الفصل الأول: الجهاز الحركي
الفصل الثاني: الفسيولوجيا - علم وظائف الأعضاء (أجهزة الدعم الحيوي)
الأيض وأنظمة الطاقة (Metabolism and Energy Systems)
الميكانيكا الحيوية Biomechanics

العضلات الهيكلية

تُشكل العضلات الهيكلية ما يقارب 40% من وزن الجسم حيث يحتوي جسم الإنسان على أكثر من 650 عضلة هيكلية وتؤدي هذه العضلات مجموعة من الوظائف في الجسم وتشمل:

  • دعم وضعية الجسم أو القوام ((Posture.
  • تثبيت المفاصل.
  • إنتاج (توليد) القوة لتحريك أو لتثبيت الجسم.
  • المحافظة على درجة حرارة الجسم حيث إن الانقباض العضلي يؤدي إلى تحرر طاقة حرارية.

خصائصها

تتمتع العضلات الهيكلية بعدة خصائص تجعلها قادرة على القيام بعملها وتشمل:

  • القدرة على الانقباض (Contraction) وبالتالي يقل طولها أي تقصر والقدرة على الارتخاء\الانبساط ((Relaxation مما يزيد طولها.
  • القدرة على استقبال المحفزات من الجهاز العصبي وكذلك إرسال المعلومات إلى الجهاز العصبي (الدماغ والحبل الشوكي).
  • القدرة على توليد قوة الشد (Tension) عند تحفيزها من قبل الجهاز العصبي.
  • القدرة على العودة إلى شكلها الأصلي (Resting length) بعد زيادة طولها أو نقصانه.
  • وفرة التروية الدموية الضرورية لتزويدها بالأوكسجين ومصادر الطاقة وكذلك لإزالة فضلات عمليات الأيض.

تركيبتها

كما ذكرنا سابقاً، تُعرف الخلية العضلية الواحدة بإسم الليف العضلي (Muscle fiber)وتترتب الألياف العضلية في النسيج العضلي على شكل حُزم (Bundles = Fascicles). تجتمع العديد من الحُزم ويغلفها نسيج ضام لتُشكل العضلة الهيكلية. أُنظر إلى الشكل رقم (12).

الشكل رقم 12

الأغشية الضامة التي تحيط بالعضلة

إذا ما تفحصنا مقطعاً عرضياً لعضلة معينة نلاحظ وجود عدد من الأنسجة الضامة التي تحيط بالخلايا العضلية والحُزم العضلية وكذلك بجسم العضلة ككل وتترتب هذه الأغشية بطريقة فريدة من الخارج إلى الداخل حسب الترتيب التالي:

  • الطبقة الخارجية :(Fascia) نسيج ضام يغلف جسم العضلة بالكامل ويفصلها عن العضلات الأخرى المحيطة بها وتُسمى أيضاً باللُفافة العضلية.
  • غِمد العضلة (Epimysium) : نسيج ضام يقع مباشرة تحت الطبقة الخارجية (Fascia).
  • ظهارة الحُزمة العضلية (Perimysium) : طبقة داخلية من نسيج ضام تغلف كل حُزمة عضلية بشكل منفرد وتفصلها عن باقي الحُزم.
  • غِمد الليف العضلي (Endomysium) : طبقة عميقة من نسيج ضام تحيط بكل ليف عضلي بشكل منفرد.

تركيبة الليف العضلي

الليف العضلي هو عبارة عن خلية إسطوانية الشكل متعددة الأنوية وكما في سائر خلايا الجسم يحيط بالليف العضلي غشاء خلوي (Plasma membrane) ويسمى في الليف العضلي بالساركوليما (Sarcolemma)، كما ويُسمى السيتوبلازم في الليف العضلي الساركوبلازم (Sarcoplasm) ويحتوي الساركوبلازم على المايتوكوندريا(Mitochondria)  وعلى الجلايكوجين والدهون والمعادن، بالإضافة لبروتين خاص يسمى ميوغلوبين (Myoglobin) وظيفته الارتباط بالأوكسجين الذي يصل إلى الليف العضلي من الدم.

كما ويتميز الليف العضلي باحتوائه على عُضّيات متخصصة تسمى اللُيَيْفات العضلية (Myofibrils) وهذه اللُيَيْفات هي ما يُمكن الألياف العضلية من الانقباض. أُنظر الشكل رقم (13).

الشكل رقم 13

تتكون كل لُيَيْفة عضلية من نوعيّن من الخيوط البروتينية  (Myofilaments)، النوع الأول خيوط بروتينية رفيعة تُعرف بالأكتين (Actin) والنوع الثاني خيوط بروتينية سميكة تُعرف بالميوسين (Myosin)، حيث يوجد عليها رؤوس تعرف برؤوس الميوسين ولديها مواقع ارتباط خاصة على خيوط الأكتين.

وفي حقيقة الأمر تُعتبر هذه الخيطان البروتينية هي فعلياً مكونات الخلية المسؤولة عن الانقباض

 (Contractile Filaments) وتترتب خيوط الأكتين والميوسين بشكل متداخل مما يكسب الخلية مظهراَ مخططاً. أُنظر الشكل رقم (14).

يُشكل الترتيب الخاص والفريد لهذه الخيطان وحدات متكررة تعرف بإسم الساركومير (Sarcomere) ويقع الساركومير بين خطي (Z) كما في الشكل رقم (14)، حيث تُثَبّت خيوط الأكتين من نهاياتها لتُشكل حدود الساركومير وتترتب خيوط الميوسين في وسط الساركومير ويُعتبر الساركومير هو الوحدة الوظيفية في الليف العضلي.

ولكي يحدث الانقباض أو الانبساط العضلي لابد أن تنزلق هذه الخيطان على بعضها البعض مما يؤدي إلى تغير طول الليف العضلي.

الشكل رقم 14

الانقباض العضلي ونظرية الخيوط المنزلقة (Sliding Filament Theory)

تحتوي خيوط الأكتين على نوعين من البروتينات التي لها دور أساسي في الانقباض العضلي، يُسمى النوع الأول تروبوميوسن (Tropomyosin) ويتواجد على مواقع ارتباط رؤوس الميوسين ووظيفته هي منع خيوط الميوسين من الارتباط بمواقعها على خيوط الأكتين، أي عندما تكون العضلة في حالة انبساط.

أما النوع الثاني من البروتينات فيسمى تروبونين (Troponin) وهو بروتين ضروري لحدوث الانقباض العضلي حيث يشكل موقع ارتباط خاص لأيونات الكالسيوم (التي لها دور مهم لحدوث الانقباض)، وكذلك موقعاً لارتباط بروتين التروبوميوسين عندما تحتاج العضلة إلى أن تنقبض.

عندما يصل السيال العصبي عن طريق عصبون حركي  (Motor neuron)إلى الليف العضلي يحدث التالي:

  • يتم إطلاق أيونات الكالسيوم من مستودعاتها من داخل الشبكة الإندوبلازمية الملساء              (Smooth Endoplasmic Reticulum).
  • ترتبط أيونات الكالسيوم ببروتين التروبونين الموجود على خيوط الأكتين، الأمر الذي يؤدي إلى  
  • ارتباط التروبوميوسن أيضاً بالتروبونين، مما يؤدي إلى
  • تكّشف مواقع ارتباط رؤوس الميوسين الموجودة على خيوط الأكتين وهذا يسمح
  • بارتباط رؤوس الميوسين بمواقعها على خيوط الأكتين، مما يؤدي إلى
  • تكوين جسور عرضية (Cross bridging) بين الأكتين والميوسين.
  • تَسحب الجسور العرضية خيوط الأكتين إلى وسط الساركومير مما يؤدي إلى انزلاق خيوط الأكتين بين خيوط الميوسين، الأمر الذي يسبب قصر الساركومير وبالتالي قصر الليف العضلي وهذا ما يعرف بنظرية الخيوط المنزلقة (Sliding Filament Theory) التي تُفسر كيفية حدوث الانقباض العضلي.

 أُنظر الشكل رقم (15).

في كل مرة ترتبط فيها خيوط الأكتين مع الميوسين وتتكون الجسور العرضية بينهما تُمثل هذه العملية دورة واحدة من تكون الجسور العرضية (Cross-bridging cycle) وتؤدي إلى حدوث ما يسمى ب “الارتعاش” (Twitch)، ولكن حتى يحدث الانقباض العضلي بشكل يُمكِّن العضلة من تأدية العمل المطلوب منها، يجب أن تتكرر عملية تكوّن الجسور العرضية لأكثر من مرة بين خيوط الأكتين والميوسين، فدورة واحدة فقط من تكوّن الجسور لن تكفي.

عندما يتوقف تنبيه العضلة من قبل الجهاز العصبي، يعود الكالسيوم إلى مستودعاته في الشبكة الإندوبلازمية، الأمر الذي يؤدي إلى ارتباط التروبوميوسين مجدداً بمواقع ارتباط رؤوس الميوسين بالأكتين والذي بدوره يمنع تكون الجسور بين الأكتين والميوسين، وبذلك تبتعد خيوط الأكتين عن الميوسين ويزداد طول الساركومير، مما يُسبب انبساطاً للعضلة.

من الجدير بالذكر أن ارتباط رؤوس الميوسين بالأكتين يحتاج إلى طاقة، وكذلك إبتعادهما عن بعضهما البعض. يولّد الجسم الطاقة عن طريق سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تحول الطاقة المُخزّنه في الروابط الكيميائية الموجودة في مصادر الطاقة الرئيسية (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات) ويخزّنها على هيئة مُركَّب عالي الطاقة يسمّى ثلاثي فوسفات الأدينوسين (Adenosine Triphosphate) أو ما يشار له اختصارا بـ (ATP) وسنتحدث عنه بالتفصيل في الفصل الثالث.

الشكل رقم 15

الوحدة الحركية (Motor Unit)

ذكرنا سابقاً أن الجهاز العصبي هو الذي يتحكم بحركة العضلات وبالتالي حركة الجسم ككل، وذلك عن طريق إرسال الإشارات العصبية إلى العضلات لاستثارتها وتحفيزها على الانقباض، فلا يمكن للعضلات أن تنقبض من دون التحفيز العصبي (Neural activation).وليحدث التحفيز العصبي لابد أن يكون هناك حلقة للتواصل بين الجهازين العصبي والعضلي، وهذه الحلقة هي العصبونات الحركية التي تتفرع من الجهاز العصبي المركزي وتصلإلى الألياف العضلية لتؤمن لها التغذية العصبية، مُشكلةً ما يسمى بالوحدة الحركية (Motor unit).

 تتألف الوحدة الحركية من عصبون حركي واحد مرتبط بعدد من الألياف العضلية. أُنظر الشكل رقم 16)).

ويحدد عدد الألياف العضلية المرتبطة بالعصبون الحركي حجم الوحدة الحركية.

ومن الجدير بالذكر أن حجم الوحدة الحركية يختلف من عضلة لأخرى حسب طبيعة وظيفة العضلة، فالعضلات التي تودي حركات دقيقة مثل العضلات المحركة للعين، تحتوي على وحدات حركية أصغر

(10- 20 ليف عضلي يرتبط بكل عصبون حركي) من العضلات التي تؤدي وظيفة أقل دقة مثل عضلة الفخذ الرباعية الرؤوس (Quadriceps muscle group) ، التي تقوم بتحريك ومَدْ مفصل الركبة (Knee Extension)، حيث يرتبط كل عصبون حركي بآلاف الألياف العضلية.

الشكل رقم 16

منطقة التشابك العصبي العضلي (The Neuromuscular Junction)

عند صول السيال العصبي من الجهاز العصبي المركزي إلى العصبون الحركي يحدث تنبيه أو تحفيز للعصبون وينتقل السيال العصبي على طول محور العصبون إلى أن يصل إلى النهايات العصبية للعصبون والتي تتصل بدورها بالليف العضلي.

تُسمى منطقة التقاء النهايات العصبية للعصبون بالليف العضلي بمنطقة التشابك العصبي العضلي (Neuromuscular junction) وتحتوي النهايات العصبية للعصبون على حويصلات تسمى بالحويصلات التشابكية (Synaptic vesicles) ويوجد في داخلها مواد كيميائية تُسمى النواقل العصبية (Neurotransmitters). أُنظر الشكل رقم (17).

 وبمجرد أن يصل السيال العصبي إلى نهاية العصبون، يتم تحرير هذه النواقل العصبية إلى منطقة التشابك العصبي العضلي، لترتبط النواقل العصبية بمستقبلات خاصة موجودة على غشاء الليف العضلي، الأمر الذي يحفز الليف العضلي ويحدث سلسلة من التغيرات من شأنها أن تؤدي إلى انقباض كافة الألياف العضلية المتصلة بالعصبون الحركي، وبالتالي إلى تنبيه الوحدة الحركية بالكامل بكل ما فيها من ألياف عضلية، ويُسمى الناقل العصبي المسؤول عن تنبيه الألياف العضلية الهيكلية أسيتيل كولين  (Acetylcholine)، أو ما يعرف اختصارا بـ(ACh) .

وتُعرف عملية التنبيه أو التحفيز العصبي للعضلة التي تنتهي بالانقباض العضلي بالاقتران بين التحفيز والانقباض العضلي (Excitation-Contraction Coupling).

الشكل رقم 17

قانون الكل أو العدم (All or Nothing Law)

إذا ما تعرض العصبون الحركي إلى محفز شديد بما فيه الكفاية لاستثارته، ينتقل السيال العصبي على طول المحور العصبي للعصبون، وتتحفز كافة الألياف العضلية المرتبطة بالعصبون، أي تتحفز الوحدة الحركية بالكامل، مما يؤدي إلى انقباض كافة الألياف العضلية المكونة للوحدة الحركية، أما إذا لم يكن المحفز بالشدة الكافية، فلا يتكون سيال عصبي من الأساس وبالتالي لا يحدث تحفيز للوحدة الحركية.

 إذاً، إما أن تنقبض الألياف العضلية انقباضا كاملاً بالدرجة القصوى، أو لا تنقبض نهائياً إذا كان المحفز أضعف من أن يؤدي إلى إنشاء سيال عصبي وهذا هو ما يعرف بقانون الكل أو العدم، فلا يمكن للوحدة الحركية أن تغير من درجة أو قوة الانقباض الذي يمكن للألياف العضلية المكونة للوحدة الحركية أن تقوم به، فإما أن تنقبض جميعها بالدرجة القصوى أو لا تنقبض (لا يوجد انقباض جزئي).

وهنا يمكن أن نطرح السؤال التالي، كيف يمكن للعضلة إذا أن تتحكم بقوة الانقباض العضلي ليتناسب مع المهمة المطلوب إنجازها؟ فرفع لوح من الإسمنت مثلاً يحتاج قوة أكبر من رفع قلم رصاص عن الأرض.

والإجابة هي أن العضلة تتحكم بقوة الانقباض عن طريق عدد الوحدات الحركية التي توظفها العضلة لكل انقباض، فكلما احتاجت العضلة أن تبذل جهداً أكبر، تقوم بتوظيف وحدات حركية أكثر لتقوم بالعمل المتوقع منها، كما أن حجم الوحدة الحركية (أي عدد الألياف العضلية المرتبطة بالعصبون الحركي المكون للوحدة الحركية)، أيضاً من العوامل التي تحدد قوة الانقباض العضلي، فكلما كانت الوحدة الحركية أكبر كان الانقباض أقوى، وكما ذكرنا سابقاً، فإن أحجام الوحدات الحركية تختلف من عضلة لأخرى.

من الجدير بالذكر أن زيادة حجم العضلات أو النمو العضلي (Muscle hypertrophy) هو من الأمور التي تؤدي أيضاً إلى زيادة قوة الانقباض العضلي، وسنتحدث عن هذا الموضوع أكثر عند الحديث عن التكيُّف الذي يحدث للعضلات نتيجة ممارسة تمارين المقاومة في الفصل الخاص بمكونات اللياقة.

أنواع الألياف العصبية (Types of Muscle Fibers)

تُقّسم الألياف العضلية بشكل عام إلى نوعين، النوع الأول: ألياف بطيئة الانقباض (Slow Twitch-Type I)والنوع الثاني: ألياف سريعة الانقباض Fast Twitch-Type II)). تحتوي كل العضلات على هذين النوعين من الألياف، إلا أن نسبة كل منها في النسيج العضلي تختلف من عضلة لأخرى، كما تنقسم الألياف العضلية من النوع الثاني إلى نوعين أيضاً وهما ألياف النوع الثاني IIa وألياف النوع الثاني .IIx

تُحدد العوامل الوراثية (أي الجينات) نسبة ألياف النوع الأول والثاني في كل عضلة من عضلات الجسم المختلفة. كما تلعب التمارين الرياضية أيضاً دوراً في تحديد أي منهما يكون هو النوع المهيمن في العضلة، ولكن بشكل عام يكون لدى الأشخاص غير الرياضيين نسبة متساوية تقريباً من هذين النوعين في أجسامهم ومع ممارسة الرياضة بمستويات إحترافية نبدأ بملاحظة فروقات أكبر بين نسب هذين النوعين، فرياضي القدرة  (Power athletes) والعَدّاء المحترف(Sprinters)  ترتفع لديهما نسبة ألياف النوع الثاني سريعة الانقباض لتصل إلى 70-75% . بينما ترتفع نسبة ألياف النوع الأول بطيئة الانقباض إلى 70-80 % عند رياضيي تمارين التَحمُّل والمسافات الطويلة (Endurance athletes) مثل عدّائي الماراثون (Marathon runners) .

تختلف هذه الألياف في تركيبتها وخصائصها الكيميائية وذلك بما يتناسب مع طبيعة عمل كل منها، وبشكل رئيسي تختلف كفاءة كل منها في إنتاج الطاقة بالطرق الهوائية واللاهوائية، الأمر الذي يؤدي إلى إختلاف خصائصها البيوميكانيكية. وفي الجدول رقم (9) توضيحاً لخصائص كل منهما.

ومن أهم الأسئلة التي تتبادر إلى أذهان مدربي اللياقة البدنية هي كيف يمكن أن نصمم برنامجاً تدريبياً يستهدف نوعاً معيناً بحد ذاته من هذه الألياف العضلية؟

إن اتباع الإستراتيجيات المقترحة التالية من شأنه أن يُمكِّن المُدرِّب من التركيز على توظيف نوع معين من هذه الألياف أكثر من الآخر:

  • إستراتيجيات تدريبية تستهدف الألياف بطيئة الانقباض

إذا كان الهدف من التدريب زيادة القدرة على التَحمُّل، يمكن اعتماد الإستراتيجيات التالية للزيادة من كفاءة الألياف بطيئة الانقباض على استخدام الأوكسجين لإنتاج الطاقة، أي استخدام الطرق الهوائية        :(Aerobic/Oxidative pathways)

  • تمارين المقاومة (Resistance training) التي يُستخدم فيها أوزان خفيفة

 (Light weights)وحركات ذات إيقاع بطيء (Slow tempo) مع تكرارات عالية (15تكرار أو أكثر) وفترات راحة قصيرة (30 ثانية) بين المجموعات.

  • التمارين التي تعتمد على استخدام وزن الجسم (Body weight exercises) مع تكرارات عالية وفترات راحة قصيرة (30 ثانية) بين المجموعات.
  • استخدام إسلوب التمرين الدائري (Circuit training) الذي يعتمد على استخدام عدة تمارين، والانتقال بسرعة من تمرين لآخر (أي فترات راحة قصيرة أو دون راحة بينها).
  • إستراتيجيات تدريبية تستهدف الألياف سريعة الانقباض

إذا كان الهدف من التدريب زيادة “القدرة” والقوة والسرعة، يمكن للإستراتيجيات التالية أن تزيد من كفاءة الألياف سريعة الانقباض على استخدام الطرق اللاهوائية لإنتاج الطاقة(Anerobic pathways):

  • تمارين المقاومة التي يُستخدم فيها أوزان عالية (Heavy weights) وحركات ذات إيقاع سريع   (Fast tempo) مع تكرارات قليلة (2-6 تكرارات) وفترات راحة طويلة نسبياً (3-5 دقائق) بين المجموعات، فكلما زاد الوزن يزداد عدد الألياف العضلية سريعة الانقباض التي يتم توظيفها.
  • القيام بالتمارين التي تعتمد على استخدام وزن الجسم أو الكتلبل (kettle bell) أو الباربل(Barbell)  والتي تتضمن القيام بحركات سريعة إنفجارية

(Explosive power-based movements) مع تكرارات قليلة (2-6 تكرارات) وفترات راحة طويلة نسبياً.

  • تمارين المقاومة التي تستهدف زيادة حجم العضلات أو النمو العضلي

(Muscle Hypertrophy) والتي تعتمد على عدد متوسط من التكرارات (6-12) ومجموعات متُعددة (3-5)، باستخدام أوزان عالية وإيقاع متوسط مع فترة راحة قصيرة نسبياً (60 ثانية) بين المجموعات، فهذه التمارين من شأنها أن تزيد من حجم الألياف العضلية من النوع الأول والثاني، إلا أن زيادة الحجم تكون أكبر في ألياف النوع الثاني الأمر الذي يؤدي إلى زيادة القوة العضلية.