제 9장. 근육 - 위대한 soultion의 근원

[문형철]

나는 많은 환자들과 상담을 할때 원인을 묻는 환자에게 단호하게 말한다. 

"우리는 원인에 대한 이야기를 중단하고 "솔루션"에 집중해야 한다"

경험적으로 원인을 궁금해하고 원인에 대한 이야기가 길어진 환자가 좋은 의학적 치료효과를 본적은 거의 없다.

왜그럴까? 

그들은 솔루션을 위한 어떤 행동수정도 하지 않았기 때문이다.

인체의 문제를 탐구할때도 마찬가지다. 

우리는 solution 해결책에 초점을 맞추어 탐구할때 좋은 의학적 결과를 내는 좋은 의료인이 될 수 있다. 

우리 몸을 1차적으로 건강하게 하는 최고의 방법은 "올바른 방향과 올바른 힘에 의한 올바른 움직임"이다. 

올바른 움직임을 위해 가장 중요한 것은 바로 "근육"이다.

그래서 나는 근육에 대해서 어마어마어마한 관심과 탐구를 계속하고 있다. 

이 근육을 이해하고, 신체움직임의 조절... 그리고 circulation과 respiration을 연결하여 치료적 exercise를 좀더 큰틀에서 통합하려한다. 

panic bird...

힘을 내고 이동하는데 화학 에너지를 사용할 수 있는 능력이 대부분의 세포에서는 한정되어 있지만 근육세포에서는 매우 크다. 근육은 힘과 운동을 내부환경을 조절하는데에 사용하며, 또한 외부환경과의 관계에서 신체를 움직이도록 한다. 사람이 말하기, 글스기나 예술적 표현으로 의사소통을 할 수 있는 능력 또한 근수축에 의존한다. 또한 사람의 마음을 긍정적으로 표현할 수 있는 것도 근육활성을 조절하는 것으로 가능하다. 

근육은 구조, 수축능력 및 조절기전에 따라 골격근, 평활근, 심근의 세종류로 나뉜다. 이름처럼 대부분의 골격근은 뼈에 부착되어 있고, 골격근의 수축은 신경신호에 의해 일어나고, 일반적으로 수의적으로 조절된다. 

평활근은 위, 창자, 방광, 자궁 및 폐의 기도를 포함하는 다양한 빈공간의 기관과 관을 싸고 있다. 속이 빈 공간을 싸고 있는 평활근의 수축으로 기관속의 내용물을 밀어내게 되고, 관의 직경을 변화시킴으로써 내부의 유속을 조절할 수 있다. 또한 평활근의 수축으로 피부의 털이 서게 하거나 안구이 홍채크기를 변화시킬 수 있다. 평활근의 수축은 자율신경계, 호르몬, 자가분비/측분비 물질 및 다른 국소적 화학신호에 의해 조절된다. 그러나 어떤 평활근은 그와 같은 신호없이 자율적으로 수축한다. 골격근과는 대조적으로 평활근은 보통 수의적으로 조절되지 않는다. 

심근은 심장의 근육이다. 심근의 수축이완으로 순환계에서 혈액이 순환한다. 평활근처럼 심근은 자율신경계, 호르몬, 자가분비/측분비물질에 의해 조절되며, 자발적인 수축을 한다.

세종류의 근육사이에 현저한 차이는 있지만, 힘을 생성하는 기전은 모두 비슷하다. 이 장에서는 골격근을 먼저 설명하고 이어서 평활근과 심근을 논의할 것이다. 골격근과 평활근의 두가지 특성이 함께 나타나는 심근은 순환계에서 역할과 연관시켜 12장에서 심도있게 다룰 것읻.

골격근

1. 골격근의 구조

골격근을 현미경으로 관찰해보면, 근육의 긴축에 대해 수직방향으로 밝은 띠와 검은 띠가 교대로 반복해서 선명하게 보인다. 심근은 이같은 줄무늬형태를 가지고 있어 가로무늬근이라 한다. 세번째 근의 형태인 평활근으로 줄무늬가 없어서 붙여진 이름이다. 

골격근 세포 하나는 핵이 여러개 있는 기다란 모양을 하고 있어 근섬유(muscle fiber)라고 하기도 한다. 각각의 근섬유는 발생중에 미분화된 단핵세포인 근원세포(myoblast)가 원주형다핵 세포로 수없이 융합함으로써 형성된다. 골격근 분화는 출생 즈음에 종결되나, 분화된 근섬유는 영아에서 성인이 될때까지 계속해서 커진다. 다른 세포에 비해 골격근은 매우 크다. 성인의 골격근 섬유는 직경이 10-100um이고, 길이는 20cm인 것도 있다. 이렇게 큰 세포를 유지하는 것은 근섬유에 흩어져 존재하는 핵들로부터 세포의 기능과 구조에 필요한 유전자를 발현하여 단백질을 합성하고 있기 때문이다. 

골격근 섬유가 출생 후에 상처로 파괴되면, 기존의 근섬유가 분열하여 파괴된 근섬유를 대체할 수는 없다. 그러나 골격근은 매우 적응이 잘된 조직이어서 위성세포(satellite cell)로 알려진 미분화세포를 가지고 있다. 위성세포는 정상적인 상태에서 미분화 상태로 남아 있으며, 세포막과 근섬유를 따라 둘러싸고 있는 기저막사이에 위치하고 있다.

상처가 나면 위성세포들이 활성화되어 세포분열을 시작한다. 딸세포들은 근원세포로 분화되며, 근원세포는 서로 융합하여 새로운 근섬유를 만들거나 상처입은 근섬유와 세포융합을 하여 이들 세포를 치유한다. 새로운 골격근 섬유를 형성하는 능력은 대단한 것이지만, 심하게 손상된 근육은 완전하게 회복되지 않는다. 위성세포가 관여하여 손상된 근육조직의 남은 부위의 크기를 증가시킨다(hypertrophy). 운동을 하게되면 그 반응으로 근육이 과비대를 보이는 것도 위성세포의 분열과 분화가 관여하는 것이다. 이 과정에는 성장호르몬, 인슐린 유사성장 호로몬, 성호르몬과 같은 여러가지 종류의 호르몬과 성장인자가 관여한다. 11장 참조

근육이라는 용어는 결합조직에 의해 같이 묶여진 수많은 근섬유를 뜻한다. 하나의 근섬유와 근육과의 관계는 많은 뉴런의 축삭으로 구성된 신경과 하나의 뉴런과의 관계가 닮았다. 근육은 일반적으로 콜라겐의 묶음인 힘줄(tendon)에 의해 뼈에 연결되어 있다. 어떤 근육에서는 하나하나의 근섬유가 근육전체의 길이로 길게 늘어져 있으나 대부분의 근섬유는 짧으며 종종 근육의 긴 축에 각도를 유지한채 위치하고 있다(muscle length와 fiber length). 근육에서 뼈로 힘을 전달하는 것을 많은 사람이 줄을 당기는 것으로 비유하면 개인은 근섬유, 줄은 결합조직과 힘줄에 해당한다. 

어떤 힘줄은 근육에서 멀리 떨어져 뼈에 부착하여 매우 길다. 예를들면, 손가락을 움직이는 아래팔의 근육이 그러한 예이다. 이들 근육은 긴 힘줄로 손가락에 연결되어 있다. 

골격근이 줄무늬를 보이는 것은 수많은 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트가 세포질에서 규칙적으로 배열하고 있는 까닭이다. 직경이 1-2um로 작은 원주형인 근원섬유(myofibril)를 이들 필라멘트가 채우고 있다. 근섬유 세포질의 대부분은 근원섬유로 채워져 있고, 각각의 근원섬유는 근섬유 한쪽에서 다른 끝으로 팽창되어 있으며, 근섬유의 끝에서 힘줄과 연결되어 있다. 근원섬유의 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트는 근원섬유 전체길이를 반복적으로 배열되어 있다. 반복되는 한단위는 근절(sarcomere)이다. 굵은 필라멘트는 거의 대부분 미오신(myosin) 단백질로 구성되어 있다. 직경이 굵은 필라멘트의 절반크기인 가는 필라멘트는 단백질인 액틴(actin)으로 주로 구성되며, 수축조절에 중요한 기능을 담당하는 2가지 단백질인 트로포닌(troponin)과 트로포미오신(tropomyosin)을 포함하고 있다. 

굵은 필라멘트는 각 근절의 중앙에 위치하고 있고, 질서정연하게 평행으로 배열되어 암대(A band)라고 하는 넓고 어두운 띠를 형성한다. 각 근절은 양끝에 있는 가는 필라멘트 2개를 한단위로 포함하고 있다. 가는 필라멘트의 한끝은 이들을 상호연결하는 Z선에 연결되어 있고, 다른 끝은 굵은 필라멘트의 일부분과 겹쳐져 있다. 연속적인 두 Z선 사이를 하나의 근절로 정의한다. 따라서 인접한 두 근절의 가는 필라멘트는 Z선의 양편에 연결되어 있다. 

명대(I band)로 알려진 밝은 띠는 인접한 근절의 암대 사이에 존재하고, 굵은 필라멘트와 겹쳐있지 않는 가는 필라멘트의 부분을 포함하고 있다. 이것은 Z선에 의해 반으로 갈라져 있다. 근절의 암대 부위에 2개의 띠가 더있다. 

또한 탄력성 단백질인 티틴(titin)으로 구성되어 있는 필라멘트는 Z선 중앙까지 이어져 있고, 중앙선 단백질과 굵은 필라멘트를 연결한다. 굵은 필라멘트 사이의 중앙선 연결과 티틴 필라멘트 둘다 근절의 중앙에서 굵은 필라멘트의 규칙적인 배열을 유지한다. 

암대를 가로 절단하면(그림 9-4), 굵은 필라멘트와 가는 필라멘트의 겹쳐진 규칙적인 배열이 나타난다. 각각의 굵은 필라멘트는 6개의 가는 필라멘트에 의해 육각형으로 싸여있고, 각각의 가는 필라멘트는 굵은 필라멘트에 의해 삼각형으로 싸여있다. 필라멘트가 겹쳐진 부위에서는 가는 필라멘트가 굵은 필라멘트보다 2배 더 많다. 굵은 필라멘트와 가는 필라멘트가 겹쳐진 공간에는 가교(cross bridge)라고 하는 돌출물이 있다. 이것은 굵은 필라멘트 표면에서 가는 필라멘트 방향으로 팽창된 미오신 분자의 일부분이다. 근수축 동안에 가교는 가는 필라멘트와 결합하고, 가는 필라멘트에 힘을 발휘한다. 

2. 골격근 수축의 분자기전

근육생리에서 사용되는 수축(contraction)이라는 용어는 반드시 길이가 짧아짐을 의미하지 않는다. 그것은 단지 근섬유내에서 힘-생성부위인 가교의 활성을 의미한다. 예를들면, 일정한 자세에서 아령을 잡는데에는 근육의 수축이 필요하나, 근육이 줄어들지는 않는다. 수축후 활성기전은 꺼지고, 근섬유의 이완이 일어나면서 장력(tension)이 줄어든다. 

필라멘트 활주 기전

힘이 생성되면서 골격근 섬유의 길이가 줄어들때, 근절마다 굵은 필라멘트와 가는 필라멘트의 중첩부분은 가교의 이동에 의해 서로를 지나면서 끌어당긴다. 근절이 짧아지는 동안에도 굵은 필라멘트와 가는 필라멘트의 길이는 각각 변화가 없다. 이것이 근수축의 활주기전(sliding filament mechanism)이다. 

길이가 짧아지는 동안에 가는 필라멘트의 액틴분자에 부착되어 있는 미오신 가교는 배의 노처럼 원을 그리며 이동한다. 많은 가교의 선회동작은 연속적으로 Z선에 부착되어 있는 가는 필라멘트를 중앙으로 움직이도록 하여, 근절의 길이가 짧아진다. 

가교의 1회 파워스트로크(power stroke)는 굵은 필라멘트에 비해 가는 필라멘트가 매우 작게 움직이도록 한다. 그러나 근섬유가 활성화된 채로 남아있을 때까지 가교마다 선회운동을 여러번 반복하여, 필라멘트의 이동이 크게 일어난다. 근수축의 일반적인 형태는 고정된 위치의 근육 한쪽 끝을 포함하여 반대편 끝은 줄어들게 된다. 이 경우 필라멘트 쪽과 각 근절이 안쪽으로 줄어들게 되면, 각 근절의 중앙은 고정된 근육의 끝을 향해 미끌어져 간다. 따라서 근섬유가 낼 수 있는 힘의 세기와 이동성은 수축성 단백질인 액틴과 미오신의 상호작용에 달려있다. 

액틴분자 하나는 단일 폴리펩티드(단량체)로 구성된 구형 단백질이며, 다른 액틴 단량체와 중합체를 이루어 두가닥이 서로 꼬인 나선구조를 형성한다. 이 사슬이 가는 필라멘트의 중요 구성물질이다. 액틴 분자들은 미오신 분자와 결합하는 결합부위를 가지고 있다. 반면 미오신 분자는 2개의 큰 폴리펩티드인 무거운 사슬(heavy chain)과 4개의 작은 가벼운 사슬(light chain)로 구성되어 있다. 이들 폴리펩티드는 서로 결합하여 구형 머리 2개와 2개의 무거운 사슬이 서로 꼬인 긴 꼬리를 만든다. 

각각의 미오신 꼬리는 굵은 필라멘트 축과 같은 방향으로 놓여 있고, 2개의 구형머리는 옆으로 돌출되어 가교를 형성한다. 각각의 구형머리는 결합부위를 2개 가지고 있는데, 하나는 액틴 다른 하나는 ATP에 대한 것이다. ATP결합부위는 또한 ATP가수분해 효소로도 작용한다. 이 효소의 기능은 결합된 ATP를 가수분해하여 수축에 필요한 에너지를 공급하도록 한다. 

가교가 가는 필라멘트에 결합하여 움직이는 일련의 과정을 가교주기(cross bridge cycle)라고 하며, 수축동안에 주기가 반복하여 일어난다. 

각 주기는 4단계로 

1) 가는 필라멘트에 가교의 부착

2) 가교의 이동으로 가는 필라멘트에 장력 발생

3) 가는 필라멘트로부터 가교의 분리

4) 가교가 가는 필라멘트에 다시 부착하고 주기를 반복할 수 있도록 하기 위한 가교의 에너지 충전으로 구성

각각의 가교는 다른 가교와는 독립적으로 자기의 주기를 수행한다. 수축 동안 한시기를 보면 어떤 가교은 가는 필라멘트에 부착되어 있어 힘을 생성하는 반면에 다른 것들은 주기의 다른 단계에 있을 수 있다. 아래 그림은 가교 주기의 4단계 동안 화학적 물리적사건을 나타낸 것이다. 

휴지기의 근섬유에서 세포질 Ca2+의 농도는 낮고, 미오신의 가교는 액틴과 결합할 수 없다. 그러나 가교는 ATP의 분해로 생성된 높은 에너지 상태에 있고, 가수분해 산물인 ATP와 무기인산(Pi)은 미오신에 그대로 부착되어 있다. 에너지가 충전된 미오신의 상태는 늘어난 스프링이 가지고 있는 에너지와 유사하다. 

가교주기는 세포질로 Ca2+가 들어오면서 시작된다. 주기는 에너지가 높은 미오신 가교가 가는 필라멘트인 액틴과 결합하면서 시작된다. 단계 1

에너지가 높은 미오신이 액틴과 결합하여 에너지가 높은 가교의 긴장된 구조가 풀리며, 이로 인해 결합된 가교가 이동(power stroke)하며 Pi와 ADP를 방출한다(단계 2).

미오신에 의한 에너지 저장과 방출은 쥐덫의 작동원리와 유사하다. 스프링을 잠글때(ATP의 가수분해) 에너지가 덫에 저장되고, 덫이 튕겨질때(액틴과 결합) 에너지가 방출된다. 가교의 이동동안 미오신은 액틴에 매우 견고하게 결합되어 있고, 이 연결은 가교를 재충전시키고 주기를 반복하기 위하여 반드시 떨어져야 한다. 미오신에 대한 새로운 ATP분자의 결합은 액틴과 미오신간의 연결을 분리시킨다. 단계 3

ATP에 의한 액틴과 미오신의 해리는 단백질 활성의 다른자리 입체성 조절의 예이다. 미오신의 한 부위에 ATP의 결합은 다른 부위에서 액틴에 대한 미오신의 친화도를 감소시킨다. 이 단계에서 ATP가 분해되지 않는 것에 주목하자. 즉 ATP는 에너지원으로 작용하는 것이 아니라 액틴에 대한 미오신의 결합을 약하게 하는 미오신 머리의 다른자리 입체성 조절자로 작용한다. 액틴과 미오신의 분리에 이어서 미오신 머리에 결합되어 있는 ATP는 분해되어(단계 4), 에너지가 높은 미오신의 상태가 다시 되어 가교가 파워 스트로크 전단계 위치로 되돌아 온다. 

ATP가수분해(4단계)와 가교의 이동(2단계)은 동시에 일어나는 것이 아님을 주목하자. 만일 Ca2+이 이 시기에 여전히 존재하고 있으면, 가교는 가는 필라멘트에 액틴분자와 다시 결합할 수 있어 가교주기는 반복된다(근육이 실제로 수축하지 않고 힘만 발생히키는 상황에서는 가교는 이 주기의 전 단계처럼 같은 액틴 분자와 재결합 할 것이다). 이와같이 ATP는 가교주기에서 두가지  다른역할을 수행한다. 

1) ATP의 가수분해에 의해 방출된 에너지는 궁극적으로 가교이동에 필요한 에너지를 제공하고

2) 미오신에 대한 ATP결합(가수분해가 아님)은 주기동안 액틴과 미오신 사이에 형성된 연결을 해체하여 주기를 반복하도록 함.

가교주기의 3단계에서 액틴과 미오신의 분리에서 담당하는 ATP의 역할은 사후강직에서 볼 수 있다. 사망후 수시간 동안에 시작되는 골격근의 경직인 사후강직은 12시간 후에 최대에 이른다. ATP를 만드는 물질대사 경로에 필요한 영양분과 산소가 순환에 의해 더이상 공급되지 않기 때문에 근세포를 포함한 세포의 ATP농도는 죽은 후에 줄어들게 된다. ATP가 없는 상태에서는 액틴과 미오신 사이의  결합이 분리되지 않는다. 굵은 필라멘트와 가는 필라멘트는 움직일 수 없는 가교에 의해 결합된 상태가 되며, 두 필라멘트가 서로 당길수 없는 견고한 상태를 이룬다. 사후강직은 근조직이 분해되며서 죽은 후 약 48시간에서 60시간 사이에 사라진다. 

수축에서 트로포닌, 트로포미오신 및 칼슘이온의 역할

세포질 Ca2+의 존재가 어떻게 가교주기를 결정하는가? 가는 필라멘트 단백질인 트로포닌과 트로포미오신에 답이 있다. 트로포미오신은 서로 꼬인 2개의 폴리펩티드로 구성된 막대 모양의 분자로 그 길이는 액틴 7개의 크기와 거의 같다. 트로포미오신 분자 사슬은 가는 필라멘트의 액틴분자를 다라 꼬리에 꼬리를 물고 배열되어 있다. 이들 트로포미오신 분자들은 각각의 액틴 분자에 있는 미오신 결합부위를 부분적으로 덮고 있어, 미오신이 액틴과 결합하는 것을 방해하고 있다. 각각의 트로포미오신 분자는 트로포미오신과 액틴 둘다에 결합되어 있는 작은 구형 단백질인 트로포닌에 의해 차단부위에 고정되어 있다. 

액틴과 트로포미오신과 상호작용하는 트로포닌은 I(억제), T(트로포미오신과 결합), 그리고 C(Ca2+와 결합)로 표시되는 3가지 소단위체로 구성되어 있다. 트로포닌 분자는 각각의 트로포미오신에 결합되어 있고, 트로포미오신과 접촉하고 있는 7개의 액틴분자의 미오신 결합부위에 대한 접근을 조절한다. 이것이 휴식상태에 있는 근섬유의 상태, 트로포닌과 트로포미오신은 가는 필라멘트와 가교와의 상호작용을 협동적으로 방해하고 있다. 

가교가 액틴과 결합하여 주기를 시작할 수 있게 하는 것은 무엇인가? 이것이 일어나기 위하여 트로포미오신 분자는 액틴의 차단부위로부터 반드시 움직여 나가야 한다. 이것은 Ca2+의 결합으로 트로포닌의 모양을 변화시켜, 액틴의 미오신 결합부위로부터 트로포미오신을 끌어낸다. 역으로 트로포닌으로부터 Ca2+이 제거되면 이 과정이 역으로 일어나 수축활동이 끝나게 된다. 

이와같이 세포질내의 Ca2+ 농도에 의해 Ca2+이 결합하는 트로포닌의 수가 결정되며, 이로 인해 가교 결합에 필요한 액틴자리의 수가 결정된다. 곧 다룰 근육 세포막에서 일어나는 전기적 과정에 의해 세포질 내의 Ca2+ 농도를 조절한다. 

흥분-수축 커플링(excitation-contraction coupling)

흥분-수축 커플링은 근섬유의 세포막에서 일어나는 활동전위가 가교활성을 유도하는 일련의 과정을 의미한다. 골격근 세포막은 흥분성 막이며, 신경세포에서 설명하였던 기전과 비슷한 방법에 의해 활동전위가 생성되고 전파될 수 있다. 골격근 섬유에서 활동전위는 1~2ms지속되며, 어떠한 기계적 활동신호가 시작되기 전에 종결된다. 활동전위에 이은 기계적 활성은 수축단백질에 직접 작용하지 않는 대신 세포질의 Ca2+ 농도가 세포막에서 전기적 활성이 사라진 뒤에도 오랫동안 수축성 기구를 활성화시킨다.

휴식상태의 근섬유에서 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트를 싸고 있는 세포질의 자유 Ca2+농도는 약 10에 마이너스 7승mol/L로 매우 낮다. 이런 낮은 Ca2+농도에서 트로포닌의 Ca2+결합부위는 거의 채워지지 않으며, 따라서 가교활성은 트로포미오신에 의해 차단된다. 활동전위가 일어난 뒤 세포질의 Ca2+농도는 급격히 증가하고, Ca2+이 트로포닌과 결합하여 트로포미오신의 방해가 없어져 가교주기가 가능해진다. 증가된 세포질 Ca2+의 원천은 근섬유내에  있는 근소포체이다. 

근소포체(Sarcoplasmic reticulum)

근섬유의 근소포체는 대부분의 세포에서 발견되는 소포체와 유사하며, 근원섬유 주위에 망상체 모양의 절편을 형성한다. 각 절편의 양끝에 팽배한 부위가 있으며 이를 측면주머니하 하고, 이것들은 작은 관에 의해 서로 연결되어 있다. 측면주머니에 보관되어 있는 Ca2+은 막이 활성화되면 방출된다. 

별개로 분리된 관구조인 T-관(T-tubule)은 명대-암대의 교차지점에서 근섬유를 가로 지르고 있으며 2개의 측면주머니 사이를 지나가고 결과적으로 세포막과 만나고 있다. T-관의 막도 세포막처럼 활동전위를 전파할 수 있다. 세포막에서 한번 시작되면 활동전위는 빠르게 세포막 전체로 퍼지고 T관을 통해 안쪽으로 퍼진다. 특별한 기전이 T관 활동전위와 근소포체로부터 칼륨이온 분비를 연관한다. T관은 근소포체의 측면 주머니와 접촉하고 있으며, 접합 발(junction foot)이나 또는 발 단백질(foot protein)이라고 알려진 구조에 연결되어 있다. 이 연접은 2개의 내재 막단백질을 포함하고 있으며 하나는 T관에 있고, 다른 하나는 근소포체에 있다. T관 단백질은 변형된 전압-개폐형 Ca2+채널로서 디히드로피리딘 수용체이다. 그러나 디히드로피리딘 수용체의 주된 역할은 Ca2+의 전도가 아니라 전압 감지자로서의 작용이다. 

근소포체에 있는 단백질은 리아노딘 수용체이다. 이것은 발 단백질을 구성할 뿐만 아니라, 칼슘채널을 형성하는 커다란 단백질이다. T관의 활동전위 동안 디히드로피리딘 수용체 내에 있는 전하를 띤 아미노산이 구조적인 변화를 유도하고, 이것이 발 단백질을 통해 리아노딘 수용체를 열도록 작용한다. 그리하여 Ca2+은 근소포체의 측면 주머니로부터 세포질로 방출되고 가교주기가 활성화된다. 

칼슘이 근섬유 세포질내로 분비됨. 

단일 활동전위에 대한 반응으로 증가된  Ca2+은 정상적으로 가는 필라멘트에 있는 모든 트로포닌 결합부위를 포화시키기에 충분하다. Ca2+이 트로포닌으로부터 제거될때까지 수축은 지속되고, 세포질 Ca2+의 농도가 방출전의 농도로 낮아짐으로써 트로포닌으로부터 Ca2+이 제거된다. 근 소포체의 막은 기초적인 능동수송 단백질인 Ca2+-ATP가수분해 효소를 함유하고 있으며, Ca2+-ATP 가수분해 효소는 세포질로부터 소포체의 내부공간으로 Ca2+을 능동수송한다.

앞에서 보았듯이 Ca2+은 활동전위가 T관에 도달하자마자 근소포체로부터 방출되지만, 방출된 Ca2+이 근소포체로 되돌아가는 데는 훨씬 긴 시간이 요구된다. 따라서 세포질 Ca2+의 농도는 높은 상태로 남아 있게 되어 수축은 단일 활동전위 후에 얼마동안 지속된다. 

요약하면 근소포체에 저장되어 있던 Ca2+이 방출되어 수축은 일어나고, 근 소포체로 Ca2+을 능동수송함으로써 수축은 종결되고 이완은 시작된다. ATP는 Ca2+펌퍼의 에너지를 위해 필요하고, 이것은 근육 수축에서 ATP의 세번째 역할이다. 

참고) 골격근 수축에서 ATP의 기능

1) 미오신에 의한 ATP가수분해는 가교를 높은 에너지 상태로 만들고, 힘 생성에 필요한 에너지를 제공한다.

2) 미오신에 ATP가 결합함으로써 액틴에 결합된 가교를 분리시키며, 가교가 가교주기를 반복하도록 해준다.

3) 근소포체에 있는 Ca2+-ATP 가수분해효소는 ATP의 가수분해 에너지로 근소포체내로 Ca2+을 능동수송하여 세포질의 Ca2+을 방출 전 수준으로 낮추어, 수축을 종결시키고 근육이 이완되도록 한다. 

막 흥분 : 신경근 접합부(Neuromuscular junction)

우리는 골격근 섬유의 세포막 활동전위가 수축을 촉발하는 신호임을 보았다. 한단계 되돌아가 이런 질문을 할 수 있다. 활동전위가 어떻게 시작되는가? 골격근에 연결된 신경의 자극이 골격근에서 활동전위를 일으키는 기전이다. 심근과 평활근이 수축을 활성시키는 기전은 다음절에서 다룰 것이다. 

축삭이 골격근 섬유에 뻗어있는 신경세포가 운동신경이고, 세포체는 뇌간이나 척수에 있다. 그러므로 활동전위를 빠른 속도로 전파할 수 있고, 중추신경계에서 골격근까지 최소한의 지연으로 신호를 전달한다. 근육에 도달하기 직전에 운동신경의 축삭은 많은 가지로 나누어지고, 각 가지는 근섬유와 단일접합을 형성한다. 하나의 운동신경은 많은 근섬유를 지배하지만, 각 근섬유는 하나의 운동신경 가지에 의해 조절된다. 운동신경과 이에 퍼져있는 근섬유를 운동단위(motor unit)라고 한다. 

하나의 운동단위에 있는 여러 근섬유는 하나의 근육에 위치하고 있으나, 그들은 근육전체에 퍼져 있고 반드시 인접해서 있을 필요는 없다. 운동신경에서 활동전위가 일어났을때, 운동단위에 있는 모든 근섬유가 수축하도록 자극을 받는다. 각 운동신경을 싸고 있는 수초는 근섬유의 표면에서 끝나고 축삭은 많은 짭은 돌기로 나누어지고, 짧은 돌기는 근섬유 표면에 있는 틈에 묻힌 상태로 된다. 운동신경의 축삭말단에는 두신경사이의 시냅스 접합에서 발견되는 소낭과 비슷한 소낭이 있다. 소낭은 신경전달물질인 아세틸콜린을 함유하고 있다. 축삭 말단부위의 바로 밑에 잇는 근섬유막 부위가 운동종판(motor end plate)이다. 운동종판이 있는 축삭말단의 접합이 신경근 접합이다. 

운동신경의 활동전위가 축삭말단에 도달하면, 세포막이 탈분극되고 전압의존성 Ca2+ 채널이 열려 Ca2+이 세포외액으로부터 축삭말단으로 확산되어 들어온다. Ca2+은 특정 단백질과 결합하고, 이 단백질은 아세틸콜린을 함유하고 있는 소낭의 막과 신경 세포막을 융합시키며, 아세틸 콜린은 운동종판과 축삭말단을 분리시키고 있는 세포간극으로 방출된다. 

아세틸콜린은 축삭말단에서 운동종판으로 확산되고, 거기서 니코틴 수용체와 결합한다. 아세틸콜린의 결합으로 각 수용체 단백질에 있는 이온채널이 열린다. 나트륨과 칼륨이온은 둘다 이온 채널을 통과할 수 있다. 세포막을 가로지르는 전기화학적 기울기때문에 칼륨이 나가는 것보다 나트륨이 안으로 더 많이 이동하여 종판전위(end-plate potential, EPP)라고 알려진 운동종판의 국소적 탈분극이 일어난다. 따라서 종판전위는 신경-신경 시냅스의 흥분성시냅스 후 전위(Excitatory postsynaptic potential, EPSP)와 유사하다. 

그러나 신경전달물질이 넓은 부위로 분비되고 더 많은 수용체와 결합하여 더 많은 이온채널이 열리기 때문에 단일 종판전위의 크기는 흥분성 시냅스후 전위보다 크다. 이러한 이유로 하나의 종판전위는 정상적으로 신경 종판막과 인접한 근섬유막이 역치전위에이르도록 탈분극시키기에 충분히 커서 활동전위가 개시된다. 6장에서 설명한 바와 같이 비수초화 신경의 축삭막을 따라 이동하는 활동전위 전파기전과 같은 방식으로 활동전위는 근섬유 표면을 따라 전파된다. 대부분의 신경근 접합부는 근섬유의 중심에 위치하고, 새로 생성된 근섬유의 활동전위는 이 부위로부터 근섬유 양방향으로 전파되고 이어 T관으로 전파된다.

다시말하면 운동신경의 모든 활동전위는 운동단위에 잇는 각각의 근섬유에 활동전위를 만들어낸다. 이것이 신경들 사이의 시냅스 접합과 매우 다른 점인데, 신경들의 접합에서 역치에 도달하더라도 시냅스 후 세포막에서 활동전위가 일어나기 위하여 다수의 흥분성 시냅스 후 전위가 반드시 일어나야만 한다. 신경들 사이의 시냅스와 신경근 접합부의 두번째 차이점은 다음과 같다. 6장에서 본바와 같이 어떤 시냅스 접합부에서는 억제성 시냅스 후 전위(IPSP)가 생성된다. 그들은 시냅스 후 세포막을 과분극시키거나 안정화시켜 활동전위의 발생확률을 감소시킨다. 이와는 대조적으로 사람의 골격근에서는 억제성 전위가 일어나지 않는다. 모든 신경근 접합부는 흥분성이다. 

아세틸콜린 수용체와 더불어 운동종판의 표면은 아세틸콜린에스테라제를 갖고 있으며, 이 효소는 신경계에서 아세틸콜린에 의해 중계되는 시냅스처럼 아세틸콜린을 분해한다. 콜린은 축삭말단으로 다시 수송되고, 거기서 새로운 아세틸콜린으로 합성되어 다시 사용된다. 수용체에 결합된 아세틸콜린은 신경근과 근 세포막틈 사이에 있는 아세틸콜린과 평형상태에 있다. 아세틸콜린에스테라아제의 의한 아세틸콜린의 분해때문에 자유 아세틸콜린의 농도가 낮아짐에 따라 아세틸콜린은 수용체에 결합할 수 없게 된다. 수용체가 아세틸콜린과 더이상 결합되지 않을 때, 종판에 있는 이온채널은 닫힌다. 탈분극된 종판은 휴지전위로 돌아가고 신경의 다른 활동전위에 의해 뒤이어 분비되는 아세틸콜린에 반응할 수 있게 된다. 표 9-2는 운동신경의 활동전위로부터 골격근 섬유의 수축과 이완에 이르는 일련의 과정을 요약하였다. 

1. 활동전위가 시작되고 운동신경 축삭말단으로 전파된다. 

2. Ca2+이 전압 개폐형 Ca2+ 채널을 통해 축삭안으로 들어간다.

3. Ca2+의 유입은 축삭말단에서 아세틸콜린을 방출시킨다.

4. 아세틸콜린은 축사말단에서 근섬유의 운동종판으로 확산된다.

5. 아세틸콜린이 운동종판에 있는 니코틴성 수용체와 결합하여 Na+와 K+에 대한 투과성을 증가시킨다.

6. 운동종판에서 Na+는 밖으로 나오는 K+보다 더 많이 근섬유 안으로 들어가 세포막은 탈분극되고, 종판전위(EPSP)가 만들어진다.

7. 국소적 전류가 인접한 근세포막을 역치전위까지 탈분극시키고, 근섬유의 표면과 횡주세관을 따라 근섬유의 안쪽으로 전파되는 활동전위를 만들어낸다.

8. 횡주세관의 활동전위가 DHP 수용체가 리아노딘 수용체 채널을 열도록 유도하며, 그 결과 근소포체의 측면 주머니로부터 Ca2+이 방출된다. 

9. Ca2+이 가는 필라멘트에 있는 트로포닌과 결합하여 트로포미오신의 구조변화로 액틴에 잇는 가교결합부위가 노출된다.

10. 굵은 섬유에 있는 고에너지의 미오신 가교가 액틴과 결합한다. 

11. 가교의 결합이 미오신으로부터 ATP가수분해 산물을 방출시키고, 각각의 가교가 회전운동을 한다.

12. ATP가 미오신과 결합하고, 액틴과 미오신 사이의 결합이 떨어져서 가교가 액틴으로부터 분리된다.

13. 미오신에 결합된 ATP가 가수분해되어 가교가 고에너지 상태로 된다.

14. 가교가 위의 단계 10-13단을 반복하여, 가는 필라멘트가 굵은 필라멘트를 지나가는 이동(활주)이 일어난다. 가교 운동주기는Ca2+이 트로포닌에 결합한 상태로 존재하는 동안 지속된다.

15. 세포질의 Ca2+은 Ca2+-ATP가수분해효소에 의해 근소포체로 능동수동됨에 따라 세포질에서의 농도는 줄어든다.

16. 트로포닌으로부터 Ca2+제거되면 트로포미오신의 차단작용은 복원되고, 가교주기는 중단되며, 근섬유는 이완된다. 

신경근 신호의 파괴

질병이나 약물에 의해 신경근 접합부의 정상작용을 변형시키는 방법에는 여러가지가 있다. 남미원주민의 맹독성 화살촉 약물인 큐라레(curare)는 니코틴성 아세틸콜린 수용체와 강하게 결합하나, 이온채널을 열지 못하고 아세틸콜린 에스테라아제에 의해 파괴되지도 않는다. 쿠라레가 수용체를 모두 차지하면, 아세틸콜린 수용체와 결합할 수 없다. 따라서 운동신경이 여전히 정상적인 활동전위를 전달하고 아세틸콜린을 방출하더라도 운동종판에서 종판전위가 나타나지 않아 수축이 일어나지 않는다. 골격근처럼 호흡에 관련된 근육도 수축을 시작하기 위하여 신경근 전달이 필요하기 때문에 쿠라레 독은 질식사를 유발한다. 

또한 신경근 전달은 아세틸콜린에스테라아제를 저해함으로써 차단할 수 있다. 일부 살충제와 신경가스(생물무기)들의 주성분인 일부 유기인산은 이 효소를 저해한다. 이와같은 약물이 있을 경우 아세틸콜린은 활동전위의 도달로 축삭말단에서 정상적으로 분비되고 종판의 수용체와 결합한다. 그러나 아세틸콜린 분해효소가 억제되기 때문에 아세틸콜린이 파괴되지 않는다. 그러므로 종판에 있는 이온채널은 열린상태로 존속하고, 종판과 이에 인접한 근 세포막에서 탈분극을 지속적으로 생성한다. 탈분극 상태를 지속적으로 유지하는 골격근 세포막은 활동전위가 소멸되는 재분극 상태에 필요한 세포막의 전압-개폐형 Na+채널이 비활성 상태이기 때문에 활동전위를 생성할 수 없다. 아세틸콜린이 계속 노출되면 운동종판의 수용체는 무감각해져서 더이상의 탈분극이 일어나지 않는다. 

따라서 근육은 이어지는 신경자극에 반응하여 수축할 수 없고, 그 결과 골격근의 마비와 질식에 의해 죽는다. 신경가스 또한 아세틸몰린이 무스카린 수용체에 누적되게 하여  부교감신경은 심근의 박동원 세포를 억제하게 된다. 따라서 유기인산과 신경가스에 대한 해독제는 아세틸콜린에스테라제를 재활성화시키는 프랄리독심(pralidoxime)과 무스카린 수용체의 갈항제인 아트로핀(atropine)을 반드시 포함하여야 한다. 

신경근 전달을 방해하는 약물은 때로 외과수술시 수술을 용이하게 하도록 하기 위해 근육이 움직이지 못하도록 하는 목적으로 사용되기도 한다. 숙시닐콜린(succinylcholine)은 아세틸콜린 수용체의 길항제로 작용하여 아세틸콜린에스테라제의 저해제처럼 탈분극을 생성한다. 그 효과는 매우 빠르며(약 1붖), 상대적으로 짧은 시간(7-8분) 유지된다. 쿠라레같이 작용하는 탈분극 저헤제인 보쿠로니움과 베쿠로니움같은 물질은 훨씬 오랫동안 그 효과가 지속된다. 외과 수술시 이러한 마비 약물의 사용으로 마취제 용량을 줄일 수 있으며, 따라서 환자는 수술후 합병증이 더 적고 더 빨리 회복할 수 있다. 환자는 약물이 몸에서 제거될때까지 인공호흡을 해야 한다.

클로로스트리디움 보툴리눔에 의해 생성되는 독과 같은 세번째 종류는 축삭말단에서 아세틸콜린의 분비를 방해한다. 보툴리눔 독은 축삭말단에서 아세틸콜린 소낭과 세포막의 결합과 융합에 필요한 SNARE복합 단백질을 분해하는 효소이다. 이 독은 보툴리즘 중독이라 불리는 식중독의 원인이며, 매우 적은 양으로도 효과를 나타내는 독성이 강한 독중의 하나이다. 보툴리눔 독은 과도활동적인 외안근의 억제, 과다한 땀샘 활동의 방지, 그리고 노화와 관련된 주름감소 등과 같이 치료와 미용적인 처치목적으로 그 활용도가 점차 확대되고 있다. 

3. 단일 근섬유 수축의 기계적인 작동

근수축에 의한 물체에 부여된 힘이 근 장력(tension)이고, 물체에 의해 근육에 부과된 힘이 하중(load)이다. 근장력과 하중은 반대되는 힘이다. 한 섬유가 줄어드는지 여부는 장력과 하중의 상대값에 달려있다. 근섬유가 줄어들고 하중을 움직이기 위해 근 장력은하중보다 반드시 커야 한다. 

근육이 장력을 발생시키지만 길이가 줄어들지 않을때의 수축을 등척성 수축(isometric)이라 한다. 이와같은 수축은 다음과 같은 경우에 생성된다. 근육이 일정한 위치에서 하중을 지지하거나 근육에 의해 발생된 장력보다 큰 하중을 움직이려고 시도할 경우이다. 근육이 짧아지고 근육의 하중이 일정한 수축을 등장성(isotonic)이라 한다. 근육의 장력과 이에 반하는 하중의 상대적인 세기에 따라 등장성 수축은 근육의 단축 또는 신장이 일어날 수 있다. 장력이 하중보다 더 세면 근육 길이가 짧아지며, 이것은 구심성 수축(concentric contraction)이라 한다. 반대 원심성 수축(eccentric contraction).

연축(twitch)

활동전위 하나에 대한 근섬유 하나의 기계적 반응이 연축(twitch)이다. delay in tension production, lag in tension reduction

활동전위에 이어서 근섬유에서 장력의 증가가 시작되기 전에 잠복기(latent period)로 알려진 몇 ms의 간격이 있다. 잠복기 동안에흥분-수축 연결과 연관된 과정이 일어난다. 잠복기 끝에서 일어나는 장력발생의 시작으로부터 장력의 정점까지의 시간 간격이 수축시간(contraction time)이다. 모든 골격근 섬유가 동일한 연축시간을 갖고 있지는 않다. 어떤 빠른 섬유는 수축시간이 10ms정도로 짧으나, 느린 섬유는 100ms이상 걸릴 수 있다. 

수축시간의 기간은 부분적으로 가교가 회로를 계속할 수 있는 상승된 세포질 Ca2+ 농도의 지속시간에 달려있다. 이것은 근소포체의 Ca2+ -ATP 가수분해효소 활성도와 밀접한 관계가 있다. 활성도는 빠른 연축섬유에서 더 크고 느린 연축섬유에서 더 작다. 연축시간은 또한 가교가 주기를 완료하여 세포질의 Ca2+ 이 제거된 뒤 분리되는 데 걸리는 시간에도 달려있다. 

근섬유 하나에서 등장성과 등척성 연축을 비교하면 위 그림으로부터 등장성 연축의 잠복기가 등척성 연축의 잠복기보다 길다. 그러나 등장성 연축의 기계적 작동-길이가 줄어든 것- 기간이 등척성 연축의 힘 생성기간보다 짧은 것을 볼 수 있다. 이러한 차이는 위 그림에서 보여주고 있는 측정장치로 쉽게 설명된다. 등척성 연축 실험에서 연축장력은 첫번째 가교가 결합하자마자 생성되기 시작하며 잠복기는 단지 흥분-수축 연관에 걸리는 시간일 뿐이다. 대조적으로 등장성 연축실험에서는 잠복기는 흥분-수축 연관에 걸리는 시간 뿐 아니라 결합된 가교가 하중을 지지대로부터 들어올리는데 필요한 힘을 모으는데 걸리는 시간이 추가적으로 필요하다. 마찬가지로 연축의 말미에 등척성의 경우 모든 가교가 떨어지기 전에 등장성 하중이 지지대 쪽 휴지상태로 되돌려져야 한다. 

더구나 등장성 연축의 특성은 들어올릴 하중의 크기에 달려있다. 그림 9.17참조. 무거운 하중에서는 잠복기가 길고, 단축속도(단위시간당 줄어드는 길이)가 느려지고, 연축의 기간이 짧아지며, 짧아지는 길이가 줄어든다. 

설명 : 다른 하중에 의한 등장성 연축 : 하중이 증가함에 따라 단축거리, 단축속도 및 단축기간 모두 감소하는 반면, 자극으로부터 단축시작에 이르는 시간은 하중이 증가함에 따라 증가한다. 

등장성 연축의 일련의 과정을 살펴보면, 하중-의존성 행동으로 설명할 수 있다. 흥분에 이어서 가교는 힘을 발생하기 시작하지만 근장력이 섬유에 걸린 하중을 초과할때까지 단축은 시작되지 않는다. 따라서 단축 이전에 장력이 증가하는 동안에는 등척성 수축이 이루어진다. 하중이 무거울수록 단축이 시작되는 하중의 값까지 장력이 증가하는데 걸리는 시간은 길어진다. 만약 섬유에 부하된 하중이 증가되어, 결과적으로 하중을 근육이 들어올릴 수 없는 상태까지 증가시키면 단축시간과 거리는 0이되고, 수축은 완전한 등척성이 된다. 

하중-속도관계(load-velocity relation)

일반적으로 가벼운 물체를 무거운 물체보다 빠르게 움직일 수 있다. 위 그림에서 나타난 등장성 연축실험에 의하면 이 현상은 각각의 근섬유에서도 일어난다. 단일 근섬유는 등장성 연축시 시간에 따른 단축거리 그래프는 쌍곡선을 나타내며, 초기 단축속도(기울기)를 여러 다른 하중에서 보여주고 있다.

근섬유의 단축속도는 하중의 증가와 더불어 느려진다. 단축속도는 하중이 없을때 최대이고, 하중과 최대등척성 장력이 같을때 0이다. 하중이 최대 등척성 장력보다 클경우에 섬유는 하중에 따라 늘어난다. 하중이 부과되지 않은 근육의 단축속도는 각각의 가교가주기를 수행하는 속도에 의해 결정된다. 하나의 ATP가 각 가교주기마다 분해되기 때문에 ATP분해속도가 단축속도를 결정한다. 가교에 부하된 하중의 증가는 파워스트로크 동안 앞쪽으로 운동을 느리게 한다. 이것이 ATP가수분해의 전반적인 속도와 근육단축속도를 감소시킨다. 

빈도-장력관계(frequency and tension relationship)

골격근의 단일 활동전위는 1~2ms지속되나 연축은 100ms지속되기 때문에 기계적 활동 동안에 두번째 활동전위가 시작될 수 있다. 아래 그림은 등척성 수축동안에 여러번에 걸친 자극에 의해 생성되는 장력을 나타내었다. 첫번째 자극 s1에 이은 등척성 연축은 150ms지속된다. 두번째 자극인 s2는 근섬유가 완전히 이완되었을 때, s1이후 200ms후에 주어서 첫번째와 똑같은 연축을 일으켰다. 근섬유가 연축으로부터 완전히 회복되기 전에 자극이 주어지면 개별적인 연축으로 생성되는 장력피크보다도 더 센 연축이 나타난다(s3, 4). 만일 자극간의 시간이 더욱 단축된다면 장력은 더욱더 커질 것이다(s5, 6). 참고로 s6에 대한 연축반응은 s5에 의해 의미 유발된 연축이 부드럽게 연결된 모습의 자연스러운 수축이다. 

기계적 활동단계 중에 일어난 연속적인 활동전위로부터 근육에서 장력이 증가하는 것을 가중(summation)이라 한다. 제 6장에서 설명한 신경 시냅스 후 전위의 가중과 혼돈하지 않도록 주의하라. 시냅스 후 전위가중은 막에 대한 가중적인 전압효과에 기인하나 여기서는 결합된 가교에 의한 추가적인 효과 반응이다. 반복적인 자극에 대한 반응인 지속적인 수축을 강축(tetanus, tetanic contraction)이라고 한다. 낮은 빈도의 자극에서는 장력은 자극사이에서 근섬유가 부분적으로 이완되는 것처럼 진동할 수 있으며, 비융합 강축(unfused tetanus)을 생성한다. 진동이 없는 융합강축(fused tetanus)은 높은 빈도의 자극에서 생성된다. 

활동전위의 빈도가 증가함에 따라 장력의 세기는 최대융합강축에 도달할때까지 가중적으로 증가한다. 최대융합강축은 자극이 증가하여도 더이상 장력이 증가하지 않는 상태이다. 최대강축은 등척성 연축보다 4-5배 크다. 근섬유마다 서로 다른 수축기를 갖고 있기 때문에 최대강축을 생성할 수 있는 자극의 빈도는 근섬유마다 다르다.

왜 강축의 장력이 연축의 장력보다 클까? Ca2+ 의 활용도와 가교 결합의 상대적 시간을 고려함으로써 장력의 가중을 부분적으로 설명할 수 있다. 어떤 경우에도 근섬유에 의해 생성되는 등척성 장력은 가교주기 단계 2를 수행한 액틴에 결합된 가교 전체 수에 주로 달려있다. 근섬유의 단 하나의 활동전위도 트로포닌을 포화시킬 수 있는 Ca2+을 방출하고 가는 필라멘트의 모든 미오신 결합부위는 시작부터 가능하다는 것을 명심하라. 그러나 이런 부위에 대한 에너지가 높은 가교결합(가교 주기 단계 1)은 시간이 걸리고, 세포질로부터 방출된 Ca2+은 거의 즉시 근소포체로 능동수송된다. 따라서 하나의 활동전위 후에는 Ca2+ 농도는 떨어지기 시작하고 트로포닌/트로포미오신 복합체는 가교가 결합할 시간을 갖기도 전에 많은 결합부위를 다시 방해한다. 

이와는 대조적으로 강축동안에는 앞의 활동전위에 의해 방출된 Ca2+ 이 근소포체로 능동수송되기 전에 연속된 활동전위는 각각 근소포체로부터 Ca2+ 을 방출한다. 그 결과 가는 필라멘트의 사용 가능한 결합부위 수의 감소를 방지하는 세포질 Ca2+ 의 농도가지속적으로 상승된다. 이런 조건아래에서는 결합부위의 최대치가 사용 가능항 채로 남아 있고 더 많은 가교가 가는 필라멘트에 결합된다. 단일연축에서 볼 수 있는 낮은 장력의 다른원인은 섬유끝으로 가교 힘의 전달을 지연시키는 단백질 티틴과 근육 힘줄같은 탄력성 구조때문이다. 단일연축은 매우 짧기 때문에 가교 활성은 이런 구조 등을 통하여 힘이 충분히 전달되기 전에 벌써 감소한다. 강축동안에는 가교활성과 힘 생성의 기간이 훨씬 길기 때문에 이것들이 요인이 되지 못한다. 

길이-장력관계(length-tension realtaionship)

한쪽 끝은 Z선에 부착되어 있고, 다른 쪽 끝은 굵은 필라멘트에 부착되어 있는 단백질 티틴의 용수철같은 특성은 이완된 근육의 수동적 탄력성으로 거의 설명된다. 길이가 늘어남에 따라 이완된 섬유에서 능동적 가교운동으로부터가 아니고 티틴 섬유의 신장으로부터 수동적 장력은 증가한다. 

만일 늘어난 섬유를 놓으면 늘어난 고무줄을 놓는 것과 같이 길이는 평형상태의 길이로 돌아간다. 다른 기전으로 수축동안 근섬유에 생성된 능동적 장력의 세기가 또한 근섬유 길이를 변화시킴으로써 달라질 수 있는가 하는 점이다. 근섬유를 다양한 길이로 신장시키고 각 길이에서 강축이 일어나도록 자극한다면, 능동적 장력의 크기는 그림 9-21에서와 같이 길이에 따라 다양해질 것이다. 근섬유가 가장 큰 등척성 장력을 생성시키는 길이를 최적길이(optimal length L0)로 정의한다. 

근섬유의 길이가 L0의 60%일때에는 자극이 주어졌더라도 근섬유는 장력을 발생시키지 못한다. 이 길이에서 길이가 늘어남에 따라각 길이에서의 등척성 장력은 L0에서의 최대치까지 증가한다. 길이를 더 늘이면 장력은 떨어진다. L0의 175%이상에서는 근섬유에 자극이 주어지더라도 장력을 발생시키지 못한다. 몸에 있는 모든 근육이 이완되었을때에 수동적인 탄성으로 근육의 길이가 대략적으로 L0를 유지하고 있는 것이다. 이완된 근육의 길이는 근육에 부하된 하중이나 이완된 근육을 신장시키는 다른 근육의 수축에 의해 변화될 수 있으나 변화될 수 있는 이완된 근육의 길이는 뼈에 부착된 근육에 의해 제한된다. L0의 30%이상을 넘는 경우는드물고 종종 그보다 훨씬 작다. 이 길이 범위에서 장력을 발생시킬 수 있는 능력은 L0에서 발생시킬 수 있는 장력의 반이하로 떨어지지 않는다. 

수축동안에 능동적 장력을 발생시키는 근섬유의 능력과 근섬유 길이와의 관계를 필라멘트 활주기전에 의해 부분적으로 설명할 수 있다. 이완된 근섬유의 신장은 굵은 필라멘트를 지나가는 필라멘트를 잡아당겨서 이들 사이의 중첩된 부분을 감소시킨다. L0의 175%까지 늘리면 필라멘트간에 겹치는부분이 없도록 된다. 이 지점에서는 액틴에 결합한 가교가 없고, 장력이 발생되지 않는다. L0와 L0의 175%사이에서는 섬유가 겹치면 겹칠수록 자극에 따라 발생된 장력은 겹치는 부위에 있는 가교의 수가 비례하여 증가한다. 섬유의 겹침은 L0에서 최대이고, 가는 필라멘트에 결합한 가교의 수는 최대가 되어 최대치의 장력이 생성된다. 

L0보다 짧은 길이에서 장력이 감소되는 것은 여러요인의 결과이다. 예를들면 1) 근절의 반대편 끝으로부터 겹쳐진 가는 필라멘트의 단위는 가교가 결합한 능력이나 힘이 가해지는 것을 방해할 것이다. 2) 매우 짧은 길이에서 줄어드는데, Z선은 비교적 견고한 굵은 필라멘트와 충돌할 것이며, 근절이 줄어드는 데 대한 내부저항이 생길 것이다.

4. 골격근의 에너지 대사

앞서 보았던 것처럼, ATP는 근섬유 수축과 이완에 대해 직접적으로 연관된 세가지 기능을 수행한다. 다른 세포에서는 휴식상태에서 활동상태로 전환될때 골격근처럼 한순간에 ATP가 급격히 소모되지 않는다. ATP분해는 근섬유의 형태에 따라서 20배에서 수백배로 증가한다. 수축활동이 시작할때 존재하는 ATP의 양으로는 몇회의 연축만을 할 수 있다. 근섬유가 수축성 활동을 지속한다면 수축과정 동안에 ATP 분자는 분해되는 만큼 빠른 속도로 물질대사에 의해 반드시 합성되어야 한다. 

근섬유는 세가지 방법으로 ATP를 합성한다. 

1) 크레아틴 인산에 의한 ADP의 인산화 

2) 미토콘드리아에 의한 ADP의 산화적 인산화 

3) 세포질에서 해당작용에 의한 ADP의 인산화

크레아틴 인산에 의한 ADP의 인산화는 수축활동이 시작할때 매우 빠른 ATP 형성수단을 제공한다. 크레아틴 인산의 화학결합이 파괴될때에 방출되는 에너지는 ATP의 마지막 인산기가 분리될때 방출되는 에너지와 거의 동일하다. 이 에너지는 인산기를 따라 ADP에 전달되어 ATP가 형성되며, 이 반응은 크레아틴 인산화효소에 의해 가역적으로 일어난다. 

CP + ADP  <-크레아틴인산화효소-> C + ATP

크레아틴 인산이 고에너지 분자일지라도 그 에너지를 가교활동을 작동시키는 미오신이 직접 사용할 수는 없다. 휴식시간동안에 근섬유는 ATP농도의 다섯배 정도로 크레아틴 인산의 농도를 높인다. 수축이 시작될때 미오신에 의해 ATP의 분해가 증가됨에 따라 ATP 농도가 떨어지고, ADP의 농도가 올라갈때 질량작용(mass action)은 크레아틴 인산으로부터 ATP 형성이 더 잘 일어나도록 한다. 이런 에너지 전달은 매우 빨라서 수축초기에 근섬유의 ATP 농도는 거의 변화없으나 크레아틴 인산의 농도는 급격히 떨어진다. 

크레아틴 인산으로부터 ATP 형성이 매우 빠르고 단지 하나의 효소 반응이 요구된다고 하더라도 이 과정에의해 형성될 수 있는 ATP의 양은 세포에 있는 크레아틴 인산의 초기농도에 의해 제한된다. 수축활동이 몇초 이상으로 지속되려면 근육은 앞에서 언급한 다른 두 원천으로부터 ATP를 반드시 생성할 수 있어야 한다. 수축활동 개시에서 크레아틴 인산의 사용은 산화적 인산화와 해당과정 준비를 위해 필요한 몇초를 제공하며 여러 효소에 의해 느리게 일어나는 산화적 인산화와 해당과정은 ATP분해 속도에 맞추어 ATP합성 속도를 증가시킨다. 

중간정도의 근육활동에서는 근수축을 위해 사용되는 ATP는 산화적 인산화에 의해 형성되며 이와같은 운동의 처음 5~10분 동안에는 근육의 글리코겐이 포도당으로 분해되어 산화적 인산화의 주된 연료로 사용된다. 그뒤 30여분 동안은 혈액에 의해서 운반된 연료가 주로 사용되며, 혈액과 포도당과 지방산이 거의 동일한 양 사용된다. 이 시기 이후로 지방산이 점차 주요 에너지원이 되며, 포도당 이용은 감소한다. 

그러나 운동강도가 ATP분해 최대속도의 약 70%를 초과하게 되면, 해당작용이 근육에 의해 생성되는 총 ATP의 상당부분을 담당한다. 해당작용은 포도당 한분자로부터 적은 양의 ATP를 생성하지만 효소와 기질이 충분하기만 하면 ATP를 빠른 속도로 만들 수 있으며, 산소없이(무기호흡 조건에서) 만들 수 있다. 해당작용을 위한 포도당은 두가지 원천으로부터 얻을 수 있다. 수축하는 근섬유에 저장된 포도당이나 혈액의 포도당이다. 근육 활동의 강도가 증가함에 따라 총 ATP 생산량의 더 많은 부분이 무기 해당작용으로 생성된다. 이 물질대사로 젖산 생산이 수반된다. 

근육활동이 끝날때는 근섬유의 크레아틴 인산과 글리코겐의 양은 감소한다. 따라서 근섬유를 원래의 상태로 되돌리기 위해 이런 에너지 물질을 재충전해야 한다. 두과정 모두 에너지를 필요로 하므로 근육은 수축이 중지된 후 얼마 동안 계속해서 산소를 더 소모한다. 또한 축적된 젖산을 대사하고 혈액과 체액의 산소농도를 운동전 상태로 되돌리기 위하여 여분의 산소가 더 필요하다. 격렬한 운동 후 즉시 숨을 빠르고 깊게 쉬는 것이 이런 과정들을 나타낸다. 운동 후에 증가된 산소 소모량은 산소부채(Oxygen debt)를 보상한다. 즉 운동에서 소모된 크레아틴 인산과 글리코겐을 재충전하기 위해 필요한 ATP를 산화적 인산화 작용으로 생산하는 것이 산소부채이다. 

근육피로(Muscle fatigue)

골격근 섬유가 반복적으로 자극되었을때 자극이 지속되더라도 근섬유에 의해 발생되는 장력은 결과적으로 줄어든다. 앞서서 일어난 수축활동의 결과로 인한 근섬유 장력의 감소가 근육피로이다. 피로한 근육의 또 다른 특징은 감소된 단축속도와 느려진 이완율이다. 피로의 시작과 발생빈도는 활동적인 골격근 섬유의 형태, 수축활동의 강도와 시간 그리고 개인 건강정도에 달려있다. 근육피로의 발생 후에 쉬도록 하면, 근육은 자극에 대해 다시 수축할 수 있는 능력을 회복한다. 회복률은 활동의 기간과 강도에 달려있다. 지속적으로 자극되며 어떤 근섬유는 피로가 빨리오나 또한 짧은 휴식후에 빠르게 회복된다. 이것은 역도와 같은 단기간, 고강도로 이루어지는 운동에 의해 나타나는 피로의 형태(고빈도 피로)이다. 대조적으로 수축과 이완이 반복되는 동안에 저빈도 피로는 장거리 달리기와 같은 낮은 강도, 장시간 운동과 더불어 보다 느리게 발생한다. 근육이 완전한 회복을 달성하기 위해서는 저빈도 피로는 24시간 장시간 휴식을 필요로 한다.

ATP생성의 에너지 고갈이 피로에 대한 논리적 설명처럼 보이나, 피로한 근육의 ATP농도는 휴식상태의 근육보다 약간 낮을 뿐이지 가교주기를 저해할 만큼 낮은 것은 아니다. 수축활동이 피로없이 지속되면 ATP농도는 가교가 근섬유에 강직된 형태로 결합할 수 있을 정도로 내겨갈수도 있으며 강직된 구조는 근섬유에 손상을 준다. 따라서 근육피로는 강직발생의 방지에 대한 기전으로 진화되었을 것이다. 

많은 요인들이 골격근의 피로에 영항을 미친다. 고강도, 단기간 운동으로부터 근육피로는 최소한 세가지 기전을 포함하고 있다.

1) 전도실패

근활동전위가 근섬유의 T관을 따라 전도되는 것이 실패할  수 있으며, 이에 따라 근소포체로부터의 Ca2+의 분비가 정지된다. 전도실패는 반복적인 활동전위의 재분극동안에 T관의 작은 공간에 방출된 칼륨이온의 증가로부터 나타난 결과이다. 상승된 외부 칼륨농도는 막전위의 지속적인 탈분극을 유도하고, 결과적으로 T관의 활동전위 생성이 불가능해진다. (나트륨 채널이 불활성화되기 때문). 축적된 칼륨이 T관 밖으로 확산됨에 따라 휴식과 더불어 빠르게 회복되고, 흥분성이 복구된다.

2) 젖산 축적

높아진 수소이온 농도는 단백질의 구조와 활성을 변화시킨다. 따라서 젖산에 의한 근육의 산성화는 Ca2+방출과 연관된 단백질 뿐문 아니라 액틴과 미오신이 포함된 많은 근육단백질을 변화시킨다. 근소포체의 Ca2+-ATP가수분해효소 펌프기능도 영향을 받고, 이것은 피로한 근육의 회복에 악영향을 미칠수도 있다. 그러나 최근 연구에 의하면 낮은 산도가 수축단백질의 기능을 직접적으로 방해하는 것 같지는 않다. 따라서 Ca2+에 대한 영향이 보다 문제가 되는 것 같다.

3) 가교주기의 억제

강도 높은 활동을 하는 동안 근섬유내에 ADP와 무기인산의 축적은 ATP고갈(세포내 AMP+ADP+ATP의 양은 일정하게 존재)에 의해 가교주기 단계2를 직접적으로 저해할 수 있다. 이 단계의 속도둔화는 액틴으로부터 가교의 분리를 지연시키고 전체적인 가교주기를 느리게 한다. 이러한 변화는 단축속도를 느리게 하고, 고강도 운동으로부터 나타난 근육피로의 회복을 더디게 한다. 

낮은 강도로 장기간에 걸친 운동후에 따라오는 피로에는 많은 과정이 관련되어 있다. 앞에서 언급한 세가지 요소는 이러한 종류의 운동에는 적은 영향을 미칠 것이다. 적어도 두가지 다른종류의 기전이 관여되는 것으로 생각되고 있다. 하나는 Ca2+이 소포체를 나올때 통과하는 리아노딘 수용체 채널의 조졀변화이다. 세포질 내의 칼슘이온의 농도가 증가하면 수축단백질들을 분해하는 단백질 분해효소를 활성화한다. 그 결과는 근육의 약해지고 쓰라림을 느끼게 되는데, 손상된 단백질들이 새로 합성된 단백질에 의해 대체되기 전까지 피로를 느낄 것이다. 또한 연료물질의 고갈이 피로의 직접적인 원인이 아니더라도, 근육에서 수축을 위한 많은 연료를 공급하는 글리코겐의 고갈은 피로의 발생과 밀접한 관련이 있다. 

또한 낮은 혈당량과 탈수는 피로를 증가시키는 것으로 나타났다. 따라서 낮은 강도운동중에 탄수화물 대사를 특정수준으로 유지하는 것이 피로방지에 필요한 것으로 나타났으나 그 기전은 잘 알려져 있지 않다. 대뇌피질의 특정부위가 운동신경에서 흥분성 신호를 보내지 못하면, 근육피로와는 매우 다른 형태의 피로가 일어난다. 이것을 중추지령 피로(central command fatigue)라 하며, 이것이 근육이 피로하지 않더라도 운동을 중단시킬 수 있다. 운동선수의 운동능력은 적절한 근육의 육체적 상태에만 달려있는 것이 아니라 '이기려는 의지"에 달려있다. 즉 긴장이 고조되면 근육에 대한 중추지령을 시작하는 능력이 달라질 수 있다. 

5. 골격근 섬유의 종류

골격근 섬유라고 하여 기계적 대사 및 대사적 특성이 모두 동일한 것은 아니다. 근섬유의 1) 최대단축속도 - 빠르거나 느림 2) ATP합성을 위한 주된 대사경로 - 산화적 인산화 또는 해당작용 - 을 토대로 구분할 수 있다. 

신속근섬유와 완속근 섬유는 ATP를 분해하는 최대속도가 서로 다른 미오신 형태를 가진다. 다시말하면 이것은 가교주기의 최대속도와 최대 단축속도를 결정한다. ATP가수분해효소의 활성이 높은 미오신을 갖고 있는 섬유를 신속 근섬유(fast fiber) 또는 2형 섬유로 분류한다. 빠른 미오신의 몇가지 형태는 구조가 일부 다양한 것을 근거로 분류할 수 있다. 이와는 달리 ATP가수분해효소의 활성이 낮은 미오신을 갖고 있는 섬유를 완속 근섬유(slow fiber) 또는 1형 근섬유 라고 한다. 가교 주기속도면에서 완속근섬유가 신속근섬유보다 약 4배 빠르지만, 두 형태의 가교에 의해 생성되는 힘은 거의 동일하다. 

골격근 섬유를 분류하는 두번째 방법은 ATP를 합성할 수 있는 효소기구의 형태에 따르는 것이다. 어떤 섬유는 미토콘드리아를 갖고 있어서 높은 산화적 인산화능력을 갖고 있다. 이런 섬유를 산화적 근섬유(oxidative fiber)로 분류한다. 이와같은 근섬유에서 대부분의 ATP 생성은 근육에 대한 연료물질과 산소를 운반하는 혈류에 달려있다. 그러므로 이들 근섬유들이 많은 실핏줄에 둘러싸여 있는 것은 놀랄만한 일이 아니다. 또한 그들은 미오글로빈으로 알려진 산소-결합 단백질을 다량으로 갖고 있으며, 미오글로빈은근섬유내에서 산소의 확산율을 증가시키고 작은 산소 저장고 역할을 한다. 산화적 근섬유에 존재하는 미오글로빈이 많으면 근섬유의 색깔이 암적색으로 나타나므로, 산화적 근섬유는 종종 적근(red muscle fiber)이라 불리기도 한다. 미오글로빈은 구조와 기능면에서 헤모글로빈과 비슷하다. 

이와는 달리 해당성 섬유(glycolytic muscle fiber)는 미토콘드리아가 거의 없고, 해당작용 효소들을 높은 농도로 갖고 있으며, 글리코겐을 다량 함유하고 있다. 산소의 사용이 한정되어 있어 이 섬유들은 거의 혈관으로 둘러싸여 있지 않고 미오글로빈을 거의 갖고있지 않다. 미오글로빈이 없으므로 해당성 근섬유는 색깔이 옅기 때문에 백색 근섬유(white muscle fiber)라고 한다. 이들 두가지 특징에 따라 골격근 섬유를 세가지 형태로 분류한다.

1. 완속-산화적 근섬유(slow-oxidative fiber, 1형)는 높은 산화적 인산화 능력과 낮은 미오신-ATP가수분해 활성도가 조합되어 있다. 

2. 신속-산화적-해당성 근섬유(fast-oxidative-glycolytic fiber, 2a형)는 높은 미오신-ATP가수분해 활성도와 높은 산화적 인산화 능력과 중간정도의 해당작용 능력으로 조합되어 있다.

3. 신속-해당성 근섬유(fast-glycolitic fiber, 2b형)은 높은 해당작용 능력과 높은 미오신-ATP가수분해 활성도로 조합되어 있다. 

이론적으로 네번째 종류인 완속-해당성 근섬유는 가능하지만 실제로는 발견되고 있지 않다. 이런 생화학적 차이에 덧붙여 크기의 차이도 있다. 해당성 근섬유는 일반적으로 산화적 근섬유보다 직경이 굵다. 이 사실은 장력발생에 대단히 중요하다. 횡단면 단위 면적당 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트의 갯수가 모든 형태의 곤격근 섬유에서 거의 같다. 그러므로 근섬유의 직경이 굵을 수록 힘생성에 병렬로 작용하는 굵은 필라멘트와 가는필라멘트의 수가 많고 발생할 수 있는 장력이 크가(힘이 세다). 따라서 큰 직경때문에 해당성 근섬유가 수축하였을때와 산화적 섬유보다 평균적으로 장력이 크다. 

또한 세종류의 섬유는 피로를 견디는 능력도 다르다. 신속-해당성 근섬유는 피로가 빠르나 완속-산화적 근섬유는 피로를 잘 견디므로 장력이 거의 줄어들지 않은 상태로 오랫동안 수축할 수 있다. 신속-산화적 근섬유는 피로를 견디는 능력이 중간이다. 세종류 골격근에 대한 특성은 테이블 9-3에 요약하였다. 

6. 전체 근육의 수축

앞에서 설명한 것처럼 전체근육은 운동단위로 구성된 많은 근섬유들로 이루어져 있다. 하나의 운동단위에 있는 모든 근섬유는 동일한 형태의 섬유이다. 따라서 근섬유 형태를 운동단위에 이름을 붙이는데 적용할 수 있으며, 완속-산화적운동 단위, 신속-산화적-해당성 운동단위, 신속-해당성 운동단위로 활용할 수 있다. 대부분의 근육은 세종류의 운동단위를 모두 가지고 있으며, 각 유형이 근육내에 산재되어 있다. 한 종류의 근섬유로 구성되어 있는 근육은 없다. 섬유형태가 존재하는 비율에 따라 근육의 최대수축속도,강도, 피로도가 상당히 달라질 수 있다. 

예를들면, 등근육은 똑바로 선자세를 지지 하는 동안에 상당히 오랫동안 피로없이 활동을 지속할 수 있다. 이와는 대조적으로 팔의 근육은 무거운 물체를 들때 짧은 시간에 큰 장력을 만들 수 있으며, 신속-해당성 섬유의 비율이 높다. 중거리를 빨리 달리는 선수의 다리 근육은 보통 신속-산화적-해당성 섬유가 많다. 그러나 개인에 따라 상당한 차이가 있다. 예를들면 세계적인 달리기 선수들은 장단직 근육에 75%이상의 완속근섬유를 가지고 있는 반면, 단거리 프로선수들은 같은 근육에 75%의 신속근 섬유를 가지고 있다. 이제부터 각 근섬유의 특성을 이용하여 전체 근육의 수축과 조절을 설명하도록 하자. 

근육장력의 조절

근육에 생길 수 있는 전체 장력은 두가지 요인에 달려있다. 1) 각 근섬유에 의해 발생된 장력의 세기와 2) 특정시간에 수축한 근섬유의 수이다. 두 요인을 조절함으로써 신경계는 단축속도와 마찬가지로 전체 근육장력을 조절한다. 하나의 근섬유에서 발생된 장력을 결정하는 조건을 이미 논의하였고, 표 9-4에 요약하였다. 

표 9-4. 근육장력을 결정하는 요인

1. 각각의 근섬유에 의해 발생되는 장력

 1) 활동전위 빈도(빈도-장력 관계)

 2) 근섬유의 길이(길이-장력 관계)

 3) 근섬유의 직경

 4) 근피로

2. 활동적인 근섬유의 수

 1) 운동단위당 근섬유의 수

 2) 활동적인 운동단위의 수

특정시간에 수축하는 근섬유의 수는 1) 각각의 운동단위에 있는 근섬유의 수(운동단위의 크기)와 2) 활동적인 운동단위의 수에 따라 결정된다. 운동단위의 크기는 근육마다 상당히 다르다. 매우 섬세한 운동을 하는 손과 는 근육은 작은 운동단위를 가지고 있다.예를들면, 하나의 운동신경은 눈 근육에서 대략 13개의 근섬유에만 분포하고 있다. 대조적으로 보다 거칠게 조절되는 다리의 근육에 있는 각각의 운동단위는 크고, 수백개의 근섬유를 포함하고 있으며, 수천개를 포함하는 경우도 있다. 

근육이 작은 운동단위로 구성되면, 근육에 의해 생성되는 총 장력은 추가적으로 운동단위를 활성화함으로써 소폭으로 증가할 수 잇다. 운동단위가 크다면, 추가적인 운동단위가 활성화됨에 따라 장력의 증가가 큰폭으로 일어날 것이다. 따라서 근장력의 미세한 조절은 작은 운동단위를 갖고 있는 근육에서 가능하다. 

앞에서 본것처럼, 하나의 근섬유에의해 생성되는 힘은 부분적으로 근섬유의 직경에 달려있고, 직경이 클수록 힘이 크다. 또한 신속-해당성 섬유가 가장 큰 직경을 갖고 있는 것도 중요하다. 따라서 100개의 신속-해당성 근섬유로 구성된 운동단위가 100개의 완속-산화적 근섬유로 구성된 운동단위보다 더 큰 힘을 생성한다. 또한 신속-해당성 운동단위는 더 많은 근섬유를 갖는 경향이 있다.이러한 두 이유때문에 신속-해당성 운동단위의 활성화가 완속-산화적 운동단위의 활성화보다 더 큰 힘을 만들어낼 것이다. 

어떤 주어진 시간에 활동적인 운동단위의 개수를 늘리는 과정이 징모(recruitment)이다. 이것은 더 많은 운동신경에 대한 흥분성 시냅스 입력을 증가함으로써 달성된다. 활동적인 운동신경의 개수가 많을수록 더 많은 운동단위가 늘어나고 근육의 장력은 더 커진다. 운동신경의 크기는 운동단위 징모에 중요한 역할을 한다. 운동신경의 크기는 신경세포체의 직경을 말하며, 신경세포체는 일반적으로 축삭의 직경과 관련이 있다. 동일한 양의 나트륨이온이 같은 흥분성 시냅스에 연결된 작은 운동신경과 큰 운동신경 세포내로 들어간다면, 작은 세포에서 나트륨 이온이 세포 표면적에 더욱 넓게 분산되는 결과를 가져와 탈분극이 더 크게 일어난다. 

따라서 동일한 수준의 시냅스 입력을 주면, 가장 작은 신경이 처음으로 징모된다. 즉 가장 작은 신경이 먼저 활동전위를 발생시킨다. 큰 신경은 단지 시냅스 입력의 수준이 증가됨에 따라 징모된다. 가작 작은 운동신경이 완속-산화적 운동단위에 분포하기 때문에 이들 운동단위가 먼저 징모되며, 이어서 신속-산화적 운동단위가, 그리고 최종적으로 매우 강력한 수축 동안에 신속 해당성 운동단위가 징모된다. 따라서 대부분의 지구력 운동에서 일어나는 것과 같은 중등정도의 수축동안에 신속-해당성 운동단위가 비교적거의 징모되지 않고, 대부분의 활동은 쉽게 피로해지지 않는 산화적 근섬유에서 일어난다. 수축의 강도가 근육에 의해 생성될 수 있는 최대장력의 40%를 초과할대에 피로가 빨리 일어나는 큰 신속-해당성 운동단위가 징모된다.

결론적으로 전체 근육장력의 신경조절은 1) 개별 운동단위의 활동전위의 빈도(운동단위에 있는 근섬유에 의해 생성되는 장력이 변화된다) 2) 운동단위의 징모(활동적인 근섬유의 갯수가 변화된다)를 포함한다. 대부분의 운동신경활동은 활동전위의 연속적인 발생(연속적으로 일어나는 활동전위의 묶음)으로 일어나며, 활동전위의 연속적인 발생은 개별운동단위에서 하나의 연축보다는 강축을 생성한다. 하나의 근섬유 장력은 연축에서 최대 강축으로 변화할때 단지 3-5배로 증가한다. 그러므로 신경의 활동전위 빈도를 변화시켜서 징모된 운동단위의 장력에서 단지 3-5배의 조정을 하는 수단이 된다. 전체 근육에 부하된 힘은 미세한 운동으로부터 극단적인 강력한 구축까지의 범위보다는 훨씬 넓은 범위로 운동단위의 징모에 의해 변화된다. 따라서 징모는 전체 근육에서 변화되는 장력의 1차적인 수단을 제공한다. 징모는 뇌에 있는 운동중추로부터 다양한 운동신경으로부터의 중추지령에 의해 조절된다. 

단축속도의 조절(control of shortening velocity)

앞에서 본 것처럼, 하나의 근섬유가 짧아지는 속도는 1) 근섬유에 걸린 하중과 2) 근섬유가 완속근 섬유인지 신속근 섬유인지에 의해 결정된다. 전체 근육으로 옮기면, 이들 특성은 1) 전체근육에 걸린 하중과 2) 근육에 있는 운동단위의 종류가 된다. 그러나 전체 근육의 단축에서는 징모가 세번째로 매우 중요한 요인이 되며, 이는 일정한 하중상태에서 단축속도를 변하게 할 수 있다. 단지 동일한 크기와 형태의 두 운동단위로 구성된 근육을 예로 들어보자. 단축속도는 하중의 증가와 더불어 감소하기 때문에 하나의 운동단위 그 자체로는 2g의 하중보다 4g의 하중을 들 것이다. 두 단위가 활동적이면 4g의 하중을 들때, 각 운동단위는 하중의 반만을 부담하며, 각각의 근섬유는 단지 2g을 들때처럼 짧아질 것이다. 다시말하면, 두 운동단위가 활동적일때, 근육은 더 빠른 속도로4g을 들 것이다. 따라서 운동단위의 징모는 힘과 속도를 모두 증가시킨다. 

운동에 대한 근육의 적응(muscle adaptation to exercise)

사용하는 근육의 활동시간 및 세기와 마찬가지로 규칙성도 근육의 성질에 영향을 미친다. 골격근에 대한 신경이 파괴되거나 신경근 접합부가 기능을 하지 못하게 되면, 신경이 제거된 근섬유는 점진적으로 직경이 작아지고 함유된 수축성 단백질이 줄어든다. 이런 상황을 신경제거 위축(denervation atrophy)이라고 한다. 또한 부러진 팔이나 다리를 깁스로 고정할때 처럼 근육을 오랫동안 사용하지 않으면 근육에 분포된 신경은 정상적이지만 위축된다. 이런 상황을 비사용 위축(disuse atrophy)라고 한다. 

신경자극이 결핍될때 근육 양이 감소하는 것과는 정반대로 수축활동, 즉 운동을 하면 ATP생산 능력이 변화될뿐더러 근섬유도 커진다(hypertrophy). 달리기와 수영같은 비교적 낮은 강도로 오랫동안 하는 운동(유산소 운동)은 이런 형태의 활동에서 징모되는 근섬유의 미토콘드리아 수를 늘린다. 또한 이들 섬유를 싸는 모세혈관의 수가 늘어난다. 이런 변화는 피로도뿐만 아니라 활동에 대한 지구력을 증가시킨다(놀랍게도 지구력 운동의 결과로 근섬유의 직경이나 근육의 최대 강도가 약간 줄어든다). 다음 장에서 보게될 지구력 운동은 골격근 뿐만 아니라 호흡계와 순환계에도 변화를 일으키고 근육에 대한 산소와 연료의 공급을 증가시킨다. 

이와 대조적으로 역도와 같은 단기간 고강도 운동(근력운동)은 일차적으로 강한 수축동안에 징모되는 신속-해당성 근섬유에 영향을 미친다. 이들 근섬유들은 액틴과 미오신의 합성증가로 인해 직경이 커지고(과비대), 새로 합성된 액틴과 미오신은 더 많은 근원섬유를 형성한다. 또한 해당과정 능력도 해당과정 효소의 합성증가에 의해 늘어나게 된다. 이와 같은 고강도 근력운동의 결과 근육세기(강도)가 증가하고 알통(부풀어 오른 근육)이 커진다. 이와같은 근육은 힘이 매우 좋지만 지구력은 거의 없고 빠르게 피로해진다. 모든 근력의 증가가 근 과비대와 연관되는 것이 아니다. 특히 여성에게서 종종 근력이 근 과비대 없이 운동에 의해 두배까지증대되는 것을 볼 수 있다. 아마도 운동조절에 관련되는 신경경로에 변화가 일어나는 것으로 추정하고 있다. 예를들면, 규칙적인근력운동을 하면 운동단위 징모의 동시작동 능력 향상, 신속-해당성 운동섬유의 징모 능력증대, 힘줄 감각수용체로부터의 저해 구심성 신호의 감소 등이 일어나는 것으로 추정된다. 

운동은 근섬유를 이루는 미오신 효소 종류에 제한적인 변화만을 일으키며, 근육에 있는 완속근섬유와 신속근 섬유의 비율은 거의 변화시키지 못한다. 연구에 따르면 아주 극한 운동을 하더라도 두가지 근섬유의 비율은 10%이내에서 바뀐다. 그러나 앞에서 설명한 대로 운동은 대사 효소의 합성 속도를 변화시켜, 근육내에 있는 산화적 근섬유와 해당성 근섬유의 비율에 변화를 일으킨다. 지구력 운동을 하면 신속-해당성 근섬유는 감소하고, 신속-산화적 근섬유의 수는 증가하여 근섬유의 산화적 인산화 능력이 향상된다. 

운동형태에 따른 근섬유의 변화에 대한 기전 연구는 이제 시작단계이다. 이것은 근섬유 수축활동의 강도 및 빈도와 관계가 있으므로 오랜 시간에 걸쳐 생성되는 활동전위의 양상과 근육의 장력과 관계가 있다. 여러가지 신경화학물질이 관련되어 있을 것이지만 국소적으로 생성되는 인슐린-유사 성장인자의 중요성이 점차 증대되고 있다. 17장에서 논의할 동화 스테로이드 호르몬도 근육강화및 발육에 영향을 미친다. 운동형태에 따라서 근육의 강도와 지구력 능력에 매우 다른 변화를 생성하기 때문에 근육기능을 향상하고자 하는 개인은 목적에 맞는 운동을 반드시 선택해야 한다. 역기로 장거리 주자의 지구력을 증강시킬수 없고, 죠깅으로 역도선수에 요구되는 강도를 증가시킬 수 없다. 그러나 대부분의 운동은 강도와 지구력에 모두 효과가 있다. 

반복적인 운동에 반응하는 근육의 변화는 수주일에 걸쳐 일어난다. 규칙적인 운동을 멈추면, 변화된 근육은 운동전의 상태로 서서리 돌아갈 것이다. 근육에 의해 생성되는 최대 힘은 30-80세사이에 30-40%가 줄어든다. 장력이 감소하는 것은 일차적으로 근섬유 평균 직경이 감소하기 때문이다. 이러한 변화 중 일부는 나이에 따라 감소되는 신체활동에 기인함으로써 운동프로그램에 의해 방지할 수 있다. 그러나 운동에 대한 근육의 적응능력은 나이에 따라 줄어든다. 나이든 사람이 동일한 강도와 시간으로 운동을 해도 젊은 사람이 얻을 수 있는 변화는 기대할 수 없다. 

그러나 노화의 이러한 영향은 제한적이어서 나이 들어서 운동을 하면 분명히 근육에 상당한 효과를 볼 수 있다. 유산소 운동이 심장혈관계에 좋기 때문에 각광을 받고 있다. 그러나 나이에 따라 소실되는 근조직을 적당한 강도 훈련으로도 일부 회복할 수 있다. 이러한 강도 훈련은 또한 뼈와 관절을 더 강하게 하는데도 도움이 된다. 하지 않던 운동을 갑자기 강도높게 하면 다음날 근육통을 유발한다. 근육통은 손상된 조직부위에서 나타나는 근육의 염증이다. 면역세포가 분비하는 히스타민같은 물질이 근육에 자리잡은 통증뉴런의 말단을 자극한다. 근육통은 대개 원심성 수축에 의하기 때문에 단축이나 등척성 수축보다도 외부적인 힘에 의한 근육신장때 근육손상이 더 많이 일어나는 것을 알 수 있다. 이와같이 점진적으로 더 무거운 것을 내리는 운동이 동일한 무게를 드는 운동보다 더 심한 근육통을 일으킨다. 운동 트레이너들에게 잘 알려진 현상-계단을 뛰어오를때가 내려올때보다 다리의 근육통이 덜 생긴다-을 잘 설명해준다. 흥미롭게도 역도운동으로 효과를 보는 대부분의 근육강화 원심성 수축에 의한 것이다. 근육통과 운동에 따른 적응은 서로 연관되어 있음을 알 수 있다. 

근육과 뼈의 지렛대 활동

수축하는 근육은 연결된 힘줄에 의해 뼈에 힘을 부여한다. 힘이 충분히 클때는 근육의 수축에 따라 움직인다. 수축중인 근육은 단지 잡아당기는 힘만을 부여하므로, 근육이 붙어있는 뼈는 서로 당겨진다. 굴곡은 관절에서 부속지가 구부러지는 것을 의미하고, 신장은 부속지가 펴지는 것을 의미한다. 

이 두 동작을 하기 위해서 하나는 구부러지도록, 다른 하나는 펴지도록 해야 하므로 적어도 두가지 근육이 필요하다. 하나의 관절에서 반대방향의 운동을 하는 근육의 집단을 길항근이라고 한다. 예를들면, 그림에서 보듯이 이두박근의 수축은 팔꿈치에서 팔이 굴곡되도록 하고, 길항근인 삼두박근의 수축은 팔이 신장되도록 한다. 두 근육은 수축함으로써 아래팔에 단지 끌어당기는 힘만을 부여할 뿐이다. 

길항근의 조합은 굴곡과 신장뿐 아니라 사지의 측면운동이나 회전운동에도 요구된다. 어떤 근육의 수축은 동일한 부속지에 작용하는 다른 근육의 수축상태에 따라 두가지 형태의 부속지 운동을 일으킨다. 예를들면, 걸을때 장단지근의 수축을 무릎에서 하지의 굴곡을 일으킨다. 그러나 장단지 근육의 수축이 허벅지근의 수축(이는 하지의 신장을 일으킴)과 동시에 일어나면, 무릎관절을 구부러짐을 막고 발목관절을 움직일 수 있도록 해준다. 다리는 신장되고 발끝으로 몸을 세우게 된다. 

몸의 근육, 뼈, 관절은 지렛대 체계로 배열되어 있다. 지렛대의 기본원리를 이두박근에 의한 팔의 굴곡을 예로 설명해보자. 이두박근은 팔꿈치 관절로부터 5cm떨어진 하완에 위로 잡아당기는 힘을 부여한다. 이 예에서 손에 쥔 무게 10kg은 팔꿈치로부터 35cm떨어진 하완에 하중 10kg를 부여한다. 아래로 향하는 힘(10kg)과 팔꿈치로부터의 거리(35cm)의 곱이 근육에 부여된 등척성 장력(X)과 팔꿈치로부터의 거리(5cm)의 곱과 같으면, 즉 10*35=5*x이면 하완은 기계적 평형을 이룬다. 따라서 x는 70kg이다. 근육의 힘(70kg)이 하중 10kg보다 상당히 크므로 근육은 기계적으로 불리한 일을 한다.

그러나 대부분의 근육지레 체계가 작동하는 기계적 불이익은 기동력이 증가되므로 상쇄된다. 그림 9-30에는 이두박근이 1cm수축하면 손은 7cm 거리를 움직인다. 동일한 시간에 근육이 1cm짧아지고, 손이 7cm 거리이동하기 때문에 손이 움직이는 속도는 근육의 단축속도보다 7배나 빠르다. 지레체계는 근육 단축속도를 증폭시키므로 비교적 느리고 짧은 근육의 이동이 손의 빠른 이동을 일으킨다. 따라서 투수는 작은 속도로 그의 근육을 단축한다 할지라도 135~160km/h속도로 공을 던질 수 있다. 

7. 골격근 질환

수많은 질병들이 골격근 수축에 영향을 미칠 수 있다. 대부분은 근육자체의 결함보다 근 수축을 조절하는 신경계의 결함이 원인이다. 예를들면 소아마비는 운동신경을 파괴하는 바이러스성 질환이며, 골격근의 위축을 일으키고 호흡곤란으로 죽음에 이르게 할 수도 있다.

근육경련

골격근의 비수의적 강축은 근육경련(muscle cramp)을 일으킨다. 경련 중에 신경활동전위는 비정상적으로 높게 일어나고, 수의적 최대 수축이 일어날때보다 더 높은 정도로 일어난다. 높은 활성이 일어나는 원인은 확실하지 않으나, 근육과 신경을 감싸는 세포외액 전해질의 불균형이 원인일 가능성이 있다. 이는 과도한 운동이나 지속적인 탈수로 인해 일어날 수도 있으며, 불균형은 신경과 근육에 직접적으로 활동전위를 유도할 수도 있다. 또 다른 이론은 근육에 있는 감각수용체가 근육내의 화학적 불균형에 의해 자극되고, 신호가 척수에 도달하였을때 그 부위에 운동신경이 반사적으로 활성화됨으로써 일어난다는 것이다.

저칼슘 강축(hypocalcemic tetany)

저칼슘 강축은 세포외액의 칼슘농도가 정상수치보다 약 40%낮아질때 일어나는 비수의적 강축이다. 이것은 Ca2+이 흥분-수축과정에 필요하므로 흥미로워보일 수도 있다. 그러나 근수축에 필요한 Ca2+은 근소포체의 Ca2+이지 세포외액 Ca2+가 아니다. 세포외액 Ca2+ 농도의 변화는 근소포체에 영향을 주지 않고 직접 세포막에 작용한다. 세포외액의 낮은 Ca2+(저칼슘 혈증)은 흥분성 세포막의 나트륨 채절의 열림을 증가시켜 막의 탈분극과 활동전위가 일어나도록 한다. 이것이 근 수축 증가의 원인이 된다. 

근무력증

이 질병은 자주 접하는 유전질환중의 하나이다. 근무력증은 골격근과 심근의 점진적인 퇴화와 연관이 있고, 호흡과 심장마비로 인해 결국 죽음에 이른다. 근무력증은 가로무늬근의 늑골절을 구성하는 단백질이 결손되거나 망가져서 일어난다. ...

중증근무력증.

중증근무력증은 근육이 사용됨에 따라 점진적으로 악화되는 근육피로와 약화가 특징인 신경근 이상 질환군이다. 

[약침실]

"우리는 원인에 대한 이야기를 중단하고 '솔루션'에 집중해야 한다"
솔루션을 위한 어떤 행동수정도 하지 않았기 때문이다.

이 글이 많은 것을 느끼게 해주네요..
많은 환자분들이 볼 수 있는 곳에 붙여두면 어떨까 하는 생각이 듭니다.^^

[문형철]

역시 ㅎㅎㅎ

[정혜]

감사합니다

[문형철]

완벽하게 이해될때까지 ....

[박준기]

감사합니다..