근육잔섬유 미끄러짐 모형

근육원섬유마디가 짧아질 때 액틴도 마이오신도 짧아지지 않습니다. 서로 미끄러질 뿐입니다.

두 가지 근육잔섬유

뼈대근육 섬유 하나를 배율 높은 강한 현미경으로 들여다보면 어두운 띠와 밝은 띠가 번갈아 늘어선 모습이 보입니다. 이런 무늬는 근육원섬유마디 하나하나 속에 들어 있는 두 가지 단백질 잔섬유(filament)에서 생깁니다. 가는 근육잔섬유(thin filament)는 주로 액틴으로 되어 있는데, 구슬을 꿴 줄 두 가닥을 서로 꼬아 놓은 것 같은 하나의 가닥을 이루고, 이 가닥을 따라 조절을 맡은 단백질인 트로포미오신(tropomyosin)과 트로포닌(troponin)이 길게 붙어 있습니다. 가는 잔섬유는 마디 양 끝의 Z원반에 박혀 있고, 거기서부터 마디의 가운데를 향해 뻗어 있습니다. 굵은 근육잔섬유(thick filament)는 마이오신으로 되어 있으며, 굵은 잔섬유 하나에 마이오신 분자가 약 300개씩 들어 있습니다. 굵은 잔섬유는 마디 가운데에 놓여 M선(M line)에서 서로 붙들려 있고, 한가운데에 머리 없이 맨 구간이 조금 있는데, 그 부분을 빼고는 어디서나 머리가 가는 근육잔섬유 쪽으로 튀어나와 있습니다.

띠의 이름

이 띠들의 이름은 현미경에서 겉으로 보이는 모습을 따라 붙었습니다. A띠(A band)는 어두운 띠이고, 그 폭은 굵은 근육잔섬유의 길이와 같으며, A띠의 바깥쪽 두 부분에는 가는 근육잔섬유가 겹쳐 들어와 있습니다. I띠(I band)는 Z원반을 사이에 두고 그 양쪽에 펼쳐진 밝은 부분으로, 이 구간에는 가는 근육잔섬유만 있고 굵은 잔섬유는 없습니다. H대(H zone)는 A띠 가운데의 조금 더 밝은 부분으로 굵은 근육잔섬유만 있고 가는 잔섬유는 닿지 않습니다. 그리고 그 한가운데를 세로로 M선이 지나갑니다. 근육원섬유마디 하나는 Z원반 하나에서 바로 다음 Z원반까지를 말하므로, 마디 하나에는 A띠 하나 전체와 양 끝의 I띠 절반씩이 들어 있습니다.

바뀌는 것과 그대로인 것

이완한 마디와 수축한 마디를 나란히 놓고 비교해 보면 세 가지가 달라져 있습니다. 첫째로 Z원반끼리 서로 가까워집니다. 둘째로 I띠가 좁아지고, 셋째로 H대도 좁아집니다. 그런데 A띠의 폭은 조금도 변하지 않고 그대로입니다. 만약 잔섬유 자체가 짧아지는 것이라면, 굵은 잔섬유의 길이와 같은 A띠도 함께 줄어들어야 합니다. 그런데 A띠가 줄지 않으니 잔섬유는 자기 길이를 그대로 지닌 채 서로의 곁을 미끄러져 지나가고, 그 결과 두 잔섬유가 겹치는 부분이 늘어나는 것입니다. 이렇게 설명하는 방식을 근육잔섬유 미끄러짐 모형(sliding filament model)이라고 합니다. 마디가 완전히 수축하면 가는 잔섬유와 굵은 잔섬유가 완전히 겹치고, I띠는 거의 사라집니다.

위의 모형에서 수축 막대를 끌면서 모서리에 나오는 숫자를 하나씩 읽어 보세요. 막대를 수축 쪽으로 움직일수록 근육원섬유마디의 길이, I띠, H대가 모두 작아집니다. 하지만 A띠는 막대를 어디까지 움직이든 처음부터 끝까지 같은 퍼센트에 머뭅니다.

누가 누구를 당기나

수축하는 동안 굵은 근육잔섬유는 제자리에 그대로 머물고, 움직이는 쪽은 가는 근육잔섬유입니다. 굵은 잔섬유에서 튀어나온 마이오신 머리가 가는 잔섬유를 붙잡아 마디 가운데의 M선 쪽으로 당기는데, 가는 잔섬유는 양 끝의 Z원반에 고정되어 박혀 있으니 Z원반도 함께 안쪽으로 끌려옵니다. 굵은 잔섬유의 왼쪽 절반에 있는 머리들은 한쪽 방향으로 당기고 오른쪽 절반에 있는 머리들은 반대 방향으로 당기므로, 마디의 양 끝이 동시에 가운데를 향해 함께 다가옵니다. 또 이웃한 마디들은 사이에 있는 Z원반을 함께 쓰기 때문에, 근육원섬유 안에 줄지어 있는 모든 마디가 저마다 조금씩만 짧아져도 근육원섬유가, 그리고 섬유 전체가 크게 짧아집니다.

너무 길어도, 너무 짧아도

마이오신 머리는 가는 잔섬유와 굵은 잔섬유, 두 종류의 잔섬유가 서로 겹치는 구간에서만 액틴을 붙잡을 수 있습니다. 그래서 근육원섬유마디가 얼마나 길게 늘어나 있느냐에 따라 낼 수 있는 힘(장력)이 달라지는데, 이를 길이와 장력의 관계(length-tension relationship)라고 합니다. 마디는 쉴 때 길이의 약 80~120% 사이에 있을 때 가장 큰 힘을 냅니다. 마디를 그보다 훨씬 늘이면 겹치는 부분이 줄어들어 액틴에 손이 닿는 머리가 그만큼 적어집니다. 반대로 마디를 훨씬 더 짧게 줄이면 가는 잔섬유가 마지막 머리를 지나쳐 가운데로 몰려들고, 그래서 이때도 힘이 다시 떨어집니다. 잔섬유가 전혀 겹치지 않을 만큼 늘어난 마디는 이론상 아무 힘도 낼 수 없지만, 실제 몸에서는 보통 근육의 결합 조직과 다른 단백질이 그렇게까지 늘어나지 않게 막아 줍니다.

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