Het menselijk lichaam artikel 4: de spieren

22 Februari 2020 | Basiskennis | Maarten Strijbosch

In het kort

– Spiervezels zijn onder te verdelen in 2 hoofdgroepen: type I en type II spiervezels.

– Type I spiervezels zijn het meest geschikt voor het leveren van een langdurige inspanning.

– Door gericht te trainen kunnen type IIa spiervezels steeds meer kenmerken van type I vezels overnemen.

– Satelliet cellen zijn een soort stamcellen die actief worden bij schade aan een spier en zorgen voor de reparatie en aanmaak van spiervezels.

– Hoe explosiever de inspanning, hoe meer snelle spiervezels er worden aangesproken.

– Een goede techniek begint in het centrale zenuwstelsel en is afhankelijk van de correcte aansturing van verschillende motor units.

– Tijdens een intensieve inspanning produceren de spieren veel warmte.

1. De spieren

Triatleten hebben in vergelijking met krachtsporters relatief kleine spieren, maar dit betekend niet dat spieren minder belangrijk zijn voor duursporters.  Spieren worden gebruikt om kracht en beweging te genereren en zijn ook belangrijk voor de lichaamshouding en voor het functioneren van organen. De spieren van een triatleet moeten met precisie de onderarm door het water bewegen om tijdens het zwemmen zo veel mogelijk water te kunnen pakken. Tijdens het fietsen moet er gedurende lange tijd veel kracht op de pedalen worden gezet en dan moet het meest belastende onderdeel nog komen. Hardlopen vraagt om een goede lichaamshouding en er vinden ook excentrische spiersamentrekkingen plaats (meer hierover later). Door de juiste spieren op de juiste manier aan te spreken tijdens trainingen ontwikkelen en specialiseren de spieren zich en wordt het lichaam zo goed mogelijk voorbereidt op de specifieke belasting tijdens een triathlon.

Om gericht te kunnen trainen is het belangrijk om te weten hoe spieren precies functioneren. Er bestaan 3 type spieren: skeletspieren, hartspieren en gladde spieren. Gladde spieren worden gebruikt in organen zoals de maag, darmen, en blaas. Ook zit er een laagje gladde spier rondom de bloedvaten. Gladde spieren kunnen net zoals de hartspier niet bewust worden aangestuurd, dit in tegenstelling tot de skeletspieren (1). De focus van dit artikel ligt bij de skeletspieren.

 

 

 

 

 

 

Afbeelding 1: een skeletspier bestaat o.a. uit spierfascicles, spiervezels,spierfibrillen en bindweefsel

1.1 De skeletspieren

Het menselijk lichaam bevat meer dan 660 skeletspieren en die zijn verantwoordelijk voor ongeveer 40% van het totale lichaamsgewicht (2). Deze spieren maken voortbeweging mogelijk, helpen met het stabiliseren van gewrichten, produceren warmte en houden het skelet op zijn plaats. Een skeletspier bestaat uit spiervezels, zenuwen, bloedvaten en bindweefsel (3).

1.1.1 Opbouw

Skeletspieren bestaan voornamelijk uit water (75%) en eiwit (20%). De resterende 5% bestaat o.a. uit zouten, mineralen, enzymen, aminozuren, vetten en koolhydraten (1). Iedere spier bestaat uit verschillende spiervezels. Een gemiddelde bicepsspier van een 21 jaar oude man bestaat uit ongeveer 250000 individuele spiervezels (4). Spiervezels zijn de langste cellen in het menselijk lichaam en zijn ontstaan door de fusie van vele embryonale spiercellen. De lengte van deze vezels kan variëren van slechts enkele millimeters in de ogen tot bijna 30 cm in de benen.

Spiervezels liggen parallel aan elkaar (zoals een pak spaghetti) en zijn georganiseerd in fascicles, een spierbundel die is omgeven door bindweefsel. Een spier bestaat uit verschillende van deze fascicles en is omgeven door een bindweefsel dat het epimysium wordt genoemd. Individuele spiervezels zijn omringt door het bindweefsel endomysium. Net zoals een normale cel bevat een spiervezel cytoplasma (zie het menselijk lichaam artikel 2), alleen wordt dit nu het sarcoplasma genoemd. Het sarcoplasma bevat o.a. mitochondriën, glycogeen en spierfibrillen. Deze fibrillen bestaan weer uit een groot aantal filamenten en met behulp van ATP zorgen deze voor de samentrekking van de spier. De kracht de spiervezels leveren wordt overgebracht op het bindweefsel en op de pees waarmee de spier vastzit aan het bot. Hiermee wordt de beweging van het skelet mogelijk. Spieren hebben ook de mogelijkheid om zichzelf te herstellen en om sterker te worden. Satelliet cellen, een soort stamcellen, worden actief bij schade aan een spier en zorgen voor de reparatie en aanmaak van spiervezels (5).

Zie afbeelding 1 voor een grafische weergave van een skeletspier (klik om te vergroten)

Afbeelding 1: een skeletspier bestaat o.a. uit spierfascicles, spiervezels,spierfibrillen en bindweefsel

Om goed te kunnen functioneren zijn de skeletspieren verbonden met de hersenen via zenuwen en met het hart via aders en slagaders. Gemiddeld genomen dienen één zenuw, één slagader en één of meer aderen elke spier. Deze structuren komen de spier in het centrale deel binnen en vertakken zich vervolgens in vele kleinere structuren via de bindweefsels. Dit zorgt ervoor dat de skeletspieren bewust kunnen worden aangestuurd en dat er voldoende voedingsstoffen en afvalstoffen kunnen worden getransporteerd (zie het menselijk lichaam artikel 3) (3).

 

 

Afbeelding 2: skeletspieren bevatten drie verschillende types spiervezels: type I, type IIa en type IIx

(klik om in te zoomen)

1.1.2 Type spiervezels

Niet iedere spiervezel is hetzelfde. Sommige spiervezels kunnen snel samentrekken en veel kracht leveren terwijl andere spiervezels langzamer en minder krachtig zijn maar wel een groter uithoudingsvermogen hebben. Spiervezels zijn onder te verdelen in 2 hoofdgroepen: type 1 en type 2 spiervezels.

Type 1 is een langzame spiervezel (slow-twitch) die kenmerken heeft die het geschikt maakt voor duurinspanningen. Deze vezels zijn gespecialiseerd in het aeroob produceren van ATP (zie het menselijk lichaam artikel 2) en hebben dus zeer veel mitochondriën. Type 1 spiervezels hebben een kleine diameter, zijn omgeven door veel haarvaatjes en hebben meer myoglobine (een zuurstofbindend eiwit) dan type 2 spiervezels. Hierdoor kan zuurstof makkelijker de talrijke mitochondriën die aanwezig zijn in langzame spiervezels bereiken. Deze zuurstof is nodig om aeroob ATP te produceren met behulp van de verbranding van vetten en koolhydraten.

Type 2 spiervezels (fast-twitch) zijn onderverdeeld in type IIa en type IIx. Type IIx is een snelle en dikke spiervezel die relatief weinig aanvoer heeft van zuurstof en geschikt is voor korte, explosieve handelingen. Dit type spiervezel maakt vooral gebruik van anaerobe glycolyse om ATP te produceren en vermoeit dus snel. Type IIa is een intermediaire spiervezel die tussen type I en IIx inzit. Zie afbeelding 2 voor meer kenmerken (6) (7).

Afbeelding 2: skeletspieren bevatten drie verschillende types spiervezels: type I, type IIa en type IIx

1.1.3 Spiervezel conversie

De spiervezels van ongetrainde mannen bestaan voor ongeveer 53% uit snelle spiervezels en voor 47% uit langzame spiervezels. Ongetrainde vrouwen hebben gemiddeld 48% type II vezels en 52% type  I vezels (8). Dit zijn echter gemiddeldes. Wanneer men kijkt naar verschillende subpopulaties dan wordt duidelijk dat er grote verschillen bestaan in de distributie van spiervezels. Duursporters zoals lange afstandslopers en langlaufers hebben het hoogste percentage aan type I spiervezels (soms wel 90-95% in de gastrocnemius). Sprinters, gewichtheffers en ijshockey spelers hebben juist veel type II spiervezels (9).

Genen en de beoefende sport bepalen of een individu meer of minder type I spiervezels dan gemiddeld heeft 

Duur- en krachttraining studies laten zien dat type IIx vezels zich kunnen omvormen tot type IIa vezels. Er bestaat echter veel discussie of het ook mogelijk is om van type IIa vezels type I vezels te maken. Er zijn resultaten die dit laten zien zoals een studie van professionele wielrenners die gedurende hun loopbaan een steeds hoger percentage aan type I spiervezels kregen (10). Een studie met een genetisch identieke tweeling bevestigt dit resultaat. De ene broer was 30 jaar lang redelijk inactief en had 40% aan type I spiervezels terwijl de andere broer een fanatiek hardloper en later ook triatleet was en bij hem werden 94% aan type I vezels gevonden (11). Wanneer er wordt gestopt met sporten zullen omgevormde spiervezels echter weer redelijk snel hun oude eigenschappen aannemen (8).

 

 

Afbeelding 3: een motor unit bestaat uit een motor neuron en de groep spiervezels die door de neuron worden aangestuurd

1.1.4 Aansturing

Om te kunnen sporten moeten de skeletspieren van het menselijk lichaam bewust worden aangestuurd door het zenuwstelsel. De impuls voor de aansturing van een skeletspier begint in de hersenen en het ruggenmerg, samen het centrale zenuwstelsel genoemd. Het belangrijkste bestandsdeel van het zenuwstelsel zijn zenuwcellen, ook wel neuronen genoemd. Een neuron bestaat uit een cellichaam of soma, en een aantal uitlopers: axonen en dendrieten.

Afbeelding 3: een motor unit bestaat uit een motor neuron en de groep spiervezels die door de neuron worden aangestuurd

De meeste zenuwcellen staan via dendrieten in contact met andere cellen en ontvangen zo signalen. Dit signaal wordt via de axon doorgegeven aan andere cellen. Een menselijk axon kan tot 1 meter lang worden. De axon vertakt aan het uiteinde en kan zo meerdere cellen tegelijkertijd aansturen. Een neuron die verbonden is met spiervezels wordt een motor neuron genoemd.  Het menselijk lichaam heeft ongeveer 250 miljoen spiervezels en 420000 motor neurons. Iedere spiervezel wordt aangestuurd door een motor neuron en dit betekend dus dat een motor neuron meerdere spiervezels aanstuurt. Hoe preciezer de aansturing moet verlopen, hoe minder spiervezels een motor neuron aanstuurt. Minder dan 10 oog spiervezels worden aangestuurd door een enkele neuron terwijl 1 neuron maar liefst 2000 spiervezels in de kuit kan aansturen (12).

Een groep spiervezels die wordt aangestuurd door een motor neuron worden samen een motor unit genoemd. Zodra de neuron een impuls afgeeft, reageren alle spiervezels in de motor unit tegelijkertijd. Alle spiervezels die onderdeel zijn van de zelfde motor unit zijn van hetzelfde type. Er zijn dus type I en type II motor units en ook type IIa en IIx units. De motor neuron bepaald het spiervezeltype. Studies waarin een neuron van een slow twitch motor unit aan een fast twitch unit werd gekoppeld laten zien dat de spiervezels hierdoor steeds meer slow twitch worden. Door een type II motor unit gedurende een lange periode te onderwerpen aan lage frequentie stimulatie gaan de vezels steeds meer type I kenmerken aannemen (13).

Het wordt makkelijker om een bepaalde beweging te maken naarmate deze handeling vaker wordt uitgevoerd. Het zenuwstelsel kan leren wat de beste en meest efficiënte route is om impulsen naar de spiervezels te sturen zodat een bepaalde beweging wordt uitgevoerd. De meeste mensen hoeven niet actief over de loopbeweging na te denken wanneer ze een wandeling maken. Iemand die nog nooit heeft gegolft zal echter moeite hebben om een mooie swing te produceren en zal hier actief over moeten nadenken. Door vele honderden uren een bepaalde beweging te maken wordt er “muscle memory” gecreëerd. De beweging wordt automatisme en er hoeft niet meer bewust over nagedacht te worden (12).

Muscle memory zorgt ervoor dat een beweging minder moeite kost, maar maakt het ook lastig om een verkeerde techniek af te leren

 1.1.5 Gradatie van kracht

Het zenuwstelsel kan reguleren hoeveel motor units van een spier gelijktijdig worden aangesproken. Het lichaam maakt in inschatting van de uit te voeren taak en selecteert vervolgens de hoeveelheid motor units die worden ingezet. Dit zorgt ervoor dat de beweging gecontroleerd kan verlopen. Wanneer iets zwaarder weegt dan verwacht, bijvoorbeeld een pakketje, merk je dat er niet genoeg motor units worden aangesproken en het lichaam corrigeert dit vervolgens onmiddellijk.

Het lichaam kan echter niet reguleren hoeveel spiervezels er worden aangesproken binnen een motor unit. Een motor unit reageert namelijk op een alles of niets manier op een impuls: alle vezels trekken samen of geen enkele reageert. Om toch precieze handelingen te kunnen uitvoeren stuurt een neuron de verbonden is met de oogspieren of de vingers slechts enkele spiervezels aan.

Hoeveel kracht een spier levert is afhankelijk van de hoeveelheid motor units die er worden aangesproken, hoeveel spiervezels iedere unit aanstuurt, hoe snel de spiervezels samentrekken en hoe lang de spier is terwijl hij samentrekt. Een spier levert meer kracht wanneer de neuron een nieuw signaal tot samentrekken doorgeeft aan de spiervezels voordat deze zich 100% hebben ontspannen van de vorige samentrekking. Dit wordt het summatie principe genoemd.  Ook heeft iedere spier een optimale lengte waarin het de meeste kracht kan leveren (14).

Welke en hoeveel spiervezels er tijdens het sporten worden gebruikt is voornamelijk afhankelijk van de hoeveelheid kracht die er wordt gegenereerd en hoe lang er wordt bewogen. Voor rustige trainingen zoals wandelen worden voornamelijk type I spiervezels gebruikt. Wanneer er meer kracht nodig is worden er eerst meer langzame spiervezels aangesproken maar zodra de intensiteit gelijk is aan een duurloop worden er ook Type IIa spiervezels gebruikt. Wanneer deze 2 type vezels niet meer voldoende zijn worden er ook Type IIx spiervezels aangesproken. Door type II spiervezels aan te spreken worden er in totaal meer spiervezels gebruikt; de type I vezels blijven gewoon hun werk doen. Afbeelding 4 laat zien dat er tijdens een all-out sprint 100% van alle 3 de spiervezel types worden gebruikt. Er worden echter nooit alle vezels in een spier tegelijkertijd gebruikt omdat dit tot schade van de spier kan leiden. Het centrale zenuwstelsel bepaald de maximale hoeveelheid spiervezels die beschikbaar zijn. Wanneer er gedurende lange tijd wordt gesport kunnen langzame spiervezels uitgeput raken. Dit zorgt ervoor dat snellere spiervezels geactiveerd moeten worden.

Afbeelding 4: spiervezel activatie is afhankelijk van de intensiteit van de inspanning

Gebaseerd op: Magill, P., T. Schwartz, and M. Breyer (2017): “Build your running body.” p40.

De spiervezel ladder in afbeelding 4 is een gesimplificeerde weerspiegeling van de werkelijkheid. De praktijk volgt een minder lineair patroon van spiervezel type activatie. Snelle spiervezels worden bijvoorbeeld ook voor korte periodes geactiveerd tijdens het joggen. Dit gebeurt bijvoorbeeld tijdens de eerste stappen van een training, wanneer er wordt geaccelereerd en wanneer er geklommen of gedaald moet worden (15). Ook is het afhankelijk van de getraindheid van de atleet en de sport die beoefend wordt welk type vezels wanneer worden aangesproken. Gewichtheffers kunnen veel fast twitch motor units tegelijkertijd aanspreken en zo in korte tijd veel kracht leveren. Duursporters maken juist gebruik van een afwisselend patroon: sommige motor units verrichten werk terwijl andere uitrusten zodat ze kunnen herstellen voor wanneer ze weer aan de beurt zijn (16) (7).

 

 

Afbeelding 5: veel skeletspieren in het menselijk lichaam zijn onderdeel van een antagonistisch paar. Deze spieren werken samen door het tegenovergestelde te doen.

1.1.6 Spiersamentrekkingen

Spieren kunnen op 2 manieren kracht leveren: isotoon (statisch) of isometrisch (dynamisch). Bij een isotone spiercontractie veranderd de lengte van de spier waardoor er een beweging wordt gemaakt. Bij een isometrische spiercontractie veranderd de lengte van de spier niet, maar er wordt wel kracht geleverd. Een voorbeeld is het vasthouden van een zwaar boek.

Een concentrische contractie en een excentrische contractie zijn voorbeelden van  isometrische spiercontracties.  Als de spier kracht levert en verkort treedt er een concentrische spiercontractie op. Een voorbeeld hiervan is de verkorting van de biceps door het bewegen van een dumbbell richting de schouder. Zodra de arm weer wordt gestrekt en de dumbbell naar beneden beweegt zal de biceps weer uitrekken terwijl er kracht wordt geleverd om het gewicht geleidelijk te laten zakken. Dit wordt een excentrische spiercontractie genoemd. Dit is een onnatuurlijke beweging voor de spier en veroorzaakt daarom meer schade aan de spier dan een concentrische beweging (17).

Een spier kan samentrekken maar kan niet uit zichzelf langer worden. Hiervoor is een tegenwerkende kracht zoals de zwaartekracht nodig. Een biceps kan een dumbbell dus niet laten zakken, het kan alleen deze beweging afremmen. Vanwege deze reden bestaan veel spieren als antagonistische paren die bestaan uit een buigende en een strekkende spier zoals de biceps en de triceps (zie afbeelding 5).

Afbeelding 5: veel skeletspieren in het menselijk lichaam zijn onderdeel van een antagonistisch paar. Deze spieren werken samen door het tegenovergestelde te doen.

 

 

Afbeelding 6: tijdens een intensieve inspanning kunnen de spieren 90% van alle metabolische warmte produceren

Gebaseerd op: Rhoades, R.A., and R.B. Bell (2012): Medical Physiology – Principles for Clinical Medicine 4th ed.

1.1.6 Productie van warmte

Spieren verbruiken ATP om werk te kunnen leveren. Door koolhydraten en vetten af te breken komt er energie vrij waarmee van ADP ATP kan worden gemaakt. Niet alle vrijgekomen energie kan echter worden gebruikt om ATP te maken, er gaat dus energie verloren als hitte. Van de totale energie die vrijkomt in dit proces gaat ongeveer 58% verloren als hitte en wordt er 42% omgezet in ATP (zie het menselijk lichaam artikel 2). Wanneer ATP vervolgens wordt gebruikt om spieren te laten samentrekken gaat er nog meer warmte verloren. Ongeveer 25% van de geproduceerde energie wordt gebruikt door de spier, de resterende 75% gaat verloren als warmte. Dit verklaart waarom het lichaam gaat rillen wanneer het koud is (18).

Zodra er wordt gesport worden de spieren de grootste bron van metabolische hitte. Wanneer er intensief wordt gesport is het zelfs mogelijk dat de spieren 90% van alle hitte produceren. Deze warmte wordt opgenomen door het bloed en verspreid zich zo door het lichaam via het cardiovasculaire systeem (zie het menselijk lichaam artikel 3).

Afbeelding 6: tijdens een intensieve inspanning kunnen de spieren 90% van alle metabolische warmte produceren

Gebaseerd op: Rhoades, R.A., and R.B. Bell (2012): Medical Physiology – Principles for Clinical Medicine 4th ed.

Afbeelding 7: de concentraties van bepaalde spierenzymen zijn afhankelijk van de sport die beoefend wordt

Gebaseerd op: Kenney, W.L., J. H. Wilmore, and D. L. Costill (2015): “Physiology of Sport and Exercise.” 6th ed. p289.

1.1.7 Enzymen

De meeste biologische reacties in menselijke cellen zijn afhankelijk van enzymen. Zonder emzymen verlopen reacties zeer traag, niet, of verkeerd. Enzymen zijn proteinen die werken als catalysators en worden niet opgebruikt of veranderd tijden chemische reacties. Enzymen werken beter bij een optimale temperatuur en PH waarde. Spiercellen bevatten verschillende enzymen die er voor zorgen dat er sneller ATP gegenereerd kan worden. De onderstaande tabel laat zien dat duursporters een hogere concentratie aan succinaat-dehydrogenase, malaatdehydrogenase  en carnitine palmitoyltransferase hebben. succinaat-dehydrogenase speelt een rol in zowel de citroenzuur cyclus en de elektronentransportketen. malaatdehydrogenase  is belangrijk in het proces om van NAD+ NADH te maken. Carnitine palmitoyltransferase helpt bij de beta-oxidatie van vetzuren (zie het menselijk lichaam artikel 2). Deze drie enzymen zijn voorbeelden van enzymen die zijn belangrijk zijn voor aerobe energie productie (19).

Afbeelding 7: de concentraties van bepaalde spierenzymen zijn afhankelijk van de sport die beoefend wordt

Gebaseerd op: Kenney, W.L., J. H. Wilmore, and D. L. Costill (2015): “Physiology of Sport and Exercise.” 6th ed. p289.

Bronnen

(1) Magill, P., T. Schwartz, and M. Breyer (2017): “Build your running body.” p36.

(2) McArdle, W. D., F. I. Katch, and V. L. Katch (2010): “Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance.” 7th Edition, p354.

(3) Marieb, E. N., and K.N. Hoehn (2015): “Human anatomy & physiology .” 10th Edition. p279.

(4) Klein, C. S. et al. (2003): “Muscle fiber number in the biceps brachii muscle of young and old men.”

(5) Antonio, J. et al. (2008): “Essentials of Sports Nutrition and Supplements.” p41.

(6) McArdle, W. D., F. I. Katch, and V. L. Katch (2010): “Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance.” 7th Edition, p371.

(7) https://content.openclass.com/eps/pearson-reader/api/item/ab914c98-1923-486b-bdb4-b9187be18b9e/1/file/silverthornHP7-071415-MJ-BO/OPS/s9ml/chapter12/filep700049593400000000000000000448c.xhtml#P70004959340000000000000000045E

(8) Magill, P., T. Schwartz, and M. Breyer (2017): “Build your running body.” p45.

(9) McArdle, W. D., F. I. Katch, and V. L. Katch (2010): “Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance.” 7th Edition, p374.

(10) Antonio, J. et al. (2008): “Essentials of Sports Nutrition and Supplements.” p34.

(11) Bathgate, K. E. et al. (2018): “Muscle health and performance in monozygotic twins with 30 years of discordant exercise habits.”

(12) McArdle, W. D., F. I. Katch, and V. L. Katch (2010): “Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance.” 7th Edition, p385.

(13) McArdle, W. D., F. I. Katch, and V. L. Katch (2010): “Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance.” 7th Edition, p390.

(14) Marieb, E. N., and K.N. Hoehn (2015): “Human anatomy & physiology .” 10th Edition. Hoofdstuk 9.

(15) Magill, P., T. Schwartz, and M. Breyer (2017): “Build your running body.” p41.

(16) McArdle, W. D., F. I. Katch, and V. L. Katch (2010): “Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance.” 7th Edition, p392.

(17) Padulo, J. et al. (2013): “Concentric and Eccentric: Muscle Contraction or Exercise?”

(18) Magill, P., T. Schwartz, and M. Breyer (2017): “Build your running body.” p175.

(19) Kenney, W.L., J. H. Wilmore, and D.L. Costill (2015): “Physiology of Sport and Exercise.” 6th Edition. p289.

Volg optrimize op social media

Blijf op de hoogte van de beste triathlon artikelen, tips & tricks

Artikel 2: ATP Productie

BASISKENNIS

Artikel 3: Het Cardiovasculair Stelsel

BASISKENNIS

Artikel 5: De Vochtbalans

BASISKENNIS
0
    0
    Winkelwagen
    Je winkelwagen is leegTerug naar website