근육의 구조와 작동 원리

근육(muscle)은 신경의 자극에 따라 짧아지고 굵어지면서 수축(contract)하고, 자극이 사라지면 다시 원래의 모양으로 이완(relax)된다. 근육은 관절 고정, 자세 유지, 운동 그리고 열 발생 등의 기능을 수행하며 골격근, 심근, 평활근의 세 가지로 분류하고 있다. 대부분의 ① 골격근(skeletal muscle)은 뼈에 부착되어 몸 운동을 조절할 수 있고, ② 심근(cardiac muscle)은 심장에만 발견되는 근육으로 혈액을 혈관을 통해 몸의 구석구석으로 이동시킨다. ③ 평활근(smooth muscle)은 위, 방광, 혈관 같은 내장이나 관을 둘러싸는 근육이다. 기능적으로 팔다리는 내 마음대로 움직일 수 있는 체성신경계통에 의해 조절되고, 심장과 내장은 그렇지 않은 자율신경계통에 의해 조절된다.

근육의 움직임을 이해하기 위해서는 먼저 근육의 구조를 알아야한다. 근육(muscle)의 첫 구성 단계는 가는잔섬유(thin filament)와 굵은잔섬유(thick filament)로, 가는잔섬유는 액틴(actin), 트로포닌(troponin), 트로미오신(tropomyosin)이라는 세 가지 단백질로 구성되어 있고, 굵은잔섬유는 미오신(myosin)이라는 하나의 단백질로만 이루어져 있다. 미오신의 머리 부분과 액틴은 서로 붙었다 떨어졌다 하면서, 이들은 마치 ‘손가락 깍지를 끼듯’이 맞물려 있다. 이들 잔섬유들은 근원섬유(myofibril), 근육섬유(muscle fiber), 근육다발(fascicle)이라는 단계를 거쳐 최종적으로 근육(muscle)이 된다.

우리가 일반적으로 섭취하는 ‘고기’는 바로 가축의 골격근이다. 가축 골격근은 근육섬유(muscle fiber)에 존재하는 미오글로빈(myoglobin)의 양에 따라, 지방의 양에 따라 부위별로 고기의 색, 종류, 그리고 가격이 달라진다. 미오글로빈은 근육에 필요한 산소를 저장(storage)하는 단백질이므로 마치 산소를 운반하는 혈액(적혈구)처럼 고기의 색이 붉게 보인다.

근육생리학에서는 근육에 의해 만들어지는 힘을 근육장력(muscle tension)이라 한다. 수축(contraction)은 근육장력의 생산과정으로 ATP(에너지)가 많이 필요(근육세포에는 ATP를 만드는 사립체가 많다)하고, 이완(relaxation)은 수축에 의해 생성된 근육장력을 해제하는 과정이다. 근육의 수축, 이완은 크게 신경·근육이음부, 흥분·수축 짝물림 그리고 수축·이완 주기라는 세 가지 단계를 거친다.

1. 신경·근육이음부(neuromuscular junction)
신경·근육이음부에서는 운동신경의 아세틸콜린(ACh) 신호가 근육섬유 안으로 전달되면서 전기신호로 바뀌게 된다. 신경의 끝에서 ACh이 분비되어 연접 틈새로 유출되고, ACh가 근육 세포막의 끝에 도달하면 ACh 수용체와 결합하게 된다. 이 결합은 근육세포막의 나트륨 이온(Na⁺) 통로에 변화를 주어 막을 탈분극 시키고(Na⁺ 유입, ‘Na⁺ 들어갈래~’), 근육은 활동전위를 시작하게 된다.

‘골격근의 장애’는 신경계에서 신호의 문제, 신경·근육이음부에서 신경전달물질의 잘못된 전달, 근육 자체의 이상으로 발생할 수 있다. 쉽게 볼 수 있는 근육장애는 근육경련(muscle cramp)으로 지속적이며 고통스러운 근육의 수축이다. 근육경련은 근육을 조절하는 운동신경의 과흥분, 즉 반복적인 자극에 의해 고통스럽고 지속적인 수축의 상태로 들어간다. 근육경련이 있을 때 ‘코에 침을 묻히는 것(?)’이 아니라 스트레칭을 통해 약화시킬 수 있는데, 스트레칭은 감각정보를 중추신경계로 보내 운동신경을 억제하여 경련을 약화시킬 수 있다.

2. 흥분·수축 짝물림(excitation-contraction (E-C) coupling)
근육의 활동전위가 칼슘 신호를 시작하게 하는 과정이다. 근육의 끝에서 발생한 활동전위는 근육섬유의 근형질세망에 있는 칼슘 이온 방출 통로(Ca²⁺ release channel)를 열고, 저장되었던 칼슘 이온(Ca²⁺)은 전기화학적 기울기에 따라 근육세포의 세포질로 방출된다. 칼슘 이온의 양이 증가하면 트로포닌과 결합하면서 수축을 시작하게 된다. 

3. 수축·이완 주기(contraction-relaxation cycle)
쉬고 있을 때 가는잔섬유의 트로포미오신은 액틴 필라멘트를 감고 있어 액틴·미오신 결합을 부분적으로 방해한다. 칼슘 이온(Ca²⁺)이 트로포닌과 결합하게 되면, 이들의 모양이 바뀌면서 액틴과 미오신이 결합 할 수 있게 된다. 이 때 미오신 머리는 많은 양의 ATP(에너지)를 사용하면서 치기동작을 하면서 수축하게 되는 것이다.

그 후 세포질 내의 칼슘 이온의 양이 감소하면 칼슘 이온의 평형이 깨지면서 트로포닌으로부터 칼슘 이온이 방출된다. 트로포미오신은 다시 미오신 결합자리를 막으면서 근육섬유는 이완된다. 이러한 수축-이완의 동작은 잔섬유들이 서로 미끄러지듯이 일어나기 때문에 ‘활주설’이라는 이름을 가지게 되었다. 

우리 몸에 칼슘이 부족하면 ‘뼈가 튼튼하지 못하다’는 사실은 거의 모두가 알고 있다. 이러한 증상 외에도 칼슘 부족의 중요한 점은 근육 수축에 문제를 일으킨다는 것이다. 근육경련과 쥐가 나는 경우가 대부분이지만, 칼슘 부족이 아주 심한 경우에는 심장근육에서 심각한 문제를 일으킬 수 있다.