우리가 움직이기 위해서 근육의 역할은 매우 중요합니다. 걷기, 달리기, 앉기, 그리고 말하기 조차도 근육이 없이는 우리는 아무것도 할 수가 없습니다. 이러한 인간의 움직임은 뇌에서 명령을 받아 수많은 근육을 통해서 이루어지는 신경계와 근골격계의 복잡한 상호작용입니다. 즉, 뇌와 세상을 연결해 주는 통로라고 생각합니다.
근육은 신경 명령을 받아 수축과 이완을 반복함으로써 힘을 생성하게 되고 이를 통해 우리가 다양한 움직임을 구사할 수 있습니다. 이러한 근육의 작용과 힘을 분석하는 것은 스포츠 과학, 재활 치료, 생체역학 등 다양한 분야에서 중요한 요인입니다. 다. 따라서, 근육의 기본 구조와 힘이 생성되는 원리와, 신경 명령이 어떻게 힘으로 변환되어 작용하는지에 대해 알아보겠습니다.
근육 생체역학과 힘
우리가 잘 아는 것과 같이, 근육의 힘은 미오신과 액팅 사이의 교차 교량에서 ATP 단일 분자 화학 에너지가 기계적 작업을 통해 생성됩니다. 이를 위해 뇌에서 척수를 통해 근육으로 신호를 보내어 근육을 활성화하며, 골격계와 함께 작용합니다. 즉, 뇌에서 신경 명령이 근육을 활성화하면, 근육의 힘이 뼈를 움직이는 등 근골격계의 기하학적 구조를 통해 관절에 모멘트를 생성함으로 움직임을 만들어냅니다. 이러한 과정은 힘-길이, 힘-속도 그리고 힘줄과 관련이 있습니다.
1. 근육의 구조
근육의 구조는 다음과 같습니다.
- Sarcomere(근절): 근육 수축의 기본 단위로, 미오신과 액틴 필라맨트로 구성
- Myofibril(근원섬유): 근절이 모여 형성되며, 근육 세포 내에서 힘을 생성하는 주요 구조
- Muscle fiber(근육 섬유): 근원섬유가 모여 하나의 근육 세포를 형성
- Muscle bundle(근육 다발): 여러 근육 섬유가 모여 근육 형성
2. 힘 생성 과정
근절은 근육의 가장 작은 단위입니다. 위 사진을 보면, I대(I-band), A대(A-band) 그리고 Z막(Z-line)으로 구성되며, 미오신필라멘트는 타이틴(Titin)에 의해 z밴드와 연결되어 있으며, 힘은 미오신(Myosin)과 액틴(Actin)의 상호작용을 통해 생성됩니다.
힘이 생성되는 과정을 더 살펴보면, 미오신은 Head, Neak 그리고 Tail로 구성되어 있으며, 미오신의 머리가 액틴과 결합하게 되고 교차 다리를 형성하여 ATP를 사용하여 힘을 생성하게 됩니다. 이러한 과정을 슬라이딩 필라멘트 이론이라고 하며, 아래와 같은 과정이 반복되면서 근육이 수축하고 힘을 생성하게 됩니다.
- 사후 경직(Rigor state): 미오신이 액틴에 결합한 상태로 ATP가 없으면 근육이 굳어짐
- ATP 결합: ATP가 결합하면 미오신이 액틴에서 분리됨
- ATP 가수분해: 미오신 머리가 앞으로 이동
- 파워 스트로크: ATP 인산이 방출되면서 미오신이 액틴을 당김
- ADP 방출: ADP를 방출하여 미오신이 사후 경직 상태로 돌아감
3. 근육의 힘-길이의 관계
근육의 힘은 근절의 길이에 따라서도 달라지며, 이는 근절 내 액틴과 미오신의 겹침 정도에 따라 달라지게 됩니다. 아래 그래프는 Y 축은 힘, X 축은 근절의 길이를 나타내고 있습니다.
- 최적 길이(Plateau region): 최적의 길이에서는 액틴과 미오신의 교차 다리가 최대로 형성되기 때문에 힘이 가장 크게 발생하는 구간입니다.
- 긴 길이(Descending region): 근절의 길이가 너무 길어지면 미오신이 찾을 수 있는 액틴이 없어지게 됩니다. 즉, 액틴과 미오신의 교차 다리가 형성되는 구간이 줄어들어 생성할 수 있는 힘이 감소합니다.
- 짧은 길이(Ascending region): 근절이 짧아지면 액틴이 미오신의 결합을 방해하여 힘이 감소하게 됩니다.
힘의 생성은 티틴과도 관련이 있는데, 근절이 너무 짧으면 티틴이 꼬이게 되어 충분한 힘을 생성하기 어렵게 됩니다.
4. 근육의 힘-속도의 관계
근육의 힘은 수축 속도에 따라서도 변화됩니다. 그래프를 보면, 가운데 0지점이 최적의 근력의 위치입니다. Y 축은 근육의 힘, X 축은 근육의 수축 속도입니다. -v와 v는
- 등척성 수축(Isometric contraction): 근육 길이가 변하지 않은 상태에서 힘이 생성되기 때문에 수축 속도는 0이며 이때 최대 힘을 생성합니다.
- 단축성 수축(concentric contraction): 단축성 수축은 근육이 짧아지면서 힘을 생성합니다. 수축 속도가 증가할수록 단축성 수축의 힘이 감소하는 것은 수축 속도가 너무 빠르면 미오신 머리가 액틴과 결합하는 시간이 부족합니다.
- 신장성 수축(Eccentric contraction): 근육이 늘어나면서 힘이 생성합니다. 수축 속도가 증가할수록 힘이 커지게 됩니다. 이는 신장성 수축에서는 미오신-액틴의 교차 다리가 강제로 늘어나는 동안 결합이 유지되면서 큰 힘을 생성하게 되고, 근육의 구조적 장력이 증가하게 됩니다.
5. 근육의 힘-속도 관계의 예
근육의 힘-속도 관계는 자전거를 탈 때 언덕에 따라 기어를 바꾸는 원리와 유사합니다.
1) 평지
- 평지에서 기어를 설정하면 정당한 속도와 힘으로 페달을 밟을 수 있음
- 근육은 최적의 힘과 속도를 조합하여 최대 출력 생성
- 즉, 너무 무겁지도, 가볍지도 않은 기어에서 가장 효율적으로 움직일 수 있음
2) 언덕
- 언덕에서는 속도가 줄어들고, 더 많은 힘이 필요하기 때문에 페달을 밟기 어려움
- 오르막 길에서는 근육이 천천히 단축되지만, 더 큰 힘을 생성해야함(위 그림의 그래프가 왼쪽으로 이동하는 현상) - 힘 증가, 속도 감소
3. 내리막
- 중력으로 인해 속도가 빨라지고, 근육이 너무 빠르게 움직이기 때문에 충분한 힘을 생성하지 못함(위 그림의 그래프가 오른쪽으로 이동하는 현상) - 힘 감소, 속도 증가
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