BIOCHEM2027 전문교과 · 5.3
2027학년도 · 고등학교 전문교과 · 생화학

5.3 액틴·마이오신 분자 모터

액틴과 마이오신 II, 근절의 띠 구조, 교차다리 순환과 Ca²⁺ 조절, 화학에너지의 기계적 일 전환, 키네신·다이네인.

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01

근육의 주요 운동 단백질은 액틴과 마이오신이다

  • G-액틴 = 약 42 kDa 구형 단량체, 중합하면 F-액틴
  • F-액틴 = 두 가닥 나선 미세섬유, 굵기 약 7 nm, (+)·(−) 말단의 구조·동역학 차이
  • G-액틴은 ATP/ADP 결합, 중합·탈중합이 세포골격 동적 성질의 바탕
  • 마이오신 II = 중쇄 2개 + 경쇄 4개, 골격근 아이소폼은 약 500 kDa 규모
  • 머리 = 액틴 결합 부위 + ATPase 활성 부위, 목 = 작은 회전을 증폭하는 지렛대
  • 두 꼬리 = 굵은 필라멘트 몸통 형성
표 5.3-1근육의 주요 운동 단백질은 액틴과 마이오신이다 정리표
그림 5.3-46
그림 5.3-47
02

다른 단백질들이 필라멘트를 정연하게 배열한다

  • 가는 필라멘트 = 액틴 + 트로포미오신 + 트로포닌
  • 트로포미오신 = 액틴을 따라 놓인 길쭉한 단백질, 마이오신 결합 부위 접근 제한
  • 트로포닌 3부분: TnC(Ca²⁺ 결합), TnI(억제), TnT(트로포미오신 결합)
  • 굵은 필라멘트 = 꼬리를 묶어 양방향으로 뻗고 중앙은 머리가 없는 민머리 영역
  • 양쪽 머리가 반대 방향으로 힘을 내 양쪽 Z판의 가는 필라멘트를 M선 쪽으로 견인
  • 근절 = 인접한 두 Z판 사이 단위, A대는 굵은 필라멘트 구간으로 길이 유지
  • I대 = 가는 필라멘트만, H대 = 굵은 필라멘트만, M선 = 중심 정렬·결합 관여
표 5.3-2다른 단백질들이 필라멘트를 정연하게 배열한다 정리표
그림 5.3-48
그림 5.3-49
그림 5.3-50
그림 5.3-53
03

마이오신과 액틴의 상대적 미끄러짐이 근육을 수축시킨다

  • 수축 시 Z판 간 거리 감소, A대는 거의 일정, I대·H대는 감소
  • 띠 변화 = 두 필라멘트의 중첩 증가, 필라멘트 자체 길이는 변하지 않음
  • 교차다리 = 마이오신 머리가 액틴에 결합한 상태
  • 교차다리 순환: ATP 결합 → 분리 → ATP 가수분해 후 재배향 → 액틴 결합 → Pi 방출·힘 발생 → ADP 방출
  • 순환 반복이 필라멘트 상대 운동을 만들고, ATP 부족 시 강직 결합 상태에서 분리 불가
  • 신경 자극 → 근형질세망 Ca²⁺ 방출 → TnC 결합 → 트로포미오신 위치 변화 → 결합 부위 노출
  • 자극 종료 시 SERCA Ca²⁺-ATPase가 Ca²⁺ 회수(ATP 소비)하며 이완
  • 길이–장력 관계: 과도한 신장은 가교 수 감소, 과도한 단축은 필라멘트 간섭으로 능동 장력 감소
  • 타이틴과 결합조직의 수동 장력은 별도로 고려
표 5.3-3마이오신과 액틴의 상대적 미끄러짐이 근육을 수축시킨다 정리표
그림 5.3-51
그림 5.3-52
그림 5.3-54
그림 5.3-56
그림 5.3-57
그림 5.3-58
04

화학에너지는 분자 모터의 기계적 일로 변환된다

  • ATP + H₂O → ADP + Pi의 표준 자유에너지 변화 약 −30.5 kJ/mol(25°C, pH 7)
  • 세포 내 실제 ΔG는 농도 조건에 따라 더 음수, ΔG = ΔG°′ + RT ln([ADP][Pi]/[ATP])
  • 음의 ΔG = 전체 반응이 유리하다는 뜻, 결합 절단이 에너지를 만드는 것은 아님
  • 마이오신은 ATP 결합·가수분해·생성물 방출을 구조 변화와 연결해 운동
  • 일 W = Fd, 힘은 pN·거리는 nm 규모 → 에너지 10⁻²¹ J 수준
  • 효율 η = W/(|ΔG_ATP|/N_A) × 100, 조건과 측정 정의에 따라 달라짐
  • 예: 5 pN × 8 nm = 4.0×10⁻²⁰ J, ΔG −50 kJ/mol 가정 시 효율 약 48%
  • 사후 강직 = ATP 고갈 + 이온 항상성 붕괴의 복합 현상, “ATP 없으면 수축이 강해진다”는 설명은 부정확
그림 5.3-55
그림 5.3-62
05

분자 모터의 원리는 근육 밖에서도 활용된다

  • 마이오신 V = 액틴을 따라 세포 내 화물 수송
  • 키네신·다이네인 = 미세소관을 레일로 사용
  • 일반형 키네신은 미세소관 (+) 말단 쪽, 세포질 다이네인은 (−) 말단 방향 이동
  • 모든 키네신·마이오신의 방향과 보행 방식이 동일하지는 않음(예외 아이소폼 존재)
  • 부하 증가 시 수축 속도 감소, ATP 소비와 이동 거리로 기계적 일 산출 가능
  • 공통 원리 = ATP 결합·가수분해 주기에 결합·분리·재배향을 결합해 방향성 운동 생성
표 5.3-4분자 모터의 원리는 근육 밖에서도 활용된다 정리표
그림 5.3-59
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그림 5.3-61
그림 5.3-63
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참조 자료
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