학문
냉철한라마35
골격근이 수축할 때 미오신과 악틴 섬유의 활구설 작동 메커니즘이 궁금해요
우리가 근육을 움직일 때 단백질 섬유인 악틴과 미오신이 어떻게 슬라이딩되어 근육 마디 길이가 줄어드는지 궁금합니다. 칼슘 이온이 트로포닌에 결합하여 결합 부위를 열어주고 ATP가 분해되면서 미오신 머리가 움직이는 활구설 원리가 알고 싶어요.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
근육에 자극이 오면 Ca2+ 가 트로포닌에 결합해 트로포미오신이 이동하고 악틴의 결합부위가 열립니다 .미오신 머리는 ATP를 분해해 악틴을 당기고, 새 ATP가 결합하면 떨어져 다시 반복합니다. 이 과정에으로 근절이 짧아집니다.
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채택된 답변안녕하세요. 골격근이 수축하는 원리는 흔히 활주설이라고 하는데, 핵심은 근육을 이루는 액틴과 미오신 자체가 짧아지는 것이 아니라 두 단백질 필라멘트가 서로 미끄러져 들어가면서 근절의 길이가 짧아지는 것입니다. 근육세포 안에는 액틴과 미오신이 일정한 방향으로 배열되어 있으며, 이들이 하나의 기능적 단위인 근절을 구성하는데요, 신경에서 운동신호가 전달되면 근육세포막을 따라 전기적 신호가 발생하고, 이 신호가 근육세포 내부의 근형질세망에 전달되어 저장되어 있던 칼슘 이온이 세포질로 방출됩니다.
방출된 칼슘 이온은 액틴 필라멘트에 붙어 있는 트로포닌에 결합합니다. 그러면 트로포닌의 구조가 변하면서 트로포미오신의 위치가 이동하고, 평소 트로포미오신에 의해 가려져 있던 액틴의 미오신 결합 부위가 노출됩니다. 이 과정을 통해 미오신 머리가 액틴에 결합할 수 있는 상태가 됩니다. 이후 미오신 머리에서는 ATP를 분해하는 과정이 일어나며, ATP가 ADP와 무기인산으로 분해되면서 방출되는 에너지가 미오신 머리를 준비된 상태로 만들고, 미오신 머리가 액틴에 결합하면 무기인산이 방출되면서 미오신 머리가 액틴을 근절의 중심 방향으로 잡아당깁니다. 이것을 파워 스트로크라고 합니다. 이어서 ADP가 떨어져 나가고, 새로운 ATP가 미오신에 결합하면 미오신과 액틴의 결합이 끊어지고 다시 ATP가 분해되면서 미오신 머리가 다음 결합을 준비하고, 액틴에 다시 결합하여 당기는 과정이 반복됩니다.
따라서 하나의 미오신 머리가 액틴을 한 번 잡아당기는 것만으로 근육이 크게 수축하는 것이 아니라, 수많은 미오신 머리가 서로 다른 시점에 반복적으로 액틴을 잡았다 놓으면서 액틴 필라멘트를 조금씩 이동시키는 것입니다. 이 과정이 수많은 근절에서 동시에 일어나기 때문에 근육 전체가 짧아지고 강한 힘이 발생합니다.
이때 중요한 점은 액틴과 미오신의 길이 자체는 수축 과정에서 거의 변하지 않는다는 것인데요, 미오신 필라멘트와 액틴 필라멘트가 서로 겹치는 정도가 증가하면서 근절의 길이가 짧아지는 것입니다. 특히 근절의 양쪽 끝에 있는 Z선이 서로 가까워지고, 액틴과 미오신이 겹치는 부분이 증가합니다. 이 때문에 근육 전체의 길이도 줄어들어 우리가 관절을 움직일 수 있게 됩니다. 근수축 이후에는 신경의 자극이 사라지고 칼슘 이온이 다시 근형질세망으로 회수되며, 세포질의 칼슘 농도가 낮아지면 트로포닌에서 칼슘이 떨어지고 트로포미오신이 다시 액틴의 결합 부위를 가립니다. 그러면 미오신과 액틴의 상호작용이 감소하면서 근육은 다시 이완됩니다. 감사합니다.
활구설은 근육 수축 시 악틴과 미오신 섬유 자체의 길이는 변하지 않고, 두 섬유가 서로 슬라이딩하여 겹쳐지면서 근육 마디 길이가 줄어드는 것입니다.
수축의 전제조건은 칼슘 이온의 결합니다.
신경 자극이 전달되면 근소포체에서 세포질로 칼슘 이온이 방출됩니다.
그리고 방출된 칼슘 이온이 트로포닌에 결합해 구조 변화를 일으키고, 트로포미오신을 당겨 악틴의 결합 부위를 엽니다.
미오신 머리가 ATP를 ADP와 무기 인산으로 분해하며 높은 에너지(장전) 상태가 되고, 장전된 미오신 머리가 악틴의 노출된 결합 부위에 강하게 붙어 교차결합을 만듭니다.
그럼 마오신 머리가 구부러지면서 악틴 섬유를 근육 마디 중심(M선) 방향으로 강하게 당깁니다.
이후 새로운 ATP가 미오신 머리에 결합하면, 미오신 머리는 악틴과의 결합을 끊고 떨어져 나오고, 다시 ATP를 분해하며 다음 사이클을 준비합니다.
결국 구조적으로 수축 할 때 Z선 사이 거리, I대, H대는 짧아지지만, A대와 단백질 섬유 고유의 길이는 변하지 않죠.
말로 설명드리면 상당히 어려워 보이지만, 아마 대부분의 책에서는 이 과정을 그림으로 설명했을텐데, 그림의 개념이라면 교차하는 막대를 생각해보시면 이해가 빠르실 겁니다.