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국민연금공단 심사직 전공 고난도 모의고사 1회
문제

단일 골격근 섬유에서 충분한 강도의 두 자극 간격을 줄였더니 두 번째 자극이 첫 수축의 이완 전에 도달했다. 불응기는 지났으며 근섬유 수는 일정하다. 장력 증가의 주된 설명은?

해설
이완이 끝나기 전에 다시 자극하면 Ca²⁺가 충분히 회수되지 않은 상태에서 수축이 중첩될 수 있다. 활동전위는 실무율을 따르며 이 문제는 단일 섬유라 운동단위 동원이 아니다. 필라멘트 길이 증가나 즉각적인 단백질 합성도 설명이 되지 않는다.

[근거] OpenStax Anatomy and Physiology 2e — https://openstax.org/books/anatomy-and-physiology-2e/pages/10-4-nervous-system-control-of-muscle-tension
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심화 해설

두 번째 자극이 첫 수축의 이완이 끝나기 전에 도달하면, 근육은 아직 이완되지 않은 상태에서 다시 수축하라는 신호를 받습니다. 이때 근섬유 수는 일정하고 불응기도 지났으므로, 새로운 활동전위가 정상적으로 발생하여 수축 과정을 다시 촉발할 수 있습니다. 단일 골격근 섬유에서 장력이 증가하는 주된 이유는 세포질 내 Ca²⁺ 농도가 충분히 낮아지기 전에 다음 자극이 도달하여 수축이 시간적으로 가중되기 때문입니다.

Ca²⁺ transient와 수축의 시간적 가중

골격근이 수축하려면 활동전위가 근형질세망(sarcoplasmic reticulum)에서 Ca²⁺를 방출시켜야 합니다. 방출된 Ca²⁺는 트로포닌(troponin)에 결합하여 액틴-미오신 상호작용을 허용하고, 이후 Ca²⁺가 근형질세망으로 재격리(sequestration)되면서 근육은 이완됩니다. Miledi 등의 연구는 개구리 골격근 섬유에서 활동전위에 의해 유발되는 세포질 내 Ca²⁺ transient를 직접 측정했는데, 이는 Ca²⁺가 순간적으로 급증한 뒤 서서히 감소하는 시간 경과를 보이며, 반복 자극 시 이 Ca²⁺ 신호가 수축 반응과 밀접하게 연관됨을 보여줍니다.

첫 자극으로 방출된 Ca²⁺가 아직 근형질세망으로 충분히 회수되지 않은 상태에서 두 번째 활동전위가 도달하면, 두 번째 방출된 Ca²⁺가 남아 있던 Ca²⁺와 합쳐집니다. 그 결과 세포질 Ca²⁺ 농도는 단일 자극 때보다 더 높고 오래 유지되며, 더 많은 트로포닌이 Ca²⁺와 결합한 상태로 남아 액틴-미오신 교차결합(cross-bridge)이 더 많이 형성됩니다. 이것이 단일 근섬유에서 관찰되는 장력 증가, 즉 수축의 시간적 가중(temporal summation)입니다.

파상풍(tetanus)으로 가는 중간 단계

Rhee 등의 연구는 골격근에서 burst (tetanic) stimulation이 개별 단일수축(twitch)을 합산(summation)하여 더 높은 근력을 생성한다고 설명합니다. 자극 간격이 충분히 짧아지면 개별 수축이 완전히 융합되어 강축(fused tetanus)에 도달하지만, 이 문제의 상황은 아직 완전한 강축이 아니라 불완전 강축(incomplete tetanus) 또는 가중 단계에 해당합니다. 이때 장력 증가는 운동단위 수 증가나 활동전위 진폭 증가가 아니라, 동일한 근섬유 내에서 Ca²⁺가 제거되기 전에 다음 수축이 겹쳐지면서 교차결합 형성이 누적되는 기전으로 설명됩니다.

오답 정리

보기오답 이유
1. 활동전위 진폭 증가골격근 활동전위는 실무율(all-or-none) 법칙을 따르므로 자극 간격이 줄어든다고 진폭이 커지지 않습니다.
2. 활성화된 운동단위 수 증가문제에서 근섬유 수는 일정하다고 명시했으며, 단일 골격근 섬유에서의 현상을 묻고 있으므로 운동단위 동원(recruitment)은 해당하지 않습니다.
4. 굵은 필라멘트 길이 증가미오신 필라멘트 길이는 자극 빈도에 따라 즉시 변하지 않으며, 장력은 필라멘트 길이 자체보다 겹침 정도와 교차결합 수에 의해 결정됩니다.
5. 액틴 단백질 합성 증가단백질 합성은 수 시간~수 일에 걸친 적응 과정으로, 수 밀리초~수십 밀리초 단위의 자극 간격 변화로 인한 즉각적 장력 증가를 설명할 수 없습니다.


혼동 주의! 장력 가중을 설명할 때 운동단위 동원(공간적 가중, spatial summation)과 혼동하기 쉽습니다. 문제에서 근섬유 수가 일정하다고 한 것은 공간적 가중을 배제하고 시간적 가중에 초점을 맞추라는 단서입니다.

핵심! 이완이 끝나기 전에 다음 자극이 오면, 세포질 Ca²⁺가 기저 수준으로 돌아가지 못한 상태에서 추가 Ca²⁺가 방출되어 더 높은 Ca²⁺ 농도가 유지되고, 이것이 더 많은 교차결합 형성으로 이어져 장력이 증가합니다.

임상 시나리오

골격근 수축 가중의 임상적 이해Ca²⁺ 동역학과 자극 빈도의 관계

단일 근섬유에서 불응기가 지난 후 이완 전에 재자극하면, 근형질세망이 Ca²⁺를 충분히 재격리하지 못한 상태에서 추가 방출이 일어난다. 이로 인해 세포질 Ca²⁺ 농도가 누적되어 더 많은 트로포닌이 결합 상태로 유지되고, 교차결합 형성이 증가하여 장력이 가중된다.

자극 간격이 더 짧아지면 개별 수축이 완전히 융합되어 강축에 도달한다. 문제의 상황은 불완전 강축 또는 가중 단계로, 운동단위 수나 활동전위 진폭의 변화 없이 동일 섬유 내 Ca²⁺ 제거 지연만으로 설명된다.

주의

근섬유 수가 일정한 단일 섬유 조건에서는 운동단위 동원을 장력 증가의 원인으로 고려하지 않는다. 활동전위는 실무율을 따르므로 진폭 변화도 배제해야 한다.

핵심 개념

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