근섬유 수축

근섬유는 어떻게 수축하는것일까?

 

하나의 알파-운동뉴런은 여러개의 근섬유와 연결되어 지배하고 있다. 하나의 α-운동뉴런과 여러 개의 근섬유와 연결되어 있는 것을 운동단위(motor unit)라고 한다. 운동뉴런과 근섬유 사이의 연접은 신경근육 접합부라고 한다. 이것은 신경과 근육계통의 연결 부위에 해당한다.

운동단위

운동단위는 알파운동 뉴런(alpha motor neuron)과 그것이 지배하는 근섬유를 포함한다. 또한, 알파-운동뉴런이 활성화될 때 하나의 알파-운동뉴런에 연결된 모든 근섬유는 수축된다.

 

흥분-수축 결합

 

근섬유가 수축하기 위하여 자극 되는 일련ㅇ의 복잡한 과정은 운동신경의 흥분에서 시작하여 근섬유가 수축되는 결과로 나타나기 때문에 흥분-수축 결합이라고 한다. 활동전위는 신경세포체의 특수화된 수용체인 알파-운동뉴런의 수상돌기에 도달한다. 신경자극은 축삭을 따라 전될되며 원형질막 부위에 밀착되어 위치하고 있는 축살종말(zxon terminal)로 불리는 신경섬유으 ㅣ끝 부분에 도달된다. 이러한 신경 끝부분에 자극이 닿을 때 우너형질막의 수용기와 결합하는 아세틸콜린(acetylcholine)이라고 불리는 신경전달 물질이 분비된다. 만일 충분한 양의 사세틸콜린이 수용기와 결합하면 근육세포막의 이온 출입구가 열리고 나트륨(dodium)이 유입되면서 근섬유의 전체 길이에 걸쳐 전하(electrical charge)가 전달된다. 이러한 과정은 탈분극(depolarization)으로 불리며, 활동전위는 근육세포가 작용하기 전에 근육세포에서 발생해야만 한다.

근섬유에서 칼슘의 역할

 

근섬유막을 탈분극시키는데 이어서 활동전위는 근섬유의 관(T관과 근형질 세망)을 통해 세포 내부로도 전달된다. 전하가 전달되면 근형질 세망에 저장되어 있던 많은 양의 칼슘이온이 근형질로 방출 되도록 만든다.

근육활동 과정

휴식상태에서는 트로포마이오신 분자가 액틴세사의 활성부위 위에 놓여 있으면서 마이오신 머리의 결합을 방해한다. 근형질 세망으로부터 칼슘이온이 방출되면서 액틴 근세사 위에 있는 트로포닌과 결합한다. 칼슘과 친화력이 강한 트로포닌이 액틴 근세사에 있는 활성부위로부터 트로포마이오신 분자를 들어 올림으로써 수축과정이 시작된다. 트로포마이오신 활성부위를 가리고 있으며 이것은 마이오신 연결교와 택틴 근세사 사이의 결합을 방해한다. 그러나 트로포닌과 칼슘에 의해 트로포마이오신이 활동부위에서 들어 올려지면 마이오신 머리가 액틴 근세사의 활성부위에 결합할 수 있다.

 

근활주설: 근육이 어떻게 움직임을 일으키는가?

 

근육이 수축하게 되면, 근섬유는 짧아진다. 어떻게 근섬유가 짧아지는가? 이러한 현상은 근활주설(sliding filament theory)의 개념으로 설명된다. 마이오신 연결교(myosin cross-bridge)가 활성화되면 마이오신 연결교가 액틴근세사(actin filament)와 강하게 결합하면서 연결교의 구조적 변화를 일으켜 연결교의 팔 쪽으로 마이오신 머리가 기울어지도록 만들고 액틴과 마이오신 근세사를 근절의 중앙부위 방향으로 서로 끌어당긴다. 이러한 마이오신 머리의 기울임을 강한 수축이라고 한다. 마이오신 위로 액틴 근세사를 당김으로써 근육은 짧아지고 힘을 발휘하게 된다. 근섬유가 수축하지 않을 때는 마이오신 머리는 액틴 결합부위와 접촉되어 있지만 이러한 부위에서의 분자 결합은 약해져 있거나 트로포마이오신에 의해 차단된다.

근절

 

마이오신 머리가 기울어진 직후에 마이오신은 활동부위(active site)로부터 떨어져 나와 다시 제 위치로 돌아오며, 이어서 액틴 근세사에 있는 새로운 활성부위와 결합하게 된다. 반복적인 결합과 강한수축은 근세사가 다른 하나를 지나서 미끄러지게 하기 때문에 귾활주설이라는 이름이 주어졌다. 이러한 과정은 마이오신 근세사의 끝이 Z대에 이를 때까지 혹은 칼슘이온이 근형질 세망으로 다시 펌프되어 돌아갈 때까지 계속된다. 이러한 활중(수축)가 일어나는 동안 액틴 근세사는 H영역 안으로 투입되어 결국에는 서로 겹쳐지게 된다. 이런 현상이 일어나면 H대는 더 이상 볼 수 없게된다.

근절은 근원섬유 내에서 끝과 끝이 결합되어 있는 것을 기억하자. 왜냐하면 이러한 해부학적 정렬상태 때문에 근절이 짧아지면 근원섬유도 짧아지며 근속의 범위 내에서 근섬유도 짧아진다. 그렇게 짧아진 많은 근섬유ㄹ의 최종 결과는 근 수축을 구성한다.

근수축을 위한 에너지

 

근육수축은 에너지를 요구하는 활동과정이다. 액틴 결합부위 외에도 마이오신 머리는 ATP(adenosine triphosphate) 결합부위를 포함한다. 마이오신 분자는 근육의 움직임을 발생시키기 위하여 ATP와 함께 결합해야 하는데 이는 ATP가 에너지로 제공되기 때문이다.

효소 ATPase는 마이오신 머리에 위치하고 있으며, ATP를 분리하여 ADP(adenosine diphosphate), Pi, 에너지가 생성되도록 한다. ATP 분해로부터 방출된 에너지는 마이오신 머리와 액틴 근세사가 결합하는데 사용된다. 따라서 ATP는 근육활동을 위한 에너지의 화학적 공급원이다.

근 수축시 분자 수준에서 나타나는 마이오신 머리의 변화

근육이완

근육활동은 칼슘이 근형질에 있는 동에는 계속된다. 근육 수축이 끝나면 칼슘은 근형질 세망안으로 다시 회수되며 새로운 신경자극이 근섬유막에 도달할 때까지 저장된다. 칼슘은 활동적인 칼슘펌프계(active calcium-pumping system)에 의하여 근형질 세망으로 회수된다. 이것 또한 에너지를 요구하는 과정이며 역시 ATP에 의존하게 된다. 

캄슘이 근형질 세망으로 되돌아 오면 트로포닌과 트로포마이오신은 비활동적으로 된다. 이것은 마이오신 결결교와 액틴 근세사의 결합을 막고 ATP 사용을 멈추게 한다. 결과적으로 마이오신과 액틴 근세사는 이완된 본래 상태로 돌아오게 된다.

 

출처: 운동과 스포츠 생리학

 

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