해부학 [근수축]

근수축

 

근육의 수축을 나타내는 근수축은 근육의 근원섬유들을 이루는 마이오신 단백질(굵은 필라멘트)과 액틴 단백질(얇은 필라멘트) 간의 교차 결합으로 이루어집니다.

이때 마이오신또는 액틴섬유가 자체적으로 수축을 하는 것이 아닌 분자들이 서로 미끄러지며 활주가 일어나는데 이러한 이론을 필라멘트 활주이론이라고 합니다.

ATP로 인해 교차결합이 생겨나고 이러한 현상이 반복되며 굵은 필라멘트가 얇은 필라멘트를 끌어당기게 됩니다. 이때의 과정들로 인해 근수축이 진행됩니다.

 

근수축 연구의 발달은 19세기 현미경이 발달과 도입으로 인해 활발하게 이루어졌습니다.

편광현미경으로 근육의 자세한 구조를 관찰하는 것이 가능해지면서 육안으로는 관찰하지 못했던 미시적 구조에 대한 관심이 이어졌습니다.

이때 현재의 Z선과 A밴드라 불리는 근육의 구조를 관찰하는데 성공하게 됩니다.

이후로도 많은 연구가 진행되었지만 어떻게 근수축이 일어나는지에 대한 원리를 설명해 주지는 못했습니다.

 

1930년대 영국의 생물 물리학자 아치볼드 힐은 근수축시 근육에서 생기는 열에 관심을 갖게 되고 이를 이해하기 위해 노력하였습니다. 그는 근육에 대한 연구를 하면서 수축의 정도와 근육에 가해진 하중이 크면 클수록 많은 열을 발생시키지만 수축속도와 열 발생과는 관계가 없다는 사실을 발견하게 됩니다.

이러한 근육 내 열생산에 대한 업적으로 그는 1922년 오토 마이어호프와 함께 노벨 생리학, 의학상을 수상하게 되는데

비슷한 시기에 ATP에 대한 연구와 근육에서의 산소의 역할에 대한 연구가 이루어지면서 후속이론의 바탕이 되었습니다.

 

이후 1950년대 앤드루 헉슬리가 한 가지 이론을 제안하는데 이 이론이 현재까지도 가장 널리 받아들여지고 있는 활주 필라멘트이론입니다. 액틴과 마이오신의 분자들이 미끄러짐에 의해 활주가 일어나며 이때의 원동력이 이들 간의 교차연결의 움직임으로부터 온다는 것을 제안한 이 이론은 근수축단위의 구조를 명확하게 하며 필라멘트 자체가 수축하는 것이 아님을 직접 확인하는 계기가 되었습니다.

 

근수축의 단위

 

골격근을 미시적으로 관찰하게 되면 전체 근육(기관)-근섬유(세포)-근원섬유(특수화된 세포소기관)-굵은 필라멘트와 가는 필라멘트(세포골격 오소)-마이오신과 액틴(단백질)으로 요약할 수 있습니다.

 

근원섬유

 

근육을 이루는 단일 골격근세포로써 지름이 10~100㎛(마이크로미터) 정도로 특수화된 세포 소기관인 다량의 근원섬유로 이루어져 있으며 각각의 근원섬유들은 지름이 1㎛정도로 세포골격요소인 굵은 필라멘트와 가능 필라멘트의 구조로 이루어져 있습니다. 굵은 필라멘트와 가는 필라멘트는 각각 마이오신 단백질 그리고 구형태의 액틴 단백질로 구성되어 있습니다.

 

굵은 필라멘트-마이오신 단백질

 

마이오신 단백질은 2개의 미세 구조로 나누어서 붙어있는 형태로 되어있는데 각각의 구조는 꼬리와 머리 부분으로 구성되어 있습니다. 꼬리 부분은 중앙 쪽을 향하고 머리 부분은 액틴과 결합할 수 있는 부분과 ATP와 결함 할 수 있는 부분을 모두 가지고 있는데 이는 교차결합을 하기 위해 중요한 역할을 합니다.

결합된 ATP가 분해되면서 방출되는 에너지에 의해 마이오신의 머리 부분이 움직이게 되고 이에 액틴을 근원섬유마디의 가운데 쪽으로 끌어오면 근원섬유마디의 간격이 좁아지게 됩니다. 이때 각각의 근원섬유마디에서 발생하는 힘이 합쳐져 근력으로 작용하게 됩니다.

 

가는 필라멘트-액틴 단백질

 

액틴분자는 마이오신 분자에 비해 1/10보다 작은 분자량을 지니고 있습니다. 마치 나선형의 꼬인 사슬처럼 연결되어있는데 이때 트로포마이오신이라는 단백질이 연결에 관여하게 되는데 이 단백질은 액틴필라멘트를 따라 띠처럼 감겨있는 구조를 하고 있으며 교차결합하는 액틴부위를 덮고 있어서 액틴과 마이오신의 결합에 중요한 역할을 하게 됩니다.

또한 트로포닌은 칼슘이온과의 결합력이 높은 단백질로써 액틴필라멘트 위에 존재하게 되는데 트로포마이오신을 안정화시키고 액틴과 마이오신의 결합을 돕는 역할을 합니다. 소포체에서 빠져나온 칼슘이온단백질이 트로포닌과 결합하게 되면 불안정해진 트로포마이오신이 변형되면서 액틴과 마이오신은 결합을 하게 됩니다. 반면에 칼슘이온단백질 없이 트로포마이오신과 트로포닌이 액틴에 붙으면 마이오신이 결합하지 못합니다.

 

 

근수축의 종류

 

등척성 수축

 

근육의 장력이 발생 또는 증가함에 근육의 길이가 변하지 않고 역학적으로 수행되지 않았다고 하더라도 근육 내에서는 장력발생에 따른 생리학적 변화는 발생되는 경우가 있습니다. 이를 등척성 수축이 라고 일컬으며 이때 동반되는 열은 등장성 열생산이라고 합니다. 예를 들어 손과 발이 움직이지는 않지만 힘을 주고 있는 경우, 사람이 특별한 움직임 없이 바른 자세로 서있을 때 체중을 중력에 맞서 지탱하고 있는 경우, 특정한 물건을 들기 위해 힘을 주고 있지만 들어 올리지 못한 상태 등에 적용할 수가 있습니다.

 

등장성 수축

 

근육의 장력이 발생되고 근육의 길이가 변하며 역학적 수행이 발생되는 경우 등장성 수축이라 합니다. 특정한 물체를 들어 올리거나 내려놓는 경우와 같이 움직이는 힘 또는 그러한 상태등에 적용 할 수가 있습니다.

 

등장성 수축은 '단축성 수축'과 '신장성 수축'으로 나눌 수 있습니다.

단축성 수축은 근육이 부하보다 큰 장력을 일으켜 근육이 수축하게 되면서 짧아지는 경우를 말합니다. 따라서 장력이 발생하는 방향과 같은 방향으로 근수축이 발생하게 됩니다.

신장성 수축은 외부힘이 발생했을 때 근육이 그 작용에 대해 반대하는 수축입니다. 예를 들어 물건을 천천히 내려놓는 경우와 같이 근육을 잡아당기면서 장력을 내는 경우입니다. 이 경우 이두근에 있는 근섬유는 늘어나더라도 늘어나는 방향과 반대로 수축작용이 일어나게 됩니다.