근육 장력-길이 성질, 힘-속도 관계, 근육 수축 유형

Table of contents

① 근육 힘-길이 성질 (Force-length properties)
② 근육의 힘-속도 관계 (Force-Velocity Relationship of Muscle)
③ 근육 수축 유형

① 근육 힘-길이 성질 (Force-length properties)

 

활주 필라멘트 이론의 증거로 길이-장력 관계(length-tension relationship)를 들 수 있다. 길이-장력 실험은 단일 가닥의 근섬유에서 측정한 장력을 각기 다른 근절의 길이에서 잰 것이다. Gorden과 동료들(1966)은 하나의 근절에서 나오는 장력은 근절의 초기 길이에 의해 결정된다는 것과 선형 관계가 아니라는 것을 밝혔다. 또한, 장력은 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트의 교차 수에 비례하였다. Gorden과 동료들의 연구는 근절 하나로 실험을 했지만, 전체 근육에서도 똑같지는 않지만 비슷한 길이-장력 관계가 나타났다. 

 

 

근육 힘-길이 관계

 

쉬고 있는 근절의 길이를 기준으로 근육이 수축하여 필라멘트들의 가교수가 증가하면서 장력이 증가한다. 그러다가 가장 큰 힘을 낼 수 있는 근절의 길이 (쉬고 있는 근절의 길이)에서 최고의 장력을 나타낸다. 반대로 쉬고 있는 근절의 길이에서 근육이 늘어나면 가교수가 점점 줄어들게 되어 장력이 줄어든다. 근육이 늘어나면서 나타나는 장력을 passive tension이라고 한다.

 

실험과 달리 우리 몸은 일반적으로 과도하게 근육이 늘어나지 않는다. 왜냐하면 관절의 운동범위 때문이다. 관절이 근육이 과도하게 늘어나지 못하게하여 부상으로부터 보호해 준다. 

 

※ 근육 힘-길이 성질

º 힘-길이의 관계는 근육이 안정적인(이상적인) 길이에서 가장 큰 힘을 내고 안정적이 길이 보다 근육의 길이가 짧아지거나 길어질수록 힘이 줄어드는 것을 보여준다. 
º 근육의 길이가 짧아지거나 길어질 때 액틴과 미오신 필라멘트의 가교수가 감소하며 힘이 감소한다. 
º 근육의 힘과 길이의 관계는 활주 필라멘트 이론을 뒷받침해준다. 

활주 필라멘트 이론

 

 

② 근육의 힘-속도 관계 (Force-Velocity Relationship of Muscle)

 

근육에서 생성되는 힘은 액틴과 미오신의 가교수 뿐만 아니라 근육이 수축(shortening/lengthening)하는 속도에 따라 달라지도 한다.

 

Power = Force × velocity

파워는 힘과 속도의 곱으로 계산된다. Rack and Westbury (1969)의 고양이의 soleus 실험은 최대 파워는 속도가 최대일 때 나오는 것이 아니라는 것을 보여준다. 최대 파워는 액틴과 미오신의 이동(displacement), 교차 다리 수(the number of tension-producing cross bridges and the number that start to drag)의 밸런스에 의해 도달한다. 

 

근육이 안정한 길이보다 늘어나거나 줄어들 때 액틴과 미오신의 가교수가 줄어들며 근육에서 생성할 수 있는 힘이 줄어든다. 이때 근육의 길이가 변하는 속도에 의해 가교수와 액틴과 미오신의 이동거리가 영향을 받는다. 매우 빠른 근수축은 액틴과 미오신이 교차다리를 형성하는 능력을 감소시켜 가교수는 줄지만, 이미 형성되어 있는 교차 다리의 액틴과 미오신의 이동거리가 커진다. 

 

 

근육 힘-속도-파워 관계

 

근육의 최대 수축 속도에서는 교차다리가 생성되지 않아 제로 파워가 되고, 스트레칭을 하는 상황에서는 근육의 힘은 증가하지만 속도가 제로이므로 제로 파워가 된다. 최대 파워는 최대 근수축 속도의 1/3 지점에서 나타난다. 

 

※ 근육 힘-속도 관계

º 근육의 힘과 속도의 관계는 근육 수축의 속도가 최대 근수축 속도의 1/3 지점에서 가장 큰 힘을 낸다는 것을 보여준다. 
º 파워는 힘과 속도의 곱으로 계산된다. 
º 최대 파워는 액틴과 미오신의 이동과 가교수의 밸런스에 의해 도달한다. 

 

 

③ 근육 수축 유형

 

수축(contractions)은 일반적으로 축소의 의미가 있지만, 근육계에서는 근육섬유 내에서 액틴과 미오신의 가교에 의해 생기는 긴장을 의미한다. 가교가 형성되면 긴장 상태가 되는데 이때 근육은 늘어날 수도 있고, 줄어들 수도 있다. 그래서 근육 수축의 유형은 수축 중 근육의 길이에 따라 구분한다. 등장성 수축은 근육의 길이가 변하며 수축하는 것이고, 근육의 길이가 짧아질 수도(동심원 수축), 늘어날 수도 있다 (편심 수축). 등척성 수축은 근육이 수축할 때 근육의 길이가 변하지 않는다. 

 

등장성 수축: 동심 수축 (Concentric contractions)

º Muscle length is shortening.
º 근육의 길이가 줄어들며 힘을 낸다. 
º External (mechanical) work is done, and heat is produced by the muscle.

등척성 수축 (Isometric contractions)

º Muscle length doesn't change.
º 근육의 길이 변화없이 힘을 낸다. 
º No external work is done, heat is produced by the muscle.

등장성 수축 : 편심 수축 (Eccentric contractions)

º Muscle length is lengthening.
º 근육의 길이가 늘어나며 힘을 낸다. 
º Negative work is done, the muscle absorbs external energy, so muscle gets much hotter for the same tension provided in a concentric contraction. 

 

 

 

References

 

1. Gordon, A. M., Huxley, A. F., & Julian, F. J. (1966). The variation in isometric tension with sarcomere length in vertebrate muscle fibres. The Journal of physiology, 184(1), 170-192.

2. Rack, P. M., & Westbury, D. R. (1969). The effects of length and stimulus rate on tension in the isometric cat soleus muscle. The Journal of physiology, 204(2), 443-460.