Мышечные сокращения могут быть изотоническими или изометрическими. При изотонических мышечных сокращениях длина мышцы уменьшается, а напряжение сохраняется одинаковым в течение всего периода сокращения - динамическая работа. При изометрических мышечных сокращениях длина мышцы не изменяется, а меняется напряжение мышцы - статическая работа. В естественных условиях сокращения мышц обычно имеют смешанный характер.
Сила мышечного сокращения (сила мышцы) зависит от многих факторов: от числа моторных единиц, вовлеченных одновременно в двигательную реакцию, от частоты возбуждений, возникших в каждой моторной единице, от вида, структуры и поперечного сечения мышцы и длины ее, от функционального состояния мышцы и всего нервно-мышечного аппарата, от характера нервных импульсов и т. д.
Мышечное волокно обладает тремя физиологическими свойствами:
1) возбудимостью - способностью реагировать на прямое (непосредственное раздражение самой мышцы) или косвенное (раздражение соответствующего двигательного нерва) действие раздражения путем регенерации тока действия или потенциала действия;
2) проводимостью волны возбуждения (тока действия, потенциала действия) по всему волокну по обе стороны точки раздражения;
3) сократимостью - способностью мышцы сокращаться или изменять свое напряжение при возбуждении. Возбудимость и проводимость являются функциями, которые связаны с поверхностью клеточной мембраны (сарколеммы) мышечного волокна, а сократимость - с миофибриллами, расположенными в саркоплазме мышечного волокна .
Миофибрилла представляет собой сократительный аппарат мышечного волокна. Миофибрилла поперечнополосатого мышечного волокна состоит из последовательно связанных саркомеров характерной структуры, которые придают ей характерный вид правильно чередующихся темных и светлых полое. Темные полосы (диски) образуются из двояко преломляющих свет веществ - анизотропные участки, составленные преимущественно из толстых нитей миозиновых протофибрилл. Светлые полосы (диски) образуются из вещества, не обладающего двойным лучепреломлением - изотропные участки, составленные из тонких нитей актиновых протофибрилл.
При сокращении мышечного волокна актиновые и миозиновые нити не сокращаются, а начинают скользить одна вдоль другой. Актиновые нити проскальзывают между миозиновыми, причем диск I сокращается, а диск А сохраняет свои размеры, а вместе с тем зона Н уменьшается до почти полного исчезновения.
Предполагается, что это взаимное скольжение актиновых и миозиновых нитей является результатом химического взаимодействия между ними (образование актомиозина), вызванного освобожденной при расщеплении АТФ энергией. В свою очередь расщепление АТФ (на АДФ и фосфорную кислоту - Н3Р04) происходит под влиянием аденозинтрифосфатазы (по отношению к АТФ сам миозин является ферментом - аденозинтрифосфатаза) в присутствии ионов кальция. Так как количество АТФ в мышцах ограничено, основным в мышечной биоэнергетике является постоянный ресинтез АТФ. Имеется несколько путей ресинтеза АТФ. Анаэробный путь ресинтеза АТФ в начальной фазе мышечного сокращения происходит по реакции Lohmann путем связывания радикала фосфорной кислоты, полученной при распаде креатинфосфата (фосфагена), с АДФ. Анаэробным является также ресинтез АТФ, осуществляемый с помощью энергии, выделенной при анаэробном распаде углеводов. В данном случае гликоген мышц подвергается интенсивному гликогенолизу и гликолизу по пути образования гликолитической цепи. При продолжительной работе анаэробной ресинтез АТФ осуществляется также посредством реакции: связывание двух молекул АДФ.
При умеренной физической деятельности преобладают аэробные пути ресинтеза АТФ за счет использования освобожденной энергии при распаде основных веществ: углеводов, жиров и белков. Углеводы освобождают необходимую энергию для ресинтеза АТФ по пути образования гликолитической цепи и цикла ди- и трикарбоновых кислот. Жиры (высшие жирные кислоты) через р-окисление и включение их в цикл ди- и трикарбоновых кислот также выделяют необходимую энергию. Она образуется также при распаде белков:
аминокислоты - окислительное дезаминирование - цикл трикарбоновых кислот
Весь этот биологический механизм осуществляется посредством нервного импульса. Последний проводится по периферическим моторным нейронам к нервно-мышечному синапсу (моторной пластинке). В перисинаптической мембране, представляющей собой своеобразный нейросекреторный аппарат, синтезируется и выделяется медиатор ацетилхолин. Ацетил-холин выделяется через мембрану в синаптическую щель, после чего вступает во взаимодействие с холинрецептором постсинаптической мембраны. Это взаимодействие повышает проницаемость постсинаптической мембраны в отношении ионов натрия и калия. Повышенная ионная проницаемость постсинаптической мембраны вызывает ее деполяризацию, т. е. появление электронегативного постсинаптического потенциала. В соседних участках мембраны мышечного волокна он зарождает ток действия или потенциал действия, который распространяется по мышечному волокну.
Наряду с функцией передавать импульсы, вызывающие мышечное сокращение, нервные волокна также регулируют обмен веществ в мышце, т. е. принимают участие в их трофике. Элиминирование нервной иннервации мышцы путем дезиннервации сопровождается атрофией, отличающейся по характеру от атрофии, полученной вследствие инактивации (например, после тендотомии).