골격근의 길이와 장력 관계 : Length-Tension Relation

골격근 길이

오늘은 골격근의 길이가 장력에 어떻게 영향을 미치는지 살펴보도록 하겠습니다. 모든 골격근 휴식을 하고 있을 때 길이를 가지게 됩니다. 우리의 근육을 이상적인 길이로 늘려 주면, 근육 수축을 극대화 할 수 있는 것이죠. 오늘은 골격근에서 근길이와 장력에 대한 관계에 대한 설명과 함께 근육내 근섬유의 배열이 장력과 수축에 어떻게 영향을 주는지 살펴보도록 하겠습니다.

근육은 휴식을 하고 있을 땐 늘어난다?

건은 골격근을 우리의 뼈에 붙이는 기관입니다. 몸의 근육이 쉬고 있을 때, 즉 근육이 수축을 하지 않을 때, 실제로 건에 의해 휴식길이(resting length)라고 부르는 상태로 있게 됩니다. 우리 몸의 골격근은 자연적 휴식 길이에서 자극을 받을 때 근육이 수축 할 수 있는 최대의 능력을 발휘하게 됩니다. 이 길이가 더 짧거나 길면 수축이 제대로 이루어지지 않습니다. 근수축에 섬유 길이를 유지하는 효과는 길이-장력 관계 (Length-Tension Relations)라고 합니다.

골격근의 길이-긴장 관계(Length-Tension Relations)

개구리의 비복근 근육을 사용하여 근육 섬유의 길이와 수축의 관계를 조사하는 실험은 했습니다. 개구리에서 비복근을 제거한 후에 힘변환기를 연결하여 고정합니다. 이 실험에 사용된 변환기는 근육이 수축 할 때 얼마나 많은 수축이 일어나는지를 기록을 합니다. 실험의 중간에 근육의 휴식 길이를 바꾸기 위해 고정장치를 움직일 수 있습니다. 처음에는 휴식 길이보다 짧게 시작을 해서, 휴식 길이를 지나가도록 실험을 합니다.

이 골격근의 길이-장력 관계를 알아보는 실험에 대한 결과는 그래프를 이용해서 나타날 수 있습니다. x축은 휴식길이 ,y축은 장력 또는 힘발달을 나타냅니다. 보시다시피, 휴식 길이를 한 지점으로 늘리면 장력(또는 힘발달)이 늘어나지만, 휴식 길이 이상으로 늘어나면 오히려 장력은 더 줄어듭니다.

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근절 구조, Sarcomere Structure 근육의 수축에 있어서는 여러가지 요소의 작용이 필요한데, 기본적인 구성인 근절에서 확인할 수 있습니다. 오늘은 근절에서 일어나는 근수축의 이론이 되는 근활주설에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 근육(muscle)은 수천 개의 근섬유(muscle fiber)로 구성된 기관입니다. 각 근섬유는 근섬유의 길이를 따라 이어지는 수천 개의 근원섬유(myofibril)로 구성되며 각 근원섬유의 끝과 끝이 연결된 수천 개의 근절(sarcomere)로 구성됩니다......

근절의 길이-장력과의 관계

휴면 섬유 길이와 수축 사이의 관계를 이해하기 위해서는 골격 근육 세포의 세부 사항을 살펴볼 필요가 있습니다. 구체적으로 말하자면, 줄무늬 근육의 기능 단위 인 근절의 내용을 알아야 합니다. 골격근은 일종의 줄무늬 모양의 근육이기 때문에 모든 섬유는 층 구조로 구성되어 있으며, 각 근육에는 수축에 필요한 구성 요소가 들어 있습니다.

위에 보이는 이미지는 편안한 상태에서 골격근의 근절(sarcomere)을 설명합니다. Z- 선이라고 불리는 Z-디스크는 근절의 끝을 의미합니다. 얇은 필라멘트는 액틴(actin)으로 구성되고, Z- 디스크에 부착됩니다. 두꺼운 필라멘트는 근절의 중간에 위치합니다. 두꺼운 필라멘트의 미오신 분자는 얇은 필라멘트를 근절의 중심으로 끌어 당겨서 근절을 단축시키고 근 수축을 만들어 냅니다.

장력은 많은 교차다리형성(cross-bridge formations)으로 만들어진 힘으로 구성됩니다. 미오신 머리가 액틴을 당기는 과정에 장력이 만들어 집니다. 긴장의 크기는 자극의 빈도와 근육 섬유의 초기 휴식 길이에 달려있습니다. 근육 섬유는 많은 근육 단위로 구성되어 있으며 근절의 길이는 근섬유의 전체 길이를 의미합니다.

1번 근절의 길이-장력 관계

1번 근절을 살펴볼까요? 너무 많은 수축으로 얇은 필라멘트와 두꺼운 필라멘트가 많이 겹쳐있습니다. 근수축은 액틴 필라멘트가 미오신 필라멘트의 끝과 끝 부분을 미끄러지게 하죠. 1번 근절의 상태라면, 추가적으로 근수축을 만들고 싶다고 하더라도 미오신(myosin)필라멘트가 Z 디스크에 닿게 되므로 더이상의 움직임이 일어날 수 없게 됩니다. 장력은 액틴과 미오신의 교차 다리 형성이 더이상 이루어지지 않기 때문에 감소하게 됩니다.

1-2번 근절의 길이-장력 관계

1.2㎛에서 1.6.㎛로 근절의 길이가 길어지게 되면 위에서 설명한 것 같이 쉬는 근육의 길이가 상대적으로 늘어난 상태가 됩니다. 액틴과 미오신의 교차다리형성이 더 많이 발생하게 되고, 장력이 증가하게 됩니다. 근절은 2.1~2.2㎛의 길이 일때 최대 장력을 만들어 낼 수 있는 최적의 휴식 길이가 됩니다.

3-4번 근절의 길이-장력 관계

근 길이를 최적의 휴식 길이 보다 더 이상으로 증가시키면, 액틴과 미오신은 점차 서로 멀어지게 됩니다. 4번에 이르게 되면 액틴과 미오신과의 약간의 상호작용을 제외하고는 거의 교차다리형성이 이루어지지 않게 됩니다. 당연히 장력의 정도는 감소되며 3.6㎛에 이르게 되면 상호작용은 더 이상 이루어 지지 않게 되어 0에 이릅니다.

[Mov] Length-Tension Relationship of Skeletal Muscle Contraction

장력 – 이상적인 관절각

길이-장력 관계는 우리 근육이 가장 긴장을 일으키는 이상적인 관절각을 가지고 있음을 보여줍니다. 거의 모든 근육에 기여하는 긴장의 유형(정상)은 정상적인 운동에 대한 운동 범위의 중간 지점에서 발생합니다. 몸무게의 작용선이 레버 역할을 하는 신체 부위에 수직 이거나 90° 각도에 있을 때 발생합니다 . 크기와 힘을 가장 잘 발달시키기 위한 운동을 하려면 이 길이에 가까운 범위의 근육을 훈련시켜야 합니다.

• 최적의 길이, Optimal length
근필라멘트 중첩이 최적이고 힘이 최대인 길이(인간 근육의 경우 2.6~2.8μm, 개구리 근육의 경우 2.0~2.2μm)

• 여유 길이, Slack length
근력이 0이 되는 길이. 이 길이는 대부분의 인간 근육에 대해 알려져 있지 않지만 건 삽입물이 절단된 후 근육이 수축되는 길이입니다.

• 휴식 길이, Resting length
수동 장력은 근육 사이에서 다양하고 휴식 상태가 잘 정의되어 있지 않기 때문에 이 길이를 명확하게 정의하는 것은 불가능합니다. 절대 길이를 설명하는 데 사용해서는 안 됩니다.

• 제자리 길이, In situ length
지정된 관절 각도 구성에서 근육 길이입니다. 절대 길이를 설명하는 데 사용해서는 안 됩니다.

• 생체 내 길이, In vivo length
지정된 관절 각도 구성 하의 근육 길이. 절대 길이를 설명하는 데 사용해서는 안 됩니다.