[운동역학] 근육 구조와 기계적 특성

근육의 구조 

 

 

- 결합 조직(connective tissue)

특정 근육 섬유는 결합조직(엔도미시움)과 밀접한 관련이 있으며, 근육 섬유에서 힘을 건에 전달하는 역할을 수행할 수 있으며, 지지하는 역할도 하고 있다. 

 

근섬유: 근절 (sarcomere)

타이틴은 지금까지 알려진 가장 큰 단백질로, 근섬유의 기능 단위인 근절(sarcomere) 에서 Z-디스크에서 M-라인까지 뻗어있습니다.

타이틴의 역할은 다양합니다:

1. 구조적 지지: 타이틴은 근육에 구조적 지지와 탄성을 제공하여 근육의 수동적 경직성과 신장에 대한 저항력을 제공합니다.
2. 살코메어 조직화: 타이틴은 근육 섬유 내에서 살코메어의 정렬과 조직화를 유지하는 데 기여합니다. 이는 효율적인 근육 수축에 중요합니다.
3. 힘 전달: 타이틴은 근육 수축에 의해 발생한 힘을 건에 전달하는 데 관여하여 전반적인 근육 기능과 운동에 기여합니다.
4. 메카노감지: 타이틴은 메카노센서로 작용하여 근육 내의 기계적 변화를 감지하고 대응하는 능력을 가집니다. 이는 근육 성장, 수리 및 운동에 대한 적응을 조절하는 신호 전달 경로에 기여합니다.

요약하면, 타이틴은 근육의 구조적 무결성, 기능 및 적응성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 이는 힘을 발생시키고 다양한 운동을 수행하는 능력에 기여합니다.

 

근육의 기능

근육은 몸의 여러 가지 기능을 수행하는데, 주로 운동, 자세 유지, 관절 안정화 및 내장기관 지지와 관련이 있습니다. 근육은 걷기, 말하기, 손 뻗기, 균형 잡기와 같은 다양한 운동을 촉진하며, 안정된 자세와 관절 구성을 유지하는 데 도움을 줍니다. 또한, 근육은 부상을 예방하기 위해 관절을 안정화하는 데도 역할을 합니다. 그 밖에도, 근육은 내부 기관을 지지하고 보호하며, 체온 조절에 도움을 줍니다.

 

근육의 긴장에 영향을 주는 여러 가지 요인이 있습니다.

이는 근육 섬유 유형, 힘과 길이 관계, 힘과 속도 관계, 활성화, 주파수, 동기화, 탄성 에너지 저장, 전기기계적 지연, 근육 온도 및 다른 근육과의 기계적 연결을 포함합니다.

 

• 근육 섬유 유형은 근육 수축의 특성을 결정하며,
• 힘과 길이 관계는 근육 길이가 긴장 생성에 어떻게 영향을 미치는지를 나타냅니다.
• 힘과 속도 관계는 근육 수축 속도가 긴장에 어떤 영향을 미치는지를 설명합니다.
• 활성화, 주파수 및 동기화는 모터 단위의 활성화와 근육 섬유의 조정을 의미하며, 긴장 생성에 영향을 줍니다.
• 탄성 에너지 저장은 근육 수축 중에 에너지를 저장하고 방출하는 과정을 포함합니다.
• 전기기계적 지연은 근육 활성화와 힘 생성 사이의 시간을 나타냅니다.
• 근육 온도는 힘과 속도 곡선에 영향을 미치며, 일반적으로 더 따뜻한 근육은 성능이 더 좋습니다.
• 다른 근육과의 기계적 연결은 근육의 조정과 움직임 패턴에 영향을 미침으로써 긴장에 영향을 줄 수 있습니다.

근육 구조

정의: 힘 생성 축에 대한 근육 섬유 배열 각도는 보통 안정 상태에서 0도에서 30도 사이로 변동 총 부피나 섬유 유형만으로는 근육이 생산하는 총 힘을 완전히 설명할 수 없음에 유의해야 합니다.

세 가지 주요 근육 섬유 구조 방추형(평행'fusiform), 단발성 (unipennate), 다발성( muitipennate)

 

근육의 생리적 단면적 (phsyological cross-section area)

생리적 단면적 면적(Physiological cross-sectional area, PCSA)은 근육 내 모든 근육 섬유의 단면적의 합으로, 병렬로 배치된 근절(sarcomere)의 수를 나타냅니다. 이는 근육이 생성하는 최대 강직성 장력(tetanic tension)과 직접적으로 관련되어 있으며, 어떤 해부학적 평면에서의 근육의 단면적과는 다를 수 있습니다. 근육 질량은 PCSA와 강하게 상관되지 않으며, 질량만으로는 기능과 관련된 제한된 정보를 제공합니다.

방추형 근육에서는 해부학적 단면적 면적이 PCSA와 거의 같습니다.

그러나 각도가 있는드 근육에서는 PCSA가 해부학적 단면적 면적보다 큽니다.

이는 병렬로 더 많은 섬유가 배치되어 있기 때문에 더 큰 힘 생성 능력을 가집니다.

해부학적 단면적 면적이 방추형 근육과 같은 각이 있는 근육은 PCSA가 크기 때문에 더 큰 힘을 발휘할 수 있습니다.

 

PCSA=근육 힘/ 근육 스트레스

PSCA 구하는 식

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여기서:

• 근육 힘은 근육이 생성하는 최대 힘을 나타냅니다.
• 근육 스트레스는 근육이 견딜 수 있는 응력(단위 면적당의 힘)을 나타냅니다.

PCSA는 근육 섬유에 수직인 면적으로, 병렬로 배치된 근절의 수를 나타내는 핵심적인 매개변수입니다. 이는 근육의 힘을 생성하는 능력을 이해하는 데 중요한 요소입니다.

 

 

 

 근섬유 각도의 효과

 

 

섬유 각도의 효과는 근육 섬유와 힘줄 사이의 각도(θ)로 인해 깃 모양 근육의 작용선이 섬유와 평행하지 않은 방식을 나타냅니다. 이로 인해 질량과 섬유 길이는 동일하지만 각도가 없는 근육에 비해 힘이 손실됩니다. 그러나 이러한 힘의 손실은 더 작은 영역 내에서 근섬유를 효율적으로 패킹하는 것을 의미하는 페네이트(각도가 있는;평행이 아닌) 구조의 '공간 절약' 능력으로 대부분 보상됩니다

 

근섬유의 길이( muscle fiber length)

근육 섬유 길이는 근육 섬유 내에 연속적으로 배치된 근절의 수를 의미합니다. 근절은 근육의 기본 수축 단위로 길이를 변경할 수 있다는 점이 중요합니다. 근육 섬유의 길이는 섬유의 신축량(얼마나 멀리 늘어날 수 있는지)과 수축 속도와 직접 관련이 있습니다.

근육은 안정 상태의 길이의 50-70%까지 줄어들 수 있습니다. 펜네이트 근육에서는 섬유가 힘줄에 비해 각도로 배치되어 있기 때문에 이들 근육 섬유가 동일한 퓨시포름 근육에 비해 일반적으로 짧습니다. 이로 인해 펜네이트(각이 있는) 근육은 작은 신축량을 가집니다. 일반적으로 근육 섬유 길이는 근육의 총 길이의 20%에서 60% 범위 내에 있습니다.

 

근섬유 배열의 특성

 

근육 구조는 근육 섬유가 연속적으로나 병렬로 어떻게 배열되어 있는지를 나타냅니다.  예를 들어, 고양이에서, 일반적으로 10-15cm 길이의 근육은 연속적으로 배열된 약 2-3cm 길이의 근육 섬유로 이루어져 있습니다.

각도는 갖는 근육은 큰 생리적 단면적 면적 (PCSA)을 가지며, 이는 그들의 힘 생산 능력에 기여하고, 방추형 근육은 더 긴 섬유를 가지고 있습니다.

 

그러나 이러한 일반적인 관찰은 특정 근육에 대해 오해를 일으킬 수 있습니다. 삼두근과 같은 반 중력 신장근은 힘 생산에 보다 중점을 둔 것으로, 큰 PCSA와 짧은 근육 섬유를 특징으로 합니다. 반면에, 햄스트링과 티비아 전면근과 같은 굴곡근은 큰 신축을 위해 설계되었으며, 긴 근육 섬유와 적당한 PCSA를 가지고 있습니다.

 

근육의 움직임

근동작은 근육이 활성화되어 축소를 시작하는 방식에 따라 분류됩니다:

1. 근육이 활성화되어 축소를 시작할 때, 외부 모멘트(외부에서 가해지는 힘)는 근육 모멘트(근육이 생성하는 힘)보다 작습니다. (굴곡: cocentric contraction; 동심 수축)
2. 근육이 활성화되어 일정한 길이를 유지할 때, 외부 모멘트는 근육 모멘트와 같습니다.(isometric contraction; 등심성 수축)
3. 근육이 활성화되어 길어질 때, 외부 모멘트는 근육 모멘트보다 큽니다. (eccentric contraction; 원심 수축)

"근동작"이라는 용어는 "수축"보다 선호됩니다. 왜냐하면 수축은 특히 근육의 축소를 의미할 수 있기 때문입니다. 많은 일상 활동은 걷기, 자전거 타기, 서있기, 숨쉬기 등과 같이 동심수축(축소), 등장정지(고정된 길이), 이심수축(길어짐)의 단계를 포함합니다.

 

 

 

능동성 장력과 수동성 장력

활성 장력: 활성화된 운동 단위의 근절에 있는 액틴과 미오신 필라멘트 사이에 생성되는 힘 근육의 고유한 특성(힘줄, 인대, 뼈와 비교)

 

수동 장력: 티틴 분자나 근육의 결합 조직 구성 요소가 늘어나면서 생성되는 힘
예를 들어, 양쪽 관절 근육(예: 햄스트링)의 관절 운동 범위를 측정하는데 용의하

 

 

근육의 속성 모델링

유용한 모델은 근육 장 수동 및 능동 성분을 모두 포함해야 합니다. 이러한 모델은 근육의 기계적 행동을 일반화하고 근육 행동에 대한 양적 가설을 수립할 수 있도록 합니다. 힐(Hill)의 모델에서 볼 수 있듯이, 이러한 모델은 두 가지 핵심 측면을 강조합니다:

1. 탄성은 근육 내에서 능동 긴장의 생성에 역할을 합니다.
2. 순수한 근육 긴장은 능동 및 수동 긴장의 복잡한 상호작용에서 발생합니다.

해부학적으로, 힐의 모델은 특정 구성 요소와 관련이 있습니다:

• Contractile component 수축성 구성 요소는 액틴-미오신, cross-bridge를 포함합니다.
• Series Elastic component 연속성 탄성 구성 요소는 타이틴 (titin) 분자와 힘줄을 포함합니다.
• Parallel Elastic component 병렬 탄성 구성 요소는 근육의 Fascia 층 (내, 주위 및 외근막)을 포함합니다.

병렬 탄성 구성 요소의 역할은 완전히 명확하지 않지만, 외부 힘에 의해 수축 요소가 분리되는 것을 방지하거나 측면 힘 전달에 역할할 수 있습니다..