운동 생리학, 인체의 에너지 대사

2. 인체의 에너지 대사

[1] 인체의 에너지 대사

* ATP 생성 시스템  - 무산소성 시스템 :인원질(ATP-PCr)시스템, 무산소성 해당과정과 젖산 시스템  - 유산소성 시스템 : TCA회로와 전자전달계

[2] ATP-PCr 시스템(인원질 시스템)

 1) ATP(Adenosine triphosphate) : 아데노신 삼인산
  - ATP는 인체 세포가 직접적으로 사용하는 에너지원임
  - ATP는 인원질 시스템, 무산소성 해당 과정, 산화적 인산화(산소 시스템)과정을 통해 공급 받을 수 있음
  - 1차 연료로 크레아틴 인산, 2차 연료로 탄수화물(무산소성 해당과정, 유산소성 과정), 지방(유산소성 과정), 단백질(유산소성 과정)로부터 공급됨
  - ATP는 아데노신 1개와 인산기 3개로 구성되어 있고, 인산에는 높은 에너지 결합 형태인 2개 연결 고리가 잇음. 이 연결 고리 중 하나의 결합이 분해되면 ATP가 ADP와 유리인산염(pI)으로 변하며, 이 때 7~12Kcal에너지 방출
  - ATPase 효소에 의해 ATP가 분해되면서 방출되는 에너지가 근수축에 이용된다.

2) ATP-PCr 시스템(인원질 시스템)
 - 인체에서 가장 간단한 에너지 시스템
 - 세포가 가지고 있는 ATP가 고갈되는 경우 세포내에 저장된 또 다른 고에너지 화합물인 포스포크레아틴(PCr=PC)을 크레아틴과 인산으로 분해할 때 나오는 에너지를 이용하여 ATP를 재생산하는 것
 - ATP와 PCr의 공액 반응에 의해 ATP가 재 합성 됨
 - ATP는 운동 중 에너지로 사용되고 운동 후 PC을 재합성하는 데 이용됨
 - PCr은 운동 중 분해된 에너지가 ADP와 유리인산염을 결합해 ATP를 재합성
 - 포스포크레아틴 + ADP-크레아틴키나아제 -> 크레아틴 + ATP
 - ADP+ADP-마이오키나아제->AMP+ATP
 - 체내 인산염이 소량이기 때문에 단시간/고강도의 운동에 이용됨(단거리 달리기, 높이뛰기,투포환 등 수초만에 끝나는 폭발적인 운동)
 - 고갈된 PCr은 30초 이내에 70%, 3~5분만에 100% 충당됨.

 [3] 무산소성 해당과정과 젖산 시스템

 - 근육 세포내에 산소 공급이 없을 때 에너지를 얻는 방법, 글루코스가 피루브산으로 분해되는 무산소성 해당과정과 피루브산이 젖산으로 전환되어 축적되는 젖산시스템이 연속으로 일어난다.
 - 무산소성 해당과정과 젖산시스템에서 얻을 수 있는 ATP 양은 소량이지만 산소 공급 없이 에너지 공급한다는 측면에서 의의가 있다.

1) 무산소성 해당과정
 - 무산소성 해당과정은 글루코스가 피루브산으로 분해되는 과정을 말하며, 산소가 필요없어서 무산소성 해당과정이라고 한다.
 - 글루코스(포도당) -> 2피루브산 + 2ATP + 2NADH
 - 글루코스(포도당)는 무산소성 해당 과정을 통해 부분적으로만 대사됨
 - 근육 세포의 세포질 내에서 일어남
 - 얻을 수 있는 ATP의 양은 소량이지만 산소 공급 없이 에너지를 공급한다는 측면에서 의의가 있다.
 - 제한적(1~3분)으로만 이용된다.

2) 젖산 시스템
 - 해당과정 결과 생성된 피루브산은 산소가 없으면 TCA회로로 들어가지 못하고 젖산을 생성하는 젖산시스템으로 들어간다.
 - 젖산의 축적은 근피로를 유발하며, 세포내액을 산성으로 만든다.
 - 젖산 시스템은 1분 이내 지속시간을 가진 활동에 이용된다.
 - 피루브산 + 2H+ -> 젖산

[4] 유산소성 시스템(산화적 인산화 과정)

 - 유산소성 시스템은 TCA회로와 전자전달계를 말한다.
 - 해당과정 결과 생산된 피루브산이 산소가 존재할 경우 아세틸CoA로 변환되어 미토콘드리아내로 들어가 TCA회로와 전자전달계를 거쳐 많은 양의 ATP를 합성한다. 이 과정에서 산소가 사용되어 유산소성 시스템이라고 한다.
 - 유산소성 시스템은 시간적 제한 없이 계속적으로 에너지를 공급할 수 있어 낮은 강도의 장시간 운동에 사용된다.

1) TCA회로(Tricarboxylic acid cycle)

 - 크렙스사이클, 구연산회로, 시트르산회로
 - 미토콘드리아 기질에서 일어남
 - 유산소성 해당과정에서 형성된 피루브산이 아세틸 CoA로 전환되어 이산화탄소가 빠지고, 수소이온과 전자가 분리됨
 - 아세틸 CoA가 TCA회로로 들어가 처음 생성된 물질이 시트르산(구연산)이어서 트르산회로라고 한다.
 - 시트라산이 회로를 돌면서 이산화탄소와 에너지를 생성한다.

2) 전자전달계(Electron Transport System : ETS)
 - 산화적 인산화
 - 유산소성 ATP 생성은 NADH와 FADH2와 같은 수소이온 전달체가 잠재적 에너지를 제공하기 때문에 ㅁDP를 인산화하여 ATP를 생성함
 - 수소이온 전달체는 산소와 직접적으로 반응하지 않음
 - 수소원자들에서 떨어져 나온 전자들이 시토크롬으로 알려진 일련의 전자운반체에서 사용됨
 - 이러한 전자전달체계를 통하여 충분한 에너지가 생성되어 ADP를 인산화하여 ATP 형성
 - NADH 1분자당 2.5-3ATP, FADH2 1분자당 1.5-2ATP 생성
 - 결과적으로 포도당 1분자가 해당과정과 TCA회로, 전자전달계를 모두 거치는 유산소성 시스템을 통해 32-38 ATP 생성

* ATP 생성에 관한 에너지 시스템 특성

ATP-PCr 시스템	해당과정과 젖산 시스템	유산소시스템(산화시스템) (TCA회로와 전자전달계)
- 무산소성 - 매우 빠름 - 화학적 연료:PCr - 극히 한정된 ATP생산 - 한정적으로 근에 축적 - 높은 파워와 짧은 지속 시간이 필요한 활동에 이용 예) 포환던지기, 원반던지기, 웨이트리프팅 - 장소 : 세포질	- 무산소성 - 빠름 - 음식물 연료 : 글리코겐 - 한정된 ATP 생산 - 부산물인 젖산이 근피로를 유발 - 1분 이내의 지속시간을 가진 스피드를 내는 활동에 이용 예) 100~400m 달리기 - 장소 : 세포질	- 유산소성 - 느림 - 음식물 연료 : 글리코겐, 지방, 단백질 - 무한정 ATP 생산 - 부산물에 의한 피로 없음 - 지구력 또는 오랜 지속 시간 갖는 활동 이용 예) 1500m 달리기, 마라톤 - 장소 : 미토콘드리아
- 산소 사용 없음 - 지속시간 : 15초	- 산소 사용 없음 - 지속 시간 : 30~60초	산소 사용 필요  - 지속 시간 : 거의 무제한

[5] 운동과 에너지 공급

 1) 운동의 단계에 따른 에너지 공급

안정시 에너지 시스템	- 주로 유산소성 시스템 - 주된 에너지원은 2/3 지방, 1/3 탄수화물
단기간의 격렬한 운동	- 운동 시작 후 수초 이내는 ATP-PCr 시스템, 그 후 젖산 시스템 - 주된 에너지원은 대부분 탄수화물과 약간의 지방 - 피로의 주된 원인은 PCr의 고갈, 젖산 축적, 혈액 내 ph 감소
장시간 결렬하지 않은 운동	- 주로 유산소 시스템으로부터 에너지 공급 - 거의 피로를 느끼지 않음
장시간 격렬한 운동	- 무산소 시스템에서의 격렬한 운동은 젖산 축적량 증가와 체액의 산성화로 피로 야기 - 유산소 시스템에서의 장시간의 운동은 간과 근육의 글리코겐이 고갈되어 피로 야기

2) 에너지 연속체
 * 에너지 연속체 : 신체의 활동 특성에 따라 작용하는 에너지 시스템의 공헌도가 달라지는 일련의 과정, 운동중에는 무산소성, 유산소성 에너지 시스템 모두 사용되지만 일반적으로 종목 특성에 따라 한 시스템이 더 많이 사용된다.
* 운동 시간에 따른 ATP 생성 비율
 - ATP-PCr시스템->해당과정과 젖산 시스템->유산소 시스템

* 에너지 연속체와 운동 종목

30초 이내	- 인원질 시스템 - 100m 달리기, 투포환, 다이빙, 역도
30초 ~ 1분 30초	- 인원질 시스템, 젖산 시스템 - 200m, 400m 달리기, 200m 수영
1분 30초~3분	- 인원질 시스템, 젖산 시스템, 약간의 산소 시스템 - 800m, 1500m 달리기, 체조 경기, 권투, 레슬링
3분 이상	- 산소 시스템 - 마라톤, 축구 ,조깅, 크로스컨트리스키

3) 무산소성 역치(anaerobic threshold)

- 젖산 역치(lactic threshold : LT) - 젖산 축적 개시점(on set of blood lactate accumulation : OBLA) - 점증적으로 운동부하가 증가할 때 혈중 젖산이 급속하게 증가하는 시점 (근세포에 산소량이 부족하여 근수축시 무산소성 대사작용이 증가되기 때문에 일어남) - 유산소성 에너지 생산과 무산소성 에너지 생산 사이의 분기점이 되는 운동강도에 발생 - 지구성 운동 경기의 수행능력을 평가하는데 있어 유용한 지표, 훈련 기준의 설정, 훈련 효과읲 평가를 위해 활용

* 젖산역치 발생기전
 - 해당과정 가속화(NADH 과다공급)
 - 속근활동 증가(속근내 젖산탈수소효소의 활동 증가)
 - 근육내 산소 저하(산화적 인산화 저해)
 - 젖산 제거속도 저하(혈중 젖산농도 = 젖산 생산량 - 젖산 제거량)

* 무산소성 역치 : 운동강도가 증가함에 따라 젖산의 농도는 낮은 비율로 증가하는 양상을 보이다가 무산소성 대사과정으로 전환되면서 갑자기 젖산의 농도가 증가하는 시점, 이 떄부터 산소 부채가 발생하여 수분이내에 탈진한다.

4) 운동 후 회복기 중의 산소 소비 이론

 (1) 산소 부채 이론(O2 debt)
 - 산소부채란 운동 시작 후 항정 상태에 이르기 전 산소 부족 현상을 의미한다. 이 때 생긴 젖산을 산화하기 위해 운동 후 회복기에 산소 소비량이 증가한다. 고갈된 에너지를 재합성하고, 운동중 축적된 젖산 제거 과정에 산소의 소비량이 증가한다.

  * 산소 부채 유형
   ① 최대 산소 부채량
    - 비젖산 산소 부채와 젖산 산소 부채를 합한 값
    - 최대 산소 부채량이 큰 선수가 순발성 운동에 유리
   ② 젖산 산소 부채
    - 회복기 후기로 젖산의 제거에 대부분 산소가 소비
    - 젖산 산소 부채가 큰 선수는 지속적 파워에 유리
   ③ 비젖산 산소 부채
    - 회복기 초기 2~3분까지의 급격한 산소 소비량의 감소시기로 주로 ATP와 PCr의 보충에 산소가 소비
    - 비젖산 산소 부채가 큰 선수는 순발적 파워에 유리

(2) 운동 후 초과 산소 소비량(EPOC : excess post-exercise oxygen consumption) 이론
   * EPOC이론에서 제시하는 산소 소비량이 증가하는 원인
    - 운동 중 사용한 에너지 보충
    - 젖산의 제거, 체온의 증가
    - 환기 작용을 위한 산소 소비
    - 글리코겐의 재합성
    - 카테콜아민(에피네프린, 노르에피네프린) 효과
    - 심장 작용을 위한 산소 소비 등

[6] 휴식과 운동 중 인체 에너지 사용 측정 방법

 * 휴식과 운동 중 인체 에너지 사용 측정 방법엔 방출한 열량을 측정하는 직접 측정 방법과 유산소 운동 시 산소 섭취량을 측정하는 간접 측정방법이 있다.

  음식 + 산소(산소량 측정 : 간접 열량측정법) 
  열생산 + 이산화탄소 + 물(열량 측정 : 직접 열량 측정법)

 1) 직접 측정
  - 직접 열량계를 이용하여 열생산을 직접 측정함
  - '열역학 제 1법칙'의 응용(인체가 방출한 열량 = 대사작용으로 생산한 에너지량)
  - 신체의 열을 측정하여 사용된 에너지 역추정
 * 장점 : 안정시 에너지 측정에서 정확도가 높음
 * 단점 : 다양한 활동을 수행하는 동안 에너지 측정엔 한계

 * 열역학 제 1법칙과 에너지 측정 원리
  - 에너지는 다른 형태의 에너지르 전환될 뿐이며 사라지거나 새로 생성되지 않는다는 법칙.
  - 열은 다른 에너지의 전환으로 발생하므로 열을 측정하면 전환되기 전의 에너지 양을 측정할 수 있다.

2) 간접 측정
 - 호흡한 산소와 이산화탄소의 농도를 측정하여 에너지 대사에 관여한 호흡가스의 양과 성분의 변화를 측정
 * 장점 : 간단하고 경제적이며 측정 결과의 신뢰성이 높음
 * 단점 : 장비의 사용과 착용 필요

- 간접 측정의 종류

폐쇄회로 측정법	- 병원이나 실험실에서 활용 - 휴식시 에너지 소비 측정 - 산소로 채워진 폐쇄된 통의 공기를 지속적으로 재호흡하고 이때 발생하는 이산화탄소의 양을 측정하여 소비된 산소량을 계산 - 부피가 크고, 피검사가 항상 가까이 있어야 하며, 호흡량이 많이 요구되는 운동시엔 장비가 피검자에게 부담이 됨
개방회로 측정법	- 대기중의 공기를 들이 마신 후 특정 장치에 내쉬는 방법으로 산소 소비량 측정 - 들이 마신 공기와 내쉰 공기의 구성비 차이에 의해 산소 소비량을 산출하고 에너지 소비량을 계산하는 방법 - 측정에 사용되는 휴대용 폐활량계는 착용이 간편하고 신체활동에 큰 제약을 주지 않는다.

 3) 호흡상(호흡률)(Respiratory Quotient : RQ)

* 호흡상(RQ) : 생물이 일정한 시간 동안 흡수한 산소 부피와 배출한 이산화탄소의 부피 비율
 - co2의 생성량 /o2 소비량
 - RQ는 섭취하는 영양소 종류에 따라 다르게 나타난다.
 - 호흡상의 측정으로 소비된 에너지원의 종류를 추정할 수 있다.
 - ***탄수화물은 1, 지방은 0.7, 단백질은 0.8

* 비단백성 호흡률
 - 단백질을 제외한 탄수화물과 지방의 호흡교환율을 비단백성 호흡률이라고 한다.
 - 실제 운동 중 사용되는 에너지원은 탄수화물과 지방이 주로 사용되고, 단백질은 장시간 고강도 운동시 탄수화물과 지방이 부족할 때 사용되어 에너지원으로서의 영향력이 적음
 - 비단백성 호흡률이 0.85일 때 탄수화물과 지방이 같은 비율로 사용되고, 0.85미만일 때 지방이 주에너지원으로 사용되며, 0.85 초과일 때 탄수화물이 주에너지원으로 사용된다.

* 에너지 효율성 : 에너지효율성(%) = 에너지 생성량(열량) / 에너지소비량(열량) * 100
* 호흡교환율(PER) : 허파 수준에서 측정된 기체교환, 안정 상태에서 호흡상과 호흡 교환율은 동일

4)에너지 소비량
 - 기초 대사량(BMR)과 안정시 대사량(RMR)
 ① 기초대사량(BMR) : 깨어있는 상태에서 생명유지를 위해 필요한 최소한의 에너지 수준
 ② 안정시대사량(RMR) : 가벼운 식사를 하고 3~4시간 후에 측정한 에너지 사용 수준

* 안정시 산소섭취량에 따른 에너지 소비율
 - 체중 1Kg당 3.5ml/min
 - 1MET(Metabolic EquivalenT) = 3.5ml/kg/min : 체중 1kg 당 1분에 3.5ml의 산소를 소비하는 운동
 - 산소 1L당 낼 수 있는 에너지 : 약 5kcal

3. 트레이닝에 의한 대사적 적응

- 유산소 트레이닝으로 단련된 훈련자는 최대산소섭취량이 증가하고, 젖산역치가 늦게 발생하며, 동일 운동 강도에서 낮은 심박수를 나타내어 운동 지속 시간이 증가한다. - 무산소 트레이닝 중 ATP-PCr 시스템에서 나타나는 변화는 순발적 파워의 증가이며, 무산소성 해당과정과 젖산시스템에서 나타나는 변화는 젖산에 대한 완충 능력과 지속적 파워의 증가이다.

[1] 유산소 트레이닝에 의한 적응 

유산소 트레이닝의 목적은 심폐조직의 지구력을 강화함으로써 근육에 필요한 영양분과 산소를 공급하는 능력과 그렇게 공급된 영양분과 산소를 이용하는 대사능력을 향상시키는 것이다.  유산소 트레이닝에 따른 인체의 적응 현상으로는 모세혈관 밀도 증가로 인한 산소확산 능력과 유리지방산의 공급능력 향상을 들 수있다. 두번째로는 미토콘드리아의 수와 크기가 증가하며 근 세포 속의 마이오글로빈 수가 증가하여 산화효소 활성화와 산화능력의 개선이 나타나게 된다. 마지막으로 무산소성 역치점이 증가하여 젖산역치가 늦게 발생한다.

 (1) 심폐 조직의 유산소 능력 향상
  - 산소 섭취 및 운반 능력 강화
  - 최대 산소 섭취량 증가(최대하 운동시는 산소 섭취량 감소)
  - 1회 박출량 증가
  - 최대하 운동 중 심박수 감소
  - 최대 심박출량 증가
  - 혈액량과 헤모글로빈 증가

 (2) 근육 조직의 유산소성 대사능력 향상
  - 지근섬유(ST섬유)의 비대, FTa 섬유의 비율 증가
  - 근섬유를 둘러싼 모세혈관의 밀도 증가
  - 미토콘드리아와 미오글로빈 수 증가
  - 산화적 인산화에 관여하는 효소 증가
  - 근섬유의 항산화 능력 향상
  - 젖산 역치 늦게 발생
  - 운동 지속시간 증가
* 지방의 사용을 증가시키고, 글리코겐의 소모를 줄임

[2] 무산소 트레이닝에 의한 적응

무산소 트레이닝의 목적은 근육의 최대 수축 능력을 위하여 에너지원을 폭발적으로 사용할 수 있도록 하는 것 무산소 트레이닝에 의한 적응은 ATP-PCr 시스템과 젖산 시스템에서 각각 발생하는데, 우선 TP-PCr 시스템에서 나타나는 변화는 PCr의 저장량 증가와 크레아틴키나아제나 마이오키나아제 등의 효소 활성화로 인한 순발적 파워의 증가이다.무산소성 해당과정과 젖산시스템에서는 글리코겐의 저장량 증과와 해당 효소 활성화로 인해 젖산에 대한 완충능력과 지속적 파워가 증가하게 된다.

1) 근비대와 근력 증가
  - 속근섬유(FT섬유)의 근비대
  - 근력의 증가로 피로에 견디는 능력 향상
2) 기타
 - 근육 세포내에서 ATP-PCr 시스템과 해당과정 시스템에 관련된 효소 활성화
 - ATP와 PCr 저장량 증가로 에너지 공급을 원할하게 함
 - 유산소 시스템의 산화적 인산화 능력 향상에 도움
 - 젖산 역치가 늦게 발생
 - 젖산에 대한 완충 능력 향상