
ماهیچهها یکی از آن چیزهایی هستند که اکثر ما بهطور کامل به آنها بیتوجه هستیم، اما آنها به دلایل کلیدی بسیار مهم هستند:
ماهیچهها “موتور” بدن شما هستند که برای حرکت استفاده میشوند. اگرچه آنها بهگونهای متفاوت از موتور ماشین یا موتور الکتریکی کار میکنند، اما ماهیچهها همان کار را انجام میدهند – انرژی را به حرکت تبدیل میکنند.
بدون ماهیچههای خود، انجام هیچ کاری برای شما ممکن نخواهد بود. هر چیزی که شما با مغز خود تصور میکنید، بهصورت حرکات ماهیچهای بیان میشود. تنها راههای بیان یک ایده برای شما با استفاده از ماهیچههای حنجره، دهان و زبان (کلمات گفتاری)، با استفاده از ماهیچههای انگشتان (کلمات نوشتاری یا “صحبت کردن با دستان”) یا با ماهیچههای اسکلتی (زبان بدن، رقص، دویدن، ساختن یا جنگیدن، به عنوان چند مثال) است.
از آنجاییکه ماهیچهها برای هر حیوانی حیاتی هستند، بسیار پیچیده هستند. آنها در تبدیل سوخت به حرکت بسیار کارآمد هستند، طول عمر بالایی دارند، خود را ترمیم میکنند و میتوانند با تمرین قویتر شوند. آنها همه چیز را، از پیادهروی تا حفظ جریان خون شما، انجام میدهند!
وقتی اکثر مردم به “ماهیچهها” فکر میکنند، به ماهیچههایی که میتوانیم ببینیم فکر میکنند. بهعنوان مثال، اکثر ما درباره ماهیچههای عضلات دو سر در بازوهایمان میدانیم. اما در بدن هر پستانداری سه نوع ماهیچه منحصر به فرد وجود دارد:
• ماهیچههای اسکلتی (Skeletal muscle) نوعی از ماهیچه هستند که میتوانیم آنها را ببینیم و احساس کنیم. وقتی یک بدنساز تمرین میکند تا توده عضلانی را افزایش دهد، ماهیچههای اسکلتی هستند که تمرین داده میشوند. ماهیچههای اسکلتی به اسکلت متصل میشوند و بهصورت جفتی عمل میکنند – یک ماهیچه برای حرکت استخوان در یک سمت و دیگری برای بازگرداندن آن به سمت دیگر. این ماهیچهها معمولاً بهصورت ارادی (voluntarily) منقبض میشوند، به این معنی که شما درباره انقباض آنها فکر میکنید و سیستم عصبی شما به آنها میگوید که این کار را انجام دهند. آنها میتوانند یک انقباض کوتاه و تک (Twitch) یا یک انقباض طولانی و پایدار (Tetanus) داشته باشند.
• ماهیچههای صاف (Smooth muscle) در سیستم گوارش، عروق خونی، مثانه، راههای هوایی و در رحم یک زن، یافت میشوند. ماهیچههای صاف توانایی کش آمدن (stretch) و حفظ تنش (maintain tension) برای مدت طولانی را دارند. آنها بهصورت غیرارادی (involuntarily) منقبض میشوند، به این معنی که شما نیازی به فکر کردن درباره انقباض آنها ندارید زیرا سیستم عصبی شما بهطور خودکار آنها را کنترل میکند. بهعنوان مثال، معده و رودههای شما تمام روز کارهای عضلانی خود را انجام میدهند و در بیشتر موارد شما از آنچه در آنجا میگذرد، بیخبر هستید.
• ماهیچههای قلبی (Cardiac muscle) تنها در قلب شما یافت میشوند و ویژگیهای بزرگ آنها استقامت (endurance) و ثبات (consistency) است. آنها میتوانند بهطور محدود کشیده شوند، مانند ماهیچههای صاف، و با نیرویی مشابه ماهیچههای اسکلتی منقبض شوند. این ماهیچهها تنها بهصورت انقباض کوتاه و تک (Twitch) عمل میکنند و بهصورت غیرارادی (involuntarily) منقبض میشوند.
در این مقاله، به بررسی انواع مختلف عضلات در بدن شما و تکنولوژی شگفتانگیزی که به این عضلات اجازه میدهد تا به خوبی کار کنند، خواهیم پرداخت. از اینجا به بعد، تمرکز ما بر روی عضلات اسکلتی خواهد بود. فرآیندهای مولکولی بنیادی در هر سه نوع عضله مشابه هستند.
مبانی ماهیچههای اسکلتی

عضلات اسکلتی به عنوان عضلات خطی (Striated muscle) نیز شناخته میشوند، زیرا زمانی که در زیر نور قطبیده مشاهده یا با یک نشانگر رنگآمیزی میشوند، میتوانید نوارهای متناوب روشن و تیره (خطخطی) را ببینید.
عضله اسکلتی یک ساختار پیچیده دارد که برای انقباض آن ضروری است. ما یک عضله اسکلتی را از بزرگترین ساختارها شروع کرده و به سمت ساختارهای کوچکتر پیش خواهیم رفت.
عملکرد اصلی هر عضله، انقباض (Contraction) است. به عنوان مثال، هنگامی که به حرکت دادن بازوی خود با استفاده از ماهیچه دوسر میاندیشید، مغز شما سیگنالی را از طریق یک عصب به ماهیچه دوسر میفرستد و به آن دستور میدهد تا انقباض ایجاد کند. مقدار نیرویی که عضله تولید میکند متغیر است؛ بسته به سیگنالی که عصب ارسال میکند عضله میتواند کم یا زیاد منقبض شود. همه کاری که عضله میتواند انجام دهد، ایجاد نیروی انقباض است.
یک عضله، مجموعهای از بسیاری از سلولها به نام الیاف یا فیبر (Fibers) است. میتوانید الیاف عضلانی را به عنوان استوانههای بلند تصور کنید و در مقایسه با سایر سلولهای بدن شما، الیافهای عضلانی نسبتاً بزرگ هستند. طول آنها بین ۱ تا ۴۰ میکرون و قطر آنها بین ۱۰ تا ۱۰۰ میکرون است. برای مقایسه، قطر یک رشته مو حدود ۱۰۰ میکرون و قطر یک سلول معمولی در بدن شما تقریباً ۱۰ میکرون است.
یک فیبر عضلانی شامل تعداد بسیاری از میوفیبریلها (Myofibrils) میباشد که استوانههایی از پروتئینهای عضلانی هستند. این پروتئینها به یک سلول عضلانی کمک میکنند تا انقباض داشته باشد. میوفیبریلها شامل دو نوع رشته یا فیلامنت (Filaments) هستند که در طول محور بلند فیبر قرار دارند و این رشتهها در الگوهای ششگانه مرتب شدهاند. رشتهها ضخیم و نازک هستند. هر رشته ضخیم توسط شش رشته نازک دیگر احاطه شده است.
رشتههای ضخیم و نازک به ساختار دیگری به نام دیسک Z (Z-disk) یا خط Z (Z-line) متصل هستند که به صورت عمود بر محور بلند فیبر قرار دارد (میوفیبریل که از یک خط Z به خط Z دیگر امتداد مییابد، به عنوان سارکومر (Sarcomere) شناخته میشود). در امتداد خط Z یک لوله کوچک به نام لوله عرضی (transverse) یا T-tubule قرار دارد که در واقع بخشی از غشای سلول است که به داخل فیبر گسترش یافته است. درون فیبر، سیستمی از غشا به نام شبکه سارکوپلاسمی (Sarcoplasmic reticulum) وجود دارد که یونهای کلسیم را ذخیره و آزاد میکند و این یونها انقباض عضله را تحریک میکنند.
انقباض یک عضله
در طول انقباض، فیلامنتها یا رشتههای نازک در کنار رشتههای ضخیم حرکت میکنند و سارکومر کوتاه میشود.
رشتههای ضخیم و نازک، کار واقعی یک عضله را انجام میدهند و روش انجام این کار بسیار جالب است. رشتههای ضخیم از پروتئینی به نام میوزین (Myosin) تشکیل شدهاند. در سطح مولکولی، یک رشته ضخیم، یک محور از مولکولهای میوزین است که به شکل استوانهای ترتیبیافتهاند. رشتههای نازک از پروتئینی دیگر به نام آکتین (Actin) تشکیل شدهاند. رشتههای نازک شبیه دو رشته مروارید هستند که به دور یکدیگر پیچیده شدهاند.
در طول انقباض، رشتههای ضخیم میوزین به رشتههای نازک آکتین با تشکیل پلهای عرضی یا پلکهایی (crossbridges) متصل میشوند. رشتههای ضخیم رشتههای نازک را به سمت خود میکشند و سارکومر را کوتاهتر میکنند. در یک فیبر عضلانی، سیگنال انقباض در کل فیبر همزمان هماهنگ میشود تا تمام میوفبریلهایی که سارکومر را تشکیل میدهند، به طور همزمان کوتاه شوند.
دو ساختار در فرورفتگیهای هر رشته نازک وجود دارند که به رشتههای نازک اجازه میدهد تا به آسانی بر روی رشتههای ضخیم حرکت کنند: یک پروتئین میلهای بلند به نام تروپومیوزین (Tropomyosin) و یک مجموعه پروتئینی گرد کوچکتر به نام تروپونین (Troponin). تروپونین و تروپومیوزین کلیدهایی مولکولی هستند که تعامل آکتین و میوزین را در طول انقباض کنترل میکنند.
در حالی که لغزش رشتهها توضیح میدهد که چگونه عضله کوتاه میشود، ولی توضیح نمیدهد که چگونه عضله نیروی لازم برای کوتاه شدن را ایجاد میکند. برای درک این نیرو، بگذارید به این فکر کنیم که چگونه چیزی را با یک طناب بالا میکشید:
۱. طناب را با هر دو دست بگیرید، با دستهای کشیده.
۲. با یک دست، دست چپ را شل کنید و با دست راست فشار را حفظ کنید.
۳. با دست راست که طناب را نگه داشتهاید، شکل بازوی راست خود را تغییر دهید تا دست شما کوتاهتر شود و طناب را به سمت خود بکشید.
۴. طناب را با دست چپ خود بگیرید و فشار دست راست را رها کنید.
۵. شکل دست چپ خود را تغییر دهید تا کوتاه شود و طناب را بکشید، در حالی که دست راست شما به حالت اولیه خود باز میگردد تا بتواند طناب را بگیرد.
۶. مراحل ۲ تا ۵ را تکرار کنید تا به پایان برسید.
عضلات با چرخههای پلکهای میوزین نیرو تولید میکنند.
برای درک اینکه چگونه عضله نیرو ایجاد میکند، بیایید مثال طناب را به کار ببریم.
مولکولهای میوزین شکلهایی مشابه چوب گلف دارند. در مثال ما، سر چوب میوزین (به همراه پلکهایی که تشکیل میدهد) دست شماست و رشته آکتین طناب است:
۱. در طول انقباض، مولکول میوزین با یک مولکول آکتین در رشته نازک، پیوند شیمیایی تشکیل میدهد (طناب را گرفتن). این پیوند شیمیایی همان پلک است. برای واضح بودن مسئله، فقط یک پلک در شکل بالا نشان داده شده است (توجه به یک دست).
۲. در ابتدا، پلک در حالت کشیده است (که یعنی دست شما کشیده است) با آدنوزین دیفسفات (ADP) و فسفات غیر آلی (Pi) متصل به میوزین.
۳. به محض اینکه پلک تشکیل شد، سر میوزین خم میشود (دست شما کوتاه میشود)، و بدین ترتیب قدرت ایجاد کرده و رشته آکتین را به سمت خود میکشد (طناب را میکشد). این روند به نام «ضربه قدرت (power stroke)» شناخته میشود.
۴. زمانی که ADP و Pi آزاد میشوند، یک مولکول آدنوزین تریفسفات (ATP) به میوزین متصل میشود. وقتی ATP متصل میشود، میوزین مولکول آکتین را آزاد میکند (برای رها کردن طناب).
۵. هنگامی که آکتین آزاد میشود، مولکول ATP توسط میوزین به ADP و Pi تجزیه میشود. انرژی حاصل از ATP، سر میوزین را به موقعیت اولیهاش برمیگرداند (دوباره بازو را دراز میکند).
۶. این فرایند تکرار میشود. عمل کرد میوزینها به طور همزمان نیست؛ در هر لحظه، برخی از میوزینها به رشته آکتین متصل میشوند (طناب را میگیرند)، برخی نیرو تولید میکنند (طناب را میکشند) و برخی دیگر رشته آکتین را آزاد میکنند (طناب را رها میکنند).
تمام انقباضات عضلات تحت تأثیر تحریکات الکتریکی (Electrical impulses) هستند، خواه این تحریکات توسط سلولهای عصبی منتقل شوند، بهطور داخلی ایجاد شوند (مانند دستگاه تحریککننده قلب) یا بهطور خارجی اعمال شوند (مانند یک تحریک الکتریکی).
رهاسازی و معکوس انقباض
فرآیند جفتشدگی (Coupling process)، از سیگنال الکتریکی (تحریک) به انقباض در عضله اسکلتی منتهی میشود.
سیگنال الکتریکی، محرک انقباض عضله است. این سیگنال الکتریکی مجموعهای از اتفاقات را به راه میاندازد که منجر به چرخه ارتباطی بین میوزین و آکتین میشود و نیرویی را تولید میکند. این سری از اتفاقات در عضلات اسکلتی، صاف و قلبی کمی متفاوت است.
بیایید نگاهی به آنچه در یک عضله اسکلتی از تحریک (Excitation) تا انقباض (Contraction) و سپس آرامش (Relaxation) برمیدارد، بیندازیم:
۱. یک سیگنال الکتریکی (پتانسیل عمل (Action potential)) از سلول عصبی عبور میکند و موجب آزاد شدن یک پیام شیمیایی (انتقالدهنده عصبی (Neurotransmitter)) به داخل یک حفره کوچک بین سلول عصبی و سلول عضلانی میشود. این حفره «سیناپس (Synapse)» نامیده میشود.
۲. انتقالدهنده عصبی از این حفره عبور کرده و به یک پروتئین (گیرنده (Receptor)) روی غشای سلول عضلانی متصل میشود و موجب ایجاد پتانسیل عمل در سلول عضلانی میگردد.
۳. پتانسیل عمل به سرعت در طول سلول عضلانی پخش شده و از طریق T-tubule به داخل سلول وارد میشود.
۴. پتانسیل عمل دربهای انبار کلسیم عضله (رشته سارکوپلاسمی (Sarcoplasmic reticulum)) را باز میکند.
۵. یونهای کلسیم (Calcium ions) به داخل سیتوپلاسم جاری میشوند، جایی که رشتههای آکتین و میوزین قرار دارند.
۶. یونهای کلسیم به مولکولهای تروپونین-تروپومیوزین واقع در شیارهای رشتههای آکتین متصل میشوند. به طور معمول، مولکولهای تروپومیوزین که به شکل میلهای هستند، محلهای روی آکتین را که میوزین میتواند پلهای عرضی تشکیل دهد پوشش میدهند.
۷. زمانی که یونهای کلسیم به تروپونین متصل میشوند، تروپونین تغییر شکل داده و تروپومیوزین را از شیار کنار میزند و محلهای اتصال میوزین و آکتین را نمایان میکند.
۸. میوزین از طریق چرخهسازی پلهای عرضی با آکتین تعامل میکند. به این ترتیب، عضله نیرو تولید کرده و کوتاه میشود.
۹. پس از عبور پتانسیل عمل، دربهای کلسیم بسته شده و پمپهای کلسیم واقع بر روی رشته سارکوپلاسمی، کلسیم را از سیتوپلاسم خارج میکنند.
۱۰ با پمپاژ مجدد کلسیم به داخل رشته سارکوپلاسمی ، یونهای کلسیم از تروپونین جدا میشوند.
۱۱. تروپونین به شکل طبیعی خود بازمیگردد و به تروپومیوزین اجازه میدهد تا محلهای اتصال میوزین-آکتین روی رشته آکتین را پوشش دهد.
۱۲. از آنجا که اکنون هیچ نقطه اتصالی در دسترس نیست، پلهای عرضی نمیتوانند تشکیل شوند و عضله آرامش پیدا میکند.
همانطور که میبینید، انقباض عضله توسط سطح یونهای کلسیم در سیتوپلاسم تنظیم میشود. در عضله اسکلتی، یونهای کلسیم در سطح آکتین عمل میکنند (انقباض تنظیمشده توسط آکتین). آنها پیچ و تاب تروپونین-تروپومیوزین را از محلهای اتصال کنار میزنند و به میوزین و آکتین اجازه میدهند تا با هم تعامل داشته باشند.
تمام این فعالیتها نیاز به انرژی دارد. عضلات از انرژی به شکل ATP استفاده میکنند. انرژی حاصل از ATP برای بازنشانی سر پلک یا پلهای عرضی میوزین و رهاسازی رشته آکتین مصرف میشود. برای تولید ATP، عضله کارهای زیر را انجام میدهد:
۱. تجزیه کراتین فسفات (Creatine phosphate)، که فسفات را به ADP اضافه کرده و ATP تولید میکند.
۲. انجام تنفس بیهوازی (Anaerobic respiration)، که در آن گلوکز (Glucose) به اسید لاکتیک (Lactic acid) تجزیه شده و ATP تولید میشود.
۳. انجام تنفس هوازی، که در آن گلوکز، گلیکوژن (Glycogen)، چربیها و آمینو اسیدها (Amino acids) در حضور اکسیژن تجزیه شده و ATP تولید میشود (برای جزئیات به «نحوه عملکرد ورزش» مراجعه کنید).
عضلات، ترکیبی از دو نوع فیبر اصلی دارند: تندپیچ (Fast twitch) و کندپیچ (Slow twitch). تندپیچها قادر به تولید نیروهای بیشتر، انقباض سریعتر و ظرفیت بیهوازی بالاتری هستند. در مقابل، کندپیچها به آرامی نیرو تولید کرده، میتوانند انقباضات را طولانیتر حفظ کنند و ظرفیت هوایی بالاتری دارند. تمرین میتواند افزایش جرم عضلانی را با تغییر اندازه و تعداد فیبرهای عضلانی و نه به نوع فیبرها نسبت دهد. برخی از ورزشکاران همچنین از داروهای تقویتکننده عملکرد، بهویژه استروئیدهای آنابولیک (Anabolic steroids)، برای ساخت عضله استفاده میکنند، هرچند این عمل خطرناک است و در بیشتر مسابقات ورزشی ممنوع است.
عضله قلبی و صاف

در حالی که بیشتر فرآیندها مشابه هستند، اما تفاوتهای قابل توجهی بین عملکرد عضلات اسکلتی، قلبی و صاف وجود دارد.
سلولهای عضله قلبی دارای خطهای عرضی (Striated) هستند و بسیار شبیه به سلولهای عضله اسکلتی هستند، با این تفاوت که در عضله قلبی، فیبرها به یکدیگر متصل شدهاند. شبکه سارکوپلاسمی در سلولهای عضله قلبی به خوبی توسعه نیافته است؛ در واقع، انقباض عضله قلبی تنظیم شده با اکتین (actin-regulated) است، به این معنی که یونهای کلسیم هم از شبکه سارکوپلاسمی (مانند عضله اسکلتی) و هم از خارج از سلول (مانند عضله صاف) تأمین میشوند. بجز این، زنجیرهی وقایعی که در انقباض عضله قلبی رخ میدهد، مشابه عضله اسکلتی است.
در مقایسه با عضله اسکلتی، سلولهای عضله صاف کوچکتر هستند. آنها به شکل دوک، حدود ۵۰ تا ۲۰۰ میکرون طول و فقط ۲ تا ۱۰ میکرون قطر دارند. این سلولها هیچ خط عرضی یا سارکومر ندارند. در عوض، آنها دارای دستههای نازک و ضخیم رشتهها یا فیلامنتها هستند (برخلاف باندهای به خوبی توسعه یافته) که معادل مایوفیبرها (Myofibrils) هستند. در سلولهای عضله صاف، رشتههای میانی (intermediate filaments) به صورت مشبک درون سلول قرار دارند، تقریباً مانند الیاف موجود در یک جفت جوراب توری. رشتههای میانی رشتههای نازک را نگه میدارند و مربوط به دیسک زدهای (Z-disks) عضله اسکلتی هستند. برخلاف سلولهای عضله اسکلتی، در سلولهای عضله صاف هیچ ترپونین، ترپومیوستین یا شبکه سارکوپلاسمی منظم وجود ندارد.
مانند سلولهای عضله اسکلتی، انقباض در یک سلول عضله صاف شامل تشکیل پلهای عرضی و سر خوردن رشته های نازک از کنار رشته های ضخیم است. با این حال، به دلیل اینکه عضله صاف به اندازه عضله اسکلتی سازمانیافته نیست، کوتاه شدن در تمام جهات اتفاق میافتد. در حین انقباض، رشتههای میانی سلول عضله صاف به بستهشدن سلول کمک میکنند، مانند بستن یک کیسه بند دار.
یونهای کلسیم انقباض را در عضله صاف تنظیم میکنند، اما آنها این کار را به روشی کمی متفاوت از عضله اسکلتی انجام میدهند:
۱. یونهای کلسیم از خارج از سلول وارد میشوند.
۲. یونهای کلسیم به یک مجتمع آنزیمی روی میوزین به نام زنجیره سبک کیناز کالمودولین- میوزین (calmodulin-myosin light chain kinase) متصل میشوند.
۳. این مجتمع آنزیمی ATP را به ADP تبدیل کرده و Pi را به طور مستقیم به میوزین منتقل میکند.
۴. این انتقال Pi میوزین را فعال میکند.
۵. میوزین با عمل (مانند عضله اسکلتی) پلهای متقاطع با رشتههای نازک تشکیل میدهد.
۶. وقتی یونهای کلسیم از سلول خارج میشوند، Pi توسط آنزیم دیگری از میوزین جدا میشود.
۷. میوزین غیر فعال شده و عضله شل میشود.
این فرآیند، انقباض وابسته به میوزین (Myosin-regulated contraction) نامیده میشود.
چقدر قوی هستید؟
شاید شما از اینکه مفاصل و عضلات بدن شما روزانه چه مقدار نیرویی را تحمل میکنند شگفتزده شوید. این بخش تعاملی از کشف شما را به داخل بدن میبرد و توضیح میدهد که واقعاً استخوانها و عضلات شما چه قدرتی دارند. سایر فعالیتها به شما اجازه میدهند که حتی بیشتر از سیستمهای بدن خود را کشف کنید تا ببینید که چگونه در زندگی روزمره شما حرکت میکنند.
سوالات متداول در مورد نحوه عملکرد عضلات
قویترین عضله در بدن انسان کدام است؟
هیچ توافقی وجود ندارد زیرا چندین روش برای قضاوت درباره قدرت وجود دارد. برخی از کارشناسان معتقدند که این عضله ماستر (Masseter) (که برای جویدن استفاده میشود)، در حالی که دیگران ادعا میکنند که بزرگترین عضله گلوتئوس ماکسیموس Gluteus maximus () (در ناحیه نشیمن) است.
انواع عضلات چیستند؟
سه نوع بافت عضلانی وجود دارد: قلبی، صاف و اسکلتی یا خطی. عضله قلبی فقط در قلب یافت میشود، در حالی که عضله صاف در سیستم گوارشی، رگهای خونی، مثانه، راههای هوایی و رحم وجود دارد. عضله اسکلتی نوع عضلهای است که شما میتوانید آن را ببینید و احساس کنید.
چند عضله و استخوان در بدن انسان وجود دارد؟
تخمین زده میشود که در بدن شما بیش از ۶۵۰ عضله نامگذاری شده وجود دارد. بدن انسان بزرگسال شامل ۲۰۶ استخوان است.
چه چیزی باعث انقباض عضله میشود؟
انقباض عضله با یک تحریک الکتریکی (ٍxcitation) آغاز میشود وقتی که مغز یک سیگنال را به اعصاب میفرستد تا به عضله برسد.
عضلات چگونه بدن را حرکت میدهند؟
عضلات با انقباض و شل شدن، بدن را حرکت میدهند. عضلات میتوانند استخوانها را بکشند، اما نمیتوانند آنها را فشار دهند، بنابراین به صورت جفتهای انعطافپذیر و انتشاری کار میکنند. الیاف تندپیچ میتوانند سریعتر منقبض شوند، در حالی که الیاف کندپیچ قادر به نگهداشتن انقباضات برای مدت زمان طولانیتر هستند.