Muskelarkitektur och pennationsvinklar

Muskelfiber är indelade i så kallade sarcomer och det är i dessa som en kontraktion sker. Hur det går till kommer jag inte att ta upp i detta inlägg utan vi nöjer oss med att konstatera att så är fallet. Sarcomer har en viss vilolängd och de kan endast arbeta inom en begränsad förkortning eller sträckning innan dess kraft minskar rejält eller dess förmåga att skapa kraft helt försvinner.

Bild som illustrerar hur sarcomer ligger på rad inuti en muskelfiber.
Bild 1: Illustration över hur sarcomer ligger på rad inuti en muskelfiber.

Då sarcomer nästan alltid håller samma längd så kommer antalet sarcomer i serie att begränsa den totala rörelselängden som en muskel kan arbeta i. En muskel med korta muskelfiber kommer att ha få sarcomer vilket gör att dess förkortning och förlängning blir begränsad.

En annan konsekvens av detta är att ju fler sarcomer man har i serie desto större längd kommer en muskel att kontrahera på en viss tid. En förkortning på 10 % av en sarcomer kommer att vara mycket kortare än en förkortning på 10 % hos 10 st efter varandra påföljande sarcomer.

Pennationsvinkel och kontraktionshastighet

Man skulle av informationen ovan kunna dra slutsatsen att ju längre en hel muskel är desto snabbare kan man kontrahera den och detta är till viss del sant. Det finns dock fler variabler som spelar in. Muskelarkitektur beskriver hur fiber inom en muskel ligger i förhållande till dess kraftaxel. Dvs hur fiber ligger i förhållande till muskelbukens fäste. I kroppen är det få muskler där muskelfiber ligger i rak linje från ursprung till fäste, i de flesta fall så ligger istället muskelfiber i en vinkel, kallad pennationsvinkel, till kraftaxeln. Exempel på två olika pennationsvinklar kan ses i bild 2 nedan.

Muskeln till vänster har en större pennationsvinkel och kan därmed ha större tvärrsnittsarea.
Bild 2: Muskeln till vänster har en större pennationsvinkel och kan därmed ha större tvärrsnittsarea.

Musklerna i bild 1 är lika långa men om man ser till längden på individuella muskelfiber ser man att muskeln till höger har längre fiber. Man ser också att vinkeln för muskelfibrerna emot kraftaxeln är större i den vänstra muskeln vilket innebär att en viss procentuell minskning av en sarcomer kommer att ha större inverkan på längden i den högra muskeln. Detta illustreras i bild 3 nedan.

Efter en viss procentuell sammandragning (här ca 15 %) av varje sarcomer så kommer en muskel med mindre pennationsvinkel att ha kontraherat en längre sträcka.
Bild 3: Efter en viss procentuell sammandragning (här ca 15 %) av varje sarcomer så kommer en muskel med mindre pennationsvinkel att ha kontraherat en längre sträcka.

Pennationsvinkel och styrka

Det faktum att muskelfibrerna inte ligger i rak linje till kraftaxeln innebär att musklerna kommer att förlora kraft och samtidigt så kommer deras kontraktionshastighet att minska då en viss förändring i sarcomerlängd inte kommer motsvara en lika stor längdförändring mellan ursprung och fäste. Denna minskning blir större och större allt eftersom pennationsvinkeln ökar (se bild 3).

Så, desto större pennationsvinkel en muskelfiber har desto sämre blir den både på att använda sin kraft effektivt och på att kontrahera snabbt. Varför är det då så att muskler i vår kropp har muskelfiber som ligger i en pennationsvinkel istället för rakt? Svaret på denna fråga är att desto större pennationsvinkel en muskel har, desto flera muskelfiber kommer att få plats. Fler muskelfiber kommer att leda till fler sarcomer som ligger parallellt vilket ökar muskelns tvärsnittsarea (muskeln till vänster,  bild 2) vilket i sin tur ger en större kraft.

En större pennationsvinkel på muskelfiber kommer alltså att leda till att muskeln kan skapa en större kraft, men samtidigt så leder pennationsvinkeln till att kraften från varje muskelfiber inte överförs lika bra mellan ursprung och fäste. Det handlar alltså om en balansgång mellan tvärsnittsyta och pennationsvinkel. Gränsen för var en större pennationsvinkel inte längre leder till en fördel i maximal kraft ligger ungefär vid 30 grader men skiljer sig troligen stort från muskel till muskel.

Bilden visar effekten av pennationsvinkel på en muskels förmåga att kontrahera snabbt och skapa stor kraft. Musklerna har samma volym medan den sträckade har en liten pennationsvinkel och den heldragna har en stor pennationsvinkel.
Bild 4: Pennationsvinkelns inverkan på musklers funktion. Heldragen=stor vinkel, streckad=liten vinkel.

Bild 4 här ovanför sammanfattar på ett bra sett det vi har gått igenom hittills. Den visar effekten av pennationsvinkel på en muskels förmåga att kontrahera snabbt, skapa stor kraft och skapa kraft i ett stort rörelseomfång. De hypotetiska musklerna som används i bilden ovan har samma totala muskelvolym men skiljer sig åt i pennationsvinkel. Den streckade linjen representerar en muskel med liten pennationsvinkel och den heldragna linjen en muskel med stor pennationsvinkel.

Hur det ser ut i kroppen

Det finns i kroppen väldigt många olika utformningar på en muskel och indelningen av musklerna skiljer sig något från olika källor. Jag kommer för enkelhetens skull dela in muskler i tre olika former. De tre olika typerna är:

Raka muskler

Detta är muskler med små fästen där muskelfibrerna går i en rak linje som följer linjen mellan ursprung och fäste (inga fiber går hela muskellängden). Ett typexempel på denna typ av muskel är sartorius och hamstrings. Raka muskler har pga sina långa muskelfiber (många sarcomer i serie) ett stort rörelseomfång, kan skapa kraft snabbt, men de har inte så stor maximal kraft.

Unipennanta eller bipennanta muskler

Den här typen av muskler har i de flesta fall två ganska jämnstora fästen, men muskelfibrerna ligger i vinkel. Exempel på den här typen av muskler är musklerna i framsida lår och gastrocnemius. Pennanta muskler, särskilt de med lite större vinkel är oftast de muskler som man använder för att arbeta mot gravitationen. Dessa har en stor förmåga att skapa kraft, men deras rörelseomfång är begränsat och de förlorar snabbt sin kraft om man sätter dem i ett förkortat eller förlängt läge.

Multipennanta och fusiformade muskler

Dessa har ofta ett fästa som är ganska litet och ett mycket större ursprung eller tvärt om. Exempel på den här typen av muskler är deltoideus och gluteus maximus. Dessa muskler har ett stort rörelsespann och deras förmåga att skapa kraft varierar mellan olika rörelser och hastigheter. Den här typen av muskler finnar man oftast nära väldigt rörliga leder.

Bilden visar typexempel på de olika muskeltyperna, Lm står för musklernas längd och Lf står för längden på varje muskelfiber.
Bild 5: Typexempel på de olika muskeltyperna, Lm står för musklernas längd och Lf står för längden på varje muskelfiber.

Pennationsvinkeln kan påverkas med träning

En muskels utseende kan påverkas av träning. En ökad muskelvolym kommer leda till att man får en större pennationsvinkel. Då en större pennationsvinkel leder till en sämre överföring av kraft så finns det en gräns för när större muskelarea inte längre leder till ökad styrka.

Allt eftersom pennationsvinkeln ökar så minskar den procentuella överföringen av kraft från muskelfiber till muskelfäste.
Allt eftersom pennationsvinkeln ökar så minskar den procentuella överföringen av kraft från muskelfiber till muskelfäste.

Av bilden ovan kan man se att denna gräns ligger någonstans kring 45 grader. Hos normalbefolkningen ligger pennationsvinkeln sällan över 20 grader men hos bodybuilders har man funnit pennationsvinklar upp emot 55 grader. Detta kan vara en förklaring till varför bodybuilders inte är så otroligt starka som deras muskler antyder (dock är dem ruskigt starka ändå).

Om träning kan leda till att man får längre muskelfiber, dvs fler sarcomer, är ännu inte helt klarlagt men det finns djurstudier som tyder på att även detta är möjligt. Man har även observerat att sprinters har längre muskelfiber än långdistanslöpare men precis som när det gäller fördelningen av typ I och typ II fiber så vet man inte säkert om denna skillnad beror på genetik eller om det är en träningseffekt.

Borde inte styrketräning göra så man blir långsammare?

En logiskslutsats av informationen jag tagit upp tidigare i detta inlägg är att all styrketräning som leder till en ökad pennationsvinkel kommer att leda till att man får en långsammare kontraktion, vilket i sin tur betyder att man blir långsammare. Detta är i teorin sant, men i praktiken är det flera faktorer som spelar in som gör att man får fler positiva effekter på ens snabbhet av att styrketräna jämfört med negativa effekter. Dock ska styrketräning för hypotrofi endast ha en liten del i ett program för snabbhet och när man väl har nått en viss kroppsammansättning så gör man bäst i att prioritera andra faktorer.

Mer läsning för den som är intresserad / Referenser

Yasuo Kawakami
The Effects of Strength Training on Muscle Architecture in Humans (FULLTEXT GRATIS)
International Journal of Sport and Health Science, Vol. 3 (2005), special Issue 2005 pp.208-217

Lieber RL, Fridén J.
Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture.
Muscle Nerve. 2000 Nov;23(11):1647-66. Review.

Lieber RL, Fridén J.
Clinical significance of skeletal muscle architecture.
Clin Orthop Relat Res. 2001 Feb;(383):140-51. Review.

4 thoughts on “Muskelarkitektur och pennationsvinklar

  1. Hej!

    Intressanta artiklar ni skriver. Kul läsning!

    En liten kommentar till pennata muskler och kontraktionshastighet: I redogörelsen ovan framställs det som att den totala muskelkontraktionen enbart beror på sarkomerförkortning. Detta gäller förstås om pennationsvinkeln är 0. Om sarkomererna i en sådan muskel förkortas 15 % förkortar sig också muskeln som helhet 15%. Detta förhållande gäller dock inte pennata muskler. Den totala muskelförkortningen i en pennat muskel utgörs ju även av en rotation med en ökad pennationsvinkel under kontraktionen. Det ger alltså möjlighet till en högre total förkortning av muskeln som helhet och en högre kontraktionshastighet, än vad fallet skulle vara om pennationsvinkeln var konstant under kontraktionen. Det verkar ju dessutom som att pennata muskler i viss mån kan variera graden av rotation beroende på beov. Behövs mycket kraft (men låg kontraktionshastighet) blir rotationen mindre och behövs hög kontraktionshastighet (men lite kraft) sker stor rotation.

    Azizi, E., E. L. Brainerd, et al. (2008). ”Variable gearing in pennate muscles.” Proc Natl Acad Sci U S A 105(5): 1745-50.

  2. Tack för den lektionen Mattias 🙂 Angående rotationsbiten så valde jag att inte ta upp det då inlägget var långt nog som det är nu och i praktiken så blir det ju bara en förändring som leder till mindre långsam kontraktion jämfört med en rak muskel.

    Jag hade aldrig stött på någon information att rotationshastigheten kan variera beroende på kontraktionshastigheten förut och läste artikeln med nöje och hade jag läst den innan jag skrev inlägget så hade jag absolut tagit med det. Det var en väldigt bra pedagogisk genomgång i början på artikeln med.

    Hoppas du kommer tillbaka och kommenterar i andra inlägg!

Lämna ett svar

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *