제 9장. 근육 - 평활근과 심장근육

[문형철]

평활근은 자율신경계 지배를 받으며 트로포닌이 없다. 

심근은 골격근과 거의 비슷하며 자율박동을 한다.

특히 평활근의 수축, 연동운동에 생리적 기전에 대해서...

panic bird...

모든 평활근은 두가지 특징을 가지고 있다. 평활근에는 골격근이나 심근에 나타나는 줄무늬 띄가 없으며 자율신경이 분포하고 있다. 그러므로 평활근은 우리 의지대로 조절할 수 없는 비수의근이다. 골격근처럼 평활근도 힘을 발생시키기 위해 액틴과 미오신 필라멘트 사이에 가교운동을 하며, Ca2+이 가교의 활동을 조절한다. 하지만 수축성 필라멘트 구조와 흥분-수축 연관과정은 나머지 두 종류의 근육과 매우 다르다. 더구나 평활근 중에는 흥분-수축 연관기전의 관점에서 다양하다. 

1. 평활근의 구조

평활근 세포는 방추형이며, 직경이 2-10um이고, 길이는 50-400um이다. 폭이 10-100um이고 수십 cm길이의 골격근에 비해 매우 작은 크기다. 골격근 섬유는 근육전체를 차지할 정도로 매우 긴 반면, 많은 평활근 세포는 일반적으로 납작한 판 모양의 층을 형성하며 서로 연결되어 있다. 

골격근 섬유가 이미 분화되어 더이상 세포분열을 할 수 없는 다핵세포인 반면, 평활근 세포는 일생동안 분열능력이 있는 단핵세포이다. 조직이 손상되면 다양한 측분비물질이 평활근의 분열을 촉진한다. 골격근 섬유처럼 평활근 세포도 굵은 미오신 필라멘트와 액틴필라멘트로 구성된다. 가는 필라멘트에는 트로포미오신은 있지만 조절단백질인 트로포닌은 없다. 가는 필라멘트는 원형질막이나 조밀체라는 세포질 구조체에 연결되어 있는데, 이는 기능적으로 골격근 섬유의 Z선과 비슷하다. 그림에서 보듯이 필라멘트는 세포의 긴축에 대해 약간 대각선 방향으로 배열되어 있다. 근섬유 길이가 줄어들때 액틴이 부착된 두점 사이의 원형질막 부위는 부풀어 오른다. 평활근의 굵은 필라멘트와 가는 필라멘트는 가로무늬근의 근원섬유를 만들지 않고, 가로무늬근의 근절처럼 규칙적인 배열구조도 만들지 않는다. 이때문에 가로무늬근이 보여주는 줄무늬가 없다. 그럼에도 불구하고 평활근 수축도 필라멘트 활주기전에 의한다.

평활근의 미오신 농도는 가로무늬근의 1/3정도인데 비해 액틴의 양은 2배정도 많다. 이러한 차이가 있어도 횡단면적당 장력을 비교하여 보면 평활근은 골격근과 비슷한 세기의 최대장력을 낼 수 있다. 평활근 섬유에 의한 등척성 장력을 보면 골격근처럼 섬유의 길이에 따라 다르다. 장력발생이 최대가 되는 최적의 길이가 있으며, 이보다 짧거나 길어지면 장력은 더 작다. 하지만 평활근이 최대 장력을 발생시킬 수 있는 근섬유의 길이 범위는 골격근보다 넓다. 이러한 특성은 평활근이 둘러싸고 있는 속이 빈 구조체와 기관들이 기능상 부피가 크게 변화할 때 평활근 섬유의 길이가 크게 변해도 장력을 유지할 수 있도록 적응된 것이다. 방광에 많은 소변이 축적되어 부피가 크게 증가해도 방광벽을 구성하는 평활근 섬유는 장력을 발생시킬 수 있는 능력을 어느정도 유지하고 있다. 골격근에서 이러한 정도의 변형이 일어나면 액틴과 미오신 필라멘트의 중첩범위가 벗어날 정도로 늘어난 것이다.

2. 평활근의 수축과 조절작용

평활근의 수축도 골격근처럼 세포질 내 Ca2+농도의 변화로 조절된다. 그러나 Ca2+이 가교주기를 활성화하는 방식과 Ca2+농도를 변화시키는 기전은 두 근육에서 크게 다르다. 

가교의 활성화

평활근에는 Ca2+ 결합 단백질인 트로포닌이 없기 때문에 트로포미오신은 가교와 액틴의 연결을 차단하는 역할을 하지 않는다. 그러므로 액틴 필라멘트는 가교의 주기를 조절하는 스위치로 작용할 수 없다. 그 대신 평활근에서는 가교의 주기는 미오신을 인산화시키는 Ca2+ 조절효소에 의해 조절된다. 평활근에서는 인산화된 미오신만이 액틴과 결합하여 가교의 주기 작용이 활성화된다. 

다음은 평활근 섬유의 세포질 내 Ca2+이 증가된 뒤에 일어나는 일련의 반응이다. 1)  Ca2+이 거의 모든 세포의 세포질에 존재하는  Ca2+결합 단백질인 칼모듈린(제 5장)에 결합하며, 칼모듈린의 구조는 트로포닌의 구조와 연관되어 있다. 2)  Ca2+칼모둘린 복합체는 세포질 내 다른 단배질인 미오신 가벼운사슬 인산화효소(myosin light chain kinase)와 결합하여 이 효소를 활성화시킨다. 3) 활성화된 미오신 가벼운 사슬 인산화효소는 ATP를 이용하여 미오신 머리부분의 가벼운 사슬을 인산화시킨다. 4) 인산화된 미오신은 액틴에 결합하여 가교를 형성한다. 5) 가교는 미오신 가벼운 사슬이 인산화된 동안 주기를 반복하여 힘을 발생한다. 여기서 중요한 차이점은 굵은 필라멘트에서  Ca2+을 매개로한 변화가 평활근의 가교를 활성화시키는 반면, 가로무늬근에서는 가는필라멘트에서  Ca2+을 매개로 한 변화가 일어난다.

평활근 미오신의 ATP 가수분해효소 활성은 골격근에 비해 10-100정도 낮다. ATP의 분해율이 가교의 주기속도를 결정하므로 평활근의 길이의 단축정도와 단축속도가 골격근에 비해 훨씬 느리다. 낮은 에너지 사용률때문에 평활근은 계속해서 수축활동을 해도 피로해지지 않는다. 평활근의 ATP가 하는 두가지 역할을 잘 이해해야 한다. 한 분자의 ATP는 미오신 가벼운 사슬을 인산화시키는데 쓰이며, 이는 가교주기를  시작하게 해주고, 매 가교주기마다 쓰이는 ATP 한분자는 힘발생에 필요한 에너지를 제공해준다. 

탈인산화된 미오신은 액틴에 결합할 수 없기 때문에 수축된 평활근을 이완시키기 위해서는 탈인산화 반응이 일어나야 한다. 미오신 가벼운 사슬 인산가수분해효소가 탈인산화 반응을 일으키며, 이 효소는 평활근의 이완과 수축 시기에 지속적으로 활성화되어 있다. 세포질 내에  Ca2+의 양이 증가하면 활성화된 인산화효소에 의한 미오신의 인산화율이 인산가수분해 효소에 의한 탈인산화율보다 커지므로 세포속에 인산화된 미오신 양이 증가하게 되어 장력이 발생한다.  Ca2+농도가 감소하면 탈인산화 속도가 인산화 속도보다 커지므로 인산화된 미오신의 양이 감소하여 근육이 이완된다.

일부 평활근에서는 지속적인 자극으로 세포질내  Ca2+농도가 높은 상태가 유지될때 등척성 장력이 유지됨에도 불구하고 가교에 의한 ATP의 분해율이 감소된다. 이 상태를 빗장상태(latch state)라 하며, 인산화된 가교가 액틴에 결합된 상태에서 탈인산화 되었을때 나타나는 현상이다. 이런 상황에서는 미오신의 이동없이 강직과 같은 상태의 장력이 유지될 수 있다. ATP의 결합으로 탈인산화된 가교가 액틴에서 분리되기는 하지만 그 속도는 인산화된 가교가 분리되는 것보다 훨씬 느리다. 그 결과 ATP 소모율이 매우 낮은 상태로 장력을 오랫동안 유지할 수 있게 된다. 빗장 상태의 잇점을 위장관 괄약근에서 볼 수 있는데, 이곳의 평활근은 장시간에 걸쳐 수축상태를 유지해야 한다. 그림은 평활근과 골격근의 활성을 비교한 것이다. 

세포질  Ca2+의 공급원

평활근을 수축하게 하는 세포질  Ca2+은 두곳에서 나온다. 1) 근소포체와 2) 세포막의  Ca2+채널을 통해 세포내로 들어오는 세포외  Ca2+이다. 두곳에서 공급되는  Ca2+의 양은 평활근마다 다르며, 어떤 근육은 근소포체에 저장된  Ca2+보다 세포외  Ca2+에 더 의존하는 경우도 있고, 이와는 반대인 경우도 있다. 우선 근소포체의 역할을 알아보자. 평활근의 근소포체 양은 골격근에 비해 훨씬 적으며, 골격근에서 나타나는 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트의 특이배열 패턴과 같은 배열도 볼 수 없다. 더구나 평활근에는 세포막에 연결된 T관도 없다. 근세포가 작고 수축률이 낮아서 흥분신호를 근섬유 내부로 전달하는데 신속한 기전이 필요하지않다. 그러나 근소포체의 일정부분은 근세포막 가까이 위치하고 있는데, 이런 형태는 골격근의 T관과 측주머니의 관계와 비슷하다. 

근세포막에서 발생한 활동전위는 이 부위의 근소포체로부터 Ca2+을 방출하는 것과 연결될 수 있다. 게다가 세포밖의 화학전달물질이 세포막의 수용체에 결합하게 되면 2차전달자가 세포막에서 유리되거나 세포질에서 생기게 되어 중앙에 위치한 근세포체에서의 Ca2+ 방출을 촉진한다. 

흥분-수축 연관작용에서 세포밖의 Ca2+은 어떻게 될까? 세포외액의 화학전달물질에 의해 조절되는 Ca2+채널과 마찬가지로 평활근 세포막에는 전압-개폐형 Ca2+채널이 존재한다. 세포외액의 Ca2+농도가 세포내보다 10,000배 이상 높으므로, 세포막의 Ca2+채널이 열리게 되면 세포내로 Ca2+이 유입된다. 세포크기가 작아서 확산으로 세포내부의 Ca2+결합 위치까지 도달하는 거리도 얼마되지 않는다. 

세포질 내 Ca2+은 세포막을 통해 밖으로 제거되는 동시에 능동수송으로 근소포체로 들어가게 되어 Ca2+의 제거율은 골격근에 비해 매우 느리며, 그 결과 골격근에서는 단일 연축이 순식간에 일어나지만 평활근에서는 몇초가 걸린다. 근육에 따라 활성화된 정도가 다르다. 한번의 활동전위로 골격근에서는 가는 필라멘트에 존재하는 모든 트로포닌을 포화시킬만큼 충분한 Ca2+이 들어오는 반면, 평활근 섬유에서는 많은 자극에도 단지 일부 가교만이 활성화된다. 그러므로 평활근 세포에서 발생하는 장력은 세포질의 다양한 Ca2+농도에 의해 단계적으로 나타날 수 있다. Ca2+농도가 많이 증가하게 되면 더 많은 가교활동을 유지하는데 충분하다. 이러한 활동을 평활근 장력이라 한다. 세포질 내 Ca2+농도를 변화시키는 요소에 의해 평활근의 장력이 달라진다. 골격근을 설명할때 그러했듯이, 평활근에서도 연관(세포질내 칼슘의 변화)을 먼저 설명함으로써 흥분-수축 연관을 이해하려고 했다. 한단계 뒤로 가서 칼슘농도를 변화시키는 자극이 무엇인지 알아보기로 하자. 

막 활성(membrane activation)

근육에서 연결된 체성신경계처럼 단일신호에도 막의 활성화가 일어나는 골격근과는 달리 평활근 세포막에는 많은 신호가 들어와야근육의 수축활동을 변화시킬 수 있다. 표 9-5. 평활근 수축 활동에 영향을 미치는 요인 참조. 이 신호 중 일부는 수축을 증가시키지만 어떤 것은 감소시킨다. 더구나 근 세포막은 다양한 억제성이나 흥분성 신호의 상대적인 강도에 따라 근육이 수축된 상태에서도 언제든지 동시에 여러신호를 받아들일 수있다. 이러한 모든 신호들은 앞서 설명했듯이 세포질의 Ca2+농도를 변화시켜서 수축활동에 영향을 준다. 

어떤 평활근은 막의 탈분극에 반응하여 수축을 하는 반면, 어떤 평활근은 막전위의 변화가 없어도 수축할 수 있다. 흥미롭게도 평활근에서는 활동전위가 일어날때 활동전위가 증가하는 단계에서는 나트륨이온이 아닌 Ca2+이 양전하를 세포내로 이동시킨다. 다시말하면, 막의 탈분극은 전압 의존성 Ca2+ 채널을 열어 나트륨-매개형 활동전위가 아니라 칼슘-매개형 활동전위를 만들어낸다. 평활근의 전기적인 활성과 세포질의 Ca2+농도가 적용되는 또 다른 중요한 부분이 있다. 골격근과는 달리 평활근의 세포질 내 Ca2+농도는 막의 차등전위(또는 과분극)에 의해 증가 또는 감소될 수 있으며, 이것은 열린 Ca2+ 채널의 수를 증가시키거나 감소시킨다.

자발적인 전기활성

어떤 평활근 세포는 신경신호나 호르몬 신호가 업는 상태에서 자발적으로 활동전위가 유발된다. 이 세포들은 세포막은 유지전위를일정하게 유지하지 못한다. 그 대신 역치에 도달할때 까지 점차적으로 탈분극이 일어나 활동전위를 만들어낸다. 재분극이 일어난 뒤 막은 다시 탈분극을 시작하게 되고 연이어 활동전위가 나타나며, 수축활동이 리드미컬한 상태로 이루어진다. 자발적인 탈분극이 역치에 이르는 동안 나타나는 막전위 변화를 박동원 전위(pacemaker potential)이라고 한다. 

일부 평활근 박동원세포는 활동유형에 따라 약간 차이가 있다. 막전위는 세포막을 통과하는 이온의 이동에 의한 차이때문에 올랐다 내렸다 한다. 이러한 간헐적인 변동을 서파(slow wave)라 한다. 음식물이 위장관의 한 분절로 들어설때처럼 흥분성 신호가 겹쳐 일어나면, 서파는 역치이상으로 탈분극을 일으키켜 활동전위가 평활근 수축을 일으키게 된다. 박동원 세포는 위장관 전역에서 발견되므로 위장관의 평활근은 신경성입력이 없어도 규칙적으로 수축하는 경향이 있다. 일부 심장 근섬유와 중추신경계의 몇몇 뉴런도 박동원 전위를 가지고 있어 외부의 자극없이도 자발적으로 활동전위를 발생시킬 수 있다. 

신경과 호르몬

평활근의 수축활동은 자율신경 말단에서 분비되는 신경전달물질의 영향을 받는다. 골격근 섬유와는 달리 평활근 세포는 평활근 부위로 들어가서 많은 가지로 갈라지게 되는데, 각 가지마다 팽대부라고 하는 부풀어  오른 부분이 계속해서 나타난다. 그림. 

각 팽대부에는 신경전달물질로 채워진 소포가 많이 있으며 활동전위가 이 팽대부에 전달되면 신경전달물질의 일부가 분비된다. 1개의 축삭에 있는 팽대부들이 여러개의 근세포에 분포할 수도 있고, 1개의 근세포가 교감신경과 부교감 신경절후 섬유에 연결된 팽대부가까이에 분포될 수도 있다. 그러므로 많은 평활근 섬유가 단일 신경섬유에서 분비된 신경전달물질의 영향을 받게 되며 1개의 근세포가 하나 이상의 신경에서 분비되는 신경전달물질의 영향을 받을 수도 있다.  어떤 신경전달물질은 수축활동을 증대시키고 어떤 것은 감소시키기도 한다. 운동뉴런으로부터 흥분성 신호만을 받는 골격근과는 달리 평활근의 장력은 신경활성에 의해 증가될 수도 있고, 감소될 수도 있다. 

더구나 분비된 신경전달물질은 여러 평활근조직에서 서로 반대되는 효과를 나타낼수도 있다. 예를들어 교감신경절후에서 분비되는 신경전달물질인 노르에피네프린은 알파-아드레날린 수용체에 작용하여 혈관수축을 상승시킨다. 이와는 달리 같은 신경전달물질이지만 기도(세기관지) 평활근의 경우 베타2-아드레날린 수용체에 작용하여 이완시킨다. 따라서 반응의 차이는 흥분성이나 억제성 화학전달물질에 의한 것이 아니라 화학전달물질이 결합하는 막의 수용체와 이 수용체가 활성화되는 세포내 신호 기전에 달려있다. 

평활근 섬유막에는 이러한 신경전달물질이 수용체외에도 다양한 호르몬 수용체들이 존재한다. 호르몬이 수용체에 결합하면 근 수축활동을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 화학전달물질에 의해 유도된 평활근 수축활동의 많은 변화가 막 전위 변화에 의해 생기지만 항상 그러한 것만은 아니다. 예를들어 2차 전달자인 이노시톨 3인산은 막전위의 변화없이도 근소포체에서 Ca2+을 유리시켜 수축을 유발할수 있다. 

국소인자

측분비 물질, 산도, 산소농도, 삼투압 그리고 세포외액의 이온조성 등을 포함한 국소적인 인자들도 평활근 장력을 변화시킬 수 있다. 국소적인 인자는 근육내 환경의 갑작스러운 변화를 일으켜 평활근 수축을 변화시키는 수단을 제공하며, 이러한 내부환경은 신경이나 호르몬과 같은 원거리 신호와는 관계없이 독립적으로 조절될 수 있다. 많은 국소 인자들이 평활근을 이완시킨다. 가장 흔한측분비 물질 중 하나인 산화질소는 평활근을 이완시킨다. 산화질소(NO)는 다양한 상피세포나 내피세포와 마찬가지로 일부 신경말단에서도 분비된다. 이 분자는 수명이 짧아 측분비로 작용을 하며, 분비된 부위에서 아주 가까이 있는 세포들에게만 영향을 준다. 어떤 평화근은 늘어날때 수축반응을 나타낼 수도 있다. 근섬유가 늘어나게 되면 기계적-개폐형 이온채널이 열리게 되어 막의 탈분극을 일으키게 된다. 그 결과 수축은 근육이 늘어나는데 작용하는 힘과 반대로 작용한다. 한 주어진 시간에 우리몸의 평활근들은 다양한 신호를 동시적으로 받고 있다. 수축활동 상태는 항상 이완을 촉진하는 신호세기와 수축을 상승시키는 신호 세기에 따라 결정된다.

평활근의 종류

단일단위 평활근과 다단위 평활근

1) 단일단위 평활근

단일단위 평활근의 근세포는 전기적 활성이나 기계적활성에 대해서 동시적인 활성을 나타낸다. 즉 근육전체가 한 단위로 자극에 반응한다. 각각의 근세포가 간극연접(gap junction)에 의해 주변의 근섬유와 연결되어서 한세포에서 일어난 활동전위가 국소전류로다른 세포에 전파됨으로써 이러한 현상이 일어나는 것이다. 그러므로 한 무리의 단일단위 평활근의 근세포 어디에서나 발생하는 전기활성은 다른 모든 구성세포로 전달될 수 있다. 그림 9-38

단일단위 평활근의 일부세포는 자발적으로 활동전위를 유발하는 박동원이다. 이 활동전위는 간극연접을 통해 박동원의 활동을 일으킬 수 없는 대부분의 다른세포에게 전달된다. 신경, 호르몬, 국소인자 등은 일반적으로 평활근에 대해 앞에서 설명했던 다양한 기전을 이용하여 단일단위 평활근의 수축활동을 변화시킬 수 있다. 이 근육을 지배하는 범위는 장기에 다라서 매우 다르다. 신경말단은 때로는 박동원 세포가 있는 근육 부위에 한정되어 있다. 근육전체의 활동은 박동원 세포가 일으키는 활동전위의 빈도를 조정함에 따라 조절될 수 있다. 

단일단위 평활근의 또 다른 특징은 근육이 늘어날때 가끔씩 수축반응이 유도될 수 있다. 예를들어 위처럼 내부가 비어있는 장기의 경우, 내강 속 물질의 부피가 증가하여 장기벽인 평활근이 늘어나게 되면 수축반응이 시작된다. 창자, 자궁, 직경이 작은 혈관 등을 구성하는 평활근이 단일단위 평활근의 예이다.

2) 다단위 평활근

다단위 평활근은 간극연접이 아주 없거나 거의 없다. 세포마다 독립적으로 작용하고 근육이 여러단위처럼 작용한다. 다단위 평활근에는 자율신경게 가지가 많이 분포되어 지배한다. 근육전체의 수축반응은 활성화된 근섬유 수와 신경자극의 빈도수에 따른다. 비록 근육에 전달된 신경섬유의 자극이 어느정도의 탈분극을 일으켜 수축반응이 일어날 수 있지만 대부분의 다단위 평활근에서 활동전위가 일어나지 않는다. 순환하는 호르몬도 다단위 평활근의 구축활동을 증가시키거나 감속시킬 수 있지만, 근육이 늘어난다고해서 다단위 평활근의 수축을 유발하지 않는다. 폐로 연결된 기도나 대동맥, 그리고 피부의 털에 연결된 평활근은 다단위 평활근이다. 

평활근 대부분이 단일단위 평활근이나 다단위 평활근의 특징 모두를 나타내는 것은 아님을 분명히 알아야 한다. 두가지 평활근은 아주 극단적인 형태의 평활근이며, 많은 평활근은 두가지 특징을 섞어서 가지고 있다. 

3. 심근

심근의 세포구조

심근은 골격근과 평활근의 성질을 합쳐놓은 것과 같다. 골격근처럼 가는 액틴필라멘트와 굵은 미오신 필라멘트로 구성되어 있는 근절 구조를 가지고 있어 가로무늬를 가지고 있다. 트로포닌과 트로포미오신이 가는 필라멘트에 존재하고 있으며, 골격근에서와 같은 기능을 하고 있다. 세포막은 T관 그리고 Ca2+이 저장되어 있는 근소포체로 구성되어 있다. 그러나 Ca2+이 분비되는 기전은 골격근과 다르다. 

평활근처럼 각각의 심근세포는 상대적으로 작으며(길이 100um, 직경 20um), 보통은 단핵세포이다. 세포끝 부위에는 개재판(intercalated disk)이라는 구조물이 있어서 인접한 세포와 연결되어 있으며, 이부위에는 데스모좀이 세포와 세포를 결합시키고 있으며 이곳에 근섬유가 부착되어 있다. 또한 간극연접이 평활근처럼 개재판에 존재한다. 심근에서 세포는 층층이 배열되어 있고 혈액이 채워져 있는 공간을 둘러싸고 있다. 심장의 벽을 구성하는 심근이 수축할때 마치 주먹으로 쥐어짜듯 심장내에 있는 혈액을 배출한다.

심근의 흥분-수축 연관

골격근처럼 심근세포도 T관으로 전파되는 막의 활동전위에 의해 수축이 일어난다. 그러나 흥분으로 근력이 생성되는 기전은 두 근육에서 차이가 난다. 심근의 막 활동전위의 탈분극은 전압-작동형 채널을 통한 Ca2+의 유입에 일부 기인한다. 이 Ca2+채널은 L형 Ca2+채널이며, 골격근에서 흥분과 수축을 연관하고 있는 전압감지 센서로 기능하고 있는 디히드로피리딘 수용체의 변형체이다. 유입되는 Ca2+은 막의 탈분극 형성에 기여할뿐만 아니라 세포질 Ca2+의 농도 증가를 일으켜 근소포체로부터 다량의 Ca2+이 유입되도록 촉진하는 역할도 한다. 리아노딘 수용체는 심근소포체의 측면주머니에 존재하는 Ca2+채널인데, 골격근에서는 전압변화가 직접 열린 구조로 만드는데 비해..

무엇이 심근에서 활동전위를 유발하는가? 특정 심근세포가 활동전위를 발생시키는 박동원 역할을 하고 있다. 이것은 그림 9-36에서 설명된바와 같이 평활근의 기전과 비슷하다. 심근은 간극연접에 의해 연결되어 있으므로 활동전위가 박동원에서 발생되면 전체 심장세포로 빠르게 전파될 수 있다. ..

표는 3가지 종류의 근육이 갖는 특징을 비교한 것이다. 

[정혜]

감사합니다