운동 생리학, 골격근과 운동

1. 골격근의 구조와 기능

뼈에 붙어 있는 근육을 골격근이라 한다. 골격근의 수축에 의해 신체의 움직임이 일어나며, 근수축은 신경계에 의해 조절된다. 근수축의 원리는 액틴과 마이오신필라멘트의 활주에 의해 발생한다.  골격근은 내장근에는 없는 가로무늬가 있어 가로무늬근이라고도 하며, 의지에 따라 움직일 수 있는 수의근이다. 골격근은 근다발>근섬유>근원섬유>근세사로 구성되어 있다.  그 중 근섬유는 근수축의 속도와 ATP의 생산경로에 따라 속근섬유와 지근섬유로 구분된다.

[1] 근섬유

 1) 근섬유의 특성
  - 근섬유는 근육을 구성하는 세포로 핵이 많은 다핵세모이며, 수축성 섬유이다.
  - 골격근은 의지에 따라 움직일 수 있어서 수의근이라 한다.
  - 골격근은 액틴필라멘트와 마이오신필라멘트의 규칙적인 배열로 가로무늬가 나타나서 횡문근이라고 한다.
  - 근육의 수축 속도와 수축을 위한 에너지원으로 사용되는 ATP를 어떤 대사경로를 통해 생산하느냐에 따라 속근섬유와 지근섬유로 구분된다.
  - 지근섬유는 근수축의 속도가 느리고, 미토콘드리아의 수가 많아 유산소 대사를 통해 에너지를 얻고 지구성 운동의 특성을 가진다.
  - 속근섬유는 근수축의 속도가 빠르고, 미토콘드리아의 수가 적어 무산소성 해당과정을 통해 에너지를 얻고, 순발성 운동의 특징을 가진다.
 - 성인은 약 50%의 지근과 약 25%식 속근a 및 속근 b로 구성된다.
 - 유전에 따라 지근섬유와 속근섬유 구성의 차이가 나타난다.
2) 근섬유의 구조
 - 골격근은 근섬유의 다발인 근다발로 구성되며 근섬유는 근원섬유와 근형질로 구성된다.
  - 근원섬유는 근세사로 구성되며, 근세사는 액틴필라멘트와 마이오신필라멘트로 구성된다.
  - 근육 > 근다발 > 근섬유 > 근원섬유 > 근세사 (액틴필라멘트, 마이오신필라멘트)
 * 근섬유의 구조와 기능
  - 근섬유막(원형질막, 근초) : 근섬유를 싸고 있는 막, 활동전압의 전도
  - 근형질 : 근섬유의 액체부분으로 세포질에 해당, 글리코겐과 미오글로빈 저장
  - 근형질세망(근소포체) : 근형질에 있는 막으로 된 망상조직, 칼슘 저장, 근수축시 칼슘 방출
  - 가로세관(T세관) : 근섬유막이 연장되어 근원섬유 사이를 지나가는 세관, 신경자극을 근원섬유로 전달.

[2] 근원 섬유

  1) 근원섬유의 특성
   - 하나의 근섬유는 1,000 ~ 2,000개의 근원섬유로 구성된다.
   - 지름 1마이크로미터 정도의 원통 형태
  2) 근원섬유의 구조
   - 근원섬유는 가는 액틴 필라멘트와 굵은 마이오신 필라멘트라는 근세사로 구성된다.
   - 근원 섬유가 적은 근섬유는 강항 장력은 없지만 근지구력을 가진다.

[3] 근섬유의 작용

1) 근수축의 원리
 (1) 근수축의 원리
   - 근수축은 액틴필라멘트와 마이오신필라멘트의 작용에 의해 발생한다.
   - 액틴필라멘트(가는 필라멘트)가 마이오신필라멘트(굵은 필라멘트) 위의 근섬유 마디 중심쪽으로 미끄러져 들어가면서 근수축이 일어나는데 이를 근세사활주설이라고 한다.
  - 근수축시 액틴과 마이오신 자체의 길이 변화는 없으며 H대와 I대, 근절의 길이가 짧아진다.
 (2) 근수축의 과정
   ① 칼슘과 트로포닌의 결합하여 트로포마이오신의 위치를 변화시켜 액틴에 있는 마이오신 결합 부위가 노출됨
   ② ATPase가 ATP를 ADP와 Pi로 가수분해시킴
   ③ 마이오신 머리가 액틴 결합부위에 결합하여 십자형 가교 형성
   ④ 마이오신 머리에서 ADP와 Pi이 방출되면서 마이오신 머리의 위치가 변화하여 액틴 섬유가 근절 안쪽으로 활주
   ⑤ 마이오신 머리에 ATP 가 결합하면서 마이오신과 액틴의 결합 풀림
 
 2. 골격근과 운동
 [1] 근섬유의 유형 (속근과 지근)
  1) 근섬유의 형태 및 생화학적 특성
  (1) 지근과 속근의 특성

	지근 (ST(slow-twitch muscle fiber)	속근 (FT(fast-twitch muscle fiber)
동일용어	적근, Type 1	백근, Type2
특성	- 모세혈관 밀도 및 마이오글로빈 함유량이 높음 - 지구성 운동 특성 가짐 - 느린 수축 - 피로에 대한 저항이 높음 - 미토콘드리아의 수나 크기 발달 - 산화 효소 발달 - 미토콘드라이의 산화 능력 높음	- 모세혈관 밀도 및 마이오글로빈 함유량 낮음 - 순발성 운동 특성을 가진 -  빠른 수축 - 피로에 대한 저항이 적음 - 미토콘드리아의 수가 적음 - 해당 효소가 발달함 - 해당 능력이 높음

   (2) 속근 섬유가 지근 섬유에 비해 수축 속도가 빠른 이유
   - 신경 세포의 세포체가 큼
   - 신경 섬유의 직경이 큼
   - 신경 세포의 축삭이 더 발달
   - 1개의 신경 세포가 지배하는 근섬유 수가 지근보다 많음
   - 근섬유의 근형질세망이 지근에 비해 발달함
   - ATPase가 지근에 비해 빠른 기전을 가짐
* 운동 종목에 따른 지근과 속근의 비율
   - 장거리 선수의 근육 : 지근 > 속근
   - 중거리 선수의 근육 : 지근 = 속근
   - 단거리 선수의 근육 : 지근 < 속근
[2] 근섬유의 동원
 - 하나의 운동 신경과 그 운동신경에 의해 활성화되는 모든 근섬유를 합한 단위를 운동단위라 한다. 근섬유에는 운동신경이 분포되어 있으며 운동단위를 기준으로 근섬유가 활성된다.
 1) 운동 단위의 특징
   - 운동단위란 하나의 운동 신경과 그 운동신경에 의해 활성화되는 모든 근섬유를 합한것을 말함
   - 1개의 운동뉴런은 여러 개의 근섬유를 지배할 수 있지만, 각각의 근섬유는 단지 하나의 뉴런에 의해 활성화됨
   - 하나의 운동단위에 있는 모든 근섬유는 같은 섬유의 유형을 가짐
   - 하나의 운동단위가 동시에 지근섬유와 속근섬유를 수축시키지 않음
   - 속근섬유는 지근섬유보다 신경세포가 지배하는 근섬유의 수가 더 많아 수축 속도가 빠름
   - 신경과 근섬유 비율이 높은 것은 큰 힘을 요구할 때 사용
   - 신경과 근섬유의 비율이 적은 것은 정교하고 정확한 동작에 사용

[3] 근섬유의 형태와 경기력

근섬유의 형태는 경기력에 영향을 준다. ST섬유 비율이 높으면 지구력 경기에 유리하고, FT섬유 비율이 높으면 순발력을 요하는 경기에 유리하다. 또한 운동 강도가 높아질 수록 ST섬유->FTa섬유->FTb섬유 순으로 근섬유가 동원된다.  골격근의 트레이닝에 의해 근섬유의 형태가 달라질 수 있다. 골격근의 트레이닝에 의한 효과는 근비대, 모세혈관의 밀도증가, 미토콘드리아의 산화 능력 향상, 근 섬유의 에너지 저장 능력 및 해당 능력 향상, 근력 증가, 효율성의 향상 등이다.

 1) 운동 강도에 따라 동원되는 근섬유

저강도의 운동	중간 정도의 강도	고강도 운동
ST섬유	ST와 FTa섬유	ST,FTa, FTb 섬유 이용

 2) 트레이닝에 따른 속근(FT)과 지근(ST)의 상대적 변화
  - 트레이닝에 따른 골격근의 유산소성 능력은 두 섬유 모두에서 공통적으로 증가한다.
  - ST 섬유는 FT 섬유에 비해 트레이닝 전 뿐 아니라 후에도 더 큰 유산소성 능력을 가짐
  - 해당 능력은 FT 섬유에서 더 큼
  - 운동 형태에 따른 선택적인 비대가 나타남
  (지구성 운동 후 : 지근 섬유가 더 비대, 순발성 운동 후 : 속근 섬유가 더 비대)
  - 트레이닝으로 FT와 ST 섬유의 상호 전환이 일어나지 않음
 3) 골격근의 트레이닝 효과
  (1) 근비대(hypertrophy)와 효과 > 근력 향상
   - 근섬유당 근원 섬유의 수와 크기의 증가
   - 마이오신 세사를 중심으로 수축 단백질 양의 증가
   - 섬유당 모세혈관 밀도의 증가
   - 결체 조직, 힘줄 그리고 인대 조직의 양 증가
  (2) 모세혈관의 밀도 증가와 효과 > 산소 및 기타 영양 성분 공급 능력 향상
   - 골격근의 비대로 인한 모세혈관의 수와 밀도의 증가
   - 총혈액량과 헤모글로빈 수 증가
 (3) 근섬유의 미토콘드리아 산화 능력 향상과 효과 > ATP 생성능력 향상
   - 지근, 속근 모두에서 미토콘드리아의 수와 크기 증가
   - 미토콘드리아에 작용하는 산화 효소 발달
   - 미토콘드리아의 산화 능력 향상
 (4) 근섬유의 에너지 저장 능력 및 해당 능력 향상과 효과 > 무산소성 대사능력 향상
   - ATP-PCr, 근글리코겐, 중성 지방의 저장 능력 향상
   - 해당 효소 (PFK) 발달
 (5) 결체 조직에서의 변화와 효과

뼈에서의 변화	- 낮은 강도의 트레이닝 : 길이나 둘레, 밀도에 변화 없음 - 높은 강도의 트레이닝 후 : 길이나 둘레는 성장이 억제되가, 밀도가 증가함 - 뼈의 효소 활동과 근력 증가
인대와 힘줄에서의 변화	- 인대와 힘줄에서 근력 증가 - 부상의 예방 효과 발생
관절과 연골에 대한 변화	- 관절에서 연골이 굵어짐

 (6) 효율성의 향상
 - 근신경의 조화가 잘 이루어짐
 - 불필요한 지방조직 없앰
 - 산소의 이용률 높아짐
** 효율성 = 운동량/전체 에너지 소비량 * 100
 > 사람의 효율성이 20~25% 정도이나, 고도로 훈련된 사람은 약 40%까지 높은 효율성을 가진다.
4) 지구성 트레이닝을 통한 골격근의 생화학적 변화
  - 지구성 트레이닝의 효과(유산소성 변화)

신체의 변화	트레이닝 효과
- 모세혈관의 밀도 증가 - 마이오글로빈 농도 증가	산소 운반 능력 증가
- 미토콘드리아의 수와 크기 증가 - 미코콘드리아 내 유산소성 효소 증가 - TCA회로와 전자전달계의 대사 작용 증가 - 근육 내 글리코겐 저장 증가	글리코겐의 산화 능력 향상
근육 내 중성 지방 저장 증가 연료로서 지방의 활용 능력 증가 지방산의 운반과 산화에 작용하는 효소 활동 증가	지방 산화 증가

[4] 근육의 수충 형태와 기능(근력, 파워, 근지구력)

1) 근수축의 형태
 * 근육의 길이 변화와 장력 변화에 따른 수축 유형 
  (1) 정적 수축(등척성 수축)
   - 근섬유의 길이가 일정한 근육 수축 운동
   - 특별한 장비 없이 수행 가능
   - 예)벽 밀기, 일정한 자세로 물건 들고 있기 등
 (2) 동적 수축(등장성 수축) 
   - 근육수축 시 길이가 달라지는 근육 수축 운동
 * 등장성 수축 유형

단축성 수축(구심성 수축)	신장성 수축(원심성 수축)
- 근육의 길이가 짧아지는 동안 장력 발생 - 근육이 주어진 저항을 능가하여 짧아질 때 발생 - 저항과 반대방향으로 발생 예) 바벨 들기, 데드 리프트, 턱걸이에서 팔을 굽히는 동작에서 주관절 상완 이두근 수축	- 근육의 길이가 늘어나는 동안 장력 발생 - 저항을 이기지 못하여 근육의 길이가 늘어날 때 발생 - 부상과 통증이 발생할 수 있음 예) 바벨 내리기, 턱걸이에서 내려오는 동작, 팔굽혀 펴기에서 팔굽히는 동작에서 주관절 상완삼두근이 신장하면서도 긴장 유지

(3) 등속성 수축
 - 관절각이 동일한 속도로 움직임
 - 근이 짧아질 떄 근에서 발생하는 장력이 운동의 전 범위에 걸친 모든 관절각에서 최대치임
 - 근기능의 진단, 재활 훈련, 근력 보강 훈련 등 주로 재활치료에 활용
2) 근력, 파워, 근 지구력
 (1) 근력
  - 근육이 발휘할 수 있는 최대 힘
  - 근육의 굵기 또는 횡단면적에 비례
  - 근력은 트레이닝을 통한 근육의 비대로 증가
(2) 파워(순발력
  - 힘을 빠르게 발휘할 수 있는 능력
  - 순발력 = 근력 x 속도
  - 자기 최대근력의 30%정도의 근력을 발휘할 때 가장 큰 순발력 발휘할 수 있음
(3) 근 지구력
  - 운동을 계속 수행할 수 있고, 운동 피로를 견뎌내는 능력
  - 근력을 바탕으로 발휘되는 힘
  - 턱걸이, 팔굽혀펴기, 윗몸 일으키기 등으로 측정할 수 있음