6. 근육의 수축과 장력; Contraction of Muscle & Tension

근육의 수축과 장력을 이해하기 위해서는 미토콘드리아에 의한 ATP 생성을 알아야 한다. 미토콘드리아(Mitochondria 단수:mitochondrion), 고대 그리스어 mitos: 끈 +chondros: 낱알)는 아래의 모식도에서 잘 나타나 있듯이 겉모양이 낱알을 닮고 내부 구조가 마치 끈을 말아 놓은 것 같다고 하여 붙여진 이름이다. 진핵생물의 세포 안에 있는 중요한 세포소기관으로, 한자 표기로는 사립체(絲粒體)라고 한다. 또한 활력체라고도 한다. 기본적인 기능이 여러 유기물질에 저장된 에너지를 산화적 인산화 과정을 통하여 생명활동에 필요한 아데노신삼인산(ATP)의 형태로 변환하기 때문에 미토콘드리아는 ‘세포의 발전소’라고 할 수 있다. 보통 미토콘드리아는 세포의 25%의 세포질을 차지하고 있으나 그 크기와 수가 세포의 종류와 역할에 따라 다양하다. 자체적인 DNA(mDNA: mitochondrial DNA)를 가지고 있다. 자체적인 DNA의 존재와 이중막 구조는 미토콘드리아뿐만 아니라 엽록체에서도 나타나는 것으로 오래전 세균에 의한 세포내 공생의 결과로 진핵생물의 탄생이 이루어진 데서 유래한 것으로 여겨진다. 개요 미토콘드리아에는 여러 가지 모양의 것이 있다는 사실이 전자 현미경의 연구로 알려져 있으나, 광학 현미경에서는 아주 작은 과립으로밖에 보이지 않는다. 하나의 세포 내에 존재하는 미토콘드리아의 수는 세포에 따라 다르지만, 보통 많은 수가 존재한다. 전자 현미경에 의한 관찰에 따르면, 미토콘드리아는 바깥쪽을 둘러싸는 막질 부분과 내부로 이루어져 있다. 막 부분은 외막과 내막의 이중막으로 되어 있는데, 내막의 일부는 안쪽으로 돌출하여 여러 겹으로 접혀 있다. 이렇게 접혀 있는 내막의 구조를 ‘크리스테(cristae)'라고 한다. 미토콘드리아에는 TCA회로나 전자전달계에 관여하는 모든 효소가 들어 있다. 따라서, 미토콘드리아는 세포내 호흡에 의해 유기물의 화학에너지를 ATP로 바꾸는 중요한 기관이다. ... 내막 4가지 종류의 기능을 가진 단백질(효소)를 가지고 있다.[Alberts, 1994]: 1. 산화효소: 세포호흡 2. ATP 생성효소: 아데노신삼인산ATP생성 3. 내막 안팎으로의 대사물질수송 4. 단백질 수송 내막은 구불구불 접혀져 있기 때문에 막 표면적이 넓어져 ATP생성 능력을 높여준다. 이러한 내막이 늘어난 부분을 크리스테라고 하고, 이런 구조형태를 ‘크리스테 구조’라고 한다. 예를 들어 간의 미토콘드리아는 크리스테를 포함한 내막 표면적이 외막의 5배에 달하며 근육세포와 같이 더 많은 ATP를 요구하는 세포의 경우 간세포의 경우보다 더 많은 크리스테를 가지고 있다. ... 에너지 전환 미토콘드리아의 주기능은 ATP의 생산으로 해당과정(미토콘드리아의 바깥쪽 세포질에서 이루어진다.)의 주생산물인 피루브산과 NADH대사를 통하여 이루어진다. ATP의 생성은 세포의 유형이나 산소의 존재유무에 따라 2가지 방법이 있다. ... 복제와 유전 미토콘드리아는 세포의 에너지 요구에 반응하여 DNA를 복제하고 분열한다. 세포의 에너지요구량이 높아지면 미토콘드리아는 신장하여 분열하며 에너지 요구량이 낮아지면 미토콘드리아는 파괴되거나 불활성화 상태가 된다. 세포가 분열할 경우 세포질의 분배가 다소 불균등하기 때문에 미토콘드리아의 분배 또한 균등하지 않다. 미토콘드리아는 세균과 같이 이분법으로 자신을 복제하지만 세균과는 달리 미토콘드리아끼리 융합하기도 한다. 때로는 단백질과 폴리리보솜이 많은 곳에서 새로운 미토콘드리아가 생기기도 한다. ... (위키백과: 미토콘드리아) 아데노신 삼인산 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP)은 생명체의 주된 에너지원이다. ATP는 고에너지 인산 결합을 가지며, 이 결합이 깨지면서 인산기가 떨어져 아데노신 이인산(ADP)을 만드는 과정은 7.3kcal/mol의 에너지를 방출하는 발열반응이다. 이때 이 발열반응에 의한 에너지는 특정 물질의 능동적인 수송이나 각종 신진 대사에 쓰이게 된다. ATP가 합성되는 식은 다음과 같다. C6H12O6 + 6O2 + 6H2O → 6CO2 + 12H2O + (30~32ATP) + 열 이 때 생성되는 ATP 분자 수는 조건 등에 따라 변동이 있어 논란의 여지가 있다. 현재는 30~32 ATP가 생성된다는 것이 정설이다. ATP가 가수분해 될 때 반응식은 다음과 같다. ATP + H2O → ADP + Pi ΔG˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol) ATP + H2O → AMP + PPi ΔG˚ = −45.6 kJ/mol (−10.9 kcal/mol) ADP에서 인산기가 다시 결합하여 ATP가 되는 반응식은 다음과 같다. ADP + PO43- + 7.3 kcal/mol → ATP 생체내 합성 대부분의 생물에서 ATP의 합성은 생명활동을 위해 필수적이다. 진핵생물의 유기호흡을 통한 ATP합성은 해당 → TCA회로 → 전자전달계를 거치면서 이루어지며, 이 과정에서 포도당 1분자는 ATP 36분자 또는 37분자 또는 38분자를 만들 수 있다. 해당 과정이나 TCA회로에서 이루어지는 ATP의 합성은 포도당 분해의 중간 산물의 에너지를 넘겨받아 이루어지며 이를 기질 수준의 인산화라고 한다. 한편, 해당 과정과 TCA 회로의 결과로 NADH와 FADH₂가 생성되는데, 이는 전자를 전달하는 분자로, 미토콘드리아 내막의 전자전달계에 전자를 전달한다. 전자는 점점 낮은 에너지준위로 이동되고 그 에너지 차이로 인해 수소 이온이 미토콘드리아의 기질에서 막간공간으로 수송된다. 이로 인해 내막을 경계로 수소 이온 농도의 기울기가 생기게 되는데, 수소 이온이 ATP 합성효소를 통해 이 기울기를 따라 이동하면서 ADP와 인산기를 결합하여 ATP를 합성한다. 전자전달을 통한 수소 이온 기울기 형성과, 이를 이용한 ATP합성이 연계되어 있기 때문에 이를 짝지어져 있다고(coupled) 한다. (위키백과: 아데노신 삼인산) ATP 합성효소 ATP 합성효소는 모든 세포 활동의 에너지원인 아데노신 삼인산을 생성하는 효소이다. 이 효소는 미토콘드리아의 표면적이 넓은 내막에 위치를 하고 있다. 이 단백질은 세포 호흡의 하위 과정인 전자전달에 의해 생기는 수소 이온의 이동으로 인한 pH차이와 전압 차이를 이용하여 아데노신 이인산을 인산화하여 아데노신 삼인산을 생성한다. 이를 설명한 Paul D.Boyer와 John E.Walker는 1997년에 노벨 화학상을 받았다. (위키백과: ATP 합성효소) 근육의 비율 여기까지가 인체의 세포가 에너지를 생산하는 매커니즘이다. 세포내에 핵과 미토콘드리아가 존재하고 미토콘드리아 내에 ATP 합성효소가 존재한다. 생명체는 에너지를 생산하기 위해 물질을 흡수하여 분해하여 재합성하는 과정을 거친다. 합성한 물질(ATP)를 다시 분해하면서 에너지를 생산하게 되는 것이다. 어떻게 보면, 생물은 재활용공장이라고 할 수 있다. ATP 합성식은 우리가 생물시간이면 배우는 바로 그 식이다. 물과 에너지가 산출되는 과정이 나온다. 산소가 이산화탄소로 바뀌는 것도 마찬가지다. 중요한 것은 분해의 과정에서 에너지가 생성되고, 그 중의 일부가 열로 발산된다는 점이다. 식으로 만들면 간단하지만, 우리는 그것을 너무 어렵게 배우고 가르친다. 하루에 먹는 양이 10이고, 쓰는 양이 3이라면 배출하는 양은 7이다. 새삼스럽겠지만, 지구 상의 어떤 발전소도 30%이상의 효율을 내기가 어렵다. 그래서 생물은 저장을 하는 것이다. 사람은 물은 3일, 음식은 30일 정도를 먹지 않아도 견딘다. 반면, 낙타는? 뱀은? 늑대는?...효율 면에서 인체가 가장 효율이 떨어진다. 저장하는 기능도 떨어지고, 재활용하는 능력치도 떨어진다. 참고로, 베어 그릴스의 Man vs Wild 를 보면 많은 것을 배울 수 있다. 여기서부터는, 영양과 관련된 얘기이므로 다음으로 미루고... 근육내의 세포에서 에너지를 생성하고, 그것을 이용해서 액틴과 미오신이라는 근 필라멘트가 작동한다. 그러니까, 근육의 크기는 세포의 확장과 세포의 생성으로 볼 수 있고, 세포내의 핵분열과 미토콘드리아 분열로도 볼 수 있다. 기존의 이론에서 갖는 문제는, 근원섬유와 필라멘트를 기준으로 설명하느라고, 미토콘드리아의 생성은 간과하고 있다는 점이다. 이것은 비율의 문제다. 이런 가설을 세울 수 있다. 근육은 세포와 혈관의 합집합인데, 근섬유를 종류별로 구분하는 것은, 그 비율의 차이를 기준으로 하는 것이다. 지근과 속근이라 말하는 것들이 그것인데, 그것의 차이는 세포질 내의 미토콘드리아 비율이 중요한 부분을 차지한다는 것이다. 액틴과 미오신은 ATP에 의한 교차결합 주기로 설명된다. 근수축의 에너지원은 ATP이고 ATP와 근세포 안에 있는 수축성 단백질과의 반응이 근수축을 일으키는 것으로 볼 수 있다. 그러니까 ATP를 얼마나 빠르게 많이 분해하여 에너지를 생산할 수 있느냐, 그리고 평소에 얼마나 많이 보유하고 있느냐가 중요하다는 것이다. 근육의 수축 근육의 수축은 복합적이다. 근육이 여러 개이기 때문이다. 인체가 움직일 때 사용되는 근육은 매우 많고 모두 다르게 작용한다. 따라서 그것들이 어떻게 수축하고 반응하는지를 일일이 나열하고 이해하는 것은 불가능하고 불필요하다. 우리는 근육이 물리적인 시공간에 적응한다는 관점을 견지해야 한다. 물리적 시공간에서 뼈에 붙은 근육이 얼마큼 늘어나는지, 그것이 얼마나 빨리 수축하는지를 이해하는 것이 중요하다. 팔굽혀펴기를 한다면, 상체가 바닥으로 내려가는 걸 윗팔뼈에 붙은 가슴근육이 잡아주고 있는 것이다. 가슴근육의 한쪽 끝은 윗팔뼈에 붙어 있다. 마찬가지로, 윗팔뼈에서 견갑골로 이어지는 근육도 상체를 잡아준다. 인체의 해부도를 보면서 운동하는 것이 운동의 효율성 면에서 월등하다. 물론, 부위별로 운동한다면 저항과 시간이 훨씬 더 중요하겠지만, 근육의 작용과 반작용으로 따진다면 해부도를 보고 내가 지금 어디의 근육을 쓰고 있는지를 명확히 아는 것이 중요하다. 인체의 해부학적 구조를 명확히 이해하지 못하면, 근육의 수축이 어떻게 인체를 움직이고 그러한 움직임의 한계치가 어느 정도까지인지를 이해하지 못하게 된다. 쉽게 얘기하면, 뼈와 인대, 힘줄이 견디는 한계치까지 근육의 수축력을 조절할 수 있다. 다시 말해, 뼈가 부러지기 전, 인대가 늘어나기 전, 힘줄이 끊어지기 전까지 근육을 수축시켜야 최대의 자극을 줄 수가 있는 것이다. 이제 문제는, 인체의 한계가 어디까지인지를 어떻게 아느냐이다. 근육의 수축과 장력 장력이라는 것을 이해할 필요가 있다. 로프의 장력은 최대 하중이 어느 정도일 때 로프가 끊어지는가로 판단한다. 인체의 장력도 마찬가지다. 어느 정도 하중에서 근육이 찢어지는가를 알면 된다. 그걸 어떻게 아느냐고? 근육통은 오고, 인대와 힘줄에는 무리가 가지 않는 정도다. 내가 맨몸운동을 선호하고, 중량운동도 중력운동이라고 바꿔서 몸에 다는 중량을 물통으로 제한하는 것도 그 때문이다. 인대와 힘줄에 가해지는 하중을 바벨이나 덤벨로 조절하면, 필히 개인적인 장력과 무게 간에 격차가 발생한다. 그럼? 근육통을 넘어서, 인대와 힘줄에 무리가 발생한다. 증상으로는 관절이 뻐근하고 뻣뻣해지고 쑤시고 결리고 심하면 찌르듯 아프거나 타들어가는 느낌이 든다거나 전기에 감전된 느낌이 든다거나 하는 현상이 발생한다. 욱신거리거나 미세한 떨림은 회복되는 과정으로 볼 수 있지만, 어느 방향으로 움직일 때 찡하는 통증이나 찌르는 통증이 발생한다면, 그건 인대에 염증이 발생했거나 조직손상으로 볼 수가 있다. 일반적으로 근육은 파괴에 따른 회복이 빠르지만, 결체조직으로 구성된 인대나 힘줄은 유연하지 않기 때문에, 그만큼 회복도 더디다. 보통 병원에서는 인대나 힘줄의 손상에 대해 두세 달의 휴식을 뼈의 손상에 대해 세 달 이상의 휴식을 권한다. 그 말은, 인대나 힘줄, 관절의 손상은 그만큼 심하게 무리를 해야만 발생한다는 것을 의미한다. 인체가 물렁뼈로만 조직된 것도 아니고, 인대나 힘줄이 고무줄도 아니고 그리 쉽게 상하겠나? 얼마나 혹사를 시키고 무리를 했으면 조직이 손상되느냐는 말이다. 그와는 반대로 근육의 회복력이 얼마나 빠른지를 우리가 모르고 있는 것이기도 하다. 하루가 멀다 하고 운동을 해도 근육은 회복하고 성장하지 않는가. 허나, 인체의 재생능력이나 회복력이 아무리 뛰어나다 해도, 거기에는 한계가 있다. 지금의 운동방식과 이론은 인체의 한계능력을 시험하고 있다. 얼마나 빠르게 회복할 수 있는가, 얼마나 많이 파괴할 수 있는가, 얼마나 많은 충격을 견딜 수 있는가를 시험한다. 그것을 따라하다가 일반인들이 그렇게 부상을 입는 것이고 말이다. 지금의 운동 무예를 가르칠 때는 낙법부터 가르치고, 몸을 쓰는 기본적인 방식부터 가르친다. 자기 몸도 똑바로 쓰지 못하는데, 무슨 발차기며 기술이며 수기가 의미 있을까? 운동에서 기본은 인체의 근육이 어떤 기능을 하는지 머리로 전신으로 이해하는 것이다. 근육의 수축이 뭘 의미하는지를 알려면, 모든 근육을 수축시킬 줄 알아야 한다. 그리고 인체의 장력을 알지 못하면 필시 부상을 당한다. 무예가 몇 년이 걸리더라도 맨몸운동을 기준으로 가르치는 이유가 거기에 있다. (물론, 지금의 무도가 그렇다는 것은 아니다.) 관절이 견딜 수 있는 하중과 저항의 한계를 모르고 그것을 테스트하는 지금의 운동방식은 어떻게 하면 인체가 손상되는지를 연구하는 생물학 실습과 별반 다를 바가 없다. 나는 왜 인체의 강도를 테스트하는지를 이해할 수가 없다. 그건 어차피 뻔한 문제다. 자동차랑 줄다리기를 할까? 아니면 정면충돌을 해볼까? 아니면 10층에서 뛰어내릴까? 도대체 왜 쇳덩이나 돌덩이로 테스트를 하고, 몸뚱아리를 혹사시키는지 이해할 수가 없다. 인체가 강해지는 방법은 매우 꾸준한 노력이 필요하고, 매우 깊은 사고력을 필요로 한다.(강함과 근육은 0.0....001%도 상관이 없다. 전신의 골격이 아만다티움으로 만들어진 울버린이 아닌 다음에야 인간이 강해지려면 무기를 써야하고 쓸 줄 알아야 한다. 맨몸으로는 아무리 날고 기어봐야 한계가 명확하다. 아무튼, 근육은 강함과 아무런 상관이 없다는 것은 절대명제다.) 인간은 먼저 근육을 키우고 싶은 건지, 고수가 되고 싶은 건지를 결정해야 한다. 근육과 고수는 아무 상관도 없고 별개의 길이므로 인체를 사용하는 방식도 다르고 배우는 방법도 현저하게 다르다. 근육을 키우는 것이 목적인지, 근육을 키워서 사용하는 것이 목적인지를 분명히 해야 한다. 내가 뒤늦게 근육을 키우고 공부를 하는 이유는, 인체를 더 잘 사용하기 위해 근육이 필요하기 때문이다. 그것이 건강해지는 길과 같다. 부득이 모든 인체의 부위별 운동을 만들었지만, 여기서는 다시 전신운동에 대한 방법을 정리하게 될 것이다. 그게 더 쉽고 효과적이고 정확하기 때문이다. 나는 근육을 키우려는 게 아니라 ‘운동’을 하려는 것이다. 운동의 목적이 무엇인지를 명확히 하지 않으면, ‘운동’은 할 필요가 없다. 대한

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