근세사 활주설

---

근세사 활주설

 

 

근세사 활주설(sliding-filament theory)은 근육 수축의 기본 원리를 설명하는 핵심 이론이다. 이 이론에 따르면, 근절의 양쪽 끝에 위치한 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트를 향해 활주 운동을 하면서 Z-선을 근절의 중심부로 끌어당김으로써 근섬유가 수축하게 된다. 이러한 분자 수준의 움직임은 근육 전체의 수축으로 이어진다.

 

액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 방향으로 이동할 때 H-구역과 I-대의 길이가 점진적으로 감소하게 된다. 이 과정에서 마이오신 단백질의 십자형교가 액틴 필라멘트를 순차적으로 잡아당기는 역할을 수행한다. 개별 십자형교의 굴곡 운동으로 인한 액틴 필라멘트의 이동거리는 매우 미세하지만, 실제로 관찰 가능한 수준의 근육 수축이 일어나기 위해서는 근육 전체에 분포되어 있는 수많은 십자형교들이 동시에 작동하면서 매우 빠른 속도로 반복적인 당김 운동을 수행해야 한다.

 

휴식단계에서는 대부분의 칼슘 이온이 근형질세망 내부에 안전하게 저장되어 있어, 근원섬유 내부의 칼슘 농도는 매우 낮은 상태를 유지한다. 이러한 상태에서는 액틴과 마이오신 사이의 십자형교 연결이 최소화된다. 그러나 액틴 단백질의 십자형교 결합 부위가 차단되어 있는 상태에서도, 마이오신과 액틴은 기본적인 약한 연결 상태를 유지하고 있다. 저장되어 있던 칼슘 이온이 방출되면 액틴의 결합 부위가 노출되면서 마이오신과의 연결이 강화되고, 이로 인해 근육의 긴장도가 증가하게 된다.

 

흥분-수축 결합 단계에서는 마이오신 십자형교의 구조적 변화가 일어나기 위한 선행 조건으로 액틴 필라멘트와의 안정적인 결합이 필수적이다. 근형질세망이 적절한 자극을 받아 칼슘 이온을 방출하게 되면, 이 칼슘 이온들은 즉시 트로포닌(troponin) 단백질과 선택적으로 결합한다. 트로포닌은 액틴 필라멘트를 따라 규칙적인 간격으로 정교하게 배열되어 있으며, 칼슘 이온에 대한 특이적 친화도가 매우 높은 특성을 가지고 있다.

 

 

이러한 칼슘-트로포닌 결합은 액틴 필라멘트의 이중 나선 구조에 있는 길고 얇은 홈에 위치한 트로포마이오신(tropomyosin)이라는 또 다른 조절 단백질의 위치 변화를 유도한다. 이러한 구조적 변화로 인해 마이오신 십자형교는 더욱 효율적으로 액틴 필라멘트와 결합할 수 있게 되며, 이는 액틴 필라멘트를 근절의 중심부로 효과적으로 이동시키는 데 필요한 힘을 생성하게 된다. 특정 시점에서 근육이 발생시키는 힘의 크기는 해당 순간에 액틴 필라멘트와 횡방향으로 결합되어 있는 마이오신 십자형교의 총 개수와 직접적인 상관관계가 있다는 점을 이해하는 것이 매우 중요하다.

 

따라서, 특정 시점에서 액틴과 마이오신 사이에 형성되어 있는 십자형교 결합의 총량이 근육이 발생시킬 수 있는 힘의 크기를 결정하는 핵심 요인이 된다. 수축 단계에서 액틴을 효과적으로 당기는 파워 스트로크(power stroke) 과정에 필요한 에너지는 ATPase라는 특수한 효소에 의해 아데노신 삼인산(ATP)이 아데노신 이인산(ADP)과 무기인산으로 분해되는 과정에서 발생한다.

 

또한, 새로운 ATP 분자는 마이오신 머리 부분이 액틴의 활성 부위로부터 분리되어 원래의 위치로 되돌아가는 과정에서 마이오신 십자형교 머리에 있는 ADP를 대체하는 역할을 한다. 근육 내 칼슘 이온의 농도가 트로포닌과의 결합에 충분한 수준으로 유지되는 한 근수축 과정은 지속적으로 진행되며, 반대로 칼슘 농도가 불충분해지면 근육은 이완 상태로 전환된다. 이처럼 칼슘은 근수축 조절 외에도 골격근 내에서 일어나는 다양한 대사 활동을 조절하는 중요한 역할을 수행하는데, 이는 해당과정, 산화적 에너지 대사, 단백질의 합성 및 분해 등의 과정을 포함한다.

 

따라서 칼슘 이온과 ATP는 액틴과 마이오신 필라멘트 사이의 십자형교를 통한 결합과 분리의 순환 과정에서 필수불가결한 요소로 작용한다. 재충전 단계에서 일어나는 측정 가능한 수준의 근육 단축은 칼슘과 트로포닌의 결합으로부터 시작되는 일련의 복잡한 과정들, 즉 액틴과 마이오신 십자형교의 결합, 파워 스트로크의 실행, 액틴과 마이오신의 분리, 그리고 마이오신 십자형교 머리 부분의 원위치 복귀 등의 과정이 근섬유 전체에 걸쳐 연속적이고 반복적으로 일어날 때에만 가능하다. 이러한 전체 과정은 근원섬유 내에서 칼슘이 충분히 이용 가능하고, ATP가 액틴으로부터 마이오신을 효과적으로 분리시킬 수 있으며, ATP의 분해를 촉매하는 마이오신 내의 활성 ATPase가 적정 수준으로 존재할 때에만 정상적으로 진행될 수 있다.

 

이완 단계는 운동신경으로부터의 자극이 중단될 때 시작된다. 이때 칼슘 이온은 근형질세망으로 신속하게 재흡수되며, 이러한 과정은 액틴과 마이오신 필라멘트 사이의 결합을 효과적으로 억제한다. 최종적으로 액틴과 마이오신 필라멘트가 완전히 분리되어 원래의 상태로 돌아가면서 근육의 이완이 완료된다.