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1. 운동과 골격계
인체의 운동은 운동에 관여하는 기관의 구조, 형태 및 기능에 따라 달라지는데, 운동에 관여하는 기관에는 뼈, 관절, 근육, 신경 등이 있다. 그 외에 호흡계와 순환계를 비롯한 전신기관에서 간접적으로 운동에 관여하고 있다.
인체의 움직임이나 운동을 자동차에 비유하면 뼈는 차체이며, 관절은 바퀴, 근육은 엔진, 그리고 신경은 운전기사로 비유할 수 있다. 뼈는 골격구성의 주요소이고, 각각이 하나의 기관이다. 따라서 뼈에는 그 존재하는 장소에 의해 각각 일정의 형태가 있다. 다시 말하면, 하나의 뼈를 보면, 그것이 어느 곳에 있는 무슨 뼈라는 것이 감별된다.
뼈의 형태는 천차만별이지만, 대략 공통점을 파악하여 장골, 단골, 편평골, 불규칙형골 등으로 분류하기로 한다.
상완골이나 대퇴골은 장골, 수근골이나 족근골은 단골, 두정골이나 전두골은 편평골, 추골이나 하악골은 불규칙형골의 예이다. 또, 사골, 상악골, 측두골 등과 같이 내부에 공동이 있어 생체에서는 그 안에 공기를 넣은 것을 함기골이라고 하는 경우가 있다.
인체에서는 거의 모든 뼈가 다른 뼈와 관절을 이루고 있다. 따라서 그러한 뼈에는 관절면이 있기 때문에 이 부분은 연골층으로 덮여 있고 자유표면을 가지고 있다. 뼈를 관찰할 때에는 그 뼈의 관절면이 어디에 있고 무슨 관절에 관여하고 있는지에 주의하는 것이 중요하다.
1-1. 뼈의 기능
1) 신체의 지주기능 : 코와 같은 연부조직을 형태적으로 지지하는 것 이외에 척추골과 하지의 뼈는 체중을 지지한다.
2) 주요기관의 보호기능 : 내장, 뇌, 척수, 안구 등의 장기를 보호한다.
3) 신체의 운동작용기능 : 특히, 하지골은 체중을 지지할 뿐만 아니라, 보행 등의 운동을 행하기 때문에 뼈의 구조가 역학적으로 성장, 발달된다.
4) 조혈기능 : 적색골수로 활발한 조혈이 이루어진다. 적색골수는 처음 모든 뼈에 존재하나 연령이 많아짐에 따라 긴뼈의 뼈끝 부위의 적색골수는 지방조직으로 대치되어 황색골수로 되는데 여기에서는 조혈기능이 사라진다. 특히, 긴뼈의 뼈끝, 편평골, 단골 등의 해면질에는 평생동안 적색골수가 존재하기 때문에 조혈작용이 끊임없이 이루어진다.
5) 칼슘과 인등의 무기질이나 염화물을 저장하는 기능 : 필요에 따라 혈액으로 방출한다.
1-2. 뼈의 구조
뼈의 구조는 그 종류에 따라 다소 차이는 있지만 대개 다음 4가지 조직으로 이루어져 있다.
1) 골질 : 골질은 뼈의 주요 부분을 이루는 것인데, 조직학적으로는 골조직으로 이루어져 있다. 골질은 치밀질과 해면질로 구별된다. 전자는 뼈의 표층부를 차지하고, 후자는 내부에서 볼 수 있다. 관상골에서는 골간은 두터운 치밀질로, 골단은 주로 해면질로 이루어져 있고, 그 표층만이 엷은 치밀질층으로 이루어져 있다.
2) 연골질 : 뼈의 관절면과 성장선에서 볼 수 있는 것이다. 관절면의 연골질은 관절부에서 탄성의 완충대를 형성하므로 관절연골이라고 하며 성장선에서 볼 수 있는 연골질은 뼈의 장축 방향으로 성장하는데, 관상골인 경우 이것을 골단연골이라고 한다. 성장선의 연골질은 뼈의 발육이 멈추면 골화해 버리지만, 그 부위는 평생 해면질 골주의 배열이 다르고, 치밀질 구조를 나타낸다. 관상골에서는 이러한 골단연골이 골화한 흔적을 골단선이라고 한다.
3) 골수 : 골수는 해면질의 골주 사이의 소강과 관상골의 수강을 채우는 연조직으로 조직학적으로는 세망조직이다. 골수는 뼈의 본질적 구성요소는 아니다. 특히, 골수가 없는 뼈는 소형동물에게 주로 보이는데, 인체에서도 이소골같은 소골이나 비강벽의 엷은 뼈조각에는 골수가 빠져있다. 커다란 뼈에서도 때로는 골수 대신에 더 가벼운 공기를 넣는 것이 있다(함기골).
4) 골막 : 골막은 뼈의 표면에 유착하는 엷은 막인데, 조직학적으로는 교직결합 조직으로 이루어져 있다. 뼈의 관절면에는 골막이 없다.
1-3. 뼈의 연결
1) 부동성 결합 : 부동성 결합이란, 두 개의 뼈가 연속성 있게 연결된 것, 다시 말해 양쪽 골의 사이에 관절강을 갖지 않는 것으로, 양골 상호간의 움직임 가능성이 존재하지 않든가, 또는 매우 작은 경우이다.
2) 가동성 결합 : 가동성 결합은 활막성 연결 또는 관절이고, 이것은 골과 골의 연결면 사이에 관절강이 존재하는 것이다. 따라서 양골간의 가동성은 부동성에 비해 훨씬 크다.
(1) 관절운동의 형태 : 윤활관절에서는 활주운동, 각운동, 원돌림운동, 회전운동 등이 일어날 수 있다. 활주운동은 관절에서 일어날 수 있는 가장 단순한 운동형태로 관절면의 한면이 다른 면 위로 각운동이나 회전이 없이 미끄러지듯 움직인다. 각운동은 두 뼈 사이의 각도가 좁혀지거나 넓어지는 운동으로 사지에서 흔히 볼 수 있다. 원돌림운동은 각운동에서 일어나는 굽힘, 펴짐, 내향, 외향이 연속 혹은 복합적으로 일어나는 것으로 끝이 원을 그리는 운동이다. 회전운동은 장축을 중심으로 하여 도는 운동이며, 내측회전, 외측회전, 회내, 회외 등으로 나눌 수 있다.
1-3-1. 관절의 운동
1) 굴곡운동(flexion) : 굴곡운동은 관절을 이룬 두 뼈의 각이 좁아지는 것으로 정위치에서 구부린다는 뜻이다. 예를 들면, 팔꿈치 관절에서 굴곡 운동이 일어나면 전완이 상완 쪽으로 굽는 것처럼 두 뼈 사이의 각도가 줄어든다.
2) 신전운동(extension) : 신전운동은 굴곡이 구부리는 운동인 데 반해 펴는 운동이며, 굴곡으로부터 제자리로 돌아가는 운동이다. 다시 말하면, 굴곡된 상태에서 해부학적 자세로 돌아가는 운동이다. 신전은 관절을 이룬 두 뼈의 각도가 점점 커지는 운동이다.
3) 외전운동(abduction) : 몸의 중간 종단면에서 뼈가 멀어지는 운동으로 해부학적 자세에서 팔을 들어올릴 때 어깨 관절에 생기는 운동이다.
4) 내전운동(adduction) : 외전의 정반대 행위로서, 대체로 외전이 전제된 후에 일어날 수 있는 운동이다. 내전은 몸의 중심 종단면을 향해서 움직이는 동작으로, 들었던 팔을 몸의 향해 늘어뜨리는 것이다. 손가락의 내전은 손가락들이 가운데 손가락을 향해 모여드는 동작이고, 발가락의 내전은 둘째 발가락을 향해서 움직이는 것을 말한다.
5) 회전운동(rotation) : 축을 중심으로 해서 뼈가 움직이는 것으로, 움직이는 면이 축과 수직을 이룬다. 머리가 제 1 경추의 고리에서 벗어나지 않고 목을 돌리는 동작이 그 예이다. 어떤 경우에는 관절에 붙은 인대와 근육의 제한으로 완전히 돌지 못하는 경우도 있다.
6) 회선운동(circumduction) : 움직이는 뼈의 안쪽 끝은 축이 되고 바깥쪽 끝은 원을 그리면서 움직이는 것으로, 이 움직임은 소켓형 관절에서 볼 수 있다. 이 운동은 굴곡, 신전, 외전, 내전 등이 합쳐져 이루어지는 운동이다.
7) 회내운동(ronation) : 요골과 척골이 수평이 되지 않도록 뼈를 움직이는 것으로, 만약 팔이 신체의 내측에 있다면 손바닥은 안쪽에서 바깥쪽의 위치로 움직여야 한다.
8) 회외운동(supination) : 요골과 척골이 수평이 되도록 전완을 움직이는 것으로, 만약 팔이 신체의 내측에 있다면 손바닥은 바깥쪽에서부터 안쪽으로 움직여야 한다.
1-4. 뼈의 운동상해
뼈는 고형질로 이루어져 있기 때문에 다른 조직들보다는 운동으로 인한 상해가 적으나, 타박상, 골절, 그리고 골단상해 등을 자주 경험하게 된다.
1) 타박상 : 외부의 힘이나 압박에 의하여 골막내에 부종이나 출혈이 일어나는 상해로 신경분포에 의한 심한 통증을 느끼게 되며, 완치까지는 약 3 주 이상이 소요된다.
2) 골절 : 운동 시 자주 발생하는 골절은 외부로부터 큰 충격을 받았을 때 피하조직이나 근육층 또는 골막에서 흡수된 후 더 많은 압력이나 압박이 뼈에 미칠 때 뼈가 부러지는 상해를 말한다.
단순히 뼈만 부러진 단순골절과 골절이 되면서 뼈의 끝이 피부를 뚫고 나오는 복합골절, 그리고 뼈가 골절될 때 다른 섬유조직이 상해를 입는 그린스틱골절 등이 있다.
골절이 발생하면 움직임을 중단하고 상해부위를 고정하면, 단순골절일 경우 4-6주 정도 되면 대부분 완치된다.
3) 골단상해 : 뼈가 골절되면서 뼈끝 근처의 인대 등 다른 조직을 찢는 상해를 골단상해라고 하는데, 뼈끝상해라고도 한다.
2. 운동과 근육계
인체의 운동은 근육이 수축하는 힘에 의해서 이루어진다. 근육은 화학적 에너지를 기계적 에너지와 열로 직접 전환시킬 수 있는 기계 즉, 에너지 형태를 바꿀 수 있는 일종의 에너지 변환기라고 말할 수 있다. 근세포에 자극이 전달되면 근세포에서는 화학적 변화가 일어나 수축운동을 수행하게 된다.
2-1. 근육의 종류
근육은 그 모양에 따라 횡문근(골격근, 심장근) 및 평활근으로 분류하기도 하고 기능적으로 생체의 의사에 따라 근육운동을 유발시킬 수 있느냐 없느냐에 따라 수의근 또는 불수의근으로 구별하기도 한다. 골격근은 수의근에 속하고, 심장근과 평활근은 불수의근에 속한다. 어떤 근육이든 근육의 생체 내에서의 기능은 수축을 통하여 일을 하는데 있다.
2-2. 골격근
2-2-1. 골격근의 해부학적 구조
골격근은 구조상의 횡문근이며 수의근에 속한다. 골격근은 무수한 근섬유가 모여서 형성되며 골막에 직접 부착하는 종류, 건에 부착하는 종류, 일단 건에 연결된 후 다른 근육에 연결되는 종류가 있다.
골격근의 운동단위인 근섬유는 원통형으로 되어 있으며, 양끝은 점차 가늘게 되어 있다. 근섬유는 수백내지 수천개의 근원섬유와 근형질이라 불리는 반유동성 물질로 되어 있으며, 그 주위를 세포막인 근초라 불리는 얇은 막이 둘러싸고 있다. 이 근초 바로 밑에는 다수의 핵이 보인다.
근원섬유는 평행으로 주행하는 400-2500개의 미세섬유로 구성되며 하나의 근섬유는 100만개의 미세섬유로 구성되어 있다. 미세섬유는 굵은 것과 가는 것의 두 종류가 있는데 전자는 주로 미오신이라는 단백질로 후자는 액틴, 트로포미오신, 트로포닌 등의 단백질로 구성되어 있다.
근섬유에는 근원섬유가 평형으로 나란히 근형질 속에 묻혀 있는데 근원섬유는 많은 근필라멘트로 되어 있다. 근원섬유는 광학현미경으로 관찰하면 섬유의 장축을 따라 반복적으로 어두운 대와 밝은 대의 줄, 즉 가로무늬가 보인다. 이 밝고 어두운 띠에는 굴절성이 있는데, 이것은 복굴절성을 지닌 어두운 띠(A-band)와 단굴절성을 지닌 밝은 띠(I-band)로 구분된다. 자세히 관찰해 보면 어두운 띠 중앙에 약간 밝은 H띠(H-band)가 보이고 그 중앙부에 약간 밀도가 높은 세로로 달리는 M단백이 함유되어 있는 M-선(M-line)이 있다. 한편 밝은 띠의 중앙에도 선이 하나 있는데 이것을 Z-선(Z-line)이라고 한다. Z선과 Z선 사이를 근원섬유마디라고 하며 근원섬유의 형태학적 단위가 된다.
(그림 4-4)
2-2-2. 신경-근연접
척수의 백색질을 구성하는 신경섬유는 근섬유의 자극을 구심성으로 받아들이는 감각신경과 원심성으로 근의 운동을 지배하는 운동신경이 있다. 척수에서 원심성으로 뻗어 연장된 운동성 뉴런은 신경섬유가 되며, 골격근 섬유는 운동성 뉴런의 자극에 의해 수축이 일어난다. 그 과정은 운동신경 섬유가 근섬유에 가까워지면 먼저 수초가 없어지고, 근섬유의 표면에 인접하게 되면 신경섬유의 끝이 약간 부풀어 신경말단을 이루고 신경말단에 접촉된 근섬유의 근막은 약간 함몰되어 종판(end plate)이 된다.
2-2-3. 골격근의 형태
근의 형태는 여러 가지이지만 그 기본은 방추형이다. 근의 비대한 중간부를 근복, 윗부분을 근두, 아래부분을 근미라고 한다. 근두와 뼈가 결합하는 부위를 기시라 하는데 이것은 근이 수축할 때 고정점으로 되어 거의 변화하지 않고 대체로 몸 중심에 가깝게 있다. 근미는 부착점으로써 근수축시 위치가 변하므로 운동점이라고도 하며 몸의 중심부에서 멀리 위치하는 것이 보통이다.
힘줄의 결합상태에 따라 근육모양이 구별되기도 하는데 근두와 힘살의 수에 따라 상완이두근, 상완삼두근, 대퇴사두근, 대퇴이두근, 하퇴삼두근 등이 있으며 형태에 따라 방추상근, 삼각근, 반익상근, 익상근, 다익상근, 환상근으로 나뉜다.
2-2-4. 근육의 수축기전
근섬유가 수축할 때에는 A띠의 길이는 변화하지 않는 반면, I띠는 짧아지고 A띠의 중앙부분은 H-zone은 사라지게 되는데, 이러한 현상은 A띠의 중앙부분에서 가는 세사가 서로 활주하여 교차하는 움직임 때문에 나타나는 것으로 볼 수 있다. 이는 근수축이 가는 세사의 활주에 의해 이루어지는 것으로 보아 근활주설(sliding filament theory)이라고 한다.
1) 근활주설의 단계별 변화
(1) 안정 단계 : 안정상태에서는 마이오신 세사의 십자형교가 액틴 세사와는 상호적으로 작용하지 않고 액틴쪽으로 퍼진다. ATP 분자는 십자형교의 끝에 뭉쳐 있고, 칼슘은 근질세망의 소포에 많은 양이 축적되어 있다. 이때 트로포닌이 액틴과의 결합으로부터 십자형교를 억제하여 마이오신과 액틴이 결합되지 않는다.
(2) 자극-결합 단계 : 자극이 운동신경에 의해 운동 말판으로 이르렀을 때 활동 전위에 의해 아세틸콜린이 분비되며, 이에 따라 근질세망에 소포로부터 칼슘이 방출된다. 유리된 칼슘의 양이 많아지기 때문에 트로포닌이 액틴과 마이소신의 결합을 촉진하게 된다. 트로포마이오신의 위치 변화가 일어나 십자형교가 활성부위와 결합할 수 있게 되어 액토마이오신의 복합체가 형성된다.
(3) 수축 단계 : 액토마이오신의 형성은 ATP 효소라고 불리는 마이오신 세사의 효소 성분을 활성화시켜 ATP를 ADP와 PI로 분해시킨다. 방출된 에너지는 액틴 세사가 마이오신 세사위로 미끄러져 들어가는 방법으로 붕괴시키거나 새로운 각도로 전환할 수 있게 한다.
즉, ATP는 분해되면서 에너지를 발생시켜 십자형교를 회전시키며, 액틴이 마이오신 위로 미끄러져 들어가면서 장력이 발생하여 근육이 짧아지게 되는 것이다.
(4) 재충전 단계 : ATP가 재합성되는 단계로서 액틴과 마이오신 십자형교 사이의 결속을 깨뜨리고, 새로운 ATP 분자로 마이오신 십자형교가 재장전함으로써 재충전이 일어난다. 액토마이오신은 액틴과 마이오신으로 해리되고, 액틴과 마이오신은 재순환된다.
(5) 이완 단계 : 신경 자극이 끊어지고 칼슘 이온은 칼슘 펌프에 의해 칼슘이 세망에 축적되며, 이에 따라 근원세사들이 원래의 위치로 돌아오고 근육이 이완된다.