около 20%) поступает в кровь и доставляется в печень. В печени лактат включается в метаболические реакции, приводящие к синтезу гликогена. Небольшая часть лактата (около 10%) остается в саркоплазме и используется для образования аминокислот, из которых затем синтезируются белки. Незначительное количество лактата (приблизительно 5%) выводится из организма вместе с мочой и потом [1].

После устранения лактата из мышечных волокон, объем мышц возвращается к норме, потому что удаляется вода, которую удерживала соль. Вода выходит из мышечных волокон в тканевую жидкость, и её излишки удаляются через лимфатическую систему. Давление волокон на болевые рецепторы уменьшается.

Также постепенно нормализуется кислотность саркоплазмы и тканевой жидкости. Жжение и боль в мышцах полностью проходят.

Доказано, что аэробная работа небольшой интенсивности после физической нагрузки, например бег или езда на велосипеде способствуют более быстрому удалению лактата из мышечных волокон. Но ускоренное удаление лактата из мышц мешает увеличивать их силу и гипертрофию [5], так как именно присутствие лактата в мышечных волокнах вызывает их отёк и повышение механического напряжения. А механическое напряжение является одним из механизмов увеличения силы и гипертрофии скелетных мышц [13].

Заключение

Представлена концепция, описывающая причины возникновения и механизмы, лежащие в основе острых болезненных ощущений.

Литература

1. Волков Н.И., Несен Н.Э. Осипенко А.А., Корсун С.Н. Биохимия мышечной деятельности. – Киев: Олимпийская литература, 2000.– 503 с.
2. Калинский М.И., Рогозкин В.А. Биохимия мышечной деятельности. – Киев: Здоровья, 1989.– 144 с.
3. Михайлов С.С. Спортивная биохимия: учебник для вузов и колледжей физической культуры. – М.: Советский спорт, 2009.– 348 с.
4. Небылицын Ю.С., Лазуко С.С., Кутько Е.А. Синдром ишемии-реперфузии нижних конечностей // Вестник Витебского государственного медицинского университета, 2018. – Т. 17. – № 6. – С. 18-30.
5. Степанова М., Степанов В. «Анаэробика»: теория, эксперименты, результаты // Легкая атлетика, 2011. – № 7-8. – С. 24-27.
6. Теория и практика применения дидактики развивающего обучения в подготовке специалистов по физическому воспитанию: Труды сотрудников проблемной научно-исследовательской лаборатории / Научный руководитель В.Н. Селуянов. – М: Физкультура, образование и наука, 1996. – 106 с.
7. Уилмор Дж., Костилл Д.Л. Физиология спорта и двигательной активности. – Киев: Олимпийская литература, 1997.– 502 с.
8. AQP4-Dependent Water Transport Plays a Functional Role in Exercise-Induced Skeletal Muscle Adaptations // D. Basco, D. Blaauw, F. Pisani, A. Sparaneo, et al. // PLoS ONE, 2013.- Vol. 8. No. 3: P. 58712.
9. Expression of Aquaporin-4 in Fast-Twitch Fibers of Mammalian Skeletal Muscle // A. Frigeri, G. P. Nicchia, J. M. Verbavatz, G. Valenti, M. Svelto // Journal of Clinical Investigation, 1998.– Vol. 102.– No 4.- P. 695-703.
10. Mense S., Meyer H. Different types of slowly conducting afferent units in the cat skeletal muscle and tendon // Journal of Physiology, 1985. – Vol. 363.- P. 403-417.
11. Robergs R.A. Exercise-induced metabolic acidosis: where do the protons come from? // Sportscience, 2001. – Vol. 5. www. sportsci.org/jour/0102/rar. htm, 2001
12. Robergs R.A., Ghiasvand F. Parker D. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis // American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 2004. –Vol. 287. – P. 502–516.
13. Schoenfeld B. Science and development of muscle hypertrophy. – Champaign. IL. 2016. – 213 p.
14. Thimm F., Baum K. Response of Chemosensitive nerve fibers of group III and IV to metabolic changes in rat muscles // Pflugers Archiv, 1987.– Vol. 410.– P. 143-152.

[1]pH — водородный показатель (от лат. pondus Hydrogenii) — мера кислотности водных растворов.

• В нейтральной среде pH равен 7. В кислой среде pH меньше 7 (pH <7), в щелочной среде pH больше 7 (pH>7).