근절과 근활주설 : 미오신-액틴 교차결합과 파워 스트로크
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.
근절(sarcomere)은 양쪽 끝이 Z선으로 둘러싸여 있습니다. 근절 내에는 두 가지 유형의 필라멘트인 액틴(actin)과 미오신(myosin)이 있습니다. 얇은 액틴 필라멘트는 근절의 양쪽에 위치하며 두 개의 Z-선에 부착됩니다. 두꺼운 미오신 필라멘트는 근절의 중앙에 위치합니다. 또한 미오신 필라멘트에는 머리라고 하는 돌기가 있어 액틴 필라멘트에 부착할 수 있습니다. 또한 주목해야 할 중요한 점은 근섬유의 근형질 세망(sarcoplasmic reticulum)이 그 안에 칼슘 이온을 저장했다는 것입니다.
신경계에서 수축하라는 명령을 받아 근육이 수축하게 됩니다. 근절은 근육의 기본 구조 단위이자 기본 기능 단위이므로 근수축을 이해하기 위해서는 근절의 기능과 신경계에 의한 개시를 먼저 이해할 필요가 있는 것입니다. 이러한 근절의 기능을 설명하는 프로세스를 근활주설(sliding filament theory 또는 근활주 메커니즘, sliding filament mechanism)이라고 합니다.

근절 구조, Sarcomere Structure
근활주설 : 근활주 메커니즘
1954년 과학자들은 근육 수축의 분자적 기초를 설명하는 두 개의 획기적인 논문을 발표했습니다. 이 논문은 근육 섬유의 다양한 수축 단계에서 미오신과 액틴 필라멘트의 위치를 설명하고 이 상호 작용이 수축력을 생성하는 방법을 제안했습니다. 고해상도 현미경을 사용하여 근육 조직이 짧아짐에 따라 근절의 변화를 관찰했습니다.
반복된 근절 배열의 한 영역인 A 밴드가 수축하는 동안 길이가 비교적 일정하게 유지됨을 관찰했습니다. A 밴드는 미오신의 두꺼운 필라멘트를 포함하고 있는데, 이는 미오신 필라멘트가 근절의 다른 영역이 짧아지는 동안 중앙에 길이가 일정하게 남아 있음을 시사합니다.
I 밴드가 액틴으로 만들어진 얇은 필라멘트가 풍부하고 근절과 함께 길이가 변했습니다. 이러한 관찰을 통해 미오신을 지나서 액틴이 미끄러지면 근육 긴장이 발생한다는 슬라이딩 필라멘트 이론을 제안하게 되었습니다. 액틴은 z 디스크 또는 z 밴드 라고 하는 각 근절의 측면 끝에 위치한 구조에 묶여 있기 때문에 액틴 필라멘트 길이가 짧아지면 근절과 근육이 짧아집니다.

이완된 근절과 수축된 근절의 비교
근절 내 분자의 연결성을 나타내는 개념도. 두 개의 책장(z 밴드) 사이에 서 있는 사람이 로프(액틴)를 통해 책장을 끌어당깁니다. 미오신(M)은 사람과 당기는 팔과 유사합니다. z 밴드는 z 디스크라고도 합니다.

근활주설의 단계
1. 우리가 근육의 수축을 할 때, 수축이 일어나도록 명령하는 메시지가 우리 뇌에서 발생하는데, 이 메시지는 중추 신경계 내에서 전기 자극으로 전달됩니다.
2. 이 전기 자극은 말초 신경의 운동 뉴런(motor neuron, 신경 세포)에서 말초로 이동하여 골격근으로 이동합니다. 운동 뉴런이 각각의 개별 근섬유와 만나는 곳을 운동점(motor point)이라고 하며 일반적으로 근섬유의 대략 중간점(즉, 중심)에 위치합니다.
3. 임펄스가 운동 뉴런의 끝에 도달하면 운동 뉴런은 신경근 접합부(neuromuscular junction)의 시냅스 간극(synaptic cleft)으로 신경 전달 물질(neurotransmitter, acetylcholine_아세틸콜린)을 분비합니다

신경근 접합부 : Neuromuscular junction : 근활주설
4. 이 신경전달물질은 시냅스 간극을 가로질러 떠다니며 근섬유의 운동 종판(motor endplate)에 결합합니다.
5. 운동 종판에 대한 이러한 신경 전달 물질의 결합은 근육 섬유의 외부 세포막을 따라 이동하는 근육 섬유에 전기 자극을 유발합니다. 이 전기 자극은 T세관(T tubule, transverse tubule_ 횡세관, 가로세관)에 의해 근섬유 내부로 전달됩니다.

운동종판, motor endplate
: 근섬유 막의 운동 종판에 대한 신경 전달 물질의 결합은 전체 근섬유의 외막(근초, sarcolemma)을 따라 이동하는 전기 임펄스를 접하게 됩니다. 이 전기 신호는 그 후 근섬유의 T세관(횡세관)에 의해 근섬유 내부로 전달됩니다.
6. 이 전기 자극이 내부에 도달하면 근섬유의 근형질 세망(sarcoplasmic reticulum)이 저장된 칼슘 이온을 근형질(sarcoplasm, 근섬유의 세포질)로 방출합니다.
7. 이 칼슘 이온은 액틴 필라멘트(actin filament)에 결합하여 액틴 필라멘트의 결합 부위를 미오신 헤드(myosin head)에 노출시키는 구조적 변화를 일으킵니다.

탈착-가수분해-교차결합
: 수축슬라이딩 필라멘트 메커니즘의 단계- 1. 결합 부위는 근형질 세망에 의해 방출된 칼슘 이온(Ca + + )의 존재 때문에 노출됩니다. 2. 미오신 헤드는 액틴의 결합 부위 중 하나에 부착하여 교차 다리를 형성합니다. 3. 미오신 머리가 구부러져 액틴 필라멘트를 근절 중심으로 당깁니다. 미오신 교차 다리가 끊어집니다. 4. 마이오신 헤드가 다른 액틴 결합 부위에 부착되면 프로세스가 다시 시작됩니다.
8. 미오신 필라멘트의 머리는 액틴 필라멘트의 결합 부위에 부착되어 미오신-액틴 교차결합(myosin-actin cross-bridge)을 만듭니다.
9. 그런 다음 이 교차결합이 구부러져 액틴 필라멘트를 근절 중심 쪽으로 당깁니다.
여기에 나열된 단계는 근절(sarcomere, 전체 근육)이 수축 및 단축(동심 수축)할 수 있을 때 슬라이딩 필라멘트 메커니즘(근활주설)을 보여줍니다. 이것은 근육의 수축력이 단축에 대한 저항력을 극복할 만큼 충분히 큰 경우에만 발생합니다. 또는 근육이 수축하고 같은 길이를 유지하거나(등척성 수축) 수축하고 길어질 수 있습니다(편심성 수축). 수축 유형에 관계없이 근육 수축의 정의 특성은 미오신-액틴 교차결합이 있어야 하고, 이 교차결합이 생성하는 당기는 힘입니다.
10. ATP 분자가 존재하지 않으면 이러한 교차결합이 제자리에 유지되고(따라서 수축이 유지됨) 필라멘트가 더 이상 미끄러지지 않습니다.
11. ATP가 존재하면 다음과 같은 순서로 일어납니다. ATP 분자 에너지 소비로 인해 미오신과 액틴 필라멘트 사이의 교차결합이 끊어지고 미오신 머리가 액틴 필라멘트의 다음 결합 부위에 부착되어 새로운 교차결합을 형성합니다. 이 새로운 교차결합은 액틴 필라멘트를 구부리고 근절의 중심을 향해 더 끌어당깁니다.
12. 11단계의 이 과정은 교차결합의 해체를 시작하기 위해 ATP 분자가 존재하고, 액틴 필라멘트의 결합 부위를 노출된 상태로 유지하여 다음 교차결합이 형성될 수 있도록 칼슘이온이 존재하는 한 반복됩니다. 액틴 필라멘트는 근절(sarcomere)의 중심을 향해 더 멀리 있습니다.
13. 이런 식으로 신경 분포된 근육 섬유의 근절은 능력의 100%까지 수축합니다.
14. 수축에 대한 신경계 메시지가 더 이상 전송되지 않으면 신경전달물질이 더 이상 시냅스로 방출되지 않습니다. 존재했던 신경전달물질은 분해되거나 운동 뉴런에 의해 재흡수됩니다.
ATP는 「아데노신 삼인산」을 의미합니다. ATT 분자는 결합에 에너지를 저장하기 때문에 배터리에 비유할 수 있습니다. 근육 섬유 내에서 그 에너지는 미오시-액틴 교차결합을 끊고 칼슘 이온을 다시 근형질 세망으로 재흡수하는 데 필요한 에너지를 제공하는 데 사용됩니다.
15. 시냅스에 신경전달물질이 없으면 근섬유 내부로 자극이 전달되지 않으며 근형질 세망에서 칼슘 이온이 더 이상 방출되지 않습니다.
16. 근형질에 존재하던 칼슘 이온은 ATP 분자에 의한 에너지 소비에 의해 근형질 세망(sarcoplasmic reticulum)에 의해 재흡수된다.
17. 근형질에 칼슘 이온이 없으면 액틴 필라멘트의 결합 부위가 더 이상 노출되지 않으므로 새로운 미오신-액틴 가교가 형성될 수 없습니다. 오래된 교차교가 해제되었다고 가정하면 (ATP의 존재로 인해, 11단계 참조) 근육 수축이 중지됩니다.
18. 이 과정의 요점은 액틴 필라멘트가 미오신 필라멘트를 따라 근절의 중심으로 미끄러지면 액틴 필라멘트가 부착된 Z선이 근절과 근절의 중심을 향해 당겨진다는 것입니다. 단축됩니다.
19. 근원섬유의 근절이 짧아지면 근원섬유가 짧아지고 부착된 끝이 당겨집니다.
[Mov] Muscle Contraction – Cross Bridge Cycle
액틴 미오신의 교차 결합, 근활주설

슬라이딩 필라멘트 이론(근활주설)의 중요한 개선 사항 중 하나는 미오신이 근절을 단축하기 위해 액틴을 끌어당길 수 있는 특정한 방식과 관련이 있습니다. 연구자들은 S1 영역이라고 불리는 가장 가까운 액틴인 각 미오신 단백질의 구형 말단이 구부러지고 수축을 촉진할 수 있는 여러 개의 힌지 세그먼트를 가지고 있음을 입증했습니다.
미오신 S1 영역의 구부러짐은 미오신이 액틴을 따라 이동하거나 걷는 방식을 설명하는 데 도움이 됩니다. 미오신(S2)의 더 얇고 일반적으로 더 긴 꼬리 영역도 유연성을 나타내며 S1 수축과 함께 회전합니다.

미오신의 움직임은 일종의 분자 춤처럼 보입니다. 미오신은 앞으로 뻗어 액틴에 결합하고 수축하고 액틴을 방출한 다음 다시 앞으로 뻗어 액틴을 새로운 주기로 결합합니다. 이 과정은 미오신-액틴 순환으로 알려져 있습니다.
미오신 S1 세그먼트가 액틴을 결합하고 방출함에 따라 두꺼운 미오신 필라멘트에서 얇은 액틴 필라멘트로 확장되는 교차 다리라고 불리는 것을 형성합니다. 미오신의 S1 영역의 수축을 파워 스트로크라고 합니다. 파워 스트로크는 에너지를 방출하기 위해 고에너지 인산염 결합을 끊는 ATP 의 가수분해를 필요로 합니다.
구체적으로, 이 ATP 가수분해는 미오신이 이 순환을 거치도록 에너지를 제공합니다: 액틴을 방출하고 형태를 변경하고 수축 하며 이 과정을 다시 반복합니다). 미오신은 새로운 ATP 분자를 사용할 수 없다면 액틴에 무기한으로 결합되어 사후경직의 원인이 됩니다.
미오신-액틴 순환의 두 가지 주요 측면은 ATP의 가수분해에 의해 이용 가능한 에너지를 사용합니다. 첫째, 도달 미오신 S1 헤드의 작용은 ATP 분자가 ADP와 인산염으로 분해 된 후 방출된 에너지를 사용합니다 . 미오신은 이 확장된 형태로 액틴에 결합합니다. 둘째, 인산염의 방출은 미오신 S1 영역의 수축을 강화합니다.
근절의 단축 조절(근활주설)

근수축 : 칼슘 이온과 트로포닌/트로포미오신
칼슘과 ATP는 근육 세포의 수축에 필요한 보조 인자(효소의 비단백질 성분)입니다. 위에서 설명한 것처럼 ATP는 에너지를 공급하지만 칼슘의 역할은 무엇일까요?
칼슘은 미오신과 사상 액틴의 결합을 차단하여 근육 수축을 조절하는 두 단백질, 트로포닌(troponin)과 트로포미오신(tropomyosin)에 필요합니다. 휴지기 근절에서 트로포미오신은 미오신과 액틴의 결합을 차단합니다. 책장을 당기는 위의 비유에서 트로포미오신은 액틴 로프를 잡으려고 할 때 당신의 손을 방해할 것입니다. 미오신이 액틴에 결합하려면 트로포미오신이 액틴 필라멘트 주위를 회전하여 미오신 결합 부위를 노출시켜야 합니다.
한 연구에서 칼슘이 풍부한 용액이나 칼슘이 적은 용액에서 액틴과 미오신의 모양을 연구하여 트로포미오신이 어떻게 회전하는지를 보여주었습니다. 이 두 가지 조건에서 트로포닌과 트로포미오신의 작용을 비교함으로써 칼슘의 존재가 근활주설에 필수적이라는 것을 발견했습니다.
구체적으로, 트로포닌(더 작은 단백질)은 트로포미오신의 위치를 이동시키고 액틴의 미오신 결합 부위에서 멀리 이동시켜 효과적으로 결합 부위를 차단 해제합니다. 미오신 결합 부위가 노출되고 충분한 ATP가 존재하면 미오신은 액틴에 결합하여 가교 순환을 시작합니다. 그런 다음 근절이 짧아지고 근육이 수축합니다. 칼슘이 없으면 이러한 결합이 일어나지 않으므로 유리 칼슘의 존재는 근육 수축의 중요한 조절자입니다. 연구자들은 칼슘의 존재가 수축 메커니즘(근활주설)에 필수적이라는 것을 발견했습니다.
근활주설의 결론
근육 수축은 동물에게 뛰어난 유연성을 제공하여 정교한 방식으로 움직일 수 있도록 합니다. 근육 수축을 초래하는 분자 변화는 대부분의 동물에서 진화를 통해 보존되었습니다. 근육 길이의 변화를 제어하는 기본 단위 인 근절(sarcomere)을 연구함으로써 과학자들은 근육 수축의 분자 메커니즘을 설명하기 위해 근활주설을 제안했습니다. 근절 내에서 미오신(myosin)은 ATP가 필요한 과정에서 근육 섬유를 수축시키기 위해 액틴(actin)을 따라 미끄러집니다. 과학자들은 또한 칼슘, 트로포닌 및 트로포미오신을 포함하여 근육 수축 및 운동 행동 조절에 관여하는 많은 분자를 확인했습니다. 이 연구는 근육이 움직임을 생성하기 위해 모양을 바꾸는 방법을 배우는 데 도움이 되었습니다.
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