지근섬유와 속근섬유 차이점에 대해 알아보자.

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인체는 체중의 40~50%를 차지하는 600개 이상의 수의적인 골격근을 지니고 있다. 이러한 골격근을 각각 자유롭게 움직여 일상생활의 움직임에서부터 각종 스포츠의 엄청난 퍼포먼스까지 만들어낸다.

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인간의 골격근은 각각 근섬유의 생화학적, 조직화학적 특성에 따라 다양하게 분류할 수 있다. 보편적으로 운동생리학에서 근섬유는 지근섬유(Slow-twitch fiber)와 속근섬유(fast-twitch fiber)로 구분한다.

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지근섬유는 Type Ⅰ 섬유라고 불리는 단 한 종류만이 인간의 근육 속에 존재하는 반면, 속근섬유는 Type Ⅱa 섬유와 Type Ⅱx 섬유라 불리는 두 가지 섬유가 존재한다.

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이러한 근섬유들은 각 근육군에서 대부분 균등한 비율로 분포되어 있으며, 비록 몇몇 근육군에서 지근섬유가 혹은 속근섬유가 많다고 알려져 있지만, 각 개인의 유전적 요인과 호르몬 수준, 운동 형태에 따라 골격근의 섬유 비율이 달라질 수 있다.

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오늘 근섬유 형태와 특성에 대해 다루는 가장 큰 이유는, 골격근을 구성하는 섬유의 특성과 그 비율이 다양한 스포츠 경기에서 운동수행력을 좌우하는 중요한 요소로 여겨지기 때문이다.

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따라서 지구성 스포츠, 간헐적 고강도 스포츠, 파워 스포츠 등 다양한 스포츠 종목의 특성과 골격근의 섬유 형태의 특성을 연결하여 생각해 보는 시간을 가지려 한다. 선수 지도자에게 있어 오늘 내용은 운동생리학에서 가장 기초적이면서도 심화된 내용들까지 포함할 수 있는 매우 중요한 챕터라고 생각된다.

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근섬유의 생화학적 특성

각각의 근섬유 형태와 구체적인 특성을 알아보기 전, 일반적인 골격근의 생화학적 특성을 이해할 필요가 있다. 우리가 알고 있는 지근섬유 혹은 속근섬유가 이러한 생화학적 특성에 따라 구분되었기 때문이다.

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근섬유는 주요한 세 가지 생화학적 특성을 지닌다. 이것은 1)산화능력(Oxidative capacity), 2)ATPase 효소의 활동성, 3)근섬유 내 수축성 단백질(액틴과 마이오신)이다.

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첫 번째로 1)산화능력은 근섬유의 유산소성 능력을 뜻하며, 장시간의 운동과 같은 피로와 밀접한 관계가 있다. 이러한 근섬유의 산화능력은 미토콘드리아 수, 근섬유를 둘러싼 모세혈관의 수, 섬유 내의 마이오글로빈 양에 의해 결정된다.

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차례대로 미토콘드리아 수가 많으면 유산소적인 ATP 생산 능력이 뛰어날 것이며 자연스레 근섬유의 산화능력이 좋아질 것이다.

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또한 근섬유를 둘러싼 모세혈관이 많으면 근섬유에 공급되는 산소의 양이 많아질 것이기 때문에 이것 역시 근섬유의 산화능력에 긍정적인 영향을 미친다.

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마지막으로 섬유 내 마이오글로빈은 혈액 속의 헤모글로빈으로부터 산소를 끌어와 미토콘드리아로 산소를 전달하는 역할을 한다. 따라서 높은 함량의 마이오글로빈은 모세혈관의 산소를 미토콘드리아로 많이 전달할 수 있기 때문에 근섬유의 산화능력이 뛰어날 것이다.

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두 번째로 중요한 근섬유의 생화학적 특성은 2)ATPase 효소의 활동이다. 근섬유마다 각각 ATP를 활성화시키는 속도가 다르며 이는 곧 근섬유의 수축 속도를 결정하게 된다.

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활동성이 높은 ATPase 효소를 가지고 있는 근섬유는 ATP 생성을 빠르게 촉진하여 근수축의 속도를 빠르게 할 수 있으며, 반대로 낮은 ATPase 효소를 가지고 있는 근섬유는 근수축의 속도가 느릴 수밖에 없다.

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세 번째로 중요한 근섬유의 생화학적 특성은 3)근섬유 내 수축성 단백질, 즉 액틴과 마이오신이다.

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주지하다시피 많은 양의 액틴과 마이오신을 함유한 근섬유는 적은 수축성 단백질을 햠유한 근섬유보다 더 큰 힘을 생성한다.

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근섬유의 수축 특성

앞서 살펴본 근섬유의 생화학적 특성에 따라 수축 특성도 달라질 수 있다. 근섬유의 생화학적 특성과 비교해서 볼 때 수축 특성을 1)근섬유의 효율성, 2)수축 속도, 3)최대근력 생산으로 분류할 수 있다. 구체적으로 살펴보자.

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첫 번째로 1)근섬유의 효율성은 근섬유의 경제성을 평가하는 것과 마찬가지이다. 쉽게 말해 특정 운동을 하는 데 에너지가 얼마나 필요하냐(수행한 일 당 에너지소비율)에 따라 근섬유의 효율성이 달라진다.

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근섬유의 생화학적 특성 중 산화능력, ATPase 효소의 활동성에 따라 이러한 근섬유의 효율성이 달라질 수 있다. 예컨대 높은 ATPase의 활동은 상대적으로 효율성이 떨어지기 때문에, 낮은 ATPase의 활동을 가진 섬유가 동일한 운동 속도에서 더 적은 에너지(ATP)를 사용하여 근수축을 유지할 수 있을 것이다.

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또한 산화능력이 높은 근섬유는 낮은 근섬유보다 주어진 동일한 운동조건에서 더 오래 근수축을 유지할 수 있을 것이다(피로 저항).

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이처럼 효율적인 근섬유는 비효율적인 근섬유보다 일정한 운동을 하는 데 필요한 에너지가 더 적으며, 이것은 사용된 ATP(에너지) 양을 발휘된 근력으로 나누어 산출할 수 있다.

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두 번째로 2)수축속도는 각 근섬유의 최대수축속도(Vmax)를 측정하여 평가한 값이며, 최대수축속도는 근섬유가 가장 빠른 속도로 수축할 때를 의미한다.

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주지하다시피 근섬유는 액틴과 마이오신의 십자형가교에 의해 수축하기 때문에, 근섬유의 수축속도 역시 십자형가교 주기의 비율에 따라 결정된다.

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따라서 근섬유의 생화학적 특성 중 ATPase 효소의 활동성에 따라 수축속도가 결정된다고 할 수 있다. 높은 마이오신 ATP 효소를 가지고 있으면 수축속도가 높을 것이며, 낮은 마이오신 APT 효소를 가지고 있으면 수축 속도가 낮을 것이다.

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세 번째로 3)최대근력 생산은 근횡단 면적당 발휘하는 힘의 양을 나타내며 근섬유-특이장력이라고도 한다.

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더 큰 근섬유가 작은섬유보다 더 큰 힘을 발휘하는 것은 일반적이다. 그 이유는 더 큰 근섬유가 더 많은 액틴과 마이오신을 가지고 있기 때문이다.

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이러한 맥락에서 근섬유의 생화학적 특성중 근섬유내 수축성 단백질(액틴과 마이오신)에 따라 최대 근력이 달라질 수 있다. 최대 근력은 주어진 시간에 액틴과 마이오신의 상호교차 결합한 수, 즉 십자형가교 수와 직접적으로 연관되어 있기 때문이다.

인간의 골격근섬유의 일반적인 생화학적 및 근수축 특성에 대한 내용을 정리한 표는 다음과 같다.

표1. 근섬유의 생화학적, 수축 특성
근섬유의 생화학적 특성	⇔ ​ ⇔ ​ ⇔ ​ ⇔	근섬유의 수축 특성
산화능력		근섬유의 효율성
ATPase 효소의 활동		수축속도
근섬유 내 수축성 단백질		최대근력 생산

자 지금까지 근섬유의 일반적인 특성들에 대해 살펴보았으니, 인간의 골격근에는 어떠한 근섬유 형태가 존재하는지, 각 근섬유 유형의 특성은 어떠한지 "근섬유 형태와 특성"에 대해 본격적으로 알아보자.

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근섬유 형태와 특성

근섬유는 지근섬유(Slow-twitch fiber)와 속근섬유(fast-twitch fiber)로 나뉜다고 하였다. 더 구체적으로 지근섬유는 Type Ⅰ fiber, 속근섬유는 Type Ⅱa fiber 와 Type Ⅱx fiber로 분류하여 총 세 가지 형태로 구분지을 수 있다.

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따라서 앞서 살펴본 근섬유의 생화학적 수축 특성을 위 세 가지 근섬유 형태에 대입하여 각 섬유의 생화학적 수축 특성에 대해 알아볼 것이다.

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지근섬유: Type Ⅰ fiber

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첫째, 근섬유 Ⅰ형은 산화능력이 뛰어나다. 다른 섬유보다 미토콘드리아 수가 많고 뛰어난 산화 효소가 있으며, 더 많은 모세혈관에 둘러싸여 있다. 뿐만 아니라 마이오글로빈 농도도 더 높아 지근섬유의 유산소성 대사에 대한높은 능력과 피로에 대한 높은 저항능력을 갖게 한다.

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둘째, 근섬유 Ⅰ형은 효율성이 더 뛰어나다. 이것은 낮은 ATPase의 활동을 가진 지근섬유의 낮은 ATP 회전율 때문인 것으로 여겨진다. 그 결과 운동 중 수행한 일 당 에너지소비율이 낮다.

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셋째, 근섬유 Ⅰ형은 최대수축속도(Vmax)가 느리다. 이것 역시 다른 섬유보다 낮은 마이오신 ATP 활동을 지니기 때문이다.

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넷째, 근섬유 Ⅰ형은 낮은 최대근력을 생산한다. 상대적으로 더 적은 단위면적 당 액틴과 마이오신을 함유하고 있기 때문이다. 주지하다시피, 최대 근력은 주어진 시간에 액틴과 마이오신의 상호결합한 수와 직접적으로 연관되어 있기 때문에 더 많은 십자형가교 수를 이루어내면 더 큰 힘을 발휘할 수 있다.

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속근섬유: Type Ⅱx fiber

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첫째, 근섬유 Ⅱx 형은 매우 제한적인 유산소성 대사능력을 가지고 있다. 상대적으로 적은 미토콘드리아 수와 산화 효소, 더 적은 모세혈관, 마이오글리빈 등으로 인해 피로에 대한 저항이 약하다. 그러나 글리코겐 저장과 해당작용 효소가 풍부하여 무산소성 능력이 매우 뛰어나다.

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둘째, 근섬유 Ⅱx 형은 효율성이 매우 낮다. 낮은 효율성은 근섬유 중 가장 높은 ATPase 활동과 관련이 있으며, 높은 ATP 회전율로 인해 효율성이 떨어지는 것으로 여겨진다.

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셋째, 근섬유 Ⅱx​ 형은 최대수축속도(Vmax)가 가장 빠르다. 이것 역시 다른 섬유보다 가장 높은 ATP 활동을 지니기 때문이다.

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넷째, 근섬유 Ⅱx 형은 최대근력 생산이 뛰어나다. 지근섬유보다 단위면적 당 더 많은 액틴과 마이오신을 함유하고 있기 때문이다. 간단히 말해 액틴과 마이오신의 더 많은 상호교차를 이루어내면 더 큰 힘을 발휘할 수 있다.

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속근섬유: Type Ⅱa fiber

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첫째, 근섬유 Ⅱa 형은 유산소 및 무산소성 대사적 특성을 모두 갖는다. Ⅱx 형에 비해 상대적으로 많은 미토콘드리아 수를 가지며, 산화능력도 뛰어나 피로에 대한 저항이 다소 높다. 반대로 Ⅰ형에 비해 글리코겐 저장과 해당작용 효소가 풍부하다. 즉, 이 섬유는 생화학적으로 Ⅰ형과 Ⅱx 형의 특성을 혼합한 중간적인 특성을 갖는다.

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둘째, 근섬유 Ⅱa 형은 효율성 측면에서Ⅰ형과 Ⅱx 형의 중간적 특성을 갖는다.

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셋째, 근섬유 Ⅱa 형은 수축속도 측면에서 Ⅰ형과 Ⅱx 형의 중간적 특성을 갖는다.

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넷째, 최대근력 생산은 Ⅱx 형과 비슷하나 Ⅰ형보다는 크다.

인간의 골격근섬유의 형태에 따라 생화학적 요인 및 근수축 특성에 대한 내용을 정리한 표는 다음과 같다.

표 2. 골격근섬유 형태에 따른 특성	지근섬유	​ 속근섬유
특성	Ⅰ형	Ⅱa 형	Ⅱx 형
에너지체계	유산소	유/무산소	무산소
산화능력	높음	중간/높음	낮음
해당능력	낮음	높음	높음
ATPase 효소의 활동	낮음	높음	가장 높음
근섬유의 효율성	높음	중간	낮음
수축속도	낮음	높음	가장 높음
최대근력	중간	높음	높음

골격근의 섬유들은 생화학적 요인과 근수축 특성에 의해 세 가지로 분류할 수 있었다. 그러나 이들은 서로 분명한 차이점을 보이고 있으면서도 각각의 골격근섬유들이 상호 독립적인 특성을 가진 것이 아니라, 서로 상호 연관적인 성격들을 나타낸다는 점을 확인할 수 있다.

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즉, 인간의 골격근섬유는 넓은 범위의 생화학적 및 수축 특성을 가지고 있다는 점을 이해하는 것이 중요하다. 더 나아가 규칙적인 운동을 통해 위와 같은 생화학적 및 수축 특성을 조절할 수 있고 속근섬유를 지근섬유로 전환할 수 있다. 특히 Ⅱa 형 섬유는 장기간 지구성 훈련을 통해서 Ⅰ형 섬유와 같은 특징들로 변화할 수 있음에 유의하자.

근섬유 형태와 운동수행력

현재까지 진행된 기술적인 연구들에 의하면 지근과 속근의 분포와 운동수행력 사이의 다양하고 재미있는 사실들을 확인할 수 있다.

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첫째, 스프린터와 같은 초단시간의 무산소성 운동수행(10초미만)부터 단시간의 무산소성 운동수행(10초~180초)까지 요구하는 선수들은 일반적으로 속근섬유(Ⅱa ,Ⅱx 형)의 비율이 높으며 지근섬유인 Ⅰ형 섬유의 비율은 낮다.

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포환던지기, 멀리뛰기, 높이뛰기, 100~500m 달리기 등의 짧은 시간 내 고도의 힘이 사용되는 최대운동수행은 속근섬유의 무산소성 에너지원 동원에 의해 이루어진다(>70%)고 알려져 있다.

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10초 내 엄청난 양의 에너지를 사용하는 높은 파워의 초단시간 운동수행은 보다 큰 힘을 산출할 수 있는 Ⅱx형 섬유에 의존하고, 10초에서 180초 동안 지속되는 단시간의 운동 역시 무산소성 해당작용에 주로 의존하기 때문에 속근섬유 (Ⅱa,x형) 섬유들의 동원이 요구되는 것이다.

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둘째, 중거리 육상과 같이 단시간의 유산소성 운동수행(3분~20분)을 요구하는 선수들은 Ⅱ형 섬유의 동원과 함께 최대산소섭취량 수준의 에너지 소비가 필요하다.

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3분간의 최대 운동수행에 있어 유산소 과정은 ATP 생산의 60%를 차지하고, 20분간의 최대 운동수행에 있어 그 비율은 90% 상승한다.

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따라서 이 시간대의 최대 운동수행은 유산소 과정에 의한 ATP 생산이 중요하므로, 미토콘드리아 함유량이 높은 Ⅱa 형 섬유를 활용하여 유산소 과정에 의한 ATP 공급이 이루어져야 한다. 뿐만 아니라 20분 미만 경주 막판에는 최대 90~100%의 수준으로 달려야 하기 때문에 Ⅱx 형 섬유들도 동원되어야 한다.

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셋째, 마라톤과 같은 장시간의 운동수행(1시간~4시간)을 요구하는 선수들은 일반적으로 지근섬유(Ⅰ형)의 비율이 높으며 속근섬유(Ⅱa ,Ⅱx 형)의 비율은 낮다.

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1~4시간의 운동수행은 다소 적은 무산소성 대사를 포함한 유산소성 운동수행력이다. 보다 짧은 유산소성 운동수행(21~60분)역시 대부분 유사 소성 형태로 에너지가 공급된다.

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이러한 유산소성 운동수행력을 요구하는 많은 지구력 종목에서 근육으로 산소가 풍부한 혈액을 잘 운반할 수 있도록 모세혈관, 마이오글로빈 농도, 미토콘드리아 수, 다양한 산화효소 등이 발달한 지근섬유(Ⅰ형)가 많이 분포하는 것으로 알려져 있다(또한​ Ⅱa 형 섬유가 지구성 훈련을 통해서 Ⅰ형 섬유와 같은 특징들로 변화한다).

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넷째, 이러한 근섬유 형태는 스포츠에서의 운동수행에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있지만, 동일한 스포츠의 우수한 선수들 사이에서 근섬유 형태의 상당한 차이가 발견되고 있다.

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예를 들어 동일한 마라톤 선수 A와 B의 근섬유 구성 비율은 각각 70%와 85%로 상당한 차이가 있을 수 있었다.

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이러한 관찰은, 물론 높은 지근섬유의 비율이 높은 최대산소섭취량과 밀접한 관계가 있지만 근섬유의 구성 비율이 성공적인 운동수행을 위한 유일한 요인이 아니라는 것을 확인시켜주고 있다.

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다섯째, 근섬유의 분포 비율에 있어 성별이나 연령에 대한 차이를 증명하는 명백한 증거는 없으며, 비록 몇몇 근육군에서 특정 섬유 형태가 많다고 알려져 있지만, 근섬유는 각 근육군에서 대부분 균등한 비율로 분포되어 있다.

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일반인(좌식생활)을 기준으로 대부분의 남성 및 여성은 약 50%의 지근 속근 비율을 가지고 있다. 또한 각 개인의 유전적 요인과 호르몬 수준, 운동 형태에 따라 골격근의 섬유 비율이 달라질 수 있다.

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이 글을 정독한 사람들은 꼭 인간의 골격근섬유의 종류와 각 섬유의 생화학적 및 수축 특성에 대해 설명할 수 있을 정도의 지식을 얻어 갔으면 하는 바람이다.