[4] 근육의 기계적 성질
4 | 근육의 기계적 성질 |
학습포인트 |
근육의 종류와 특징 관련 문제는 해부생리학에서 중복하여 출제되는 경향이 있으며, 수동불충분과 능동불충분에 대한 문제도 꾸준히 출제되는 경향이 있다. 특히 근 수축과 관련된 특징 그래프에 대한 문제가 자주 출제되고 있다. |
중요포인트 | 출제연도 |
근육의 분류 | 21 23 |
근 수축기전 | 21 |
근육의 기계적 성질 | 20 21 22 |
능동불충분과 수동불충분 | 22 23 25 |
근수축의 종류 및 특징 | 22 24 |
근육의 특징관련 그래프 | 20 21 22 |
[1] 근육의 기계적 성질
1. 근육의 기계적 성질
1) 근육의 기계적 구성
• 근육원섬유: 조직부피의 50%
• 미토콘드리아: 30~35%
• 그물 및 관상계: 5%
• 결합조직(나머지)
2) 근육의 수축을 이루는 세 종류의 탄성성분
마이오신 필라멘트 | • 근수축의 가장 기본요소 • 굵은 필라멘트 • 능동장력(active tension)의 발생과 관련 있음 |
병렬 탄성성분 | • 필라멘트끼리 서로 분리되지 않는 이유: 근육원섬유를 결합조직이 감싸면서 병렬연결하기 때문 • 근육원섬유가 늘임되었을 때 생기는 장력에 관여 |
직렬 탄성성분 | • 근이 일정 길이 이상 짧아지지 않는 이유: 결합조직이 직렬로 연결되어 늘임과 단축에 반작용하기 때문 • series compliance: 직렬 탄성성분에 의해 일어나는 현상 • 최대장력이 발생했을 때 뼈대근육 길이의 3%에 해당하는 근육의 평행섬유(parallel fiber)가 수축하여 짧아지는 길이는 전체의 70% |
3) 가중(summation)
• 하나의 자극은 직렬 탄성성분 때문에 그 자극이 아무리 크다 해도 최대 근육섬유 장력이 생기기 전에 이미 소멸됨. 그러나 두 번째 자극의 수축이 끝나기 전에 다시 자극이 가해지면 두 번째 반응으로 형성된 장력은 첫 번째 반응으로 형성된 장력에 가세됨(단, 불응기가 지난 후)
• 두 개의 자극 사이의 간격이 짧으면 짧을수록 가중된 반응은 더 커지게 됨
• 자극이 빠르게 반복되면 직렬 탄성성분은 이미 늘임되어 있어, 근육섬유가 이완될 시간이 없음. 따라서 단계적인 가중을 일으켜 최대장력이 발생하여 지속적인 강축(tetanus)을 유발
• 강축: 운동단위가 발생할 수 있는 최대장력
• 강축은 단일 연축 시 나타나는 장력의 4배가 됨
4) 길이–장력(length–tension)의 상호관계
• 수동적인 길이–장력곡선의 경우, 병렬탄성요소(근육을 에워싸거나 평행하게 놓인 조직인 근육다발막)와 직렬탄성요소(근육의 수축방향과 직렬구조인 힘줄과 근육원섬유마디를 연결하는 티틴)가 근육 내에서 늘임될 때 발생하는 장력과의 관계
• 능동적인 길이–장력곡선의 경우, 근섬유의 수축(수축성 조직)에 의해 능동적으로 발생
• 능동길이–장력관계 곡선은 안정길이(resting length)에서 최대 능동장력을 가짐
• 길이–장력곡선은 능동적인 힘과 수동적 장력의 합 곡선
수동장력 | • 수동장력: 수동적 탄성성분에 의해 발생 • 수동적인 길이–장력곡선에 관여하며 세포바깥결합조직, 힘줄 및 구조단백질과 같은 비수축성 조직들에 의해 생산된 탄성력에서 발생 |
능동장력 | • 능동장력에 관여하는 요인 –운동단위의 크기와 근육 가로단면의 넓이 –흥분되는 운동단위의 수 –자극빈도 –십자교 형성에 참여하는 수(클수록 능동장력이 크다) 예 우상(pinnate)의 섬유배열은 병렬배열보다 근육섬유의 수가 많기 때문에 장력이 더 큼 |
길이–장력의 상호관계 | • 길이–장력 관계는 세포내액의 전해질 조성에 의해 영향을 받음 (Ca2+ 농도변화는 길이–장력곡선의 모양과 크기를 변화시킴) • 일정한 근육섬유의 길이에서 보면 장력은 이완기보다 신장기에서 더 큼 • 근육에서 생성되는 총 장력 = 능동장력 + 안정장력 • 최적길이(optimal length): 근육에서 최대장력이 발생하는 근의 길이 • 최대장력이 발생하는 범위: 근육원섬유마디의 길이가 2 μm 정도의 범위 내 –근육의 운동범위는 최대한 50%까지 짧아질 수 있음 –위팔두갈래근이 최대의 장력을 발생할 수 있는 상태는 팔꿉관절 90° |
그림 근육의 수동장력과 능동장력
그림 근육의 길이–장력 관계
그림 내적 토크–관절각도 곡선
실제 최대노력의 등척성 수행 관절각도에 대한 토크 곡선을 보면 근육 무리에 따라 다르게 나타날 수 있다. A 그림의 경우 팔꿉관절 굽힘근육의 토크는 중간가동 범위에서 가장 크며, 엉덩관절 벌림근육들의 토크의 경우는 이마면에서 10° 전후에서 가장 크게 나타난다.
•해부학적 자세에서 팔꿉관절 굽힘 시 최대 노력의 등척성 수행으로 약 90° 사이에서 최대토크를 갖음(책에 따라 약 75~90° 사이에서 최대토크를 갖는다고 표현됨).
•엎드린 자세에서 무릎굽힘 시 넙다리뒤근의 경우 굽힘 각도가 증가할수록 토크는 점차 감소
TIP |
스트레스-스트레인곡선 (Stress-strain curve) 22 • 탄성영역 : 스트레스가 증가함에 따라 스트레인도 증가함. 스트레스 제거 시 조직은 원래의 길이로 돌아옴 • 가소성영역: 스트레스가 증가함에 따라 스트레인의 변화는 미미함. 조직의 변형을 통해 스트레스가 제거되어도 원상태로 돌아갈 수 없음 • 항복점: 탄성과 가소성의 경계를 이루는 지점 • 최종파열점: 늘임이 계속될 때 조직의 부분 또는 완전 분리 지점으로 장력을 유지하는 능력을 상실하는 지점 |
5) 능동불충분과 수동불충분 22 23 25
능동불충분 | • 근육의 이는곳과 닿는곳이 서로 가까워질 때 근육의 수축력이 약해짐 • 주동근을 최대한 굽힌 상태에서의 수축 시 일어남 • 손목을 구부린 상태에서 주먹을 제대로 쥘 수 없는 이유 |
수동불충분 | • 주동근이 강하게 수축하더라도 길항근의 진폭 부족으로 운동이 제한됨 • 무릎관절을 편 상태에서 엉덩관절 굽힘시 제한됨 • 바로누운자세(supine position)에서 한쪽 다리를 들어 올릴 때 무릎을 완전히 펴면 넙다리뒤근(hamstrings)이 늘어나면서 수동불충분(passive insufficiency) 이 발생하여 엉덩관절 굽힘 범위가 제한 |
※ Tip 수동불충분과 능동불충분 참고
그림 넙다리뒤근에서 능동불충분의 예
그림 넙다리뒤근에서 수동불충분의 예
6) 힘–속도의 상호관계
• 일이 행해질 때 단축이 느리면 열 발생이 없음
• 단축이 빠르면
–행해진 일의 양 감소
–상대적으로 열이 더 많이 생성
• 단축이 일어나지 않을 때 최대의 힘 혹은 최대 장력 발생
• 단축의 최대속도 = 수행된 일의 최소
• 저항의 크기가 증가하면 수축 속도는 감소하고, 저항이 너무 커져서 근육이 저항을 이길 수 없는 점에 이르면 속도는 ‘0’이 됨
7) 근수축 속도와 수축형태의 관계 20 22
동심성 수축 | 편심성 수축 |
• 수축 속도 감소 → 장력 증가 • 동심성 수축으로 근육이 작용할 때 저항의 효과를 증대시키려면 속도를 감소시켜야 함 | • 수축 속도 증가 → 장력 증가 • 편심성 수축으로 근육이 작용할 때 저항의 효과를 증대시키려면 속도를 증가시켜야 함 |
그림 근육수축의 속도–장력 관계
▣ 근육의 힘–속력 관계 22
근육활성의 유형 | 힘–속력 관계 | 근거 |
동심성 | • 수축 속도가 느릴수록 더 큰 힘을 생산 | • 액틴–마이오신 교차결합의 형성을 위한 최대 시간 |
편심성 | • 길어지는 속도가 빠를수록 더 큰 힘을 생산 | • 근육의 수동요소들의 늘임 |
등척성 | • 등척성 활성으로부터의 힘은 어떤 속도의 동심성 수축보다 더 큼 | • 등척성 수축의 속력은 0이므로 최대 교차결합 형성을 위한 시간을 더 갖게 됨 |
8) 근육의 운동생리학적 변화
호흡과 산소부채 | • 산소부채: 산소의 공급량이 요구량을 충족시키지 못하여 산소가 부족한 상태 |
순환계의 변동 | • 심박수의 증가 • 혈압의 상승(혈액의 pH 하강 → 중추신경계에 작용 → 지름이 큰 혈관들을 수축 ↔ 혈압상승) • 심박출량의 증가 |
근육의 비대 | • 근의 부피, 중량, 수축력이 커짐 • 근세포 하나하나의 크기가 증가한 결과 • 세포 수의 변화는 없음 • 운동신경의 일부 절단, 병적상태, 근 운동을 장시간 하지 않았을 때는 근의 용적(부피)이 줄고 수축력도 약해짐 |
체온의 상승 | • 근수축의 결과 열이 발생 |
소변의 변화 | • 운동 중 생긴 젖산, 탄산, 기타 산성물질에 의한 혈액의 산성 경향을 없애는 콩팥의 조절작용 |
근육 내 변화 | • 근육 내 glucose는 감소하고 lactic acid가 생김 |
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