01 자극의 전달

1 흥분의 전도와 전달

뉴런의 구조와 막전위

• 뉴런: 신경계를 구성하는 구조적, 기능적 단위인 신경 세포이다.
• 뉴런의 구조: 신경계를 구성하는 뉴런은 매우 다양한 형태를 가지고 있으나 기본적으로 신경 세포체, 가지 돌기, 축삭 돌기로 이루어져 있다.

⑴ 신경 세포체: 핵, 미토콘드리아 등이 있는 신경 세포체는 뉴런에 필요한 물질과 에너지를 생성하며,  물질대사에 관여하여 뉴런에서 일어나는 생명 활동을 조절한다.

⑵ 가지 돌기: 신경 세포체로부터 뻗어 나온 나뭇가지 모양의 짧은 돌기로, 다른 뉴런이나 세포로부터 오는 자극을 받아들인다.

⑶ 축삭 돌기: 신경 세포체에서 뻗어 나온 긴 돌기로, 흥분을 다른 뉴런이나 세포로 전달한다.

① 슈반 세포의 세포막이 축삭을 여러 겹 둘러싸서 형성된 말이집은 절연체 역할을 한다.

② 축삭이 말이집으로 싸여 있는 신경은 말이집 신경, 말이집으로 싸여 있지 않은 신경은 민말이집 신경이라고 한다.

③ 랑비에 결절: 슈반 세포와 슈반 세포 사이에 축삭돌기가 노출된 부분이다.

-말이집으로 싸여 있는 부분에서는 흥분이 발생하지 않는다.

뉴런의 다양한 구조

1. 뉴런의 기본적인 구조는 신호를 받아들이는 부분, 신호를 이동시키는 부분, 신호를 다른 세포로 전달하느 부분으로 구성된다.
2. 뉴런은 기능과 위치에 따라 다양한 구조를 갖는다.
3. 뉴런을 구조에 따라 분류할 때 신경 세포체의 위치와 특성을 기준으로 분류한다.

뉴런의 종류: 뉴런을 구분하는 기준에는 말이집의 유무나 기능 등이 있다.

(1)말이집의 유무에 따른 구분

• 민말이집 뉴런: 축삭 돌기가 말이집으로 싸여 있지 않은 뉴런을 민말이집 뉴런이라고 한다. 민말이집 뉴런은 축삭 돌기의 전체에서 흥분이 발생한다.
• 말이집 뉴런: 축삭 돌기의 일부가 말이집으로 싸여 있는 뉴런을 말이집 뉴런이라고 한다. 말이집에 의해 절연된 축삭 돌기에서는 흥분이 발생하지 않고 말이집으로 싸여 있지 않은 랑비에 결절에서만 흥분이 발생한다. 이처럼 랑빙 결절에서 연속적으로 흥분이 발생해 흥분이 전도되는 현상을 도약전도라고 한다. 도역전도가 일어나는 말이집 뉴런은 도약전도가 일어나지 않는 민말이집 뉴런보다 흥분 전도 속도가 빠르다.

(2)기능에 따른 구분

• 구심성 뉴런(감각 뉴런): 몸 안밖에 존재하는 여러 가지 자극을 받아들인 감각 기관으로부터 발생한 흥분을 연합 뉴런으로 전달하거나, 구심성 뉴런이 직접 자극을 받아들여 연합 뉴런으로 전달한다.  가지 돌기가 비교적 긴 편이고 신경 세포체가 축삭 돌기의 중간 부분에 있다. 중추 신경계를 향해 흥분이 이동하므로 구심성 뉴런이라고 한다.
• 원심성 뉴런(운동 뉴런): 연합 뉴런으로부터 반응 명령을 전달받아 근육과 같은 반응 기관으로 흥분을 전달한다. 길게 발달된 축삭 돌기의 말단은 반응 기고나에 분포하며, 신경 세포체가 비교적 크게 발달되어 있다. 중추 신경계에서 전달된 흥분이 반응 기고나을 향해 이동하므로 원심성 뉴런이라고 한다.
• 연합 뉴런: 구심성 뉴런과 원심성 뉴런을 연결하는 뉴런으로뇌와 척수에 존재한다. 구심성 뉴런으로부터 흥분을 전달받아 정보를 처리하고 처리 결과에 따른 명령을 원심성 뉴런에 전달한다.

자극의 전달 경로: 자극에 의해 감감 기관에서 발생한 흥분은 구심성 뉴런을 거쳐 연합 뉴런으로 전달되고, 연합 뉴런에서 정보를 처리하여 발생한 흥분은 원심성 뉴런으로 전달된 후 근육 등의 반응 기관으로 전해진다. 이러한 과정을 거쳐 자극에 대한 반응이 일어난다.

자극 ⟶ 감감 기관 ⟶ 구심성 뉴런 ⟶ 연합 뉴런 ⟶ 원심성 뉴런 ⟶ 반응 기관 ⟶ 반응

• 막전위와 이온의 분포

⑴ 흥분: 뉴런이 자극을 받았을 때 세포막의 전기적 특성이 변하는 현상이다.

⑵ 흥분 신호

신경 세포에 흐르는 흥분 신호는 전기 신호와 다르다. 도선에 흐르는 전기는 전자기파이고, 생체에 흐르는 흥분 신호는 막전위의 변화가 이동하는 것이다. 따라서 전기는 빛의 속도에 가까운 속도(매체에 따라 210000000 m/s의 50~99 %)로 흐르지만 흥분 신호는 100 m/s로 흐른다.

⑶ 분극 상태일 때 뉴런에서 이온의 분포

① 뉴런의 세포막 안쪽에는 불투과성 음이온(음전하를 띤 단백질, RNA 등)이 있다.

② Na^＋－K^＋ 펌프가 ATP를 소모하면서 Na^＋은 세포 밖으로, K^＋은 세포 안으로 이동시켜 Na^＋의 농도는 세포 안보다 밖에서 높고 K^＋의 농도는 세포 밖보다 안에서 높다.

③ K^＋의 경우, 분극 상태일 때 다시 세포 밖으로 나갈 수 있는 K^＋ 통로가 있지만, 불투과성 음이온이나 Na^＋에 의한 전기적인 힘으로 세포 안에서의 농도가 높게 유지된다. 그러나 세포 안에 위치한 K^＋은 음이온에 붙잡혀 전위에 영향을 미치지 못한다.

④ 유효한 양이온의 양은 세포 밖이 많다.

⟶ 세포 안은 음의 성질을, 세포 밖은 양의 성질을 띤다.

이온	세포 밖	세포 안
K+	3.5 ~ 5 mM	150 mM
Na+	135 ~ 145 mM	15 mM

 

활동 전위의 발생

• 휴지 전위(분극)

자극이 없을 때 세포막을 경계로 세포 안쪽은 음(-)전하, 바깥쪽은 양(+)전하를 띤다. 분극 상태에서 세포 안과 밖의 전위차를 휴지 전위라고 한다. 휴지 전위는 세포에 따라 -60 mV ~ -90 mV로 다양하며, 뉴런의 휴지 전위는 -70 mV이다.

• 탈분극

역치 이상의 자극이 가해지 ㄴ유런의 부위에서 안정적으로 유지되던 막전위가 상승하는 현상을 탈분극이라고 한다. 뉴런이 역치 시앙의 자극을 받으면 자극을 받은 부위에서 닫혀 있던 (전압 계폐성) Na⁺ 통로는 막전위 변화에 열리고 Na^＋이 세포 안으로 들어오면서 막전위가 ＋30 mV까지 급격히 상승하여 순간적으로 막 안쪽은 양(＋)전하, 바깥쪽은 음(－)전하를 띤다. 이러한 과정이 진행되면서 막전위가 상승하는 탈분극이 일어난다.

• 재분극: 상승한 막전위가 다시 휴지 전위로 하강하는 현상을 재분극이라고 한다.

⑴ 탈분극에 의해 막전위가 최고점에 이른 후 Na^＋ 통로는 그림의 단계 ➌에서와 같이 1/1000초 만에 닫힌다. 이 형태는 막전위 변화에 반응하지 않는 불활성 상태의 구조이며, 이 시기를 절대적 불응기라고 부른다.

⑵ 조금 늦게 열리는 (전압 개폐성) K^＋ 통로는 그림의 단계 ➌에 열려 K^＋을 배출하고 막전위를 －70 mV로 재분극시킨다.

⑶ Na^＋ 통로는 다시 닫히는 구조적 변화를 거치고, K^＋ 통로도 닫히면서 과분극되었던 막전위가 다시 정상 수준으로 돌아와 휴지 전위 상태가 된다.

• 과분극: 재분극이 일어나면서 막전위가 휴지 전위(-70 mV)보다 더 낮은 -80 mV 까지 하강하였다가 휴지 전위로 회복되는데 이처럼 뉴런의 막전위가 휴지 전위보다 낮아지는 현상을 과분극이라고 한다.

※ 그림은 교과서에서 확인할 수 있습니다.

활동 전위

• 활동 전위: 휴지 상태인 뉴런의 한 지점에 역치 이상의 자극이 가해지면 막전위가 빠르게 상승하였다가 하강한다. 이러한 막전의 변활르 활동 전위라고 한다.
• 활동 전위의 전도: 뉴런의 한 지점에서 활동 전위가 일어나면 일정 시간 뒤 그 지점과 가까운 지점에서 다시 활동 전위가 발생한다. 이처럼 연쇄적으로 활동 전위가 발생하여 흥분이 뉴런 내에서 이동하는 현상을 흥분의 전도라고 한다.

 

흥분의 전도

뉴런의 축삭 돌기를 따라서 활동 전위가 연속적으로 발생하여 옆으로 이동하는 현상이다.

⑴ 자극을 받은 부위에서 활동 전위가 발생하면 그 부위로 유입된 Na^＋이 인접한 부위로 확산된다.

⑵ 인접한 부위는 자극을 직접 받지 않아도 확산된 Na^＋에 의해 막전위가 상승되어 탈분극 상태가 된다. 활동 전위가 발생한 부위의 막은 K^＋의 유출로 재분극 상태가 된다.

⑶ 다음 막 부위에서 탈분극과 재분극의 과정이 계속 반복되고, 최초로 활동 전위가 발생한 부위에서 신경 말단까지 축삭 돌기를 따라 활동 전위가 전도된다.

– 만약 축삭 돌기의 중간 지점에서 활동 전위가 발생하면 흥분 전도는 양방향으로 진행된다.

거대 축삭 돌기

거대 축삭은 지렁이, 새우, 바퀴벌레, 메기 등 여러 동물에서 발견된다. 이들 생물에서 발견되는 거대 축삭은 굵기나 생성 과정도 다양하여 거대 축삭이 독립적으로 여러 생물에서 진화되어 왔음을 알 수 있다. 도약전도와 함께 거대 축삭의 발달은 빠른 신경 전달이 동물들의 생존에 얼마나 유리한지 알 수 있게 해 주는 예이다

• 도약전도

⑴ 활동 전위가 한 랑비에 결절에서 다음 랑비에 결절로 건너뛰어 발생하는 흥분의 전도를 말한다.

⑵ 랑비에 결절에서 일어난 막전위의 변화가 말이집이 둘러싸인 부위에서는 빠른 속도로 다음 랑비에 결절에 전달된다. 반면, 말이집이 없다면 세포막을 통해 이런 막전위 변화가 누출되기 때문에 먼 거리까지 전달되지 못한다.

⑶ 흥분의 전도 속도에 영향을 미치는 요인: 축삭 돌기의 직경, 말이집의 유무 ⟶ 축삭 돌기의 직경이 굵을수록 전도 속도가 빨라지며, 말이집이 있으면 더욱 빨라진다.

 

시냅스를 통한 흥분의 전달

• 흥분의 전달

⑴ 한 뉴런의 축삭 돌기 말단과 다른 뉴런의 가지 돌기나 신경 세포체가 약 20 nm의 틈을 두고 접한 부위를 시냅스라고 한다. 시냅스를 기준으로 흥분을 전달하는 뉴런을 시냅스 이전 뉴런이라고 하고, 흥분을 전달 받는 뉴런을 시냅스 이후 뉴런이라고 한다.

⑵ 시냅스 전 뉴런에 활동 막전위가 도달하면 전압 개폐성 Ca^2＋ 통로가 열려 Ca^2＋의 농도가 높아진다. 이후 시냅스 소포와 세포막에 융합이 일어나 그 안에 들어 있던 신경 전달 물질이 시냅스 틈으로 방출된다.

• 흥분의 전달 방향: 시냅스 소포는 축삭 돌기 말단에만 있으므로 흥분은 항상 시냅스 이전 뉴런의 축삭 돌기 말단에서 시냅스 이후 뉴런의 가지 돌기나 신경 세포체로만 전달된다.

 

• 신경 전달 물질

⑴ 현재까지 알려진 신경 전달 물질은 100여 종에 이르며, 대부분이 아세틸콜린과 같은 작은 분자로, 시냅스 후 뉴런에 작용하여 막전위를 변화시킬 수 있다.

⑵ 아세틸콜린이 시냅스 틈으로 방출되면, 시냅스 후 뉴런의 세포막에 있는 아세틸콜린 수용체와 결합하여 수용체의 구조가 바뀌면서 통로가 열린다.

⑶ 열린 통로를 통하여 Na^＋이 세포 내로 쏟아져 들어와 막전위가 높아지고, 역치를 넘어 활동 전위가 발생하게 된다.

 

시냅스의 흥분 전달에 영향을 미치는 물질

분류	약물	대표적인 부작용
각성제(흥분제)	코카인, 카페인, 니코틴, 암페타민
진정제	바르비튜레이트, GHB, 알코올, 프로포폴	방향 감각 상실, 취한 행동, 무의식, 경련, 혼수   상태
환각제	LSD, 마리화나, 메스암페타민	망상, 환각, 시간 및 거리 감각 상실, 이상 행동
아편성 진통제	모르핀, 헤로인, 코데인	도취감, 신체 조절 능력 상실, 기억 상실

• 막전위 생성의 원리를 설명하기 위한 가상 실험

① A 구역에 소금을 넣고 가운데에는 Cl^－만 통과할 수 있는 막이 있다고 가정한다.

② 시간이 지나 Cl^－이 농도가 낮은 B 구역 쪽으로 이동하지만 A 구역에 남아 있는 Na^＋의 전기력 때문에 대부분 Cl^－도 A 구역에 남게 된다. 결과적으로 B 구역에는 Na^＋은 없고 Cl^－이 조금 존재하게 된다. 반면에, A 구역에는 Na^＋이 그대로 남아 있고 Cl^－의 일부가 B 구역으로 이동한 상태가 된다.

③ 전기적인 분포는 A 구역의 경우 양이온이 더 많은 상태가 되고 B 구역의 경우는 음이온이 더 많은 상태가 된다. 그 결과 A 구역과 B 구역 사이에는 A 구역이 양의 성질을 띠는 막전위가 생기게 된다.

④ 정리: 세포 안에 막을 투과할 수 없는 음이온이 존재한다면 다른 이온의 분포에 영향을 주어 세포 안쪽이 음의 성질을 갖는 막전위가 생성된다.

• 전압 개폐성 Na^＋ 통로의 개폐 원리

전도 현상을 이해하기 위해서는 Na^＋ 통로의 전압 개폐성 성질을 알아야 한다. 갈바니의 실험에서 전기 자극을 주면 다리가 움직였던 것도 전압의 변화가 Na^＋ 통로를 열리게 만들었기 때문이고 이후 흥분의 전도 현상에 의해 다리가 움직이는 일련의 변화가 발생한 것이다.

양전하를 띤 －나선 부위가 바깥 양이온들에 의해 안쪽으로 눌려 있다가 막전위가 변화하면, 이 부위가 바깥쪽으로 돌출되면서 단백질의 구조가 바뀌어 Na^＋ 통로가 열린다. 시간이 지나면 비활성문이 구멍을 막아 비활성화 상태로 바뀌고, 좀 더 시간이 지나면 다시 원래 닫힌 상태로 바뀌어 다음 막전위 변화에 반응할 수 있게 된다.

• 왜 흥분의 전도는 한 방향으로만 일어날까?

활동 전위의 전도는 특정 지역의 막전위 변화가 인접한 Na^＋ 통로를 열기 때문에 일어난다. 이렇게 열린 Na^＋ 통로가 막전위 변화를 가져오고, 다시 인접한 지역의 Na^＋ 통로가 열린다. 이 과정이 계속되면서 흥분이 전도된다.

한 지역의 막전위의 변화는 사방으로 영향을 미치지만, 한 방향으로만 흥분이 전도된다. 그 까닭은 Na^＋ 통로의 비활성화 상태에 있다. 이 상태는 막전위 변화에 반응하지 않고 이온도 통과시키지 않는 상태이다. 따라서 한번 열린 상태에서 비활성화 상태로 바뀐 Na^＋ 통로는 인접한 지역에 막전위가 변해도 다시 열리지 않고 일정한 시간(불응기)이 지난 뒤에야 다시 닫힌 상태가 되어 막전위 변화에 반응할 수 있다.

• 흥분의 전달

시냅스는 단순히 흥분을 전달하는 역할을 하는 것이 아니다. 중간에 정보를 나누어 여러 신경으로 보내기도 하고, 필요 없는 신호는 중간에 차단하기도 한다. 이러한 시냅스 조절 과정을 통해 사람이 기억하고 판단하며, 심지어는 상상도 할 수 있다.

최근의 조사에 따르면 뇌의 신경 세포 당 시냅스의 수를 일반적으로 알려진 1000개가 아니라

10000개 이상으로 보는 학자들도 있다. 이는 시냅스가 전기 회로처럼 고정되어 있지 않고 연결 상태가 변하기 때문이다. 교과서 그림은 흥분 때문에 시냅스 소포가 세포막과 융합되어 안에 내용물이 시냅스 틈으로 방출되는 과정으로, 시냅스 소포에 어떤 신경 전달 물질이 있느냐에 따라 시냅스 후 뉴런에 막전위를 높일 수도 있고, 떨어뜨릴 수도 있다.

• 코카인

코카인은 보상될 만한 자극(맛있는 냄새 등)에 의한 도파민(신경 전달 물질) 분비를 촉진한다.

보통 도파민 분자는 이를 분비한 세포에 의해 재흡수되어 없어지지만, 코카인은 이 과정을 차단하여 시냅스에 도파민이 과도하게 남아 있게 만들어 결국 신경 간의 신호 전달에 이상을 가져온다.

① 인체에 미치는 영향: 단기적으로 행복감과 에너지가 충만해진다. 정신이 깨어 있게 되고, 빛, 소리, 촉각에 매우 예민해진다. 또한, 짜증이 나고 타인에 대한 과도한 불신을 느낀다. 다량 투여한 경우 예측 불가능한 폭력적인 행동을 유발하기도 한다. 신체적으로는 혈관 수축, 동공 확장, 현기증, 체온 상승, 심장 박동수 증가, 근육 경련, 초조함을 느끼기도 한다. 이러한 증상은 투여 방법에 따라 수분에서 한 시간 정도 지속하다가 신속하게 없어진다.

② 투여 방법에 따른 영향

-코로 흡입: 후각 손상, 코피, 콧물, 삼킴 장애

-입으로 투여: 혈류 감소에 따른 심각한 소화계 손상

-주사기로 투여: HIV, 간염 바이러스 등 혈액 관련 감염 질환 위험 증가, 식욕 부진에 따른 영양 결핍, 파킨슨병과 같은 행동 장애

• 마리화나

마리화나는 대마의 잎, 꽃, 줄기, 그리고 씨를 말린 것이다. 의약품으로도 사용되며 우리나라를 비롯한 대부분 국가에서는 사용이 금지되어 있다. 마리화나는 환각 효과와 함께 심장 박동수 증가, 구강 건조, 안구 충혈, 혈압 저하 등의 증상이 나타난다.

• 아편

아편은 처방을 통해 합법적인 의약품으로 사용되고 있는 모르핀, 옥시코돈, 하이드로코돈 등과 함께 헤로인과 같이 불법적인 것도 포함하고 있다. 이 물질들은 신경의 아편 수용체에 결합하는 구조로 되어 있다. 이들은 단기간 의사의 처방 때문에 사용되었을 때 강력한 진통제로 작용하지만 오용되는 경우가 많다. 이는 아편이 진통의 효과뿐 아니라 황홀감을 선사하기 때문이다. 처방을 받아 복용한 아편이라도 중독이 될 수 있고 오·남용되었을 때는 목숨이 위태로울 수도 있다.

• 알코올

술은 얼마나 마셨는지, 얼마나 자주 마시는지, 나이, 건강 상태, 가족력 등에 따라 다양한 효과를 나타낸다. 과음은 신경 전달을 방해하여 뇌의 활동을 변화시킨다. 그 결과 평소와 다르게 생각하고 행동하게 만들어 음주 운전, 폭력 범죄, 알코올성 치매 등 사회적으로 큰 문제를 일으키기도 한다.

이외에도 간, 심장에 부담을 주어 간경화나 심장 이상을 초래하여 목숨이 위태로울 수 있다.

상습적으로 과음하는 경우 면역력이 떨어져 각종 감염성 질환에 걸릴 확률이 높아지고 암 발생률도 증가한다. 특히 어린 나이(만19세 미만)에는 알코올의 영향을 많이 받기 때문에 법적으로도 음주를 금지하고 있다.

 

근육의 구조와 수축 원리

사람의 몸을 움직이는 힘은 근육 조직의 수축 운동이다. 하지만 근육만으로는 사람의 몸을 지탱하거나 무거운 물건을 들 수 없고, 근육이 뼈를 움직여야 가능하다.

1 근육의 종류와 구조

• 근육의 종류

골격근	심장근	내장근
수의근	불수의근	불수의근
가로무늬근	가로무늬근	민무늬근
뼈에 붙어 몸을 움직임	심장의 박동을 일으킴	소화관 등을 둘러쌈

⑴ 골격근: 골격근은 다량의 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 규칙적으로 배열되어 있기 때문에 가로무늬가 보이며, 이 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 수축 운동의 원동력이다.

⑵ 심장근: 심장근은 의지대로 움직일 수 없는 불수의근이며, 가로무늬근을 가진다. 또한 심장근은 스스로 심장의 박동을 일으킨다.

⑶ 내장근: 내장근은 다른 말로 민무늬근이라고 한다. 가로무늬근은 없지만 수축하는 원리는 기본적으로 같다.

• 골격근의 구조

⑴ 근육 섬유 다발로 구성된다.

⑵ 하나의 근육 섬유는 미세한 근육 원섬유 다발로 구성된다.

⑶ 근육 원섬유는 가는 액틴 필라멘트와 굵은 마이오신 필라멘트로 이루어진 근육 원섬유 마디가 반복되어 길게 연결되어 있다.

① A대(암대): 마이오신 필라멘트가 있는 부분으로, 액틴 필라멘트가 겹쳐 있는 부분이 있어 어둡게 보이는 부분이다.

② H대: A대 중 마이오신 필라멘트만으로 이루어진 부분이다.

③ I대(명대): 액틴 필라멘트만 있어 밝게 보이는 부분이다.

④ Z선: 근육 원섬유 마디와 마디를 구분하는 경계선으로 Z선에는 액틴 필라멘트가 결합되어 있다.

2 골격근의 수축 과정: 활주설

• 활주설

근육이 수축할 때, 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 사이로 미끄러져 들어가 겹치는 부분이 증가하여 근육이 수축한다는 골격근 수축 원리 이론이다.

• 골격근 수축 결과

⑴ 근육 원섬유 마디의 길이는 짧아진다.

⑵ 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트의 길이는 변하지 않는다.

⑶ 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹치는 부분이 증가하여 I대와 H대의 길이는 짧아지고, A대의 길이는 변하지 않는다.

• 골격근 수축 과정

근육의 수축하는 힘은 마이오신의 머리 부분이 젖혀지면서 만들어지며, 에너지원은 ATP이다.

⑴ 신경 신호에 의해 액틴의 마이오신 결합 부위가 노출되면, 마이오신의 머리 부분이 액틴으로 구성된 가는 섬유에 붙어 가교를 형성한다.

⑵ 마이오신 머리에서 ADP와 인산기가 떨어져 나오면 마이오신 머리가 뒤로 젖혀지는 구조 변화가 일어나 가는 섬유가 근절의 중앙으로 미끄러져 들어간다.

⑶ 마이오신 머리에 ATP가 결합하면 액틴에서 떨어진다.

⑷ 마이오신 머리 부위가 노 젓기 운동이 일어나기 전의 형태로 회복된다. (1)~(4) 과정이 반복되면서 수축 운동이 일어난다.

※ 그림은 교과서에서 확인 가능합니다.

 

근수축의 에너지원

• 근수축의 에너지원: 근육 원섬유가 수축하는 과정에 필요한 에너지는 ATP로부터 공급받는다. ATP가 분해될 때 방충되는 에너지는 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 사이로 미끌어져 들어가는 데 사용된다.
• 근육의 ATP 생성: 근육에서 ATP는 크레아틴 인산의 분해와 세포 호흡 과정 등으로 생성된다. 크레아틴 인산이 크레아틴으로 분해되면서 ATP가 빠르게 생성되지만 지속된는 시간이 짧다 . 그러므로 근수축의 초기에는 크레아틴 인산의 분해도 생성되는 ATP를 이용하지만 이후에는 포도당 등을 이용한 세포 호흡을 통해 생성된 ATP가 근수축에 공급된다.

 

• 근육의 이완은 어떻게 일어날까?

근육은 스스로 길이가 늘어나는 움직임을 할 수 없고, 길항 근육이 수축해야 이완이 될 수 있다. 예를 들어, 위팔 두갈래근은 위팔 세갈래근이 수축해야만 이완될 수 있다. 만약 길항 근육이 모두 수축한다면 운동은 일어나지 않고 힘만 들어간 상태가 되며, 이와 같은 상태를 등척 운동이라고 한다. 일정한 무게를 들어 올릴 때 일정한 장력을 주며 움직이는 상태를 등장 운동이라고 부른다. 근육이 심하게 늘어나면 굵은 섬유가 가는 섬유 사이에서 빠져나갈 수 있다. 이를 방지하기 위해 타이틴(titin) 단백질이 위치를 잡아 주지만 너무 늘어나면 이 구조마저 깨져 더 이상 근육이 기능을 못하고 심한 통증을 느끼게 된다. 사람마다 근육의 힘과 스피드가 다른데 이는 얼마나 근육 섬유가 발달해 있는지와 어떤 종류의 근육을 갖고 있는지에 따라 다르다. 운동할수록 근육은 늘어나는 성질이 있으므로 꾸준히 운동하는 것이 중요하다.

• 근육의 종류

근육의 종류는 빨리 수축하는 근육(fast-twitch muscle)과 조금 느리지만 지속적으로 수축할

수 있는 근육 (slow-twitch muscle)으로 나눌 수 있다. 또한, 미토콘드리아를 통해 에너지를 공급하는 붉은 근육(red muscle, 또는 oxiditive muscle)과 해당 작용을 통해 ATP를 공급하는 흰 근육(white muscle 또는 glycolytic muscle)이 있다.

• 근육 수축 속도의 한계

곤충은 신경 신호가 만들어지는 것보다도 빨리 날개를 움직일 수 있다(최대 1000 Hz, 즉, 1000회/초). 이 경우 신경 신호가 근육의 수축－이완을 조절하는 것이 아니고 이들 근육에 내재된 고유의 장력 반응 기작에 의해 자동으로 수축-이완이 반복되는 것이다. 척추 동물의 경우는 벌새가 약 50회/초의 속도로 날개를 움직일 수 있다.

• ATP 공급이 끊어졌을 때 근육의 변화

골격근 수축 운동은 ATP의 공급으로 인해 마이오신이 액틴에서 떨어지면서 일어난다. 만약

ATP의 공급이 끊어지면 액틴과 마이오신이 떨어지지 못하고 결합되어 근육이 수축된 형태로 있게 된다. 이는 사후 경직이 일어나는 원인이기도 하다. 사후 경직 증상은 사후 어느 정도 시간이 지나면 세포 안의 단백질 분해 효소들이 작용하여 다시 근육이 풀린다.

• 자극에 대한 반응: 운동과 생리적 변화 ⟶ 호르몬과 항상성과의 연계

다음은 외부 자극에 대한 신체의 반응을 적은 것이다. 체성 운동 신경과 골격근에 의한 반응은 <반응 1>, 그 외의 골격근에 의지하지 않고 일어나는 생리적 반응들은 <반응 2>이다.

자극	반응 1   (골격근에 의한 반응)	반응 2 (그 외의 반응)
차가 빠른 속도로 다가온다.	몸을 움직여 피한다.	심장이 빠르게 뛴다.
맛있는 음식이 식탁에 있다.	손으로 음식을 입에 넣는다.	입에 침이 고인다.
날시가 덥고 햇빛이 강하다.	옷을 벗거나 그늘로 피한다.	땀이 많이 나고, 물을 마시고 싶어진다.

 

참고자료: 지학사 생명과학1 교과서, EBS 수능특강 생명과학1