[운동 역학] 근육의 힘과 길이의 관계

힘과 근육길이의 관계

1. 중요성과 용어:
   • 힘-길이 관계는 레버리지(지렛대) 의 효과와 같은, 마찬가지로 근육 기능에서 중요한 역할을 합니다.
   • 이 관계는 근육의 길이와 수축 시 생성되는 힘 간의 상호 작용을 포함합니다.
2. 기여하는 요소:
   • 근육의 활성(수축성) 및 수동(비수축성) 요소 모두가 이 관계에 기여합니다.
3. 실험적 결과:
   • 원래의 실험은 최대 등장 유압(정적;Maxial isometric action) 작용에 초점을 맞춰 힘-길이 관계를 탐색했습니다.
   • 여러 실험의 결과를 한 그래프에 표시
   •  
4. 해부학적 고려사항:
   • 힘-길이 관계를 이해하려면 근육의 해부학적 구조에 대한 지식이 필요하며 특히 굵은(미오신)과 얇은(액틴) 필라멘트의 길이가 중요합니다.

1. 그래프 주요 영역 및 설명:
   • 상승 (ascending limb):
     • 근육 힘이 증가하며 두 가지 하부 영역으로 나타납니다:
       • 급경사 (Steep): 굵은 필라멘트를 변형하는 데 필요한 힘과 관련되며, 특정 길이에서 힘이 제로에 도달합니다.
       • 얕은( shallow) : 얇은(actin filament) 근섬유의 겹침으로 인한 것으로, 교차 결합(cross-bridge) 형성에 방해가 됩니다.
   • 플래토 영역 (plateau):
     • 근육 힘은 일정하게 유지되며,교차 결합(Cross-brdige)이 없는 미오신(myosin) 섬유의 중앙 영역에 해당합니다. 
   • 하강 (descending limb):
     • 근절(sarcomere) 길이가 증가함에 따라 근육 힘이 감소하며, 미오신과 액틴 필라멘트 간의 교차 결합(cross-bridge) 이 줄어듭니다.
     • 결국 액틴-미오신 필라멘트 간에 교차 결합(cross-bridge)이 없어지면 근육 힘이 제로로 감소합니다.

이러한 영역과 그들의 기저 메커니즘을 이해하면 근육 길이와 힘 생성 간의 동적 관계에 대한 통찰력을 제공합니다.

 

다른 종 (Species)과의 비교

 

1. 비교 분석:
   • 플래토(pleteau) 및 하강(Desending limb): 이러한 영역은 종에 따라 유사하지만 최대치보다 적게 이동합니다.
   • 액틴 길이의 차이: 인간은 개구리에 비해 더 긴 액틴(actin) 필라멘트를 가지고 있으며, 특히 그래프의 상승(ascending) 에서 활성 부분이 길어집니다.
   • 굵은 필라멘트(myosin) 길이의 일관성: 굵은 필라멘트(myosin)의 길이는 종에 따라 거의 동일하며, 약 1.6 μm입니다.
2. 주요 관찰 사항:
   • 이동된 그래프 라인 : 플래토 및 하강 지역은 종에 따라 유사하지만, 주된 차이는 힘-길이 관계의 상승(Ascending)에서 나타납니다.
   • 인간의 개선된 성능: 인간의 근절(sarcomere)는 개구리 근절(sarcomere)보다 더 넓은 범위의 길이에서 활성 힘을 생성하는 성능이 우수합니다.
   • 인간의 상승 지역(asending limb): 힘-길이 관계의 상승 지역(ascending limb)은 인간에서 개구리보다 길며, 이는 인간 근육이 이 곡선 부분에서 더 잘 기능하도록 적응되어 있을 수 있다는 것을 시사합니다.

이러한 종에 따른 차이를 이해하면 다양한 유기체 간의 근육의 적응성과 기능적 특성을 이해하는 데 도움이 됩니다.

 

 

전체 근육의 힘-길이 관계:

1. 근육 섬유 길이의 영향 (동일한 PCSA):
   • 증가된 근육 활성 범위: 근육 섬유 길이가 증가함에 따라(동일한 생리적 단면적, 즉 PCSA를 유지하면서), 근육의 활성 범위가 확대됩니다.
   • 더 긴 길이에서 최대 장력(tension): 최대 장력 증가
   • 변함없는 근육 활성 범위: 근육 섬유 길이의 변화에도 불구하고, 근육의 전체적인 활성 범위는 동일합니다.

근육 섬유 길이가 힘-길이 관계에 미치는 이러한 영향을 이해하면, 전체 근육의 기능적 능력과 성능 특성에 대한 통찰력을 제공합니다.

 

수동적 힘-길이 관계

1. 늘이기와 내부 힘 증가의 관계:
   • 근육이 더 많은 늘어짐에 따라 내부 힘 생성도 비례적으로 증가합니다.
2. 근육 내 수동 텐션의 원천:
   • 평행적 구성요소의 장: 근육 주변의 fascia (epimysium, perimysium, endomysium)층에서 발생합니다.
   • 연속적인 구성요소의 장력: 근육 섬유 내의 거대 단백질인 티틴(Titin)의 역할에 기인할 수 있습니다.
3. 티틴 분자:
   • 티틴은 평균 단백질의 약 10배 무거운 거대 단백질입니다.
   • 티틴은 근절(sarcomere)의 절반 정도를 거쳐 Z-밴드에서 M-라인까지 확장됩니다.
   • 기능은 근절(sarcomere) 중심에 있는 미오신(myosin)을 안정화하는 것입니다.
   • 티틴(titin)은 활성 및 수동 힘-길이 관계의 양쪽 부분에 영향을 미칠 가능성이 있습니다.
4. 티틴(titin) 구조의 변이성:
   • 티틴(titin) 분자의 구조는 근육 간에 다양하며, 이는 그들의 수동적 기계적 특성에 영향을 미칩니다.
   • 예를 들어, 티틴 구조의 차이로 인해 심장 근육은 비장근(soleus)보다 약 10배 더 뻣뻣합니다.

힘-길이 관계와 근육 기능성

1. 힘-길이 관계 내의 근육 행동:
   • 근육이 해부학적 위치에 있는 경우, 힘-길이 관계 내에서 상호 작용합니다.
   • 근육이 이 관계의 전체 범위에서 작동하는지, 모든 근육이 동일한 영역에서 작동하는지에 대한 질문을 해 볼 수 있다.
2. 근육 작동의 다양성:
   • 관찰 결과, 서로 다른 근육들은 힘-길이 관계 내에서 다양한 행동을 보일 수 있습니다.
   • 아래쪽 다리 근육들은 예를 제공합니다:
     • Semitendinosus는 주로 하강 (descending limb)에서 작동합니다.
     • Rectus femoris는 상승(ascending limb) 및 하강 (descending limb) 양쪽에서 작동합니다.
     • Gastrocnemius는 주로 상승 (Ascending) 에서 작동합니다.
3. 근육-관절 시스템 고려:
   • 주의사항으로, 근육 힘-길이 관계만을 의존해서는 개인의 근육-관절 시스템의 역학을 완전히 설명하기 어렵습니다.
   • 관절의 기하학은 관절 기능 및 이상 기능을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.

운동 선수들에서의 힘-길이 관계 적용:

1. 활동 유형에 따른 관계 수정:
   • 수행되는 활동 유형에 따라 힘-길이 관계가 수정될 수 있는지 고려해 볼 수 있다.
2. 엘리트 선수들의 비교:
   • 두 그룹의 선수를 상상해보십시오: A) 러너 및 B) 사이클리스트.
3. 사각근 힘-길이 관계의 예상 변화:
   • 이 두 선수 그룹 간의 사각근 힘-길이 관계를 비교.
   • 예상되는 변화 및 그 이유:
     • 러닝:
       • 보다 긴 근육 섬유 길이.
       • 연속된 더 많은 근절(sarcomere).
       • 러닝 중 힙 역전과 무릎 굴곡으로 인해 사각근은 상당히 긴 길이에서 작동합니다.
       • 긴 길이에서 강하고 짧은 길이에서는 약합니다.
     • 사이클링:
       • 힙 굴 및 제한된 무릎 연장으로 인한 짧은 길이.
       • 연속된 더 적은 사르코메어.
       • 사이클링 중에 사각근은 짧은 길이에서 작동합니다.
       • 긴 길이에서는 약하고 짧은 길이에서는 강합니다.
4. 사각근의 이중 관절성:
   • 이는 힙 플렉서 및 무릎 익스텐더로 작용합니다.
   • 러닝과 사이클링 모두 무릎 관절에서 유사한 움직임 범위(120°까지 완전 익스텐션)를 보입니다.
   • 힙 플렉션의 범위가 다릅니다: 러닝에서 사이클링보다 큽니다.
5. 힘-길이 관계의 변경에 대한 가능한 설명:
   • 장기적인 훈련에 대한 만성적 적응으로 인해 일정한 길이의 특정 근육 섬유 내에서 연속된 사르코메어의 수가 변경됩니다.
   • 연속된 사르코메어의 수의 변화는 근육의 최적 길이에 영향을 미치며, 이는 그 힘-길이 관계에 영향을 줍니다.

** 러너와 사이클리스트 간의 비교는 각 활동의 특정 요구 사항에 따라 사각근 힘-길이 관계가 어떻게 다를 수 있는지를 강조합니다. 이러한 적응은 장기적인 훈련 효과에 따른 것으로, 근육 섬유 길이와 사르코메어 배치에 변화를 초래합니다. 이러한 차이를 이해하는 것은 선수들의 훈련 프로그램과 성과를 최적화하는 데 중요합니다.