Arbejdsfysiologi: Muskelfibre, Kontraktile egenskaber, Fibertypefordeling, Den motoriske enhed, Muskelfiberrekruttering, Dynamisk og statisk kontraktion, Muskelkraft, Muskeltværsnit, Neural aktivering og Træning
Menneskets muskelfibre
Kontraktile egenskaber
I menneskets muskulatur findes der to hovedtyper af muskelfibre (-celler). Disse benævnes almindeligvis type 1 (“røde”) og type 2 (“hvide”) fibre. Sidstnævnte type er opdelt i to undergrupper, type 2a og 2x (Figur 1). Fibertyperne har forskellige kontraktile egenskaber. Type 1-fibre er langsomme og type 2-fibre hurtige, hvor type 2x er den hurtigste.
Figur 1. De fibertyper, som forekommer i menneskets muskler og deres egenskaber, er skematisk beskrevet. De tre fibertyper har et forskelligt antal kapillærer og mitokondrier, samt kontraktile egenskaber. Sidstnævnte er illustreret med angivelse af den hastighed, muskelfiberen kontraheres (force pr. tidsenhed; ΔF/Δt); maksimal kraft (Fmax), og udholdenhed.
I dag er det muligt at bestemme kontraktionshastigheden på uddissekerede fragmenter af typebestemte enkeltfibre samt den spænding, som fibrene kan udvikle. Fibertype-identifikation kan foretages med gelelektroforese, som baseres på, at de kontraktile proteiner i de tre fibertyper udviser små differencer i deres struktur og dermed migrerer forskelligt (Figur 2). De forskellige isoformer udviser en varierende grad af myosin ATPase-aktivitet (myosin heavy chain = MHC; MHC-1 = type 1; MHC-2a = type 2a; MHC-2x = type 2x).
Figur 2. En gel-elektroforeseteknik er blevet anvendt til at identificere fibrenes MHC-isoformer. Udover de fibre, der kun udtrykker en isoform, er der et antal eksempler på co-ekspression, hvor to og i enkelte tilfælde alle tre isoformer er udtrykt i en og samme fiber. Hos unge mennesker er et stort antal af de såkaldte hybridfibre (= co-ekspression) en sjældenhed, men antallet stiger med alderen og er stort i muskler hos ældre mennesker.
Fibertypefordelingen kan også visualiseres med histokemisk bestemmelse af myosin ATP-ase efter inkubering ved forskellige pH værdier (Figur 3).
Figur 3. Histokemisk identifikation baseret på en myosin ATPasefarve af de tre fibertyper efter inkubering i dette tilfælde ved en lav pH værdi (~4.6- 4.7). De mørke fibre er type 1 fibre, de grå er type 2a og de lyse type 2x fibre.
Der er en meget tæt relation mellem MHC-isoformer, deres ATPase-aktivitet og de kontraktile egenskaber. Type 2x-fibre er således op til 10 gange og type 2a-fibre cirka 3 gange hurtigere end type 1-fibre, mens den spænding, som fibertyperne kan udvikle, anslået er 15-20 % højere i type 2x-fibre end i type 1-fibre (Figur 4). Ud fra et funktionelt synspunkt er det produktet af hastigheden i kontraktionen og spændingsudviklingen, som er det allervigtigste. Type 2x-og 2a-fibrenes “power” er dermed væsentligt større end type 1-fibrenes, hvilket får betydning for, hvor hurtigt og kraftfuldt en muskel reagerer ved en aktivering (Figur 4).
Figur 4. Relationen mellem kraft og hastighed for de tre fibertyper med angivelse af den effekt (power), fibertypen kan udvikle (kraft x tid).
Fibertypernes udholdenhed er også forskellig. Type 1-fibrene udtrættes ikke let, så længe der er substrat til rådighed, og så længe musklens homeostase ikke er alt for forandret, men begge undergrupper af type 2-fibre og specielt type 2x-fibre udtrættes lettere.
Fibertypefordeling
Menneskets muskler indeholder alle fibertyper, men de individuelle variationer er store. Af ekstremiteternes muskler adskiller soleus- og triceps brachii- musklerne sig mere markant fra den i andre muskler gennemsnitlige 50/50 %-fordeling af type 1- og type 2-fibre. Den førstnævnte muskel indeholder mindst 75 % type 1-fibre og den sidstnævnte mindst 65 % type 2-fibre. Forekomsten af de to hovedfibertyper er primært genetisk bestemt, mens forekomsten af type 2-fibrenes undergrupper påvirkes af brug af musklerne. Stor fysisk aktivitet reducerer antallet af type 2x-fibrene, og antallet af type 2a-fibre stiger tilsvarende. Fysisk inaktivitet har den modsatte effekt.
Den motoriske enhed
Muskelfibre er samlet i motoriske enheder, og i menneskets ekstremitets- og torsomuskulatur varierer antallet af muskelfibre inden for en motorisk enhed fra ~100 til ~2.000. Jo færre muskelfibre i en enhed, desto bedre motorisk kontrol. Det betyder, at hånd- og armmuskulaturen indeholder motoriske enheder med færre fibre end muskulaturen i underekstremiteterne. Fibrene i en enhed udviser homogenitet, hvad angår kontraktile og metaboliske egenskaber. Fibre fra en given motorisk enhed er distribueret over et spredt og relativt stort område af musklens tværsnitsareal (op mod 25 %). Det betyder, at der inden for et givet lille muskelområde vil være repræsentation af alle fibertyper, som forefindes i den givne muskel (se også Figur 3), selv om der i flere musklers overflade er en tendens til at være lidt flere type 2-fibre end type 1-fibre.
Metaboliske egenskaber
Der er en relation mellem de kontraktile og de metaboliske egenskaber, som fibrene i en motorisk enhed udviser. Mitokondrievolumen er størst i type 1-fibrene og mindst i type 2x-fibrene, og det modsatte forhold gør sig gældende for de glykolytiske enzymer (Tabel 1). Mængden af energirige substrater som ATP, CP og også glykogen er stort set den samme i alle tre fibertyper med en lille tendens til, at type 2-fibre indeholder en lidt større mængde end type 1-fibrene. Den lille mængde triglycerider (TG), som findes, er primært lagret i type 1-fibre.
| Egenskaber |
Type 1
|
Type 2a
|
Type 2x
|
| Myofibrillar ATPase |
Lav
|
Moderat
|
Høj
|
| Glykolytiske enzymer |
Moderat
|
Moderat
|
Høj
|
| ATP resyntese |
Moderat
|
Moderat
|
Høj
|
| Høj-energi fosfatniveauer |
Høj
|
Høj
|
Meget høj
|
| Oxidative enzymer |
Høj
|
Høj
|
Moderat
|
| Transportproteiner |
Høj
|
Høj
|
Moderat
|
Tabel 1. Muskelfiberegenskaber relateret til fibertyper (baseret på MHC isoformer).
I de senere år er der udført forsøg for at bestemme transportørerne af glukose og fedtsyrer. GLUT4 er den vigtigste glukosetransportør i skeletmuskulaturen og varierer kun lidt i mellem fibertyper, om end lidt mere GLUT4 ses i type 1-fibre end i type 2-fibre. Fedtsyretransportørerne udviser samme mønster, men her er forskellen mellem fibertyper dog formentlig lidt større. Det gælder CD36, der har en lignende funktion som GLUT4 ved at bidrage til transport af fedtsyrer fra interstitiet til cytosolen. I cytosolen findes det fedttransporterende protein FABP (FABPcyt) og karnitine palmityl transferase I og II (CPTI+II), der er lokaliseret i mitokondriemembranen for fedtsyretransporten ind i mitokondrierne. Disse proteiner har også højst koncentration i type 1-fibrene, og CPTI+II er relateret til mitokondrievolumen (Figur 5).
Figur 5. Skematisk illustration af de vigtigste trin i transporten af glukose og frie fede syrer (FFS) ind i muskelcellen. Forkortelser: TG = triglycerider; LPL = lipoproteinlipase; FABD/CD36 = fatty acid binding protein i plasma membranen (PM) og i cytosolen (c); IMTG = intramuskulære triglycerider; CPT = karnitine palmitoyl transferase; GLUT4 = glukosetransportør 4; G-6-P = glukose-6-fosfat; GS = glykogensyntase; PDH = pyruvate-dehydrogenase.
Muskelfiberrekruttering
De motoriske enheder rekrutteres normalt i en fast rækkefølge i relation til den muskelkraft, der skal præsteres; type 1-fibrene først og derefter type 2aog 2x-fibrene. Kontraktionens hastighed, samt hvorvidt den er refleksudløst eller ej, spiller også en rolle. Ved hurtige kontraktioner, som f.eks. sker for at afbøde et fald, rekrutteres type 2a- og 2x-fibrene også momentant.
Muskelfiberrekruttering kan studeres dels med enkelfiber-EMG-teknikken og dels ved at følge glykogenforbruget i en muskelfiber. De to metoder supplerer hinanden. EMG‘et har en god tidsopløsning, mens glykogentømningsmønstret i højere grad giver en middelværdi over en tidsperiode på mindst nogle minutter (Figur 6).
Figur 6. Muskelglykogenforbrug ved forskellige arbejdsbelastninger i de tre fibertyper.
Type 2a- og 2x-fibrene rekrutteres ikke kun ved hurtige kraftfulde kontraktioner, men også ved mere langvarigt, moderat dynamisk muskelarbejde som cykling og løb, hvis arbejdet varer i længere tid. Når glykogenet i type 1-fibrene er opbrugt, rekrutteres type 2-muskelfiberenheder gradvist mere og mere. Selv type 2x-fibrene kan rekrutteres på denne måde, men så skal arbejdet være meget langvarigt eller meget hårdt. Disse principper for rekruttering af musklens forskellige motoriske enheder får betydning ved træning af musklen. Kun i de aktiverede enheder sker der en adaptation.
Dynamisk og statisk kontraktion
Bevægelse bygger på, at muskler kontraheres. Hvis modstanden er mindre end musklens spændingsudvikling, forkortes musklen, og der opstår en bevægelse, der benævnes en koncentrisk dynamisk kontraktion (Figur 7). Typiske eksempler, hvor visse muskelgrupper udfører dynamisk muskelarbejde, er gang, løb, cykling og svømning. Hvis modstanden er større end eller lig med den spænding, musklen udvikler, benævnes kontraktionen “statisk” (= isometrisk). Der sker ikke nogen forkortelse af musklen, som det er tilfældet, når man flytter noget tungt, eller når man bærer på noget. Når det ovenfor blev angivet, at løb, gang, etc. er typiske dynamiske bevægelser, kontraheres visse muskelgrupper også statisk.
Ved for eksempel cykling arbejder benenes muskler overvejende dynamisk, mens bugens, ligesom armenes muskler overvejende udfører et statisk arbejde ved at fiksere overkroppen. På samme måde indgår oftest også en dynamisk komponent i en statisk kontraherende muskel. I eksemplet med cykling er overkroppen jo ikke helt i ro, og ved et tungt løft flyttes genstanden, hvilket indebærer, at musklerne forkortes, dvs. der er en dynamisk komponent i kontraktionen. En dynamisk kontraktion er ikke altid koncentrisk, den kan også være excentrisk (Figur 7), dvs. musklen forlænges samtidig med, at den udvikler spænding, som det f.eks. sker i knæekstensorerne, når man går ned ad en trappe. En excentrisk kontraktion forbruger kun 1/5-1/4 af den energi, som en koncentrisk kontraktion kræver.
Figur 7. Kraft/hastighed relation for en muskel ved maksimal dynamisk kontraktion; koncentrisk eller excentrisk. Hastighed 0 = isometrisk /statisk kontraktion.
I dagligdagen udføres ikke specielt mange maksimale dynamiske eller statiske kontraktioner. Sædvanligvis udnyttes kun en vis del af den maksimale kraft, men til gengæld gentages kontraktionen (dynamisk) eller er vedvarende (statisk). Musklens udholdenhed kan relateres til den relative kraftudvikling. Varigheden i en statisk kontraktion tiltager derfor, jo mindre andel denne udgør af den maksimale voluntære kontraktion (på engelsk MVC). Det samme gælder for dynamiske kontraktioner, men her får længden af pausen mellem kontraktionerne også betydning. Normalt måles den dynamiske styrke, som den maksimale vægt, man kan løfte én gang (en repetition maksimum [1RM]) (Figur 8).
Figur 8. Skematisk illustration af hvordan antallet af muskelkontraktioner øger i og med, at den relative belastning reduceres.
Hvad bestemmer en muskels kraft?
Muskeltværsnit
Den maksimale kraft, en muskel kan udvikle, er primært en funktion af musklens totale tværsnit. Dette er igen afhængigt af antallet af fibre i musklen og disse fibres tværsnitsareal. Antallet af muskelfibre forøges ikke, tværtimod formindskes det med alderen. Muskelfiberens areal kan ændres, og i den raske muskel er brug af fiberen/musklen afgørende for dens størrelse. Inaktivitet giver et mindre og aktivitet et større fiberareal.
Frekvensmodulering
Ved lettere kontraktioner aktiveres fibrene normalt med en frekvens, som giver summation, men ikke tetanus, og først ved maksimal kontraktion bidrager fibrene med tetanisk spænding. Type 1-fibrene opnår tetanisk spænding ved en lavere stimuleringsfrekvens end type 2a- og 2x-fibrene.
Rekruttering af motoriske enheder
En anden faktor af betydning for en muskels kraft er det antal muskelenheder i en muskel, der aktiveres samtidigt. Graden af spændingsudviklingen øges ved, at flere og flere motoriske enheder rekrutteres. Spørgsmålet er nu, om alle disse enheder kan aktiveres ved en maksimal viljemæssig kontraktion. Hvis det drejer sig om små muskelgrupper som fingrenes, er svaret ja. Elektrisk stimulering af motornerven til tommelfingerens fleksorer adderer intet til spændingsudvikling ved en viljemæssigt udløst maksimal kontraktion. Lignende forsøg antyder, at det samme kan gælde for andre muskelsynergier, men her er resultaterne mindre overbevisende. Det er muligt, at antallet af motoriske enheder, som bidrager til kraftudviklingen ved en MVC, varierer med graden af motivation, og at træning hjælper med til, at alle enheder kan rekrutteres og aktiveres samtidigt. I gradueringen af en muskels spænding udnyttes således både frekvensmodulering og rekruttering af motoriske enheder, dvs. den neurale aktivering (neural drive) er ikke af en fast størrelsesorden.
Træning og muskelstyrke
Neural aktivering
Muskelkraften kan let ændres. Nogle uger med inaktivitet giver mindre muskelkraft, og nogle dages træning øger den væsentligt. Denne hurtige ændring forklares ved en ændret neural aktivering (neural drive). Et andet eksempel på den centralneurale komponents betydning i udviklingen af styrke er, at der findes en transfer-effekt. Hvis en stor muskelsynergi i en ekstremitet trænes, forøges kraften i de første uger ikke kun i denne muskelgruppe, men også i den kontralaterale. Forbedringens størrelse kan for benmuskulaturens vedkommende nå op til 15-20 %. Dag til dag-variationen i muskelkraft kan være af samme størrelse.
Træning kan øge fiberarealet og dermed musklernes tværsnit, men dette ses først efter 3-4 uger. Dvs. den forøgelse af styrken, som ses i første del af en træningsperiode, skal søges i den motoriske kontrol af musklens elektriske aktivering.
Det centrale nervesystems store betydning for den muskelkraft, som kan præsteres, belyses også af den specificitet, der er i effekten af inaktivitet og træning. Statisk og dynamisk maksimal styrke påvirkes ikke ensartet, ej heller musklens udholdenhed. Træning med statiske kontraktioner giver primært en forøgelse af den statiske styrke, og træning med dynamiske kontraktioner giver primært en forøgelse af den dynamiske styrke (Tabel 2). Overførslen er lille, og det gælder også fra maksimal kraft til udholdenhed. Førstnævnte kan ændres blandt raske individer med en faktor 2, mens udholdenheden er endnu mere påvirkelig.
| Træningstype | Program | Statisk styrke | Dynamisk styrke |
| Statisk | 100 %, 5s, x 20, 45 dage | +35 % | 0 % |
| Dynamisk | 50-80 %, 6 x 10, 30 dage | 0 % | +370 % |
Tabel 2. Præstationsforbedringer hos mennesker efter dynamisk eller statisk styrketræning.
Musklens størrelse
Ved inaktivitet ses et fald i fiberareal allerede efter nogle uger, og det kan blive udtalt ved total inaktivitet som ved indgipsning efter et traume. Længere tids træning, specielt hvis den udføres med stor intensitet (høj procent af 1RM), kan give en fordobling af fibrenes størrelse, hvilket øger kraften i relation til musklens hypertrofi (Figur 9). Ændringerne i muskelfibrenes størrelse medfører ikke nogen forandringer i deres kemiske sammensætning. Vandindholdet er uforandret (76 %), og det samme gælder for ion-koncentrationerne. Musklens totale proteinindhold ændres ikke, ej heller andelen af de kontraktile proteiner. Det betyder, at hypertrofi medfører, at mere protein produceres, men af samme slags. Dette udelukker dog ikke, at forandringer af funktionel betydning kan ske på molekylært niveau, da forskellige isoformer af proteinet kan opprioriteres.
Figur 9. Relationen mellem en muskels tværsnit og muskelstyrke. Variationen omkring gennemsnitslinjen skyldes hovedsagelig forskelligartet neural aktivering.
En mere præcis identificering af disse isoformer kan bestemmes på enkeltfiberniveau, også i menneskets muskler. Dermed er spørgsmålet opstået, hvorvidt brug af muskler eller mangel på samme resulterer i, at en fibers myosinisoformer og dermed fiberens egenskaber ændres. I rottemuskler har krydsinnervering og elektrisk stimulering bekræftet, at dette kan ske. Menneskets muskler har også samme plasticitet.
Ved svær læsion af rygmuskulaturen med paraplegi ændres fibertypefordelingen, så muskulaturen udelukkende indeholder type 2-fibre, med en meget stor andel type 2x-fibre. Ved elektrisk stimulering kan ikke blot en øget andel type 2a- genoprettes, men også en lille andel type 1-fibre. Ved en mere fysiologisk situation end inaktivitet forstærkes andelen af 2a-fibre over til 2x-fibre, men formentlig formindskes andelen af type 1-fibre ikke. Ved træning stiger andelen af type 2a-fibre på bekostning af type 2x-fibre (Figur 10). Det sker både ved konditions- og styrketræning. Ved styrketræning og specielt med en stor belastning stiger andelen af type 2a-fibre ved, at type 1-fibre transformeres. Dog er det kun en meget lille del af type-1 fibrene, der kan ændres til type 2a fibre (mindre end 5 %).
Disse forandringer ses på transskriptionsniveau efter 2-3 træningsgange, men på proteinniveau kan det tage flere uger, før de kan måles. Det interessante er, at hvis hård styrketræning går forud for en inaktivitetsperiode, forøges andelen af type 2x-fibre til et større antal end før træningen. De ovenfor angivne fibertypeforandringer spiller en vis rolle for den maksimale styrke, fordi en forøgelse af type 2-fibrenes andel betyder væsentligt mere for den “power”, musklen kan præstere, da musklens kontraktionshastighed er steget.
Figur 10. Forandringer i den relative forekomst af type 2a og type 2x fibre ved styrketræning og en efterfølgende inaktivitetsperiode.
Sammenfatning: (Figur 9) neurale faktorer (rekruttering og frekvensmodulering) kan ændres med meget kort tidsakse (timer/dage), mens muskelfiberareal og fibertransformation tager væsentligt længere tid (uger/måneder).
