운동과 근력의 생리학적 기초
골격근(Skeletal muscle)
인간의 골격근은 휴식을 취하는 순간에서부터 격렬한 활동을 하는 순간까지 뿐만 아니라 생체에너지의 항상성 유지 및 환경변화에 따른 신체기능을 유지하는데 매우 중요한 역할을 한다.
인간의 골격근이 가지고 있는 중요한 기능을 살펴보면,
첫째, 움직임이나 호흡을 위한 힘을 발생시키는 기능,
둘째, 자세를 유지시키기 위한 힘을 발생시키는 기능,
셋째, 저온환경에 노출되었을 때 열을 발생시키는 기능 등이 있다.
성숙한 인간의 골격근은 약 660개로 구성되어 있으며 체중의 약 45%에 해당된다.
이러한 골격근은 신경계(neurvous system)의 적절한 조절로 인하여 일상생활은 물론 신체활동, 예술 그리고 스포츠 등의 다양한 활동을 수행할 수 있게 되는 것이다.
분류 |
특징 |
위치 |
평활근 |
불수의근 |
내장기관 |
심장근 |
불수의근 |
심장 |
골격근 |
수의근 |
약 660개의 골격근 |
1.골격근의 구조와 기능 (skeletal muscle functional anatomy)
골격근은 여러종류의 조직으로 이루어져 있다. 여기에는 근세포 뿐만 아니라 신경조직, 혈액, 그리고 다양한 종류의 결합조직으로 이루어져 있다.
골격근 섬유들은 각각 떨어져 있지만 다음과 같은 결합조직에 의해 하나의 구조를 이루게 된다. 골격근은 근외막(epymisium)으로 싸여있으며 그 속에서 여러 개의 근섬유들이 뭉쳐있는 근섬유다발 즉, 근속(fascicle)은 근주위막(perymisium)으로 싸여 있고 각각의 근섬유는 근내막(endomysium)이라는 같은 결합조직(Connective Tissue)으로 싸여 있다. 하나의 근섬유의 막을 근초(sarcolemma)라고 하며 근초의 내부에는 세포내 단백질과 미세 소기관 그리고 수천개의 근원섬유(myofibrils)가 포함되어 있다.
한편 근섬유는 근내막과 근초(salcolemma)사이에 수많은 위성세포(satelite cell)를 가지고 있는 다핵세포(multineucraea cell)이다.
구조 |
특징 |
근내막(endomysium) |
4근섬유의 외부 결합조직 |
근초(salcolemma) |
4근섬유의 경계막(실질적 근막) |
근형질(sarcoplasm) |
4근원섬유 사이의 원형질 |
T세관(Transverse tubule) |
4근절의 안쪽으로 펼쳐져 있으며 근형질세망의 두개의 넓은 부위(termial cisternae;말단조)사이에 위치 4근초에 도달한 신경자극의 전달 |
근형질세망(sarcoplasmic reticulum) |
4각각의 근원섬유를 둘러싸고 있음 4T세관 주위에 있는 근수축에 필수인 칼슘저장소 |
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2.골격근의 수축
포유동물의 골격근 구성성분은 약 75%는 물, 20%는 혼합단백질(근원섬유) 그리고 5%는 무기염(inorganic salts), 색소(pigments), 효소, 막 단백질 등으로 구성되어있다. 이들 중 골격근의 근원섬유는 주로 수축 단백질, 조절 단백질, 구조 단백질로 구성되어 있다.
3.운동단위 동원의 통합적 조절
근육의 움직임은 신경계의 존재 없이는 이루어 지지 않을 것이다. 신경계의 활성과 근육의 적절한 협응조절이 이루어 짐으로서 수의적, 불수의적인 움직임을 수행할 수 있다.
따라서 근육과 신경의 흥분성 막 전위, 화학적 신경전달 물질들은 인체활동에 필요한 운동단위와 근섬유의 동원 등을 통합적으로 조절하게 된다.
1)신경자극
신경계를 이루는 신경원(neurons)은 근육이 수축할 수 있도록 흥분자극을 근육으로 보낼 뿐만 아니라 다양한 감각 수용체들로부터 신체움직임에 대한 정보를 충추신경계로 전달하여 근육의 움직임을 직접적으로 조절하는 정보를 전달하는 중요한 역할을 한다.
(1)안정 시 막전위 (Resting membrane Potential)
안정 시 상태에서 신경과 근육세포는 다른 전기적 막 전위를 띄고있다. 즉 세포막은 -70mV의 전위차를 가지고 있다. 이러한 막 전위의 차이는 세포 내부가 고농도의 K+이온과 음전하를 띠고 있는 많은 단백질로 이루어져 있고 세포 외부가 고농도의 Na+이온으로 양전하를 띄게 되어 나타난다. 안정시 막 전위는 ATP가수분해(hydrolysis)에 의한 Na+ K+펌프의 작용과 세포막의 높은 K+이온의 투과성에 의하여 유지되어진다.
(2)활동전위(action Potential)
신경과 근육의 정보교환은 활동전위의 발생과 전달에 의하여 이루어진다. 활동전위는 약1ms정도 지속하게 되며 이때 막 전위는 안정시인 -70mV에서 +30mV정도로 탈분극(Depolarization)된 후 다시 빠르게 안정 상태(재분극)로 되돌아 간다.
탈분극 (Depolarization) |
u세포내부로의 Na+의 높은 투과성 |
과분극(hyperpolarization) |
u탈분극의 반대 현상 |
재분극(Repolarization) |
u탈분극 후 세포 밖으로 K+이동 |
탈분극이 유도되기 위한 최소한의 탈분극 지점을 역치(threshold : 50-55mV)라고 하며 탈분극 상태가 역치 수준에 도달하거나 초과하게 되면 활동전위가 일어나게 된다.
(3)운동단위(motor unit)
운동단위(motor unit)은 근육활동을 위한 신경조절의 기능적 단위로서 하나의 a- motoneuron에 의하여 지배(innervation)되는 모든 근섬유의 수로 구성되어있다. 느리고 작은 힘의 발생이나 섬세한 운동에 필요한 운동단위의 크기는 작지만 빠르고 큰 힘의 발생이나 과격한 운동에 필요한 운동단위의 크기는 크다.
운동단위의 동원은 직접적으로 운동단위의 크기와 관련이 있다고 보고하였다. 작은 운동단위가 쉽게 동원되며 큰 운동단위는 이후에 추가적(additive)으로 동원된다. 즉 천천히 걸을 때는 느린 운동단위가 동원되며 갑자기 질주를 하게 되면 느린 운동단위가 여전히 동원은 되고 있지만 빠른 운동단위가 추가적으로 동원 되게 된다.
운동단위의 동원은 대개 speed보다 근력이나 파위에 의해 결정된다. 예를 들면 작은 무게를 들어 올릴 때에는 작은 운동단위가 선택적으로 동원되며 높은 무게를 들어올릴 때는 빠른 운동단위가 동원된다.
3)근섬유의 형태
운동단위에서 하나의 a- motoneuron은 많은 근섬유를 신경지배하고 있다. 하나의 운동단위내의 근섬유는 대사적 특성이나 , 조절단백질 구성 그리고 수축 단백질의 구성 및 활성이 상대적으로 동질성을 띄고 있다 즉 각기 다른 운동단위에 지배되는 근섬유의 수축특성에는 차이가 있다는 것을 알 수 있다.
(1)조직화학적(Histochemical)분류
조직화학적 분류는 R. Close et al(1965)과 Michael Barany(1967)의 연구를 기초로 하여 근원섬유의 ATPase의 활성도에 따라 근섬유의 형태를 알 수 있다.
근생검법(biopsy)으로 분리된 근육샘플을 ATP와 칼슘이온이 혼합된 용액( pH 9.4)에 배양하면 ATPase에 의하여 분해된 인산염(Pi)이 칼슘이온과 결합(칼슘인산염)하여 효소 활성자리에 축적된다. 이후 cobalt chloride에서 배양하면 칼슘이온이 cobalt와 치환되어 코발트 인산염을 형성하게 된다 그 후 ammonium sulfide용액에서 흑색의 불용성의 cobalt sulfide가 형성되어 최초의 효소 활성 자리를 알아볼 수 있게 된다. 특히 ATPase는 pH의존적이기 때문에 서로 다른 pH에 사전 배양하여 각기 다른pH에서 의 ATPase 활성도 차이를 이용하여 근섬유의 형태를 분류할 수 있다.
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Slow Twitch |
Fast Twitch | |
특징 |
typeI |
Type IIa |
typeIIb |
색깔 |
적색 |
백색/적색 |
백색 |
근섬유 직경 |
작음 |
중간 |
큼 |
모세혈관/mm2 |
높음 |
중간 |
낮음 |
미토콘드리아 용적 |
높음 |
중간 |
낮음 |
마이오신 ATPase |
낮음 |
높음 |
높음 |
캋슘 능력 |
낮음 |
중간/높음 |
높음 |
무산소성 해당과정 능력 |
낮음 |
높음 |
높음 |
산화 능력 |
높음 |
중간/높음 |
낮음 |
움직임 속도 |
느림 |
빠름 |
빠름 |
이완 능력 |
느림 |
빠름 |
빠름 |
피로 저항 |
높음 |
중간 |
낮음 |
힘의 능력 |
낮음 |
중간 |
높음 |
4. 골격근의 적응
골격근 섬유는 어떠한 자극이나 환경에 따라 근섬유의 형태와 기능이 단기적으로는 반응하지만 장기적으로는 적응하는 특성을 가지고 있다. 이러한 적응특성은 골격근의 형태적, 대사적, 기능적 특성의 변화를 일으키게 된다.
1) 적응의 원리
골격근은 트레이닝의 형태와 신체활동의 변화 그리고 환경의 변화 등으로 인하여 유전자 발현의 변화를 일으키게 된다. 즉, 근육내의 구조적, 기능적 단백질의 양이 선택적으로 증가 또는 감소하여 궁극적으로 골격근의 능력에 변화를 초래하게 되는데 이를 근육적응(myoplasticity)이라고 한다.
근육적응의 원리에 영향을 미치는 다양한 요인들로는 지속적인 영양섭취상태, 호르몬작용, 운동단위의 동원, 환경의 변화, 신체활동의 변화 등이 있으며, 이러한 요인들은 골격근섬유의 미소환경(microenvironment)에 영향을 초래하여 단백질의 합성 또는 분해를 가져와 궁극적으로 근육의 형태적 변화를 일으키게 된다.
2) 엘리트 선수들의 근섬유 형태
전문적인 운동을 실시하지 않는 일반인에서 근섬유의 분포는 속근섬유와 지근섬유가 각각 약 50%로 비교적 일정한 비율로 분포되어 있지만 엘리트 선수들은 경기의 형태와 트레이닝 형태에 따라 근섬유형태의 분포는 높은 차이를 보이고 있다.
예를 들어 단거리 선수들의 비복근에서 typeII(약 76%)섬유가 typeI(약 24%)섬유보다 더 높은 구성비율을 보였으며 이와는 반대로 장거리 선수들에서는 typeI(약 79%)섬유가 typeII(약 21%)섬유보다 더 높은 비율을 보였다.
운동선수 |
성별 |
근육 |
%ST |
%FT |
ST 횡단면적 |
FT 횡단면적 |
스프린터 선수 |
남자 |
비복근 |
24 |
76 |
5,878 |
6,034 |
여자 |
비복근 |
27 |
73 |
3,752 |
3,930 | |
장거리 선수 |
남자 |
비복근 |
79 |
21 |
8,342 |
6,485 |
여자 |
비복근 |
69 |
31 |
4,441 |
4,128 | |
비운동 선수 |
남자 |
외측광근 |
47 |
53 |
4,722 |
4,709 |
여자 |
비복근 |
52 |
48 |
3,501 |
3,141 |
3) 트레이닝에 따른 근섬유의 적응
트레이닝의 종류에 따른 근섬유의 적응 형태는 아래의 표에서 보는 바와 같이 다양한 측면에서 차이를 나타나고 있다.
|
지구성 트레이닝 |
저항성 트레이닝 |
근횡단 면적 |
Type I의 선택적 근비대 |
Type II의 선택적 근비대 |
모세혈관 밀도 |
증가 |
감소 |
미토콘드리아의 크기,숫자 |
증가 |
감소, 변화 없음 |
효소활성도 |
유산소적 효소(citrate synthase, cytochrome oxidase) 증가 |
무산소적 효소 (phosphofructokinase(PFK), phosphorylase, myokinase) 증가 |
에너지 생산 |
유산소적 대사 |
ATP-PCr, 무산소적 대사 |
(1) 저항성 트레이닝과 근비대
저항성 트레이닝은 수의적인 근육활성화로 근력증가 및 훌륭한 신체구성을 유지하는데 그 목적이 있다. 근력운동을 실시하는 초기단계에서 보여주는 근력의 증가는 주로 증가된 신경작용이 우선으로 작용한다. 그 후 트레이닝실시 약 10주부터 근비대에 의한 근력증가를 보이게 되며 그 후부터는 신경계와 근비대의 복합적인 작용으로 근력이 증가하게 된다. 근육의 횡단면적의 증가를 의미하는 근비대는 일시적 그리고 만성적 근비대로 나뉘어 볼 수 있다.
일시적 근비대 |
만성적 근비대 |
u트레이닝 후 세포내부와 세포 사이에 혈장축적 u수시간 내 원상태로 회복 |
u장기간 트레이닝으로 인한 수축단백질과 결합조직의 증가 utestosterone 농도와 정적관계 |
(2) 저항성 트레이닝과 근증식
저항성 트레이닝으로 인한 근육둘레의 증가에 관한 연구에서 근 비대와는 대조적으로 근섬유의 숫자가 증가를 보고하기도 하였다. Goneya (1980)는 고양이를 대상으로 한 연구에서 체중의 51%무게를 한쪽 다리로 끌어올리는 저항성 트레이닝 후 하나의 근섬유가 갈라지는 것을 제시하여 최초로 근증식에 대하여 보고하였으며 1986년에 추가적인 근섬유의 숫자의 증가를 구명하였다. 그러나 인간을 대상으로 실시한 연구에서는 근증식에 대한 결과가 제시된 예는 없다.
근증식은 주로 동물에게서 나타날 수도 있으며 특히 인간에게서는 부상과 근육상해에 따른 근세포의 분열 등으로 근 증식이 발생할 수 있다는 가능성이 보고되고 있다. 따라서 근생검법으로 채취한 근육의 조직화학적 분석과 plucking과 같은 단일 섬유의 분석기법은 근섬유 하나하나를 확인할 수 있게 함으로써 근증식과 근비대에 관한 답을 보다 구체적으로 제시할 수 있을 것이다.
(3) 지구성 트레이닝에 따른 골격근의 적응
규칙적인 지구성 트레이닝을 통하여 유산소성 대사능력이 증가하게 하여 미토콘드리아의 수와 크기가 증가하고 유산소성 효소들이 증가한다. 이러한 적응반응의 효과는 운동을 하는 사람의 초기 운동능력과 운동의 강도나 기간에 따라 다르게 나타난다. 트레이닝 전 운동능력이 낮은 사람은 동일한 운동강도나 운동 기간 후에도 트레이닝 전 운동능력이 높은 사람보다 더 많은 적응효과를 보이게 될 것이다. 다음의 표는 트레이닝 된 사람과 트레이닝 되지 않은 사람의 유산소성 능력을 비교한 표이다.
Condition |
Maximal Oxigen Uptake |
Muscle Fiber Types |
Mixed Muscle | ||
ST |
FTa |
FTb | |||
|
ml/kg/min |
umol/g/min | |||
비 트레이닝군 좌업군 트레이닝군 장거리 선수군 |
30-40 40-50 45-55 >70 |
5.0 9.2 12.1 23.2 |
4.0 5.8 10.2 22.1 |
3.5 4.9 5.5 22.0 |
4.0 7.0 11.0 22.5 |
4) 신체활동감소에 따른 근육구조의 변화
신체활동의 감소는 일상생활에서 오랜 침상생활이나 주형물(cast) 고정에서부터 우주유형시의 마이크로 환경에까지 다양한 형태로 찾아볼 수 있다. 신체활동의 감소에서 나타나는 주된 현상은 근질량과 근섬유횡단면적의 감소(atropy) 그리고 지구성 운동수행에 영향을 미치는 대사적 단백질의 감소를 보인다.
5) 노화에 따른 골격근의 변화 (age-associated changes in skeletal muscle)
노화에 따라 근력 또는 근지구력을 발휘하는 능력과 유지하는 능력, 그리고 신경근의 협응력이 감소하게 된다. 이러한 노화와 관련된 현상은 일상생활을 영위하거나 운동수행을 하는 능력을 감소시켜 노화에 따른 낙상(fall)이나 근상해 등을 유발하고 근상해 후 근회복 능력을 감소시키는 결과를 초래한다.
근위축 |
최고 근질량에서 25-30% 감소 원인 : 근섬유의 감소, 근섬유의 위축, 근섬유의 감소와 위축 |
근섬유의 지름 |
인간의 근섬유 : 노화에 따라 약간 유지하거나 약간 감소 쥐의 근섬유 : 노화에 따라 약 20-30% 감소 |
근섬유 수 |
인간의 muscle biopsy 에 의한 연구 : 노화에 따라 약 25% 감소 인간의 autopsy 에 의한 연구 : 노화에 따라 약 48% 감소 |
운동단위의 재조합 근섬유 분포 |
재조합 (remodeling)의 과정 : 신경제거 (denervation), 축삭의 재분화 (axonal sprouting), 신경재지배 (reinnervation) 의 싸이클 Type II 섬유를 지배하던 신경제거 후 Type I 섬유를 지배하던 신경의 재분화와 신경재지배 Type II 섬유는 신경제거 후 거의 신경재지배가 이루어지지 않고 위축되지만 Type I 섬유는 신경재지배가 상대적으로 잘 이루어짐 Type I 섬유을 지배하는 운동단위의 크기가 증가 Type I 섬유 분포 증가 상완이두근의 운동단위의 수가 전체적으로 47% 감소 |