운동생리학의 기초

• 우리 몸의 에너지 대사 시스템
  

들어가며

   자동차가 주행하기 위해서는 연료가 공급되어야 합니다. 기계를 작동시키기 위해서는 전기가 있어야 합니다. 무언가가 움직이기 위해서는, 즉 ‘일’을 하기 위해서는 ‘에너지’가 필요합니다. 사람의 몸도 마찬가지입니다. 인체 역시도 전기 신호에 의해 작동하는 하나의 기계로, 인체가 기능하기 위해서는 에너지가 필요하며 이를 위해 지속적으로 연료가 공급되어야 합니다.

그래서 인체는 에너지를 공급하기 위해 아데노신 삼인산(Adenosine Triphosphate, ATP)을 사용합니다. ATP는 세포 활동에 필요한 에너지를 즉각적으로 공급하며, 크게 세 가지 경로를 통해 생산됩니다.

체내 에너지 대사의 주요 경로

인체는 아래의 세 경로를 통해 에너지를 생산합니다. 각각의 경로에서는 사용되는 주요 에너지원, ATP 생성 속도, 대사의 장소와 지속 시간 등에서 차이가 있습니다.

(1) ATP-PCr 시스템(인원질 시스템)

(2) 해당과정(Glycolysis)

(3) 미토콘드리아의 호기성 대사(TCA 회로, 산화적 인산화 등)

1. ATP-PCr 시스템 (인원질 시스템)

ATP-PCr 시스템은 격렬한 운동을 시작할 때, 근육 내에서 즉각적으로 일어나는 기전입니다. 이 기전에서는 근육에 저장된 크레아틴 인산(Phosphocreatine, PCr)을 활용합니다. 근육 내의 PCr이 인산기(Pi)와 크레아틴(Cr)으로 분해되고, 분해되면서 방출된 에너지를 통해 ATP를 생성합니다. ATP-PCr 경로는 산소가 필요 없는 무산소 과정이며, 가장 빠른 속도로 ATP를 생성해낼 수 있습니다. 그러나 근육에 저장된 PCr은 소량입니다. PCr의 양이 제한되어 있기 때문에 지속시간이 매우 짧습니다. 스프린트나 파워리프팅 등 10초 이내의 고강도 활동에 적합합니다.

• 특징
• 가장 빠른 ATP 생성 기전
• 스프린트, 파워리프팅 등의 활동에 적합
• 작동 원리
• 근육에 저장된 크레아틴 인산(PCr)을 활용
• PCr이 분해되면서 방출된 에너지가 ADP를 ATP로 변환
• 무산소 대사 과정.
• 지속시간
• 제한된 PCr 저장량으로 인해 지속 시간이 매우 짧음
• 10초 이내의 고강도 활동에서의 주요 대사 경로

2. 해당과정(Glycolysis)

  해당과정은 근육이나 간에 저장된 글리코겐과 혈당 등의 포도당을 이용하여 ATP를 생산하는 기전입니다. 해당과정은 주로 세포 내에서, 주로 세포질에서 이루어지며 포도당을 분해하여 생산되는 에너지를 활용합니다. 해당과정은 대사 중 산소의 유무에 따라 유산소성 해당과정과 무산소성 해당과정으로 나누어집니다.

  세포질에서 포도당은 2개의 피루브산(pyruvic acid)으로 변환되고, 이 과정에서 에너지가 생산됩니다. 해당과정은 비교적 빠른 속도로 에너지를 생산해낼 수 있습니다. 그러나 해당과정을 통해 포도당이 분해될 경우 포도당 한 분자당 생산되는 ATP는 2~3개로 적은 편입니다. 즉, 해당과정은 비교적 빠르게 진행되지만 효율성은 다소 떨어지는 기전입니다.

  포도당이 분해되며 생성된 피루브산은 에너지 대사의 중간 산물입니다. 산소가 충분히 공급되는 상황에서 피루브산은 미토콘드리아의 유산소 대사원으로 활용되어 더 많은 ATP를 생성할 수 있습니다. 그러나 산소가 불충분하다면 피루브산은 대사의 최종 산물인 젖산(Lactate)로 환원됩니다.

  효율성이 떨어지기 때문에 해당과정은 주로 20초에서 2분 동안 지속되는 운동에서 주요 대사 경로로 활용되며, 중강도의 활동에 가장 적합합니다. 그러나 운동 강도와 산소의 공급 여부에 따라 2분 이상의 운동에서도 지속적으로 작동할 수 있습니다.

  한편 무산소성 해당과정의 최종 산물로 생성된 젖산은 산소가 충분히 공급될 경우 다시 피루브산으로 전환되어 미토콘드리아의 에너지 대사에 활용될 수 있습니다. 또는 간으로 이동하여 다시 포도당으로 합성되어 근육 세포에 저장되기도 합니다.

• 특징
• 주로 세포질에서 이루어짐
• 유산소성 해당과정과 유산소성 해당과정으로 구분
• 비교적 빠르게 진행되지만 효율성은 다소 떨어짐
• 중간 강도의 활동에 가장 적합
• 작동 원리
• 포도당(글리코겐, 혈당 등)이 분해하여 피루브산으로 변환
• 포도당 1분자당 2~3개의 ATP 생성

§  산소가 부족할 경우, 피루브산은 젖산(lactate)으로 전환

§  산소가 충분할 경우, 피루브산은 미토콘드리아의 대사원으로 사용되어 더 많은 ATP를 생성.

• 지속 시간
• 약 30초~2분 동안의 운동에서의 주요 대사 경로
• 운동 강도 및 산소의 공급 여부에 따라 그 이상의 운동에서도 지속적으로 작동할 수 있음

3. 미토콘드리아의 호기성 대사(산화적 인산화 등)

  ATP-PCr 시스템이나 해당과정은 빠르게 에너지를 생산해낼 수 있지만 효율성은 떨어집니다. 지속적인 에너지 공급이 필요한 상황에서 이 기전들을 계속 작동시키기는 어렵습니다. 그래서 인체는 효율성이 매우 높은 기전 하나를 더 발달시켰습니다. 이는 미토콘드리아의 호기성 대사, 소위 ‘유산소 대사’이며, 세포 내의 소기관인 미토콘드리아에서 이루어집니다.

  미토콘드리아의 기능은 발전소와 유사합니다. 미토콘드리아는 해당과정을 통해 생성된 피루브산 외에도 다양한 물질, 아미노산과 지방산 등의 유기물을 대사원으로 사용합니다. 미토콘드리아에서는 피루브산 1분자당 약 15개의 ATP가, 지방산은 1분자당 약 100개 이상의 ATP가 생산됩니다. 미토콘드리아 대사는 다량의 ATP가 효율적으로 공급할 수 있으며, 체지방을 활용할 수 있기 때문에 사실상 무한정으로 지속될 수 있습니다.

  그러나 이 효율적이고 지속적인 에너지 생산을 위해서는 반드시 산소가 안정적으로 공급되어야 합니다. 또한 산소가 미토콘드리아에 도달해야 하고 그 산소를 이용하여 ATP를 생산해야 하기 때문에 기전이 작동하여 에너지가 생산되기까지는 시간이 다소 소요됩니다. 따라서 미토콘드리아의 호기성 대사는 안정된 상태에서의 장시간의 운동에서 주요하게 작동할 수 있습니다.

• 특징
• 세포 내 미토콘드리아에서 이루어짐
• 느리지만 가장 효율적이고 지속적인 ATP 생성 방법
• 저강도 활동이나 장시간 운동에 적합
• 적 빠르게 진행되지만 효율성은 다소 떨어짐
• 산소가 필요하며, 다양한 유기물을 에너지원으로 사용
• 작동 원리
• 산화를 통해 유기물을 물과 이산화탄소로 분해하고, 이 과정에서 다량의 ATP를 생성
• 포도당 1분자당 약 28~30개의 ATP(피루브산 1분자당 약 15개의 ATP) 생성
• 지방산은 1분자당 약 100개 이상의 ATP를 생성
• 지속 시간
• 주로 2분 이상의 운동에서 주요 기전으로 활용
• 산소를 안정적으로 공급할 수 있는 저강도에 적합
• 장시간 운동에서의 주된 에너지 대사 경로
• 체내 지방을 활용하기 때문에 사실상 무한한 에너지를 생성할 수 있음
• 운동 강도 및 산소 공급의 안정성에 따라 운동 시간이 길어짐에도 주요하게 작동하지 않을 수 있음

에너지 시스템 간의 상호작용

  달리기가 유산소성 운동이라고 하여 미토콘드리아 대사만이 작동하는 것이 아닙니다. 달리기를 시작하면 먼저 ATP-PCr 시스템이 작동하고, 해당과정을 거쳐 미토콘드리아 대사가 시작됩니다. 미토콘드리아의 대사가 작동하는 와중에도 해당과정은 끊임없이 동시에 작동할 수 있습니다. 또한 달리기의 강도가 높아진다면 해당과정이 주된 기전으로 이용되면서도, 호흡을 통해 섭취한 산소를 이용하여 미토콘드리아를 함께 작동시키고, 크레아틴 틴산을 이용해 ATP를 보충하기도 합니다.

  즉, 지속 시간과 운동 강도가 달라질 수 있기 때문에 운동마다의 주된 ATP 생성 경로는 일률적으로 정해지기 어렵습니다. 세 가지 경로는 상호작용하고 상호보완적으로 작동합니다. 다양한 상황에 적응하기 위해 인체는 상황에 따라 가장 효율적으로 에너지를 공급하는 방법을 채택했고, 또 그렇게 진화해왔기 때문입니다.

  그래서 보다 나은 운동 성과를 위해서는 현재의 운동 강도와 운동 환경이 어떠한지, 이에 따라 어떤 것들이 주요 대사 기전으로 사용될 수 있는지, 그 기전이 어떤 과정을 거쳐 에너지를 생성하는지, 그리고 이 대사 기전을 위해 어떤 영양소를 섭취해야 하는지를 이해하는 것이 중요할 수 있습니다.

참고문헌

단행본

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2)     Berg, Tymoczko, Stryer, 박인원, Tymoczko, John L., & Stryer, Lubert. (2012). (Stryer) 생화학 / 저자: Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer ; 대표역자: 박인원 ([제]7판.). 범문에듀케이션.

3)     Brooks, Fahey, Baldwin, 정영수, 김현주, 김연수, 박헌, 서상훈, 송욱, 이동규, 전용관, 전태원, Fahey, Thomas D., & Baldwin, Kenneth M. (2010). 운동생리학 / 저자: George A. Brooks, Thomas D. Fahey, Kenneth M. Baldwin : 역자: 정영수 [외] ([원서 4판].). 레인보우북스.

4)     Hargreaves, M., & Spriet, L. L. (2006). Exercise metabolism. Human Kinetics.

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7)     운동생리학 = Exercise physiology / 지은이: 한국운동생리학회 (2판.). (2014). 한미의학.

논문

1)     Hargreaves, M., & Spriet, L. L. (2018). Exercise metabolism: Fuels for the fire. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, 8(8), a029744.

2)     Hargreaves, M., & Spriet, L. L. (2020). Skeletal muscle energy metabolism during exercise. Nature Metabolism, 2(9), 817–828.