근육수축의 형태와 근력 발휘에 영향을 미치는 요인

움직임은 근육의 수축과 이완을 바탕으로 한다

운동은 인체의 여러 조직에 긍정적인 영향을 미치며, 특히 근육계통은 운동 수행의 핵심 요소이다. 근육은 단순한 운동을 넘어 신체의 균형, 자세, 운동 능력에 중요한 역할을 한다. 이 글에서는 근육수축의 형태를 분류하고, 근육수축의 종류 및 근력 발휘에 영향을 미치는 요인을 살펴보고, 이를 통해 운동 생리학의 기본 개념을 이해하고 효과적인 운동 계획을 세우는 데 도움을 주고자 한다. 

신경 자극으로 활동 전압이 유발되어 신경 근육 이음부를 자극하면 근육 섬유 내로 흥분이 전이된다. 이렇게 전도 받은 근육 섬유 안에서는 화학반응이 일어나 수축 현상이 나타난다. 근육 수축의 형태에 따라 강축, 긴장, 가중, 연축 등으로 구분한다.

먼저 강축이란 자극이 계속 있는 동안에는 지속하지만, 자극이 그치면 근육이 곧바로 이완되는 것이다. 몸에서 생기는 수축의 대다수는 강축이고, 계속되면 근육의 수축력이 감소하여 근육이 쉽게 피로해진다. 연축은 뼈대 근육에 빠르게 전기자극을 가하면 근육 수축이 시작되는데, 이때 약 0.1초 수축 후 원 상태로 복귀하는 수축 형태이다. 가중이란 자극이 연달아 반복되면 하나의 연축이 끝나기 전에 이어지는 연축에 다음 연축이 가중되어 큰 수축으로 향해 가는 것이다. 

근육이 수축할 때 부하에 따른 장력의 변화나 길의 변화에 따라 수축유형을 분류하는데, 근육의 길이 변화에 따라 정적 수축, 동적 수축으로 구분하며 정적수축에는 등척성 수축이 있으며, 동적 수축에는 등장성 수축과 등속성 수축이 있다. 등장성 수축에는 또다시 단축성 수축과 신장성 수축으로 나누어진다. 

등척성 수축은 근육 길이의 변화가 없이 장력이 발생하는 수축을 말한다. 근육이 짧아지지 않는 이유는 끌어당기는 힘에 다한 외부의 저항이 근육에서 비롯된 최대장력보다 크기 때문이다. 등장성 수축에서의 단축성 수축은 말 그대로 '길이가 짧아진다'라는 의미로 근육이 저항에 대하여 짧아지는 동안 주어진 저항과 동일한 장력을 나타내는 것이다. 신장성이란 '근육의 길이가 길어진다'라는 의미로 팔씨름에서 지는 사람의 위팔두갈래근을 보면 쉽게 이해할 수 있다. 이때 위팔두갈래근은 수축하고 있으면서도 근육의 길이가 늘어난다. 

등속성 수축은 근육이 짧아질 때 근육에서 발생하는 장력이 전반적인 운동의 범위에 걸쳐 모든 관절의 각이 최대가 된다. 자유형 수영에서 팔을 스트로크하는 동작이 등속성 수축의 가장 좋은 예시이다. 등속성 수축은 기계로만 측정이 가능하며 대부분의 장비에서는 힘과 토크의 기록을 읽을 수 있는 장비를 가지고 있다. 

근력 발휘에 영향을 미치는 요인으로서는 첫 번째 힘과 속도의 관계가 있다. 근육 조직에서의 단축성 장력에 미치는 힘과 속도의 관계는 1938년 Hill이 최초로 보고하였는데, 근육이 높은 하중에 대해 단축성 장력을 만들면 근육의 단축 속도는 상대적으로 느려지며 저항이 낮은 경우에는 단축 속도가 상대적으로 빨라진다는 것이다. 힘과 속도의 관계에서 빠른 속도로 무거운 저항을 이동시키는 것이 불가능하지는 않다. 근력이 강할수록 최대 정적 장력을 생성할 수 있으며, 저항이 증가하면서 길이가 늘어나기 전에 근육이 최대의 힘을 생성할 수는 있다. 또한 느린 속도로 적은 하중을 이동시키는 것도 상식적인 선에서 가능하다. 예를 들어 책상에서 볼펜을 집을 때 관련 근육의 운동단위 동원 패턴의 조절에 따라 속도를 빨리 또는 느리게 할 수 있다. 한편, 신장성 트레이닝에서는 운동선수의 최대 정적 근력 생성 능력보다 훨씬 큰 저항을 사용하는데, 근육에 부하를 가해주면 근육의 길이가 길어지기 위해 시작한다. 

근육 길이와 장력의 관계에 대해 말하자면 각 근육섬유는 힘을 생성하기 위한 능력에 대비한 상대적으로 적정한 길이가 있다. 주어진 근육 섬유는 끝과 끝이 서로 연결되어 있는 근육원섬유마디로 구성되어 있는데, 이는 굵은 근육 미세섬유와 가는 근육 미세섬유의 적절한 겹침의 길이로 정의되며 연결다리 상호작용의 최대치를 나타낸다. 한편, 관절의 운동 범위에 따라 근육이 가장 최대로 근력을 발휘할 수 있는 것은 운동과 활동의 특성에 따라 다르지만 보통 100~140도 범위에서 가장 크게 발현된다. 

다음은 근육 섬유의 종류와 특성에 대하여 알아보고자 한다. 유산소운동에 적절하고 붉은 색상이 특징인 적색근육 세포를 서근섬유(ST섬유)라고 하고, 흰색을 띠는 백색근육세포를 속근섬유(FT 섬유 또는 FG 섬유)라고 한다. 각 근육섬유는 최대 근육수축 시에 발생하는 피로에 대한 저항력이나 수축시간 그리고 장력도 다르며 생물학적 화학작용도 다르다. ST섬유는 상대적으로 느린 수축스피드와 낮은 최대장력, 비교적 높은 지구력이 특징이기 때문에 유산소 운동에 적합하다. 이는 ST섬유 안에 많은 양의 미토콘드리아, 산화효소, 그리고 모세혈관이 분포되어 있기 때문이다. 반면에 ST섬유는 ATP 효소 농도가 상대적으로 낮다. 속근섬유의 한 종류인 FTb섬유는 보통 폭발적인 힘을 발휘하거나 근력이 많이 소요되는 활동에 사용되며 낮은 운동 강도에서는 활성화되지 않는다. 반면 같은 속근섬유인 FTa섬유는 ST 섬유와 FTb섬유의 중간 속성을 지니고 있어서 산화효소가 많고, 피로 저항 능력이 좋은 편이며, 혈류 공급도 좋다. 

우리 몸의 가자미근과 같은 특정 근육에는 FT 섬유와 ST 섬유가 적절하게 혼합되어 있다. 단기간 높은 강도로 훈련한 운동선수는 일반인이나 지구력 중심의 선수들보다 FT 섬유의 비율이 훨씬 큰 경향이 있다. 또한 마라톤 종목과 같은 지구력 위주의 운동 선수들은 ST 섬유의 비율이 우세하다. 

운동과 근육계통은 서로 밀접한 관련이 있으므로, 근육수축의 다양한 형태와 종류를 이해하고, 근력 발휘에 영향을 미치는 여러 요인을 고려함으로써 효과적인 운동 프로그램을 설계할 수 있다. 운동 생리학의 원리를 바탕으로 적절한 운동 계획을 세우면 더 나은 운동 효과를 얻을 수 있을 것이다.