근육의 구조와 수축 원리: 움직임의 과학적 이해

근육의 구조와 수축 원리: 움직임의 과학적 이해

근육의 기본 구조와 세포 단위의 작용, 교차결합이론을 통해 신체 움직임의 원리를 과학적으로 이해할 수 있는 내용을 담고 있다.

신경계는 원하는 움직임을 유발하기 위해서 근육 수축 조직을 자극한다. 그래서 보통 섬세한 동작을 할 경우, 다양한 근육 부위의 활동이 요구되며 움직임이 일어날 때 모든 근육 작용이 필요하지는 않지만, 한 근육만을 사용하지도 않는다. 예를 들어 "위팔두갈래근을 팔의 팔꿈치에서 굽힌다" 라고 할 때, 이것은 일반화 하여 말하고 있는 것이다. 우리가 팔을 움직일 때 팔의 위치에 따라 위팔두갈래근의 정해진 부분이 활성화되며 위팔근육이나 아래팔의 특정 근육이 수축한다. 또 위팔세갈래근의 일부분도 움직임을 완화시키고 원활하게 유지하기 위해서 관여할 것이다. 팔이 움직임에 따라서 체중이 이동되고 몸통과 다리 근육도 균형을 유지하기 위해 반응한다. 따라서, 신체의 움직임을 만들어내는 것은 개개의 근육이라기 보다는 일부의 근육조직이 형성하는 패턴으로 이루어 진다. 전신에 미치는 이들 근육작용의 다양한 이해를 하려면 근육조직의 기본구성이나 작용방법을 알아야 한다.

근육세포

근육 작용을 수행하는 수축잔섬유는 "근잔섬유"라고 불리며 두 종류의 근잔섬유가 근육의 일을 한다. 근잔섬유는 마시오신과 가는 액틴으로 구성되며 마이오신 잔섬유는 굵은 분자 "머리부분"이 있다. 머리부분은 인접하는 액틴 잔섬유 위에 있는 흡착부위로 불거져 나와있어 근육수축을 만든다. 마이오신과 액틴 잔섬유는 평행으로 배열하고 끝쪽이 겹쳐 있으며 이러한 배열이 뼈대근육에 특징적인 줄무늬 모양으로 만들어내고 있다. 여러 개의 근잔섬유들은 근육세포의 "수축 단위"라고 생각되는 근섬유분절을 형성하고 있다. 근섬유분절이 끈 모양으로 차례로 늘어서서 하나를 형성한다. 가로세관은 근원섬유를 둘러싸면서 횡단하고, 현미경 밖으로는 관찰할 수 없다. 이들 관은 분자 수준에서 초기의 수축에 필요한 화학적 유발물질인 칼슘을 운반한다. 근육세포는 여러 개의 근원 섬유로 구성되며 이 근육세포는 근섬유와 동일하다. 신체의 근육세포의 수는 불변이라 생각되고 근육을 강화시키거나 크기와 부피를 증가시킬 때  이것은 근섬유 수의 변화가 아닌 세포나 섬유들의 수축 용량이 변화하는 것이라 할 수 있다. 대부분의 세포들과 다르게 근육세포는 세포의 길이에 따라서 많은 핵들이 흩어져 있다. 매우 긴 경우도 있으며 내적 필요성에 따라서 세포는 다양하게 작용을 하기 때문에 다핵은 당연히 필요하다. 이와 같은 근육세포들은 길이 면에서 신경세포 다음으로 길다.

교차결합이론

일반적으로 수용되는 근육 기능에 대한 이론은 교차결합이론이며 이는 근육조직이 운동 신경세포에 의해 자극되었을 때 어떻게 수축되는지의 근육조직의 수축기전을 설명할 수 있다. 신경자극이 신경근 접합부를 자극할 때, 칼슘은 근세포질그물에서 근잔섬유를 둘러싸고 있는 액체부분으로 방출되며 이것에 의하여 분자반응이 일어난다. 액틴 잔섬유 위에 있는 흡착부분에 노출이 되고, 마이오신 잔섬유에서 불거져 나와 있는 머리부분을 끌어당겨 마이오신 잔섬유와 액틴 잔섬유 사이에 교차결합을 형성한다. 또 스스로를 액틴 잔섬유 사이에 교차결합을 형성하고 부착시킨다. 마이오신 잔섬유는 굽고 또 회전하며 액틴 잔섬유를 근육 섬유분절 중앙에 끌여들여 양 잔섬유는 더 깊이 겹친다. 이것이 근섬유분절이 단축시키고 많은 근섬유의 근섬유분절이 단축하기 때문에 근 수축이 일어난다. 그들 길이의 40%까지도 짧아질 수 있다. 신경자극이 중지되었을 때 칼슘은 가로세관으로 이동되며 마이오신 머리부분은 액틴을 떠나서 수축을 멈춘다. 그러나 근육은 자력으로 신장할 수 없으며 수축 단위인 근섬유분절은 다시 수축에 의해 단축되기 전에 반듯이 중력이나 맞섬근과 같은 외부힘에 의하여 그들의 처음 위치로 되돌아 간다.