근육 기능에 영향을 미치는, 4가지 요인

                 

                      글 / 이해동 (충남대학교  BK21 메카트로닉스 고급인력 양성 산학협동 사업단 연구교수)

근수축 메커니즘과 근수축 특성에 대하여 간략하게 기술하고, 특히 근수축 특성과
관련하여 다양한 구조 수준에서 근육의 기능에 영향을 미칠 수 있는 요인에
대하여 알아보고자 한다.

근운동역학 연구에서 큰 부분을 차지하고 있는 분야는 근수축 메커니즘이라고 할 수 있다.
현재 이 분야에서 패러다임으로서의 역할을 하고 있는 이론은 필라멘트 활주 이론
(the sliding filament theory)를 바탕으로 한 교차결합 이론(the cross-bridge theory)이라고
할 수 있다.
이 이론은 19세기 후반 현미경 연구와 1930년대 A. V. Hill의 근수축과 에너지 발산 연구를
발판으로 A. F. Huxley와 H. E. Huxley에 의해서 1950년대 등장하여 근수축과 관련된
다른 어떤 이론보다 많은 현상을 상대적으로 정확하게 설명하고 있으며 근기능
연구 및 모델링/시뮬레이션 분야에서 활용되고 있다.

근육의 수축 메커니즘에 대한 이해는 19세기 말 많은 현미경 연구로부터 밝혀진
근육의 미시적 구조에 많은 영향을 받았다. [그림 1]에서 보는 바와 같이 근력 발현의
기초 단위인 근절(sarcomere)은 액틴과 마이오신 단백질로 이루어진 필라멘트가
손가락을 깍지 낀 형태로 구성되어 있다. 이와 같은 구조를 바탕으로 필라멘트
활주 이론은 근수축 시에 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 사이로 미끄러져
들어가면서 길이가 짧아진다고 설명하고 있다. 하지만 필라멘트 활주이론이
설명하지 못한 점은 어떤 힘에 의해 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트의
활주가 일어나는가이다.

그림 1. 근절(sarcomere)내 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트의 배열 및 근수축 시 필라멘트의 활주 메커니즘


교차결합 이론(Huxley, 1957)은 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트의 활주를 유발하는
“힘”에 대한 메커니즘을 설명한다. 간략하게 설명하면 구조적 양극성(마이오신 분자가
필라멘트의 중앙을 중심으로 양쪽 방향을 향해 정렬한 형상)을 띄고 있는 마이오신
필라멘트의 일부분인 크로스브리지가 액틴 필라멘트와 결합한 후 생화학적 에너지인 ATP를
사용한 파워 스트로크 수행하여 액틴 필라멘트를 근절의 중앙 쪽으로 당기는 힘을
발현함으로써 근수축이 발생한다고 설명한다.
이와 같은 교차결합 이론은 그 당시 가용했던 다양한 분야로부터의 과학적 근거를
바탕으로 탄생하였으며 더불어 기계학적인 모델뿐만 아니라 에너지학적, 수학적 모델을
포함하고 있어 후속 연구를 위한 이론적 기틀을 마련하였다.

                             그림 2. 근육의 길이(위)와 수축 속도 (아래)에 따른 근력 발현 잠재력

근육의 수축 메커니즘은 미시적 수준에서 근육의 길이와 수축 속도에 따른 근력 발현
잠재력[그림 2]을 잘 설명하고 있다. 근육의 길이와 관련하여  근력은 휴지기
근육 길이를 기준으로 길이가 짧거나 길 때 포물선의 형태로 감소한다.
근육의 수축 속도와 관련하여 단축성 수축(shortening)과 신장성 수축(lengthening)은
다른 양상을 보인다. 등척성 수축(즉 속도가 “0”일 때)을 수행할 때를 기준으로
단축성 수축의 속도가 증가함과 더불어 최대 근력은 점진적으로 감소하지만,
신장성 수축을 수행할 때는 수축 속도의 증가와 더불어 최대 근력은 상대적으로
빠르게 증가하지만 곧 일정한 수준에 머무르게 된다.
이와 같은 근육의 수축 특성은 앞서 언급한 이론과 모델이 미시적 수준에서는
잘 설명하고 있지만 거시적 수준에서 인체의 근육의 기능을 설명하는데 직접적으로
사용하는 데에는 고려해야할 많은 요인들이 존재한다.

거시적 구조 수준에서 근육의 기능에 중요한 영향을 미치는 몇 가지 요인들은 다음과 같다

(1) 근육을 구성하는 근섬유의 근육 내 배열이다. 근육의 내부 배열 구조(muscle architecture)는       근육의 최대 근력을 예측하는데 사용되는 생리학적 단면적(physiological cross-sectional area)를       결정하는 중요한 요인[그림 3]이며 근수축 속도 및 운동 범위와 관련이 깊다. (2) 근육과 연결된 건조직의 특성 또한 중요한 역할을 한다. 근유의 내부에 묻혀있는      건막(aponeurosis)과 근육의 끝에 연결된 건(tendon)의 형태 및 재료학적 특성은 근육과의      상호 작용(예를 들어 stretch-shortening cycle)에 영향을 미치며 발현된 힘을 뼈 혹은      관절로 전달하는데 중요한 요인으로 작용한다. (3) 근육을 구성하는 속근 섬유와 지근 섬유는 수축 특성이 상이하다. 따라서      운동 단위(moto unit)의 동원 패턴과 더불어 근섬유의 혼합 비율은 특정 근육의      근력 발현 잠재력에 큰 영향을 미친다. (4) 많은 근육은 하나 이상의 관절 움직임에 관여한다. 따라서 근육과 관련 관절의      구조적 특성 또한 근육의 기능을 결정하는 중요한 요인이라고 할 수 있겠다.

                            그림 3 근섬유 배열 구조에 따른 생리학적 단면적 (Jones et al., 2004)

 
근운동역학에서는 미시적-거시적 구조 수준에서 다양한 신경-생리-기계학적 접근을
통하여 위와 같은 근육의 구조-기능 특성을 연구하고 있다. 따라서 연구의 어려움이
있지만 반대로 다양한 학제간 융합 연구의 활성화를 통해 활발히 수행되고 있다.

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