운동 생리학, 에너지의 개념과 대사 작용

1. 에너지의 개념과 대사 작용

- 신체활동은 인체가 섭취한 에너지원이 화학적 에너지로, 다시 기계적 에너지로 변환되면서 이루어지는데 일부 에너지는 열로 바뀐다. 이러한 물질과 에너지의 변환과정 전체를 '대사' 라고 한다.
- 근수축에 사용되는 직접적인 에너지는 ATP(아데노신삼인산), 음식물 섭취를 통해 얻는 영양소가 ATP로 전환된 후 이용된다. 

(1) 에너지 발생 과정과 형태

 - ATP(화학에너지)는 인간 활동에 가장 중요한 에너지원이다.
 - 탄수화물, 지방, 단백질 형태로 음식물에 저장된 에너지-> 세포 내에서 분해되면서 40% ATP + 60% 열 에너지 방출
 - 음식물은 탄소,수소,산소가 결합된 거대분자 형태로 세포 활동에 직접적으로 이용 못하고, 세포내에서 분해 될 때 나오는 ATP로 저장 후 사용한다. 
 - 대사 과정에 사용되는 열량소
1) 탄수화물

구성원소	탄소(C), 수소(H), 산소(O)
특징	- 세포의 구성 성분 - 영양소 중 1차적인 에너지원(특히 고강도 운동시) - 운동 강도에 따라 탄수화물에서 공급되는 에너지 비율이 달라짐 (휴식시 : 신체가 필요한 에너지의 35-40%, 가벼운 운동시 50%, 격력한 운동시 : 대부분) - 지방과 단백질의 신진대사 조절 - 여분 탄수화물은 글리코겐이나 지방으로 전환되어 저장
1g당 열량	4Kcal
종류	- 단당류(당 한개) : 포도당(글루코스), 과당(프락토오스), 갈락토오스 - 이당류(당 두개) :   맥아당(말토오스) : 포도당 + 포도당   설탕(슈크로오스) : 포도당 + 과당   젖당(락토오스) : 포도당 + 갈락토오스 - 다당류 : 녹말, 글리코겐, 셀룰로오스

2) 지방

구성원소	탄소(C), 수소(H), 산소(O)
특징	- 가장 많은 에너지 저장 - 장기간 지속적인 운동시, 중정도 강도의 운동시 총 에너지의 50% 공급, 휴식상태의 총 에너지 중 70% 제공 - 세포의 구성성분(세포막과 신경섬유의 필수 구성성분) - 중요 기관을 지지, 완충 작용 보호 - 체내에서 지용성 비타민의 흡수와 운반 - 대부분 중성지방 형태로 지방세포에, 일부는 근육세포에 저장됨 - 중성지방은 리파아제에 의해 지방산과 글리세롤로 분해됨 - 체내의 모든 스테로이드 호르몬은 콜레스테롤로부터 생산됨
1g당 열량	9Kcal
종류	- 중성지방(트리글리세리드)   포화지방산 : 상온에서 고체, 동물성  불포화지방산 : 상온에서 액체, 식물성 - 스테로이드 : 콜레스테롤, 성 호르몬, 부신피질 호르몬 - 인지지질 : 세포막의 주성분

3) 단백질

구성원소	탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N)
특징	- 에너지원(운동 중 에너지원으로서의 사용은 전체 에너지원의 1-2% 정도, 고강도 장시간 운동시 에너지가 부족할 때, 장시간 굶었을 때 사용) - 세포, 근육, 머리카락 등 몸의 주요 구성성분(가장 중요한 기능) - 효소, 호르몬, 항체 생성 - 생리 작용 조절
1g당 열량	4kcal
종류	- 성인의 필수 아미노산 : 류신, 이소류신, 페닐알라닌, 트레오닌, 라이신(리신), 메티오닌, 트립토판, 발린(총 8개) - 어린이의 필수 아미노산 : 성인 필수 아미노산 + 아르기닌, 히스티딘 (총 10개)

(2) 물질대사 과정 경로

 물질대사(metabolism)란 생물이 생명을 유지하기 위해 외부로부터 필요한 물질을 받아들여 분해하거나 합성하는 현상을 말한다. 물질대사 과정에는 효소과 관여하며 반드시 에너지의 출입이 함께 일어나는데 이런 물질대사의 과정 중에 ATP가 생성되거나 소모된다.

* 동화작용 & 이화작용

구분	물질 변화	에너지출입	예시
동화작용	작은분자->큰분자(합성)	에너지 흡수(흡열반응)	단백질 합성(아미노산->단백질)
이화작용	큰분자->작은분자(분해)	에너지 방출(발열반응)	소화(탄수화물->포도당) 호흡(해당과정,TCA회로)

 (1) 탄수화물의 대사
  1) 무기호흡(무산소성 과정) : 무산소성 해당과정과 젖산 시스템
   *대사과정에 산소를 이용하지 않음

해당과정(glycolysis)	- EM pathway - 세포질에서 포도당(6탄당)이 2분자의 피루브산(3탄당)으로 분해되는 과정 - 포도당->2피루브산 + 2ATP + 2NADH
젖산시스템	- 해당과정 결과 생성된 피루브산이 산소가 없을 때 TCA회로로 들어가지 않고 젖산을 생성하는 과정 - 피루브산 + 2H+ -> 젖산

 2) 유기호흡(유산소성 과정)
   * 산소를 이용해 포도당이 물과 이산화탄소로 분해되면서 에너지를 방출하는 과정
   - 포도당 + 산소 + ADP + Pi -> 이산화탄소 + 물 + ATP

유산소성 해당과정 (glycolysis)	- 산소를 이용하지 않는 과정이지만 산소가 있는 환경에서도 산소 소모 없이 포도당을 분해하는 과정 - 세포질에서 포도당(6탄당)이 2분자의 피루브산(3탄당)으로 분해되는 과정 - 포도당->2피루브산 + 2ATP + 2NADH
TCA회로 준비단계	- 피루브산이 미토콘드리아에서 acetyl-CoA로 전환되는 과정 - 2피루브산->2acetyl-CoA + 2NADH + 2CO2
TCA회로 (Tricarboxylic acidycle)	- 크렙스사이클, 구연산회로, 시트르산회로라고도 함 - 미토콘드리아 기질에서 일어남 - acetyl-Coa가 옥살아세트산과 결합하여 시트르산이 된 후 회로를 돌면서 Co2로 분해되고 에너지를 생산하는 과정 - 해당과정 결과 피루브산이 2몰 생성되므로 TCA회로도 2번 돌게 됨 - (acetyl-Coa ->2Co2 + 3NADH + 1FADH +1ATP) * 2
전자전달계 (Electron Transport System : ETS)	- NADH와 FADH2가 지니고 있던 전자가 전자 전달계를 따라 전달되는 과정 - 전자가 최종적으로 산소로 전해지고, 이 과정에서 총 32~38ATP생성 (1NADH당 3ATP생성, 1FADH2당 2ATP 생성) - 미토콘드리아의 내막에서 일어남

3) 오탄당회로(PPP회로)
 - 세포에서 ATP이외의 필요한 산물을 얻기 위한 2차 대사
 - 6탄당인 포도당으로부터 5탄당인 리보오스를 생성하여 핵산 생합성에 이용
4) 당신생합성(glyconeogenesis)
 - 당이 아닌 물질(글리세롤, 젖산, a-세토산, 피루브산 등)로부터 당이 만들어지는 과정
 - 해당 과정의 역반응과 유사함
5) 코리회로
 - 근육과 간 사이에서 포도당과 젖산이 변환되어 이동하는 회로
 - 해당과정과 젖산발효를 통해 골격근에서 만들어진 젖산은 혈액을 통해 간으로 이동되고, 간에서 당신생합성을 통해 포도당으로 전환됨. 간에서 새로 만들어진 포도당은 다시 혈액을 통해 근육으로 보내져 운동에 필요한 에너지를 생산하는데 쓰임.
(2) 지방의 대사
 - 지방조직에 저장된 중성지방은 글리세롤과 지방산으로 분해된 후 에너지를 필요로 하는 조직으로 운반됨
 - 글리세롤은 간세포에서 해당과정을 통해 피루브산으로 전환되거나, 당신생합성을 통해 포도당으로 전환됨
 - 지방산은 미토콘드리아에서 b산화 과정을 통해 아세틸CoA로 전환된 후 TCA회로와 전자전달계를 통해 에너지를 생산함
 - 지방산b산화 과정은 산소를 필요로 하며, 지방 1분자가 산화될 때에는 포도당 1분자가 분해될 때보다 ATP를 더 많이 생산함.
(3) 단백질 대사
 - 단백질은 아미노산으로 분해된 후 골격근에서 직접 이용됨
 - 아미노산은 당신생합성(글루코스 신생합성)과정을 통해 포도당 형태로 전환된 후 이용됨
 - 아미노산은 아세틸CoA로 전환되거나 TCA회로의 중간산물로 전환되어 이용되기도 함.

(3) 에너지 전환 및 보존 법칙

* ATP-PCr 시스템  - ATP-PCr 시스템은 인체에서 가장 먼저 이용하는 에너지 시스템  - 세포가 가지고 있는 ATP가 고갈 될 경우 세포 내에 저장된 또 다른 고에너지 화합물인 포스포크레아틴(PCr)을 ATP로 변환하여 ATP를 재생산하는 시스템이다. 이 시스템은 체내 인산염이 소량이기 때문에 단시간/고강도의 운동에 이용된다.