골격근과 운동(지근과 속근)

골격근의 구조와 수행과정

지금까지 골격근의 전체적인 구조와 근육이 힘을 발휘하는 과정을 복습했다. 이제부터는 운동중에 기능을 수행하는 골격근에 있어서 보다 특수한 내용들을 살펴보려고 한다. 근력, 지구력 및 스피드는 운동을 수행하는 동안 에너지 생성과 힘을 발휘하기 위한 골격근의 능력에 크게 의존하고 있다. 어떻게 근육이 운동을 수행해 내는지 알아보자.

 

근섬유 형태

모든 근섬유가 똑같지는 않다. 하나의 골격근은 주로 두 가지 형태의 근섬유를 가지고 있다.

지근(Type Ⅰ)

속근(Type Ⅱ)

지근섬유(Slow-twitch fiber)는 자극이 주어졌을 때 최대 긴장에 이르기까지 약 100ms가 소요된다.

속근섬유(Fast-twitch fiber)는 반대로 약 50ms에 최대 긴장에 도달한다. 지근섬유와 속근섬유의 용어는 지금까지 계속해서 사용해왔지만 현재의 과학자들은 지근(Type Ⅰ)과 속근(Type Ⅱ)용어의 사용을 선호한다.

 

비록 Type Ⅰ섬유는 한가지 형태만 밝혀졌지만, Type Ⅱ 섬유의 주요한 두 가지 형태는 속근섬유 a(Type Ⅱa)와 속근섬유 x(Type Ⅱx)이다. 인간의 Type Ⅱx는 동물의 Type Ⅱ와 거의 동일하다. Type Ⅰ섬유는 검은색으로 염색되었고, Type Ⅱa 섬유는 염색되지 않았으며, Type Ⅱx 섬유는 회색으로 나타나있다.  

근섬유

속근섬유의 세 번째 하위 형태가 규명되어졌는데 이것은 Type Ⅱc 이다.

 

Type Ⅱa, Type Ⅱx 그리고 Type Ⅱc 사이의 차이는 완전히 이해될 수는 없지만 Type Ⅱa 섬유가 가장 빈번하게 동원되는 것으로 믿고 있다. TypeⅠ 섬유만이 Type Ⅱa 섬유보다 더 빈번하게 동원된다. 이러한 각 섬유 형태들의 정확한 비율은 다양한 근육 및 개인에 따라 많은 차이가 있으므로 여기에 제시되어 있는 수치들은 평균값이다. 이러한 극단적인 변화는 운동선수에게서 주로 나타난다.

지근(Type Ⅰ)과 속근(Type Ⅱ) 섬유의 특징

각기 다른 근섬유 형태의 중요성을 이해할 필요가 있다. 신체활동에서 이들 근섬유의 역할은 무엇인가? 이에 답하기 위해 먼저 섬유 형태의 차이를 알아보자

근섬유 유형

ATPase

지근과 속근 섬유의 형태는수축 속도에 따른 차이로부터 명명되었다. 이러한 차이는 주로 마이오신 ATPase의 서로 다른 형태 때문이다. 마이오신 ATPase는 수축이나 이완에 필요한 에너지를 방출하기 위하여 ATP를 분리하는 효소라는 것을 기억하자. 지근 섬유는 마이오신 ATPase의 느린 형태를 가지고 있는 반면에 속근 섬유는 빠른 형태의 ATPase를 가지고 있다. 신경자극의 반응에 있어서 ATP는 지근 섬유보다 속근 섬유에서 더 빠르게 분리된다. 결과적으로 속근 섬유는 지금 섬유보다 더 빠르게 수축할 수 있다.

 

근섬유를 분류하기 위해 사용하는 한 가지 방법은 조직의 얇은 조각에 화확적인 염색 과정을 적용한다. 이러한 연색기법은 섬유 내의 ATPase활성을 측정한다. 따라서 Type Ⅰ, Type Ⅱa, Type Ⅱx 섬유는 다르게 염색된다. 이러한 기법은 가각의 근섬유가 한 가지 형태의 ATPase만을 가지고 있는 것처럼 보이도록 만들지만 근섬유들에는 ATPase가 혼합되어 있다. 어떤 것들은 Type Ⅰ-ATPase가 현저하게 많고 다른 것들은 대부분  Type Ⅱ-ATPase를 가지고 있다. 

 

근형질 세망 

Type Ⅱ 섬유는 Type Ⅰ 섬유보다 더욱 고도록 발달된 근형질 세망을 가지고 있다. 따라서 Type Ⅱ 섬유는 자극이 주어졌을 때 근육세포에 칼슘을 더 잘 제공할 수 있다. 이러한 능력은 Type Ⅱ 섬유의 활동이 더 빠르게 일어나는데 공헌한다고 생각된다. 평균적으로 인강의 경우 Type Ⅱ 섬유는 Type Ⅰ 보다 5~6배 빠른 수축 속도를 나타낸다. 동일한 직경의 Type Ⅰ, Type Ⅱ 섬유가 생성하는 힘은 비슷하지만 Type Ⅱ 섬유에서 산출된 파워는 더욱 빠른 수축 속도 때문에 Type Ⅰ섬유의 3~5배가 된다. 이것이 하지근육에서 Type Ⅱ 섬유의 높은 비율을 가진 선수가 Type Ⅰ 섬유의 높은 비율을 가진 사람보다 우수한 스프린터가 될 수 있는지를 부분적으로 설명해 줄 수 있을 것이다.

근섬유

운동단위

운동단위(motor unit)는 하나의 알파 운동신경 세포와 이 세포가 자극하는 근섬유라는 것을 기억해야한다. 알파-운동뉴런이 근섬유가 지근인지 속근이지를 결정하는 듯하다. 지근 섬유 운동단위의 알파-운동뉴런은 작은 세포체이고 300개 이하의 근섬유들을 지배하여 활성화 시킨다. 운동단위의 이와 같은 배치는 하나의 속근 운동뉴런이 자신의 섬유를 자극할 때보다 한 개의 지근 운동뉴런이 자신의 섬유를 자극할 때 더 적은 근섬유를 수축시킨다는 것을 의미한다. 결과적으로 속근 운동단위의 근섬유는 더 빠르게 최대 긴장에 이르고 상대적으로 지근 섬유보다 더 큰 심을 발생시킨다는 것이다.

 

속근과 지근의 운동단위 사이의 최대 정적 힘의 차이는 운동단위 당 근섬유의 수와 속근 및 지근 크기의 차이에 기인한다. 동일한 직경의 지근과 속근 섬유는 비슷한 수준의 힘을 생성한다. 그렇지만 평균적으로 속근 섬유는 지근섬유보다 더 크다. 그래서 섬유가 자극되었을 때, 근섬유가 굵을수록 혹은 운동단위당 근섬유 수가 많을수록 큰 힘이 발휘된다는 것을 고려할 때 속근 운동단위는 지근 운동단위보다 큰 힘을 생성한다.

근섬유 형태에 따른 분포상태

지근과 속근 섬유의 비율은 신체의 모든 근육에서 돌일하지 않다. 일반적으로 사람의 팔과 다리 근육은 근섬유 구성 비율이 비슷하다. 많은 연구에서 다리근육에 지근 섬유가 많은 사람들은 팔 근육에도 지근 섬유의 비율이 높은경향을 나타낸다고 보고되고 있다. 속근 섬유도 이와 유사한 관련성을 가지고 있다. 그렇지만 예외도 있다. 가자미근(soleus muscle : 비복근 아래 깊게 위치)은 대부분의 사람들에게 있어서 거의 지근 섬유로 구성되어 있다.

 

근섬유 형태와 운동지근과 속근 섬유의 차이를 다양한 방법으로 살펴보았다. 이러한 차이에 근거하여 신체활동 시 섬유 형태가 다른 기능을 가지고 있다는 것을 추정할 수 있다.

지근(Slow-twitch fiber)과 속근(Fast-twitch fiber)

지근(Type Ⅰ)섬유

일반적으로 지근 섬유는 높은 수준의 유산소성 지구력을 지니고 있다. 유산소성이란 '산소의 존재'를 의미하기 때문에 산화는 유산소적 과정이다. 지근 섬유는 탄수화물과 지방의 산화로부터 ATP의 생성을 매우 효과적으로 수행한다.ATP는 근섬유의 수축과 이완에 필요한 에너지를 생성하는 데 요구된다는 것을 기억하자. 산화 과정이 지속되는 동안 지근 섬유는 ATP의 생성을 계속적으로 수행하며 근육의 활동이 지속적으로 일어날 수 있게 한다. 오랜 시간 동안 근 활동이 유지되도록 하는 능력은 근지구력으로 알려져 있다. 따라서 지근 섬유는 높은 유산소성 지구력을 지니고 있다. 이러한 이유로 마라톤과 같은 저강도에서 실시하는 지구성 운동이나 걷기와 같은 낮은 수준의 근력 발휘가 요구되는 대부분의 일상적인 활동에서 가장 빈번하게 동원된다.

속근(Type Ⅱ) 섬유

속근 섬유는 반대로 지근 섬유보다 낮은 수준의 유산소성 지구력을 지니고 있다. 산소의 공급없이 무산소 운동 시에 더 적합하다. 이것을 충분한 산소가 없을 때에는 산화과정이 아니라 무산소성 과정을 통해 ATP가 생성된다는 것을 의미한다. 

속근(Type Ⅱa) 운동단위는 Type Ⅰ 운동단위보다 더 강한 힘이 발새되지만 지구력의 제한성 때문에 피로가 더 쉽게 발생한다. 따라서 Type Ⅱa 섬유는 1마일 달리기나 400m 수영과 같이 ㅉ랍은 시간 동안 고강도에서 실시하는 지구성 종목에서 이용된다. Type Ⅱx 섬유의 중요성은 완전히 밝혀지지 않았지만 신경계에 의하여 쉽게 활성화되지 않는 것은 분명하다. 이러한 이유로 일상적인 저강도 활동에서 사용되기보다는 100m 달리기와 50m 경영과 같은 높은 폭발력을 발휘하는 운동에서 우선적으로 이용된다.

지근과 속근

근섬유 형태의 결정

근섬유의 특성은 생명의 초기단계, 아마도 처음 몇 년 내에 결정되는 것으로 나타난다. 일란성 쌍둥이를 대상으로 한 연구결과들은 근섬유의 구성이 유전학적으로 결정되고 유년시절부터 중년에 이르기까지 거의 변화하지 않는다는 것을 보여주고 있다. 이러한 연구 결과에서 이란성 쌍둥이는 근섬유 속성에서 차이를 나타내는데 반해서 일란성 쌍둥이는 거의 비슷한 근섬유의 구성을 가지는 것으로 나타났다. 부모ㅗ로부터 물려받은 유전자는 어떤 알파 운동뉴련이 각 근섬유를 지배하는가를 결정한다. 신경의 지배가 이루어지면 우리의 근섬유는 자극을 하는 신경세포의 형태에 따라서 독특하게 반응하게 된다. 그러나 최근의 몇몇 연구들은 지구성 트레이닝, 근력 트레이닝 및 근 홛옹 제한상태의 적용 시 마이오신 아형(isoform)의 변화를 초래한다고 제안하였다. 따라서 트레이닝은 아마도 10%이하 범위에서 Type Ⅱ과 Type Ⅰ의 비율상 약간의 변화를 나타낼 수 있다. 저항성 트레이닝과 지구성 트레이닝은 각각 Type Ⅱx 의 감소 및 Type Ⅰa의 비율 증가를 나타낼 수 있다.남녀 노인을 대상으로 한 연구결과에서 노화가 Type Ⅱ 과 Type Ⅰ 근섬유의 분포 비율을 변화시킨다고 보고하였다. 즉 연령증가에 따라서 근육은 Type Ⅱ 운동단위를상실하는경항이있으며이것은 Type Ⅰ섬유 비율을 증가시킨다.

정리하기

- 대부분의 골격근은 Type Ⅱ과 Type Ⅰ 섬유를 함께 가지고 있다. 

- 근섬유 형태의 차이는 ATPase의 차이가 중요하게 작용된다. Type Ⅱ 섬유 내의 ATPase는 빠르게 작용하며 Type Ⅰ 섬유의 ATPase보다 더 빠르게 근육활동을 위한 에너지를 공급한다.

- Type Ⅱ섬유는 고도로 발달한 근형질 세망을 가짐으로써 근활동에 필요한 칼슘 공급의 높은 전달 능력이 있다.

- Type Ⅱ운동단위에 제공된 알파-운동신경은 Type Ⅰ 운동단위의 신경보다 더 크고 더 많은 근섬유를 제공한다. 따라서 Type Ⅱ운동단위는 더 많은 금섬유를 수축시키고 Type Ⅰ 운동단위보다 더 큰 힘을 발휘한다.

- 개인의 팔과 다리의 근육의 Type Ⅱ 섬유와 Type Ⅰ 섬유의 비율은 거의 비슷하다.

- Type Ⅰ섬유는 높은 유사소성 지구력을 가졌고 저강도의 지구성 운동에 적합하다.

- Type Ⅱ섬유는 무산소성 운동을 보다 효과적으로 수행한다. Type Ⅱa 섬유는 고강도의 운동 시 주된 역할을 담당한다. Type Ⅱx는 근육에서 요구되는 힘이 높을 때 활성화된다.