근골격계 6장근육의 분자 기계

01 · SLIDING FILAMENTS

근육은 실을 줄이지 않고
실을 미끄러뜨립니다.

근육의 최소 반복 단위를 근소절이라고 합니다. 가늘고 긴 액틴 실과, 두껍고 끝에 모터가 달린 마이오신 실이 나란히 놓여 있습니다.

수축은 실 자체가 짧아지는 것이 아니라 마이오신 모터가 액틴 실을 안쪽으로 미끄러뜨리는 일입니다. 그래서 실의 길이는 그대로이고 Z판 사이 거리만 줄어듭니다. 같은 단위가 직렬로 여러 개 쌓이면 각 단위의 작아진 차이가 합쳐져 근육 전체의 짧아짐이 됩니다.

액틴과 마이오신이 겹치는 면적이 낼 수 있는 힘의 윗값을 정합니다. 너무 길면 겹칠 곳이 부족해지고, 너무 짧으면 실끼리 서로 밀려 힘이 줄어듭니다. 중간 범위에서 최대가 됩니다.

적용의 경계입니다. 이 관계는 분리한 근섬유에서 얻은 것입니다. 실제 몸에서는 근육이 여러 관절을 지나고, 건이 늘어나며, 관절 각도에 따라 신경 활성도 달라집니다. 시험관에서 얻은 곡선을 관절 각도에 그대로 대입하면 어긋납니다.

겹치는 면적이 낼 수 있는 힘의 윗값을 정합니다.

02 · CROSS-BRIDGE CYCLE

모터는 붙고, 접고,
놓습니다.

마이오신 머리는 액틴에 붙고 몸을 접어 당긴 뒤 놓습니다. 붙었다 놓는 한 번의 사이클에 ATP 한 분자가 소모됩니다.

이 구분이 이 장 전체의 열쇠입니다. 한 번에 힘을 내는 모터의 수와 각 모터가 순환하는 속도는 힘과 수축 속도에 함께 영향을 줍니다. 부하가 달라지면 두 요소의 균형도 달라집니다.

ATP가 떨어지면 모터는 붙은 채로 놓지 못합니다. 사후 강직은 이 분자 현상이 가장 극적으로 드러나는 경우입니다.

붙을 수 있는지는 칼슘이 조절합니다. 칼슘이 나오면 액틴 위에 가려져 있던 자리가 드러나 모터가 붙을 수 있게 됩니다. 칼슘이 없으면 모터가 움직여도 붙을 자리를 찾지 못합니다.

붙어 힘을 내는 머리의 수와 순환 속도를 함께 봅니다.

03 · FORCE–VELOCITY

무거운 것은 느리고
빠른 것은 약합니다.

길이가 변하지 않는 등척성 수축에서 가장 큰 힘이 나옵니다. 줄어드는 속도가 커질수록 낼 수 있는 힘은 급격히 줄어듭니다. 곡선은 포물선이 아니라 급격히 떨어지는 쌍곡선 모양에 가깝습니다.

이유는 02장의 마지막 문장입니다. 빨리 줄이면 모터가 붙을 시간이 부족합니다. 붙어 있는 수가 줄어드니 힘도 줄어듭니다.

아래에 사용한 단순 Hill 모형에서는 힘과 속도의 곱인 출력이 둘 다 최대가 아닌 중간 부하에서 가장 크게 나타납니다. 실제 사람의 다관절 동작에서는 근육·관절·측정 방법에 따라 그 위치가 달라질 수 있습니다.

최대 수축 속도는 근섬유 길이의 초당 몇 배 수준으로 표현되며, 근섬유 유형에 따라 달라집니다. 사람 온몸으로 측정한 값은 관절 각도, 건의 늘어남, 신경 활성의 영향을 받으므로 시험관 곡선과 같은 조건이 아닙니다.

힘과 속도는 다른 자원에서 나오는 것이 아니라 같은 모터의 서로 다른 얼굴입니다.

04 · LENGTHENING CONTRACTION

늘리면서 내는 힘은
더 큽니다.

분리한 근육과 근섬유에서는 활성화된 근육을 늘릴 때 등척성보다 큰 힘이 관찰됩니다. 교차교량의 움직임과 티틴 같은 수동 구조의 기여가 함께 논의되지만, 사람의 실제 동작에서는 신경계의 조절과 측정 조건 때문에 같은 크기의 증가가 나타나지 않을 수 있습니다.

대가도 있습니다. 신장 수축 뒤에는 단백질 분해 지표와 초미세 구조 변화가 더 크게 보고된 바 있습니다. 이 비대칭은 뒤에서 다루게 될 손상과 훈련 적응 논의에서 반복해서 등장합니다.

분리해서 읽어야 합니다. 분해 지표나 구조 변화의 보고는 통증의 크기, 기능 저하의 정도, 손상 위험과 같은 값이 아닙니다. 아래 막대는 방향성만 비교합니다.

같은 모터가 당길 때는 힘을 내고, 억지로 떼어질 때는 더 큰 힘을 견딥니다.

05 · THE MOLECULAR SPRING

근육 안에
스프링이 하나 더 있습니다.

마이오신 실을 양 끝에서 잡아당기는 아주 긴 단백질이 있습니다. 티틴이라고 불리는 분자로, 늘리면 되돌아오려는 힘이 생기는 분자 스프링처럼 동작합니다.

이 분자 덕분에 근육은 활성화되지 않은 상태에서도 늘어나면 저항합니다. 활성화되면 스프링의 강성이 달라져 늘어난 상태에서 힘이 오래 유지될 수 있다는 설명이 제시됩니다.

늘린 뒤에 힘이 평소보다 더 오래 남는 현상(잔류 힘 증가)은 오래 전부터 알려져 있습니다. 다만 완전한 설명은 아직 없습니다. 티틴의 강성 변화, 모터 부착 수의 증가, 다른 구조적 요인이 후보로 경쟁하고 있습니다.

늘리면서 힘을 내는 수축은 줄이면서 힘을 낼 때보다 에너지 비용이 낮게 관찰되는 경우가 많습니다. 잔류 힘과 티틴은 이를 설명하는 후보이지만, 아래 모형은 에너지 사용량을 계산하지 않습니다.

근육의 힘에는 모터의 기여와 분자 스프링의 기여가 함께 들어 있습니다.

06 · Firing RATE & CALCIUM

자극이 겹치면
힘이 매끄러워집니다.

한 번 자극하면 짧은 수축(경련 수축)이 한 번 옵니다. 칼슘이 나왔다가 다시 회수되는 동안 힘이 올랐다가 내려갑니다.

빈도를 올리면 다음 자극이 칼슘이 다 회수되기 전에 도착해서 힘이 합쳐집니다. 충분히 올리면 계단 모양이 사라지고 매끄러운 최대 힘에 가까워집니다.

힘은 칼슘 농도에 비례하지 않고 훨씬 가파르게 반응합니다. 칼슘이 여러 단계를 거치기 때문입니다. 그래서 칼슘 양을 조금만 바꿔도 힘이 크게 변합니다.

온도는 칼슘의 이동과 교차교량 순환 속도에 영향을 줄 수 있습니다. 아래 조절은 그 방향을 비교하기 위한 것으로, 준비운동의 효과나 사람 근육의 실제 온도 변화를 계산하지 않습니다.

근육의 힘은 자극의 유무가 아니라 자극이 겹치는 방식으로 정해집니다.

07 · MOTOR TYPES

같은 근육 안에
여러 엔진이 있습니다.

마이오신 모터에는 종류가 있습니다. 흔히 느린 엔진(I형), 빠른 엔진 중에서도 산화를 잘 쓰는 것(IIa형), 가장 빠르고 해당작용에 의존하는 비중이 큰 것(IIx형)으로 나눕니다.

엔진 종류는 수축 속도, 주로 쓰는 에너지원, 피로 저항을 함께 정합니다. 느린 엔진은 작게 오래 일하고, 빠른 엔진은 크게 짧게 일하는 경향이 있습니다.

한 운동단위에 속한 근섬유는 대체로 같은 엔진을 씁니다. 그래서 다음 장의 모집 순서 논의가 의미를 가집니다.

경계가 선명한 세 상자는 아닙니다. 근섬유 특성은 연속적으로 분포할 수 있고, 활동·신경 입력·호르몬과 훈련에 따라 일부 특성이 달라집니다. 수축 특성과 대사 특성이 항상 한 묶음으로 변하는 것도 아닙니다.

근육의 반응은 전체 양뿐 아니라 어떤 특성의 운동단위가 얼마나 동원됐는지에 따라서도 달라집니다.

08 · CLINICAL READING

분자 설명을
한 사람의 평가로 옮기지 않습니다.

근소절과 모터의 이야기는 시험관과 동물, 그리고 사람에서 서로 다른 조건으로 측정되었습니다. 하나의 각도, 하나의 속도에서 얻은 값을 그 사람의 전체 기능으로 환산하지 않습니다.

분자 기전은 증상을 설명하는 여러 후보 중 하나이지, 측정된 원인이 아닙니다.