신경 신호에서 가로다리까지

마이오신 머리가 한 번 힘을 쓸 때마다 가는 근육잔섬유가 약 10 nm 움직이고, 한 바퀴마다 ATP가 쓰입니다.

신호가 도착합니다

움직이겠다고 마음먹는 결정은 뇌에서 시작되지만, 뼈대근육 섬유에 실제로 명령을 전하는 것은 운동 뉴런(motor neuron)입니다. 이런 운동 뉴런은 대부분 세포체가 척수 안에 자리 잡고 있고, 그 축삭은 근육에 닿기 위해 약 90 cm까지 길게 뻗어 나갈 수 있습니다. 축삭 끝과 섬유가 만나는 접점을 신경근육이음부(neuromuscular junction)라고 합니다. 이 접점에서 축삭 끝은 화학 전령인 아세틸콜린(ACh)을 내보냅니다. ACh는 아주 좁은 틈인 시냅스 틈(synaptic cleft)을 건너, 운동종판(motor end-plate)이라는 부분의 섬유막에 있는 수용체에 붙습니다. 이 수용체는 그 자체가 통로이기도 해서, ACh가 붙으면 열리고 양전하를 띤 이온이 안으로 흘러 들어와 섬유 안쪽의 음전하가 줄어듭니다.

이 변화가 전압에 따라 열리는 나트륨 통로(voltage-gated sodium channel)를 열면, 나트륨이 몰려 들어오며 활동 전위가 막 전체를 따라 쓸고 지나가듯 퍼집니다. 그동안 아세틸콜린에스테라아제(acetylcholinesterase)라는 효소가 틈에 남은 ACh를 분해합니다. 이렇게 치워야 남은 ACh가 섬유를 계속 되풀이해 자극하지 못합니다.

세포막에서 칼슘까지

근육섬유는 굵기가 100 마이크로미터까지 되어서, 겉에서 생긴 신호가 가운데까지 빨리 닿기에는 너무 넓습니다. 그래서 세포막이 가는 관 모양으로 세포 안까지 파고드는데, 이것이 가로세관(T세관, T-tubule)이며 T는 가로(transverse)를 뜻합니다. 가로세관은 활동 전위를 겉에서 세포 안 깊은 곳까지 실어 나릅니다. 가로세관 하나하나는 칼슘을 저장하는 창고인 근육세포질그물의 크게 부푼 주머니 두 개 사이를 지나가며, 이 셋을 합쳐 세 짝(삼조체, triad)이라고 합니다. 활동 전위가 지나가면 근육세포질그물의 통로가 열리고, 칼슘 이온(Ca2+)이 근육세포질로 쏟아져 나옵니다. 전기 신호가 기계적인 당김으로 이어지는 이 연결을 흥분-수축 짝지음(excitation-contraction coupling)이라고 합니다.

가로다리 한 바퀴의 다섯 단계

근육이 쉬는 동안에는 트로포미오신 가닥 하나가 액틴을 따라 길게 누워 마이오신이 붙을 수 있는 자리를 덮고 있고, 트로포닌이 그 가닥을 제자리에 잡아 둡니다. 1단계: Ca2+가 트로포닌에 붙고, 그러면 트로포미오신이 결합 자리에서 옆으로 비켜납니다. 2단계: 이미 젖혀진 채 지난 바퀴의 ADP와 인산을 아직 쥐고 있던 마이오신 머리가 액틴에 붙습니다. 마이오신 머리와 액틴 사이의 이 연결을 가로다리(cross-bridge)라고 합니다. 3단계는 힘내기 동작(power stroke)입니다. 인산이 떨어져 나가면서 머리가 더 단단히 붙잡고 M선 쪽으로 꺾이며, 그 힘으로 가는 잔섬유를 약 10 nm 끌어당깁니다. 이어서 ADP가 떨어지지만 머리는 아직 액틴에 붙어 있습니다. 4단계: 새 ATP 분자 하나가 머리에 와서 붙으면, 그 때문에 머리가 액틴을 놓습니다. 5단계: 머리가 붙어 있던 ATP를 ADP와 인산으로 나누고, 그때 나온 에너지로 다시 젖혀진 자세로 돌아가 조금 더 앞쪽에서 다시 붙을 준비를 합니다.

모형의 단계 목록에서 단계를 하나씩 골라 주황색 머리가 어떻게 움직이는지 보세요. 그다음에 재생을 눌러 전체가 움직이는 모습을 봅니다. 많은 머리가 저마다 다른 때에 한 바퀴를 돌기 때문에, 언제나 몇몇은 붙잡고 있고 다른 몇몇은 앞으로 손을 뻗습니다. 여러 사람이 한 팀이 되어 손을 번갈아 가며 밧줄을 끌어당기는 모습과 조금 비슷합니다.

ATP가 두 번 필요한 까닭

ATP는 가로다리가 한 바퀴 도는 동안 두 번 필요합니다. 머리가 액틴을 놓게 만드는 것이 ATP이고, ATP를 나눌 때 나오는 에너지가 머리를 다시 젖힙니다. 또 칼슘을 근육세포질그물로 되돌려 보내는 펌프도 ATP로 움직입니다. 그래서 ATP가 없으면 마이오신 머리는 액틴에 붙은 채 풀리지 않습니다. 죽은 뒤 얼마 지나지 않아 근육이 뻣뻣하게 굳는 사후 경직(rigor mortis)이 생기는 원인이 바로 이것입니다. 새 ATP를 만들 수 없으니 가로다리가 끝내 풀리지 않는 것입니다. 모형에서 ATP를 끄면 액틴에 닿을 수 있는 머리는 모두 붙은 채로 남습니다.

수축을 끄는 과정

운동 뉴런이 ACh를 더 내보내지 않으면 수축이 멈춥니다. 그러면 세포막이 쉬는 상태로 돌아가고 칼슘 통로가 닫히며, 펌프가 Ca2+를 근육세포질그물 안으로 다시 퍼 넣어 되돌립니다. 트로포닌이 붙잡고 있던 칼슘을 놓으면 트로포미오신이 미끄러지듯 돌아가 다시 결합 자리를 덮고, 새 가로다리가 생기지 않으니 섬유가 이완합니다. 민무늬근육도 수축할 때 칼슘을 쓰지만, 쓰는 방식이 뼈대근육과 다릅니다. 민무늬근육에는 트로포닌이 없어서 칼슘이 칼모듈린(calmodulin)이라는 단백질에 붙고, 칼모듈린이 효소 하나를 켜서 그 효소가 마이오신 머리를 활성화합니다.

신호 하나에 경련 한 번

활동 전위 하나는 연축(twitch)이라는 짧은 수축 한 번을 일으키며, 이 연축은 근육에 따라 몇 밀리초에서 약 100 밀리초까지 이어집니다. 섬유가 미처 이완하기 전에 다음 신호가 도착하면 힘이 더해져 더 세게 당기고, 신호가 충분히 잦으면 연축들이 하나로 이어져 끊김 없이 계속되는 매끈한 수축이 되는데, 이를 강축(tetanus)이라고 합니다. 또 신경계는 운동 단위를 몇 개나 동원하느냐로도 힘의 크기를 조절합니다. 운동 단위(motor unit)는 운동 뉴런 하나와 그 뉴런이 맡은 섬유 전부를 말합니다. 눈을 움직이는 근육에서는 뉴런 하나가 섬유 약 여섯 개만 맡아서 움직임을 아주 섬세하게 조절할 수 있습니다. 반면 넙다리나 등에 있는 큰 근육에서는 뉴런 하나가 섬유 수천 개를 맡기도 합니다.

이 내용은 몸의 구조와 작동을 배우기 위한 교육 자료입니다. 의학적 조언이 아니며 진단이나 치료에 쓰지 않습니다.