근섬유 구성과 수축과정

포유류 가로무늬 근육의 수축 동안 양쪽에 있는 얇은 필라멘트가 A 밴드의 중심을 향해 안쪽으로 미끄러진다. 이러한 근섬유들이 안으로 미끄러져 들어갈 때, 얇은 필라멘트가 그들이 부착된 Z 디스크를 더 가까이 끌어당기므로, 전체 근섬유길이는 곧 짧아진다.

근섬유의 길이 전체에 걸쳐 모든 근섬유분절(sarcomere)가 동시에 짧아지기 때문에 섬유 전체가 짧아진다.

 

이것은 근육수축의 슬라이딩필름 메커니즘(슬라이딩 이론)으로 알려져 있는데, 1954년에 휴 헉슬리와 장 핸슨, 앤드류 헉슬리와 R이라는 두 개의 분리된 팀이 처음 제안하였다. 비록 길이가 상당히 작지만 비척추동물 가로무늬 근육도 이 같은 원리로 작동한다는 것이 증명되었다.

얇은 필라멘트가 닿지 않는 A 대역의 중앙에 있는 지역인 H존은 얇은 필라멘트가 더 깊게 안으로 미끄러지면 서로 다가갈수록 작아진다.

H존은 얇은 필라멘트가 A 밴드 중간에 만나면 사라질 수도 있다. 두꺼운 필라멘트와 겹치지 않는 얇은 필라멘트 부분으로 구성된 I 밴드는 얇은 필라멘트가 안쪽 슬라이드 동안 두꺼운 필라멘트와 더 겹치면서 좁아진다.

얇은 필라멘트 자체는 근육섬유가 짧아지는 동안 길이가 변하지 않는다. A 밴드의 폭은 두꺼운 필라멘트 길이에 따라 폭이 결정되기 때문에 수축 중에 변하지 않고, 두꺼운 필라멘트는 쇼트닝 과정 동안 길이가 변하지 않는다. 두꺼운 필라멘트나 얇은 필라멘트는 길이가 줄지 않아 근섬유분절(sarcomere)이 짧아진다는 점에 유의한다.

 

대신, 수축은 각 근섬유분절(sarcomere) 안의 얇은 필라멘트에 의해 두꺼운 필라멘트 사이를 더 가까이 미끄러지면서 이루어진다. Ca2+의 결합에 의해 트로이모신 "차단기"가 밖으로 당겨진 상태에서, 얇은 필라멘트는 마이오신(myosin)교차 활동에 의해 정지된 두꺼운 필라멘트에 비례하여 안쪽으로 당겨진다. 미오신(myosin)은 분자 운동으로, 키네인, 다이네인과 비슷하다. 키네인과 디네인은 세포의 한 부분에서 다른 부분으로 특정 제품을 운반하고 서로 관련하여 마이크로 튜브를 이동하기 위해 마이크로 튜브를 따라 "걸어"가는 작은 발을 가지고 있다는 것을 상기한다. 같은 방법으로 마이오신 머리나 교량은 액틴 필라멘트를 따라 "걸어" 고정적인 두꺼운 필라멘트를 기준으로 안쪽으로 당긴다. 단 하나의 교량 상호 작용에 집중하자. 각각의 미오신 분자의 두 미오신 헤드는 독립적으로 작용하며, 주어진 시간에 하나의 머리만이 작용한다.

Myosin과 액틴(actin)이 교각에서 접촉하면 다리는 모양이 바뀌며, 마치 보트의 노를 쓰다듬는 것처럼 근섬유분절(sarcomere)의 중심을 향해 45도 안쪽으로 구부러진다. 소위 크로스 브리지의 파워 스트로크는 그것이 부착된 얇은 필라멘트를 안쪽으로 당긴다. 단 한번의 전력 스트로크는 얇은 필라멘트를 안쪽으로 당기고(약 1미크론), 총 단축 거리의 1분밖에 안 되므로, 원하는 근육 단축의 정도를 달성하기 위해 반복적인 전력 스트로크가 필요하다.
하나의 교차교 사이클이 끝날 때, 미오신교차 및 액틴분자 사이의 연결이 끊어진다. 보트 노를 들어올려 출발점으로 돌아오듯이, 이 교량은 원래의 구성으로 되돌아가서 이전의 액틴 파트너 뒤에 위치한 다음 액틴 분자에 결합한다. 크로스 브리지(Cross-bridge)가 다시 한번 구부러져 얇은 필라멘트를 더 당겨준 다음, 사이클을 분리하여 반복한다. 반복적으로 반복되는 교량 연결 및 벤딩 사이클이 얇은 필라멘트를 연속적으로 당긴다.
두꺼운 필라멘트 내에서 미오신 분자의 방향성 때문에 모든 교차 다리의 힘 스트로크는 근섬유분절(sarcomere)의 중심을 향하게 되어 근섬유분절(sarcomere)의 양쪽 끝에 있는 6개의 주위의 얇은 필라멘트를 동시에 안쪽으로 당긴다. 그러나, 주어진 얇은 실과 일직선으로 정렬된 교량들이 모두 일치된 것은 아니다. 수축 중에 언제든지 일부 교량들은 얇은 필라멘트에 부착되어 쓰다듬고 있으며, 다른 교량들은 다른 액틴 분자와 결합할 준비를 하면서 원래의 구성으로 돌아가고 있다. 따라서, 어떤 교량은 얇은 실에 "보유"되어 있는 반면, 다른 교량은 새로운 액틴과 결합하기 위해 "보류"되어 있다. 이 크로스 브리지의 비동기 사이클이 없었다면, 얇은 필라멘트는 스트로크 사이의 휴식 위치 쪽으로 다시 미끄러질 것이다.

근육의 흥분으로 이 교량 사이클이 어떻게 켜지는가? 자극흥분-수축 커플링(Exciting-contraction coupling)이라는 용어는 근육의 흥분(근섬유의 작용 잠재력 존재)과 근육의 수축(가까운 필라멘트가 서로 가까이 미끄러져 단축을 유발하는 교차교 활동)을 연결하는 일련의 사건을 말한다.

골격근들은 운동 뉴런 단자와 근육 섬유 사이의 신경근접점에서 아세틸콜린(Ach)을 방출하여 수축하도록 자극된다. 근육섬유의 모터 엔드 플레이트와의 ACh 결합은 근육 섬유에 투과성 변화를 가져와서 근육 세포막의 전체 표면에 결합되는 작용 전위를 일으킨다는 것을 상기한다. 또한 아세틸콜린에스테라아제 효소가 신호를 차단하기 위해 ACh를 파괴한다는 것이 중요하다. 신호전달이 다 끝나고 흥분이 지속되는 것을 막기위해 시냅스에서 아세틸콜린에스터라아제를 분비하여 아세틸콜린(신경전달물질)을 제거하여 계속 신호가 전달되는 것을 막는다.

 근육 섬유 내의 두 개의 막 구조가 이 흥분과 수축을 연결하는 데 중요한 역할을 한다.-횡관 관과 근소포체(Sarcoplasmic reticulum). 각각의 구조와 기능을 살펴보자. A 밴드( 포유류 및 파충류 근육) 또는 Z 디스크(양서류 근육)의 양쪽 끝에서, 표면 막이 큰 근육 섬유에 깊이 스며들어 횡관(혹은 튜불)을 형성하는데, 근육 세포막의 표면에서 근육 섬유 중심부로 수직으로 흐른다. 왜냐하면 튜불 막은 관절이기 때문이다. 표면 막과 함께 연속적으로, 표면 막의 작용 전위도 T tubule로 퍼져서, 표면 전기 활동을 섬유 중심부로 신속하게 전달하는 수단을 제공한다. T tubules의 국소 작용 잠재력의 전위는 근육 섬유 내의 별도의 막 네트워크인 근소포체(SR)에서 투과성 변화를 유도한다.

 

근소포체성 망막은 근육을 켜고 끄는 데 중요한 수정된 내소성 망막이다. 메쉬 슬리브처럼 각각의 미오피브릴을 둘러싸고 있는 서로 연결된 관의 미세한 네트워크로 구성되어 있다. 이 막망은 미오피브릴(즉, 그 길이 전체에 걸쳐 미오피브릴을 둘러싸는 것) 아래로 종방향으로 흐르지만 연속되지는 않는다. 근소포체의 분리된 부분들은 각 A 밴드 및 각 I 밴드를 감싸고 있다. 각 세그먼트의 끝은 천과 같은 영역인 측면 주머니(대체로 단자 시스테나)를 형성하기 위해 확장되며, 약간의 간격에 의해 인접한 T관으로부터 분리된다.

 

1961년 빌헬름 하셀바흐에 의해 처음 발견된 Ca2+-ATPase 펌프의 도움으로 근소포체 레티쿨럼의 측면 주머니는 Ca2+를 저장한다. Tubule 아래로 작용 전위를 확산시키면 Ca2+가 근소포체에서 시토솔로 방출되어 수축이 발생하며, 펌프는 나중에 Ca2+를 다시 흡수하여 이완시킨다. 이 펌핑의 성능은 펌프 장치의 수, 즉 근육 섬유 내의 근소포체 밀도와 펌프 isoforms가 작동하는 운동 비율에 의해 영향을 받는다. 수축 중 Ca2+ 배출과 재흡수의 시간 코스는 근육의 기능과 관련이 있다. 근섬유의 기형성 망막 부피는 근섬유 종류마다 3~30%씩 차이가 나므로 수축 속도가 클수록 근소포체성 망막 부피가 커진다. 세포관내 근소포체과 미토콘드리아 체적의 주름은 일반적으로 근피브릴의 부피 감소, 힘 발생 감소, 그러나 근육이 더 높은 수축 주파수에서 작동할 수 있게 하는 것과 관련이 있다.

예를 들어, 래틀 뱀의 셰이커 근육 섬유에서 근소포체 부피는 대략 26%이다(미토콘드리아 부피도 26%, 글리코겐 부피도 17%). 따라서 (앞에서 언급한 바와 같이) 근피브릴 함량에 대해서는 31%만 남게 된다.

어떻게 T tubule 전위 변화가 근소포체성 망막에서 Ca2+의 방출과 연관되는가? 발 단백질(foot proteins)의 질서정연한 배열이 근소포체으로부터 확장되어 측면 주머니와 T관절 사이의 틈새에 걸쳐 있다. 각 발 단백질(foot proteins)은 특정 패턴으로 배열된 네 개의 하위단위들(subunits)을 포함한다. 이러한 발 단백질(foot proteins)은 간격을 좁힐 뿐만 아니라 Ca2+- 방출 채널로도 작용한다. 이러한 발 단백질(foot proteins) Ca2+ 채널은 실험적으로 식물성 화학 라이노딘에 의해 열린 자세로 잠글 수 있기 때문에 L형 칼슘 통로 또는 라이노딘 수용체로 알려져 있다.
근소포체 레티쿨룸의 발 단백질(foot proteins) 중 절반은 접합부의 T tubule 쪽에 있는 Ca2+ 채널과 함께 "Zipped together”된다. 발 단백질(foot proteins)과 정확히 같은 패턴의 4개의 서브유닛으로 구성된 이 T관통 채널은 근소포체에서 돌출된 다른 모든 발 단백질(foot proteins)과 접촉하는 거울 영상처럼 위치한다. 이 T tubule 채널들은 약물인 dihdropyridine에 의해 차단되기 때문에 dihdropyridine 수용체로 알려져 있다. 이 Ca2+ 채널은 전압 동기 센서 입니다. 작용전위가 T tubule로 전파되면 국소적 탈분극화가 전압결합 디히드라이딘 수용체를 활성화시킨다. 이 활성화된 T-튜브 채널은 차례로 근소포체의 인접한 측면 주머니에서 직접 절개하는 발 단백질(foot proteins)의 개방을 촉발한다. ihydropyridine 채널과 직접 접촉하는 이러한 Ca2+ 방출 채널의 절반의 개방은 직접 접촉하지 않는 나머지 절반의 개방을 촉발한다.
Ca2+는 이 모든 개방된 Ca2+ 방출 채널을 통해 근소포체의 측방 주머니에서 주변 시토솔로 전기화학적 구배를 내린다. 트로포닌 분자와 트로피오민 분자의 위치를 다시 정함으로써, 이 방출된 Ca2+는 액틴 분자의 결합 부위를 노출시켜 보완 결합 부위의 미오신 교각과 연결할 수 있도록 한다.

 

 참고서적 : Animal physiology from genes to organisms 2nd edition