Základní složky pohybového systému

Funkční složky pohybového systému (Binovský, 2003)

Z pohledu funkční anatomie pohybového systému můžeme schématicky rozčlenit pohybový systém na čtyři funkčně nedělitelné složky pohybového systému:

1. opěrnou (pasivní) – tvoří ji kosti a klouby
2. výkonnou (aktivní) – tvoří ji svaly a šlachy
3. řídící (regulační) – tvoří CNS a periferní nervový systém
4. zásobovací (infrastrukurální) – tvoří ji cévy, zabezpečující přísun potřebných látek na činnost pohybového systému

Funkční složky pohybového systému (upraveno dle Binovský, 2003)

Pohybu se zúčastňuje přímo anebo nepřímo řada orgánů, resp. orgánových soustav lidského těla. K vlastním orgánům pohybového systému patří kosti, klouby, svaly a šlachy. Kosti tvoří opěrný systém a jsou pasivním pohybovým aparátem, svaly a šlachy jsou na druhou stranu pohybovým aparátem aktivním.

Kosti

Kosti jsou orgány žlutobíle barvy, tvrdé a zároveň částečně pružné. Podle velikosti a tvaru rozeznáváme kosti dlouhé, krátké a ploché. Ve středu dlouhých kostí se nachází diafýza a na koncích kostí jsou epifýzy.

Stavba kostí

Stavba kostí (BRCS, 2003)

Na povrchu kosti se nachází tenká, tuhá blána okostice (periost). Okostice je bohatě prokrvená, proto je citlivá a bolestivá. Okostice zabezpečují výživu kostí, růst do šířky a srůstání kostí při zlomeninách.

Pod okosticí je kostní tkáň, která u člověka vytváří dva typy kostí, vláknitou (fibrilární) a vrstevnatou (lamelární) kost. Vláknitá (fibrilární) kost se vyskytuje u člověka ve vývoji a později v dospělosti se zbytky vláknité kosti nachází okolo ušního labyrintu, v některých hrbolech, vyvýšeninách, drsnatinách a v blízkosti švů lebky. Vrstevnatá (lamelární) kost se vyskytuje v dvou formách: soudržná hmota a houbovitá hmota.

V houbovité hmotě kostní trámce nejsou uspořádané náhodně, ale do určitých směrů, podle působení tlaku a tahu na kost. Každá kost má svoji specifickou a typickou architektoniku, která je dynamická a při změně zatížení schopná rychlé přestavby.

Funkční anatomie kostí

Funkce kostí:

• ochranná funkce
• opěrná a podpěrná funkce
• biomechanická funkce pák
• krvotvorný orgán
• zásobárna minerálních látek
• energetický zdroj

Kost pracuje, ovládaná svaly, jako jednoduchý stroj nazvaný páka. Biomechanickou funkcí pák plní kosti spojené mezi sebou pohyblivými kloubními spojeními. Dlouhé kosti představují ramena pák, které mají opěrný bod v ose kloubu. Za rameno síly (p) se považuje kolmá vzdálenost svalové síly od osy kloubu (osa otáčení – O) a za rameno břemene (q) působí hmotnost příslušného článku těla (pažní kost, předloktí apod.).

Triceps

Biceps

Mechanické vlastnosti kostí

Mechanickou impedanci neboli odolnost tkání proti mechanickému zatížení můžeme charakterizovat základními vlastnostmi jako je pevnost, tvrdost, tuhost, pružnost (elasticita). Tyto a jiné charakteristiky mohou pomoci lépe porozumět tomu, jak se tkáně chovají při různém mechanickém zatížení. Z mechanického hlediska jsou kosti díky své struktuře nehomogenní a anizotropní. To znamená, že mechanické vlastnosti kostní tkáně podstatně závisí na směru, ve kterém působí zatížení. Tkáň může být namáhána v tahu, v tlaku, v ohybu, ve smyku, v krutu apod. Udává se, že kosti jsou až desetkrát odolnější proti působení zátěže ve směru podélné osy (tah, tlak) než působí-li zatížení ve směru radiálním či tangenciálním. Např. pro stehenní kost klesá odolnost na zatížení: tlak (187 MPa ve směru podélné osy, 132 MPa kolmo na podélnou osu) → tah (132 MPa, 58 MPa) → smyk. (Janura, 2003)

Z hlediska pružnosti je vlastnost biometeriálu definovaná hodnotou modulu pružnosti (též Youngův modul). Modul pružnosti závisí pouze na vlastnostech biomateriálu, nikoli na jeho rozměrech. Důležitými bodem při zvyšujícím se napětí je mez pružnosti. Je to hranice, po jejímž překročení se již tkáň po odeznění zátěže nevrátí do původního stavu, tzn., přestává být elastická a stává se plastickou. Další hranicí je mez pevnosti, která je vždy vyšší než mez pružnosti. Při překročení této hranice již dochází k porušení soudržnosti tkáně, podle směru zatížení k drcení nebo přetržení. Graf znázorňuje závislost mezi působícím zatížením a deformací kostí.

Závislost mezi působícím zatížením a deformací kostí (upraveno dle Nordin a kol., 2001)

U kostí se tyto charakteristiky liší pro kortikální a spongiózní kost. Kortikální kost se může protáhnout o 1 - 3%, kost spongiózní o 2 až 4%. Pevnosti kortikální kosti je 10 – 20 krát větší než u songiózní kosti, neboť mez pevnosti je v prvním případě 100 – 150 MPa, v druhém pouze 8 – 50 MPa.

V tabulce (Karas, Otáhal, 1972 in Janura, 2003) uvádíme hodnoty meze pevnosti a modulu pružnosti u vybraných kostí:

Spojení kostí

Kosti představují nepohyblivé páky, u kterých pohyb může být zabezpečený tehdy, když mezi kostmi jsou pohyblivá spojení. Spojení zabezpečují pohyb, který má určitý stupeň volnosti. Rozeznáváme dva základní druhy spojení kostí:

1. Pevné spojení pomocí pojivové tkáně (vazivo, chrupavka a kost), tato spojení jsou málo pohyblivá nebo nepohyblivá.
2. Pohyblivá spojení jsou spojení dotykem dvou anebo více kloubových ploch, tato spojení jsou dobře pohyblivá a nazývají se kloub (viz. dále).

Svaly

Svaly se svojí nervovou regulací patří k stěžejním tkáním, které uskutečňují funkci hybného ústrojí, pohyb. Jako efektory pohybu realizují pohyb rychle nebo pomalu, mohutně nebo slabě, plynule nebo přerušovaně. Jako brzdy pohybu musí tlumit, zeslabovat a zamezovat pohyby. (Javůrek, 1986)

Stavba kosterního svalu

Kosterní sval je vazivem ohraničený soubor příčně pruhovaných svalových vláken. Sval se skládá ze tří základních složek: svalové vlákno, vazivo svalu (např. šlachy) a pomocné zařízení (mazové váčky – bursy).

Svalové vlákno je základní morfologickou jednotkou příčně pruhované svalové tkáně. Výraznou vrstvou vaziva je obaleno 10 až 100 svalových vláken a tvoří primární svalový svazek. Více primárních svalových svazků tvoří ve větších svalech sekundární svazek až svazky vyšších řádů, které tvoří svalové snopce a ty tvoří sval.

Stavba svalu (Hanzlová, Hemza, 2009)

Svalová kontrakce

Svalová kontrakce a udržování tonusu je základní vlastností svalu u člověka. Kosterní sval se skládá ze svalových vláken o délce až 40 cm a průměru 10 - 150 mikrometrů. Z hlediska chemického složení obsahuje lidský sval 75% vody, 24% organických látek a 1% látek anorganických. Z organických látek jsou nejdůležitější kontraktilní bílkoviny myozin a aktin, červené barvivo myoglobin, které zajišťuje dýchání buněk, prostřednictvím vázání O2, enzymy a rezervní látky, glykogen a makroergní fosfáty, které slouží jako energetický zdroj pro svalovou kontrakci. Z anorganických látek jsou důležité ionty draslíku, vápníku regulující vlastní svalový stah a následný proces relaxace.

Z hlediska stavby svalového vlákna je na povrchu sarkolema - buněčná blána, svalová vlákna jsou obklopena pojivem s cévami a nervy, svalová vlákna obepíná fascie (pojivová pochva). Uvnitř svalového vlákna je sarkoplasma, která obsahuje buněčné organely, tj. jádra pod sarkolemou (v 1 mm délky vlákna asi 40 jader), kontraktilní elementy myofibrily, sarkoplazmatické retikulum, Golgiho komplex a mitochondrie.

Myofibrily jsou stažlivé struktury o průměru asi 1 mikrometr. Jeví charakteristické příčné pruhování, vznikající střídáním jednolomné a dvoulomné zóny, jejichž podkladem je uspořádání tenkých a tlustých filamentů aktinu a myozinu. Uprostřed jednolomné zóny je tmavá destička Z linie. Úsek ohraničený dvěma Z liniemi (2 - 3 mikrometry) je nazývána sarkomerou a tvoří nejmenší jednotku stažlivosti svalového vlákna.

Motoneuron, vysílající signály z mozku nebo míchy, uvolňuje mediátor (neurotransmitér) zv. acetylcholin (Ach) z nervosvalové ploténky. Navázáním ACh na receptor způsobí v membráně otevření kanálů pro sodné ionty, a vyvolá tak vznik akčního potenciálů svalové buňky. Akční potenciál se šíří po sarkolemě a skrz T-tubuly k sarkoplazamtickému retikulu, pak se do sarkoplazmy vylijí ionty Ca²⁺. Ca²⁺ ionty se váží na troponin na aktinovém vláknu, troponin změní svoji prostorovou konfiguraci a umožní tropomyozinu zanořit se mezi vlákna aktinu, a odkrýt tak jeho aktivní místa. Po těchto aktivních místech se „natahují“ hlavy myozinu, kloužou po nich a vytvářejí spojení neboli můstky mezi aktinem a myozinem. Myozinové vlákno tak aktivně přitahuje dvě aktiniová vlákna zakotvená do protilehlých Z-proužků, a tím k sobě tyto proužky přitahuje. Výsledkem je zkrácení sarkomery, zkrácení myofibrily, a tím i zkrácení svalu čili svalový stah. Na konci svalové akce jsou vápenaté ionty aktivně pumpována zpět do plazmatického retikula, kde zůstanou uskladněna do příchodu dalšího akčního potenciálu. Hlavy odstupující z myozinového vlákna mají ATPázovou aktivitu (jsou schopné štěpit ATP) a zajišťují energii pro svalový stah.

Svalová kontrakce: a) nervosvalová ploténka, b) uvolnění vápenatých iontů, c) posun miofilament (upraveno dle Wilmore a Costille 2004)

Tvar a vnitřní architektura svalu

Svaly v lidském těle mají různé tvary. Podle převládajících rozměrů rozeznáváme dlouhé, krátké a ploché svaly. Dlouhé vřetenovité svaly mají tyto funkční úseky: začátek (origo), hlava (caput), bříško (center), ocas (cauda) a úpon (insertio) svalu. Začátek svalu je méně pohyblivější část svalu, většinou na končetinách blíže k trupu. Úpon svalu je pohyblivější část svalu a je většinou dál od trupu. Podle počtu hlav a bříšek rozeznáváme dvouhlavé a vícehlavé svaly. Podle tvaru rozeznáváme i svaly ploché a kruhovité (svěrače). Ocas svalu je užší část svalu, která se upíná šlachou na kost. Svalové snopce ve svalech můžou být uspořádané od začátku k úponu podélně, šikmo anebo radiálně. Každý sval má charakteristické, geometricky specifické uspořádání svalových vláken, tzv. svalovou architekturu.

Funkční úseky svalu

Mechanické vlastnosti svalů

Skeletální svaly jsou konstruované tak, aby mohly odolávat vnějšímu zatížen, uvádět tělo do pohybu, pohyb urychlovat nebo brzdit. Na provedení pohybu se obvykle podílí složité skupiny svalů, které spolupracují. Dále se zapojují jejich antagonisté, fixátory a svaly s neutralizační funkcí.

Pevnost svalu v tahu v klidu se pro lidský sval pohybuje v rozmezí 0,26 až 0,90 MPa (Karas, Otáhal a Sušanka, 1990 in Janura, 2003). K nevratným změnám ve svalu dochází po protažení o 40 - 50% klidové (fyziologické) délky. Přetržení svalu nastává až po změně klidové délky svalu na 1,5 až dvojnásobek. Pevnost maximálně kontrahovaného svalu – je rozdílná pro různé svaly, přibližná hodnota se pohybuje kolem 1,25 MPa. Je tedy zhruba 50 – 100x menší než u šlach. Účinnost udává, jaký je poměr spotřebované energie (vykonané, užitečné práce) ku energii dodané. Účinnost svalové práce je asi 20%, 80% energie se mění na teplo.

Regenerace svalu

Regenerace poškozené svalové tkáně je funkčně bezvýznamná. Svalová tkáň nepatří mezi tkáně, které dobře a rychle regenerují. Při regeneraci poškozeného svalu (natržení) nejprve dochází k tvorbě svalových pupenů ze satelitních rezervních buněk. Při velkém poškození je růst těchto buněk potlačený vazivovou tkání. Svalové poškození se vyléčí méně pružnou vazivovou jizvou. Věkem dochází k zmnožení tuku mezi svalovými vlákny, atrofii svalových vláken a ke ztrátě pružnosti svalu.

Cévní a nervové zásobení svalu

Krevní zásobení je úměrné metabolické aktivitě svalových vláken. Do každého svalu vstupuje množství cév z okolních tepen. Krevní cévy vstupují do svalu společně s nervy v neurovaskulární bráně. Na 1 mm² svalu připadá asi 2 000 vlásečnic a při vhodném tréninku se kapilarizace svalů zlepšuje.

Motorická nervová vlákna vycházejí z alfa motoneuronů předních rohů míchy a do svalu vedou vzruchy, které zabezpečují kontrakci svalu. Motorická vlákna končí na nervosvalových ploténkách tak, že každé svalové vlákno má jednu nervosvalovou destičku. Axon jednoho alfa motoneuronu se na konci větví a může skončit na více nervosvalových ploténkách anebo svalových vláknech. Počet svalových vláken inervovaných jedním alfa motoneuronem tvoří funkční jednotku svalu, neuromotorickou jednotku. Svaly, které vyžadují přesnost, mají menší motorickou jednotku, méně svalových vláken je inervovaných jedním motoneuronem. Svaly vyžadující víc síly, mají větší motorickou jednotku. (více viz. Řízení hybného systému)

Funkce svalu

Výkonnými orgány pohybového systému jsou svaly. Jsou vlastně chemomotory, které mají schopnost přeměnit chemickou energii na mechanickou a potom generovat pohyb. Při svalové činnosti se velká část energie uvolňuje v podobě tepla a tím se svaly stávají hlavním dodavatelem tepla pro lidské tělo. Specifickou vlastností svalové tkáně je kontraktilita, která se projeví zkrácením svalu. Při kontrakci se aktiniové myofilamenty zasouvají mezi myozinové myofilamenty a tímto zkrácením vyvinou napětí, které se při úponové šlaše projeví jako síla vyvolávající pohyb. Za fyziologických okolností kontrakci vyvolává nervové podráždění.

Svalová vřeténka

Svalová vřeténka jsou mikroskopická tělíska ve svalech, která přenášejí informace o napětí a délce svalu. Jejich úkolem je (stejně jako v případě šlachových tělísek) ochrana svalů a šlach před poškozením. Podnětem pro podráždění svalového vřeténka je prudké, rychlé protažení svalu. Nejznámější reakcí je tzv. napínací reflex. Dojde-li, ať již nevědomky (např. při náhlém uklouznutí) nebo vědomě (např. při švihových cvičebních pohybech), k velmi rychlému natažení svalu, reaguje sval (právě díky podnětu svalových vřetének) vzápětí stahem, který je obrannou reakcí a který nastává zcela automaticky.

Šlachová tělíska

Šlachová tělíska jsou mikroskopické receptory, které jsou umístěny na přechodu svalu do šlachy. Pro svou reakci potřebují poměrně silný podnět. Nejsilnějším podnětem pro šlachová tělíska je izometrický svalový stah. Při určité intenzitě stahu dojde k podráždění šlachových tělísek, které vyšlou signál do mozku. Jako odpověď se vrací příkaz příslušnému svalu na snížení stahu. Tím pádem se sníží i zatížení příslušné šlachy. Čím mohutnější byla předchozí kontrakce, tím větší je následné uvolnění svalu. Svalový tonus se na krátkou dobu snižuje dokonce pod normální klidovou úroveň. Této reakci se říká ochranný útlum, nebo také postizometrická reakce.

Šlachy

Tvoří spojení svalů s kostmi. Hlavní tkání šlach je kolagenní vazivo s pevností kolem 10 kPa/mm². Přechod svalu do šlachy má zvláštní stavbu – svalová vlákna se proplétají s kolagenními vlákny šlachy, které se „zaháčkují na sarkolemě“ svalových vláken. Šlacha se prakticky nezkracuje (max. se může prodloužit asi o 4 % své délky). Další důležité součásti šlachového aparátu jsou: šlachové pochvy, tíhové váčky (bursy) a sesamské kůstky.

Mechanické vlastnosti šlach

Hlavní funkcí šlach je přenos síly ze svalu na kost a uložení elastické energie. Vedle elastinových vláken jsou šlachy tvořeny především kolagenními vlákny, která se mohou protáhnout zhruba o 10% své původní délky.

Co se týká pevnosti šlach, odhaduje se, že je asi čtyřnásobně vyšší, než je maximální izometrický tah odpovídajícího svalu (Konvičková, 2007). Pevnost šlachy je také ovlivněna jejím příčným průřezem. Šlachy se chovají jako nelineární elastické struktury.

Závislost síly na protažení šlachy (upraveno dle Brinckmann a kol., 2002)

Tuhost šlachy je funkcí prodloužení. Při malém prodloužení šlachy je její tuhost nízká. Malé změny působící síly mají relativně velké účinky na délku šlachy. Ale se zvětšujícím se prodloužení, se zvyšuje i tuhost šlachy. V lineární části křivky je tuhost šlachy prakticky konstantní. Mez pevnost šlachy odpovídá napětí přibližně 100 MPa. Pružnost šlach je důležitá pro optimální funkci aktivních svalů. Když sval vyvíjí sílu, šlacha se prodlužuje a tím dovolí svalu, aby se zkrátil. Šlachy jsou tedy nejvíce zatěžovány při maximální kontrakci svalu. Vzhledem k tomu, že pevnost šlachy je vyšší než pevnost jí odpovídajícímu svalu, dochází při zranění častěji k přetržení svalu než šlachy.

Klouby

Tvoří pohyblivé spojení mezi kostmi. Pohyblivost závisí na tvaru kloubních ploch. Z mechanického hlediska patří klouby k sestavě pák a představují body otáčení. V kineziologii představují klouby funkční jednotky, v nichž se uskutečňuje pohyb, dochází k změnám postavení pák a jejich os v různých rovinách a při různých pohybových situacích.

Druhy kloubů a jejich popis:

Stavba kloubu (BRCS, 2003)

Konce kostí jsou spojeny vazivovou tkání (kloubními vazy), která kolem kloubu vytváří kloubní pouzdro. Výstelka tohoto pouzdra, synoviální blanka, produkuje kloubní maz (synovii). který snižuje tření v kloubu. Dále jsou konce kosti chráněny hladkou chrupavkou. Rozsah a druh pohybu závisí na způsobu, jakým se koce kostí dotýkají, na síle vazů a na uspořádání svalů.

Druhy kloubů (BRCS, 2003)

Funkce kloubní chrupavky je tlumení nárazů a svojí plastickou neformovatelností vyrovnává nerovnosti dotykových kloubních ploch. Malé porušení chrupavky má velký dopad na mechaniku kloubu. Pro zabezpečení struktury a funkce chrupavky je důležitá výživa chrupavky. Chrupavka nemá vlastní krevní cévy, je odkázaná na výživu z kloubního mazu.

Postavení kloubu (dle Balatky, 2002):

1. stabilní
2. nestabilní
3. střední postavení – maximální uvolnění kloubního pouzdra

Při stabilním postavení hrozí největší nebezpečí poškození kloubu, naopak při nestabilním postavením nejmenší nebezpečí.

Neutrální postavení

Z biomechanického hlediska je chrupavka pórovitý materiál a chová se jako houba, která je schopná zadržet velké množství tekutiny. Při zatížení dochází k její deformaci a při deformaci je z chrupavky tekutina vytlačována do kloubní dutiny, s čím roste koncentrace mezibuněčné hmoty. Při odlehčení chrupavky proudí tekutina (výživný kloubní maz) z dutiny kloubu do chrupavky, kde se osmotickými silami nasává do koncentrovaného prostředí mezibuněčné hmoty chrupavky. Touto cestou si chrupavka zabezpečuje výživu a zároveň pružnost. Pružnost chrupavky klesá s věkem úměrně s tloušťkou chrupavky. Pokud chrupavka kloubu není pravidelně zatěžována, tak výměna látek je porušená a chrupavka se rozpadává (degeneruje). Při opotřebování chrupavky je povrch chrupavky v kloubě nerovný a vláknitý. Tření mezi kloubními plochami se zvětšuje a kloub je poškozován. Výsledkem jsou pokračující degerativní (artrotické) změny. (Binovský, 2003).

Mechanické vlastnosti vazů

Mezi hlavní mechanické funkce vazů patří stabilizace kloubu, usměrnění pohybu kloubu a vymezení jeho pohyblivosti.

Hlavními komponenty vazů jsou elastinová a kolagenní vlákna. Elastinová vlákna jsou pružnější, mohou se prodloužit až o 150%, avšak mají menší pevnost, asi 3 MPa. Kolagenní vlákna kosterních vazů jsou heterogenní (nestejnorodá), některá se křižují s převládajícími paralelními podélnými vlákny, některá jsou skloněna v určitém úhlu a slouží jako „poutač“ pro podélná vlákna. Jejich maximální protažení se pohybuje mezi 4 a 10%. Naopak pevnost dosahuje hodnot 50 – 100 MPa.

Typická závislost síla – protažení kosterního vazu s rovnoběžnými vlákny (upraveno dle Valenta a kol., 1997)

Obrázek ukazuje typickou závislost síla – protažení kosterního vazu s rovnoběžnými vlákny. Tuhost vazu se mění nelineárně v závislosti na velikosti síly. Po vyrovnání kolagenních vláken dochází ke zpevnění vazu (lineární část, oblast II). Poté dochází k přetržení jednotlivých vláken (oblast III), síla je přerozdělena na zbývající vlákna a dochází k postupnému šíření trhliny a k přetržení vazu. (Valenta, Konvičková, 1997)