근육은 어떻게 힘을 내기 시작하는가 — 운동단위, 근신경 접합부, 근세사 활주설
신경 하나가 근섬유 몇 개를 맡느냐가 그 근육이 정교한지 거친지를 정합니다. 신경 끝에서 아세틸콜린이 건너가고, 칼슘이 나오고, 미오신이 액틴을 끌어당깁니다. 교정운동에서 "이 근육이 안 켜진다"고 말할 때 실제로 무슨 일이 안 일어나는 건지 정리해 두었습니다.
■ 신경 하나가 맡는 섬유 수가 적을수록 세밀하게 조절되고, 많을수록 힘은 크지만 거칠어집니다.
■ 수축은 열 단계로 진행되고, 그 중심에는 칼슘이 있습니다. 이완도 힘(ATP)을 씁니다.
공덕에서 헬스와 피티를 하면서 회원분들께 제일 자주 하는 말이 "이 근육이 안 켜지고 있습니다"입니다. 말은 쉬운데, 안 켜진다는 게 대체 어느 단계에서 멈추는 건지는 저도 한 번 짚고 넘어갈 필요가 있었습니다. 그래서 순서대로 적어봤습니다.
교정운동 하시는 분들께는 이 순서가 특히 쓸모가 있습니다. 근육이 약한 게 아니라 신경이 덜 부르고 있는 경우가 생각보다 많기 때문입니다.
운동단위란 무엇인가요
운동신경세포 하나와, 그 신경의 가지가 붙어 있는 근섬유 전체를 묶어 운동단위(motor unit)라고 부릅니다. 1925년 리델과 셰링턴이 처음 쓴 말입니다.
중요한 건 이겁니다. 한 운동단위에 속한 근섬유는 전부 같이 수축하거나 전부 같이 쉽니다. 절반만 켜지는 일은 없습니다. 그래서 근육의 힘을 조절하는 방법은 두 가지뿐입니다. 운동단위를 몇 개 부르느냐, 그리고 얼마나 빠른 빈도로 부르느냐입니다.
그러니까 "이 근육을 30%만 쓴다"는 말은 근섬유 하나하나가 30%씩 힘을 낸다는 뜻이 아닙니다. 전체 운동단위 중 30%쯤이 완전히 켜져 있고 나머지는 쉬고 있다는 뜻입니다. 교정운동에서 저강도로 오래 버티는 동작을 시키는 이유가 여기 있습니다. 작은 운동단위부터 확실히 켜지게 하려는 겁니다.
신경 하나가 근섬유를 몇 개나 맡나요
이걸 신경지배율이라고 합니다. 근육마다 크게 다릅니다.
▪ 손의 첫번째 등쪽뼈사이근 — 약 340개
▪ 위팔두갈래근 — 약 210~750개 (측정 방법에 따라 차이)
▪ 앞정강근 — 약 330~1,845개
▪ 안쪽장딴지근 — 약 1,900개
▪ 가쪽넓은근 — 약 6,000개
눈은 신경 하나가 열 개 남짓을 맡으니 미세하게 각도를 조절할 수 있습니다. 종아리는 하나가 이천 개 가까이를 맡으니 힘은 크지만 정교하게 나누기는 어렵습니다. 지배율이 작을수록 정교하고, 클수록 거칠다는 말이 정확히 이 얘기입니다.
느린 운동단위가 섬유 수가 적고 빠른 운동단위가 많다는 것도 여러 동물 실험에서 확인된 내용입니다. 다만 이 숫자는 섬유 종류별로 딱 나뉘는 값이라기보다 근육마다 다른 값으로 보시는 게 정확합니다. 위에 적은 것이 사람 근육에서 실제로 측정된 수치입니다.
그러면 어떤 운동단위가 먼저 켜지나요
헤네만이 1957년에 정리한 크기 원리(size principle)라는 게 있습니다. 몸통이 작은 신경세포가 먼저 켜지고, 힘이 더 필요해지면 큰 신경세포가 뒤따라 켜집니다. 작은 신경세포는 느린 근섬유를, 큰 신경세포는 빠른 근섬유를 맡습니다.
즉 가벼운 무게로 시작하면 작은 운동단위만 켜집니다. 큰 운동단위까지 부르려면 무게를 올리거나, 가볍더라도 힘이 빠질 때까지 밀어붙여야 합니다. 제가 회원분들 중량 훈련을 강조하는 이유가 이겁니다. 안 부르면 안 켜집니다.
신경과 근육은 어디서 만나나요
운동신경 섬유가 근섬유에 가까이 오면 먼저 수초(말이집)가 벗겨집니다. 그리고 신경 끝이 부풀어 오릅니다. 이걸 신경종말이라고 합니다.
신경종말이 닿는 근섬유 쪽 막은 움푹 들어가면서 두꺼워집니다. 이 자리가 종판(end plate)입니다. 표면적을 늘리려고 주름이 잡혀 있습니다.
신경종말과 종판 사이에는 아주 미세한 틈이 있고 조직액이 차 있습니다. 이 구조 전체를 근신경 접합부라고 부릅니다.
▪ 미토콘드리아 — 신경전달물질을 만들고 재활용하는 데 쓸 에너지를 댑니다
▪ 아세틸콜린 수용체 — 종판 주름의 봉우리 쪽에 몰려 있습니다
▪ 나트륨 통로 — 주름의 골짜기 쪽에 몰려 있습니다
▪ 아세틸콜린 분해효소 — 틈 사이 바닥에 깔려 있습니다
이 구조에는 여유가 넉넉하게 잡혀 있습니다. 신경 신호 한 번에 소포 약 60개가 터지는데, 이때 생기는 종판전위가 근섬유를 켜는 데 필요한 값의 두세 배에서 다섯 배쯤 됩니다. 이 여유분을 안전계수라고 부릅니다. 오래 일해도 신호가 끊기지 않는 이유가 여기 있습니다.
수축은 어떤 순서로 일어나나요
순서대로 적어보겠습니다. 열 단계로 나누면 이렇습니다.
② 들어온 칼슘이 시냅스 소포를 막에 붙여 터뜨리고, 아세틸콜린이 틈으로 쏟아집니다.
③ 아세틸콜린이 건너가 종판 쪽 수용체에 붙습니다.
④ 수용체가 열리면서 나트륨이 근섬유 안으로 들어옵니다.
⑤ 종판이 탈분극되고, 역치를 넘으면 근섬유 자체의 활동전압이 생깁니다.
⑥ 활동전압이 근섬유막을 타고 달리다가 T세관을 통해 근섬유 속으로 들어갑니다.
⑦ T세관의 전압감지기가 옆에 붙어 있는 근형질세망의 칼슘 통로를 엽니다. 칼슘이 쏟아져 나옵니다.
⑧ 칼슘이 트로포닌에 붙습니다. 트로포닌 모양이 바뀌면서 트로포미오신이 비켜서고, 가려져 있던 액틴의 결합 자리가 드러납니다.
⑨ 미오신 머리 두 개가 번갈아 액틴에 붙었다 떨어지며 액틴을 근절 중앙으로 끌어당깁니다. 이게 근세사 활주설입니다.
⑩ 신호가 끝나면 아세틸콜린은 분해효소에 잘려 사라지고, 칼슘은 펌프로 다시 근형질세망에 담깁니다. 트로포미오신이 결합 자리를 덮으면 근섬유가 풀립니다.
여기서 두 가지는 헷갈리기 쉬우니 짚어두겠습니다. 첫째, 칼슘 통로가 열리는 1번 단계는 신경 쪽인 축삭종말에서 일어납니다. 종판은 근육 쪽 구조라 여기와 섞어 부르면 안 됩니다. 둘째, 마지막 10번 단계를 빼놓고 외우는 분들이 많은데, 아세틸콜린이 치워지지 않으면 근육은 계속 수축한 채로 남습니다. 유기인계 농약 중독으로 근육이 굳는 게 정확히 이 효소가 막혔을 때 벌어지는 일입니다.
칼슘은 정확히 어떤 역할을 하나요
칼슘은 두 군데에서 서로 다른 일을 합니다. 헷갈리기 쉬운 부분이라 나눠서 적겠습니다.
신경 쪽에서는 밖에서 안으로 들어온 칼슘이 소포를 터뜨리는 방아쇠 역할을 합니다. 이건 세포 바깥의 칼슘이 실제로 들어오는 게 맞습니다.
근육 쪽에서는 얘기가 다릅니다. 근형질세망이라는 창고에 이미 저장돼 있던 칼슘이 안에서 풀려나옵니다. 그 칼슘이 트로포닌에 붙어 액틴의 결합 자리를 여는 열쇠 역할을 합니다.
골격근과 심장근이 여기서 갈립니다. 심장은 밖에서 들어온 칼슘이 창고 문을 여는 방식(칼슘유도 칼슘방출)입니다. 골격근은 다릅니다. T세관에 박혀 있는 전압감지기 단백질이 창고 문에 직접 맞물려 있어서, 전압이 바뀌면 기계적으로 밀어서 엽니다. 세포 바깥 칼슘이 들어오지 않아도 골격근은 수축합니다. 2024년에는 이 두 단백질이 격자 모양으로 맞물려 있는 실제 구조가 촬영되기도 했습니다.
힘을 빼는 데도 에너지가 드나요
듭니다. 이게 의외라고들 하십니다.
풀려나온 칼슘은 저절로 창고로 돌아가지 않습니다. 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 밀어 넣어야 하니 펌프가 필요하고, 그 펌프는 ATP를 씁니다. 미오신 머리가 액틴에서 떨어지는 데도 ATP가 필요합니다.
그래서 사람이 죽으면 몸이 굳습니다. ATP가 바닥나면 미오신 머리가 액틴에서 떨어지지 못하고 붙은 채로 남기 때문입니다. 이완은 힘을 안 쓰는 상태가 아니라, 힘을 써서 만드는 상태입니다.
이 구조가 망가지면 어떻게 되나요
▪ 분해효소가 막히면 — 아세틸콜린이 안 치워져 근육이 계속 수축합니다. 유기인계 농약 중독이 이 경우입니다.
▪ 신경 자체가 줄면 — 나이가 들면서 운동단위 수가 줄어듭니다. 71세 무렵이면 젊을 때보다 약 40% 적다는 추정이 있습니다.
마지막 항목이 저희 현장과 제일 가깝습니다. 시니어 회원분들이 근육량 대비 힘이 유난히 떨어지는 이유 중 하나가 이겁니다. 남은 신경이 죽은 신경의 섬유를 주워 담으면서 운동단위가 커지고, 그만큼 조절이 거칠어집니다.
교정운동에는 어떻게 적용하나요
여기까지 정리하고 나면 현장에서 쓰는 말이 좀 정확해집니다.
② 작은 것부터 켜집니다. 그래서 교정운동은 가벼운 무게로 정확한 자리를 먼저 잡습니다. 무게를 먼저 올리면 큰 근육이 대신 나서서, 정작 켜야 할 근육은 계속 쉽니다.
③ 큰 운동단위는 불러야 켜집니다. 자리를 잡은 다음에는 반드시 강도를 올려야 합니다. 교정운동만 하고 끝내면 제자리로 돌아옵니다. 이 순서가 뒤바뀌면 둘 다 헛일이 됩니다.
저는 삼십 년 넘게 현장에 있으면서 이론은 나중에 붙인 쪽입니다. 몸으로 먼저 알고 이름은 나중에 배웠습니다. 그런데 이렇게 순서를 적어 놓고 보니, 제가 감으로 하던 것들이 어느 단계를 건드리는 건지 눈에 보입니다. 회원분께 "여기 힘 들어가시죠"라고 물어보는 그 순간이 사실은 신경이 그 운동단위를 부르고 있는지 확인하는 작업이더군요. 아는 만큼 말이 정확해지고, 말이 정확해지면 회원분이 덜 헤맵니다. 그래서 노트를 계속 씁니다.
■ 신경지배율 — 외안근 약 10개, 안쪽장딴지근 약 1,900개, 가쪽넓은근 약 6,000개
■ 크기 원리 — 작은 운동단위가 먼저, 큰 운동단위가 나중에 동원됩니다
■ 근신경 접합부 — 신경종말(수초 소실) + 시냅스 간격 + 종판(주름진 근섬유막)
■ 안전계수 — 종판전위가 필요한 값의 2~5배, 신호 한 번에 소포 약 60개
■ 골격근 흥분-수축 연결 — 전압감지기가 칼슘 통로를 기계적으로 엽니다. 세포 밖 칼슘 불필요
■ 활주설 — 세사 길이는 그대로, 겹치는 구간만 늘어납니다
■ 이완 — 칼슘 회수와 교차다리 분리 모두 ATP를 씁니다
자주 묻는 질문
Q. 근섬유는 힘을 세게 낼 수도 약하게 낼 수도 있나요
한 번의 신호에 대해서는 아닙니다. 전부 켜지거나 안 켜지거나입니다. 다만 신호가 빠르게 연달아 오면 칼슘이 미처 회수되기 전에 다음 신호가 겹치면서 장력이 커집니다. 그래서 힘 조절은 몇 개를 부르느냐와 얼마나 자주 부르느냐로 이루어집니다.
Q. 한 운동단위 안에 지근과 속근이 섞여 있나요
섞이지 않습니다. 한 신경이 지배하는 섬유는 같은 성질을 가집니다. 신경이 근섬유의 성질을 정하기 때문입니다. 신경을 바꿔 연결하면 근섬유 성질도 따라 바뀐다는 실험이 있습니다.
Q. 근력이 느는 게 근육이 커져서인가요
둘 다입니다. 운동 시작하고 처음 몇 주는 근육 크기가 거의 안 변하는데도 힘이 붙습니다. 신경이 운동단위를 더 잘 부르게 되는 구간입니다. 부피가 늘어나는 건 그 다음입니다.
Q. 스트레칭만으로 안 켜지는 근육이 켜지나요
잘 안 됩니다. 늘리는 것과 부르는 것은 다른 일입니다. 늘려 놓고 그 자리에서 힘을 주는 연습을 같이 해야 남습니다.
Q. 나이가 들면 회복이 안 되나요
운동단위 수 자체는 줄지만, 남은 신경이 근섬유를 더 많이 맡으면서 상당 부분 보완됩니다. 그리고 이 보완 과정은 쓸수록 잘 일어납니다. 시니어일수록 근력운동을 놓으면 안 되는 이유입니다.
Q. 근육이 떨리는 건 왜 그런가요
여러 원인이 있는데, 힘든 자세를 오래 버틸 때 떨리는 건 운동단위들이 번갈아 켜지고 꺼지면서 생기는 흔들림인 경우가 많습니다. 지쳐서 서로 교대하는 타이밍이 어긋나는 겁니다.
Q. 이 내용을 알면 운동이 달라지나요
동작 하나하나가 달라지진 않습니다. 다만 순서를 정할 때 달라집니다. 가벼운 것부터 할지 무거운 것부터 할지, 자세부터 잡을지 무게부터 올릴지 판단할 근거가 생깁니다.
참고한 자료
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▪ Gath I, Stålberg E, Exp Brain Res 1981 — 위팔두갈래근 209, 앞정강근 329, 어깨세모근 239
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▪ Henneman E, Science 1957 및 J Neurophysiol 1965 — 크기 원리
▪ Fatt P, Katz B, J Physiol 1952 — 아세틸콜린 양자 방출 이론
▪ Slater CR — 근신경 접합부의 안전계수, 종판전위가 역치의 2~5배
▪ Wood SJ, Slater CR — 소포 하나에 아세틸콜린 5,000~10,000 분자, 자극 한 번에 약 60개 방출
▪ Huxley AF, Niedergerke R / Huxley HE, Hanson J, Nature 1954;173(4412) — 근세사 활주설, 같은 호에 나란히 실린 두 편
▪ Nakai J 외, Nature 1996 — 전압감지기와 칼슘 방출통로의 양방향 신호
▪ Protasi F 외, Front Biosci 2002 — 골격근과 심장근의 흥분-수축 연결 방식 차이
▪ Zhou X 외, Science Advances 2024;10(12):eadl1126 — 저온전자단층촬영으로 본 RyR1-DHPR 격자 구조
▪ Piasecki M 외, Biogerontology 2016 — 71세 무렵 운동단위 약 40% 감소 추정
▪ 중증근무력증의 아세틸콜린 수용체 항체 기전에 관한 임상 문헌
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