1. 근활주설(활주필라멘트설, Sliding filament theory)
이 전의 글에서 근육 수축에 필요했던 4가지 수축성 단백질을 간략하게 알아보았다. 이번 글은 그 4가지 수축성 단백질이 근육의 수축에 어떻게 영향을 미치는지 알아보도록 하겠다.
전기적 신호로 인해 발생할 활동 전위는 신경근육 이음을 건너가 가로 세관으로 전달이 된다. 이때 저장이 된 칼슘 이온은 근형질 안쪽으로 방출이 된다. 칼슘 이온의 역할은 가는 필라멘트에 위치한 트로포닌 구조물을 고정하는 것이다. 이러한 작용으로 옆으로 이동(moving aside)을 하게 되어 트로포미오신 단백질 사슬은 액틴 필라멘트의 말단 부위를 덮게 된다. 액틴의 말단 부위가 드러나게 되면 굵은 필라멘트는 수축을 하기 위한 준비가 되는 것이다.
굵은 필라멘트의 미오신 머리는 APT(아데노신삼인산)의 분해로 인하여 에너지가 방출이 된다. 방출된 에너지는 액틴 필라멘트의 위쪽에 있는 활동 수용기에 미오신 머리를 결합하는 데 사용된다. 이 작용은 교차결합(Cross bridges)이라고 불리는 다리를 만들게 된다. 교차결합의 형태는 미오신의 머리는 액틴을 감아 Power stroke라고 불리는 강한 수축을 하게 되고, 근형질을 함께 잡아당긴다. 기다란 보트 위에서 한 줄로 노를 젓는 것처럼 패들은 물에 대항하여 잡아당기게 되는 것과 비슷하다. 미오신의 머리가 굵은 필라멘트를 따라가고 근형질의 중심부를 향한 가는 필라멘트가 미끄러져서 사슬이 짧아지게 된다.
미오신의 머리가 강한 수축을 하기 위해서는 더 많은 양의 ATP가 필요하며, 액틴의 필라멘트를 잡고 있는 (수축)것을 이완하기 위한 에너지가 제공되면 교차결합은 풀리게 된다. 이러한 과정은 근육 수축을 일으킨 근육 섬유의 가는필라멘트의 양쪽 측면에 미오신 머리가 대체되는 것으로 반복된다.
각 필라멘트의 미끄러짐이 발생하면 근육 수축이 완성되고, 신경 활동 전위는 멈추게 되며 연접 간극에 남아 있는 아세틸콜린은 분해가 되어 비활성화된다. 갈슘 이온은 트로포닌 구조물에서 떨어지게 되어 근형질 안으로 다시 돌아가게 된다. 트로포미오신은 액틴의 가장자리로 돌아가 다시 정렬되고 교차 결합을 방지한다. 이후에 근육은 안정 시의 길이로 되돌아가게 된다.
이 모든 과정을 근육 수축에서 일어나는 근활주설, 활주필라멘트설 이라고 하며 한 번 더 요약하면 아래와 같다.
첫째, 활동 전위가 근세포막에 전달이 된다.
둘째, 칼슘 이온이 근육세포질 그물에서 방출이 된다.
셋째, 액틴의 활동 부위가 드러나게 되고 칼슘 이온은 트로포닌에 고정된다.
넷째, 미오신 머리가 액틴과 결합해 교차결합이 일어난다.
다섯째, 강한 수축은 근육원섬유마디의 끝부분을 당겨 만들어 낸다.
2. 힘 생산에 미치는 요인
근활주설, 활주필라멘트설의 메커니즘에 따라 모든 근육이 힘을 발생하지만, 같은 부위의 근육에서 다른 크기의 힘이 어떻게 발생하는지 혹은 같은 근육이지만 다른 사람에 비해 더 큰 힘을 만들어내는지에 대한 궁금증이 생길 수 있다. 이는 운동 단위의 동원, 단면적, 근육의 길이, 섬유의 배열 등이 영향을 주며 이들이 힘 생산에 있어 중요하게 작용하는 요인들이다.
운동단위 동원은 예전에 한 번 설명하기도 했었다. 운동 신경세포(Motor neuron)은 움직임의 시작을 책임지고 있으며 특정한 근육 섬유에 연결되어 있다. 운동 신경세포와 이것을 조절하는 모든 섬유를 운동 단위(Motor unit)이라고 했었다. 섬세한 운동을 손가락이나 얼굴이 할 수 있는 이유는 이곳의 운동 단위가 각각 아주 적은 섬유만을 갖고 있기 때문이다. 대퇴사두근과 같이 수 천 개의 근육 섬유를 갖고 있는 부분 같은 경우는, 매우 강한 힘과 움직임을 만들 수 있지만 섬세한 조절은 쉽지 않다.
한 개의 근육은 대부분 여러 개의 운동 단위로 구성되어 있다. 우리의 몸은 운동단위의 동원과 개수, 특정한 근육에 의해 힘을 생성하고 조절한다. 모든 운동단위가 활성화될 때는 근육이 최대의 힘을 내고, 몇 개의 운동단위만 활성화될 때는 작은 힘이 발생되는 것이다. 가중(Summation)은 운동단위가 점점 많이 동원되는 과정이며, 이는 잠재적으로 큰 힘의 생산을 만들어 낸다.
일부 운동단위는 모든 시간에 활성화되어 있어서 쉬고 있는 상태에서도 근육이 최소한의 긴장도를 갖게 되고, 수축을 위한 준비 상태를 유지한다. 지속적으로 운동단위가 활성화된 것은 근긴장도(Muscle tone)라고 하는데, 이는 뼈대 근육과 신경 사이의 연결 강도를 나타낸다. 근육이 과도하게 사용되거나 혹은 극도의 긴장도가 생긴다면 긴장 상승(Hypertonicity)이라고 하며, 근육 사용이 감소되거나 손상이 일어나면 근육은 이완(Flaccid)이 된다. 이러한 근육의 긴장도는 관절의 안정성과 자세 유지에 도움을 주며, 근육이 힘 생산을 하기 위한 시간을 줄여준다.
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