생리학에 관하여 - 골격근1

 사람의 몸에는 모양이 다른 400여 가지의 근육이 존재하나 형태학적인 구조나 수축기전, 조절체계 등에 따라 크게 세 가지로 나누어 볼 수 있다. 하나는 대부분 뼈에 붙어 수의운동을 돕거나 몸을 지지하는 역할을 하는 골격근 혹은 횡문근이며 다른 하나는 주로 내장을 구성하는 근육으로 불수의적으로 조절되는 평활근이다. 세 번째는 구조상 골격근과 비슷하나 수의적으로 조절되지 않는 심근이다.

 

1. 구조와 운동단위

 골격근은 대부분 양 끝이 뼈에 부착되어 운동을 조절하는 근육으로 형태에 따라 방추상근, 평행근, 삼각근, 깃털근, 환상근 등으로 분류되며 기능에 따라 굴근, 신근, 내외전근, 회전근, 괄약근, 거근 등으로 구분한다.

 여러 근육들이 하나의 운동을 주관할 때 그 운동의 주도가 되는 근육을 주동근, 같은 방향으로 운동하는 근육들을 협력근, 반대 방향으로 운동하는 근육들을 길항근이라 한다.

1-1. 골격근의 구조

 골격근을 구성하는 단세포인 근섬유는 다른 세포와 달리 길이가 길고 가늘다. 근섬유의 안쪽은 일반세포의 세포질에 해당하는 근형질로 채워져있으며 미토콘드리아, 핵, 소포체, 근필라멘트의 다발 등 세포 내 소기관이 내재한다. 근형질의 외부는 근섬유막으로 둘러싸여 하나의 세포를 구성한게 된다. 이러한 근섬유가 다수 모여 다발을 형성하고 근내막으로 둘러싸여 근섬유속을 이룬다. 근섬유속은 다시 여러 개가 모여 근외막과 근상막으로 둘러싸여 골격근을 형성하고 골격근의 주변을 싸고 있는 근막에 의해 한 덩어리가 된다. 근막은 힘줄이 되어 근육을 뼈에 연결하게 된다. 

1-2. 신경-근 사이의 흥분 전달

 골격근에 분포하는 운동신경은 척수의 전근에서 시작되고 이 신경의 축삭돌기는 근육에 가까워지면서 많은 가지를 형성하여 근육세포 표면의 여러 부위에서 연접할 수 있게 된다. 하나의 운동신경은 다수의 근섬유를 지배하지만 근섬유 각각은 하나의 운동신경에 의해서만 지배를 받는다. 운동신경에 활동전위가 발생하면 한 운동단위의 모든 근섬유가 자극을 받아들여 수축하게 된다. 

 운동신경과 그 신경의 지배를 받는 근섬유를 합해서 기능적 최소단위 혹은 운동단위라 한다. 하나의 운동신경이 지배하는 근섬유의 수가 많으면 근육의 움직임이 더디고 덜 민감한 근육이며(예: 다리근육), 그 수가 적으면 섬세한 근(에: 외안근)이라 할 수 있다.

 신경의 축삭돌기 말단은 근형질막 주변의 수초가 없어지고 밑면적이 넓은 신경종판을 형성하여 근형질막이 함몰되어 생긴 운동종판에 연접하게 된다. 신경종판과 운동종판은 붙어 있지 않고 500~1000A정도 간격을 두고 있어 이를 시냅스 틈새라 한다.

 운동신경의 말단인 신경종판에는 소포들이 많이 존재하는데, 이 속에는 신경전달물질인 아세틸콜린이 저장되어 있다. 신경 흥분이 전달되어 오면 세포막에 활동전위를 일으키고, 전압의존성 칼슘채널을 열게 된다. 칼슘은 세포외액으로부터 신경세포 내로 들어오고, 특정 단백질을 통해 아세틸콜린이 저장된 소낭이 신경종판 세포막에 융합된다. 아세틸콜린은 시냅스 틈새로 방출되어 운동종판에 있는 수용체에 결합한다. 아세틸콜린과 수용체의 결합은 운동종판에 탈분극을 일으키며 이는 근세포막의 활동전위로 연결된다. 아세틸콜린은 수용체로부터 분리되어 운동종판의 표면에 있는 아세틸콜린 에스테라아제에 의해 분해된다. 커피와 차 속에 있는 카페인은 아세틸콜린에스타라아제의 활성을 억제하여 신경 흥분을 유지시키므로 심장운동을 촉진하고 잠을 방해하게 된다.

 

2. 근수축기구와 수축기전

2-1. 근필라멘트

 근섬유의 세포질에는 수많은 근필라멘트 다발들이 같은 방향으로 놓여 있는데, 이 각각을 근원섬유라고 한다. 근원섬유의 외곽은 그물 형태의 근형질세망으로 둘러싸여 있는데 이 조직은 주머니형과 관형의 모양을 가지고 있는 소포체이다. 근형질세망과 근막 사이에 미토콘드리아가 존재한다. 

 근원섬유의 표면에 보이는 가로무늬는 굵기가 다른 두 종류의 필라멘트가 규칙적으로 배열하면서 만들어지는 것으로 어두운 부분과 밝은 부분이 반복적으로 나타나면서 줄무늬 형상을 이루고 있다. 이 중 어두운 부분을 A띠, 밝은 부분을 I띠로 명명하고 있으며, A띠 중앙부의 좀 더 밝게 보이는 부분을 H띠라 한다. I띠의 중앙에는 가는 선이 보이는데 이를 Z선이라고 하며, Z선으로부터 다음 Z선까지를 근수축의 기본 단위로 보아 근절이라고 한다. 이 외에 A띠의 가운데에서 굵은 필라멘트들을 위아래로 연결하고 있는 단백질 띠를 볼 수 있는데, 이것을 M선이라 한다. 

2-2. 근수축기구의 단백질

 근필라멘트는 가는 필라멘트 사이에 굵은 필라멘트가 한 층씩 엇갈려 끼어 있는 형상을 하고 있다. 두 개의 필라멘트 중 가는 필라멘트는 액틴 단백질로 구성되고, 굵은 필라멘트는 미오신 단백질로 구성된다. 액틴은 단일 폴리펩타이드로 이루어진 구상 단백질이며, 이들이 여러 개 모여 긴 선상 액틴이 된다. 선상의 액틴 두 개가 서로 꼬여 액틴 필라멘트를 구성한다. 미오신은 2개의 무거운 폴리펩타이드 사슬과 4개의 가벼운 폴리펩타이드 사슬로 구성되며 이것들도 역시 서로 꼬여 몸체를 형성하고 있다. 몸체의 한 쪽 끝은 각 가닥이 풀려서 둥근 형상의 한 덩어리를 만들고 있어 이 부분을 머리부라고 부른다. 반대편으로는 두 개의 무거운 사슬이 서로 꼬여 꼬리를 형성한다. 미오신의 머리부에는 ATP 결합 부위와 액틴 결합 부위가 있다. 이러한 미오신들이 모여 굵은 필라멘트를 구성하게 된다.

 또한 액틴 필라멘트 사이에는 트로포미오신이라는 단백질이 자리하고 있으며 트로포미오신에 트로포닌이라는 단백질 복합체가 부착되어 있다. 이들은 모두 근수축을 조절하는 단백질이다. 그 외에 Z선으로부터 M띠까지 연결되어 있는 단백질, 티틴도 발견되었다. M띠의 단백질이나 티틴은 모두 굵은 필라멘트의 배열을 유지시키는 역할을 하며 특히 티틴은 탄성이 큰 단백질로서 근육이 수축하였다가 이완될 때 안정 시의 길이로 돌아가는 것을 도와주는 역할을 한다.