인체 에너지원 생성 특징 이용 피로 현상

탄수화물, 지방, 단백질의 세 영양소는 인체 내에서 상호 전환될 뿐만 아니라, 대사과정에서 공통된 경로를 사용한다. 탄수화물은 해당작용(glycolysis)을 통해 분해되어 에너지를 방출한다. 지방은 지방산과 글리세롤, 단백질은 아미노산으로 분해되어 운동에너지의 연료로 사용되는 특징과 이용방법을 알아본다.

인체 에너지원 생성 특징

인체 에너지인 ATP(아데노신삼인산)를 합성하는 방법은 무산소적 방법과 유산소적 방법이 있다. 유산소적 방법은 탄수화물을 연료로 이용하는 경우와 지방을 연료로 하는 경우로 나누어 생각할 수 있다. 생성과정 특징을 요약한다. 첫째, 운동강도가 클수록 인체의 에너지 생성체계는 인원질과정 > 젖산과정 > 유산소과정(탄수화물 > 지방)의 순으로 에너지 의존도가 높아진다. 운동강도가 높다는 것은 단위 시간당 에너지 소비량이 높다는 것을 의미한다. 인체의 에너지 생성을 위한 방법 중에서 그 화학반응의 과정은 인원질과정이 가장 간단하고, 다음으로 젖산과정, 그리고 유산소과정이 가장 복잡하다. 유산소과정 중에서도 지방분해 보다 탄수화물의 분해속도가 더욱 빠르다. 둘째, 운동 지속시간이 길수록 인체의 에너지 생성체계는 인원질과정 < 젖산과정 < 유산소과정(탄수화물 < 지방)의 순으로 에너지 의존도가 높아진다 무산소과정(인원질 과정, 젖산 과정)에만 의존한다면 장시간 동안 운동을 지속할 수 없게 된다. 그 이유는 이 무산소과정에 의해서는 소량의 ATP만을 합성할 수 있는 에너지밖에 얻을 수 없기 때문이다. 인원질과정은 크레아틴인산(PC)의 고갈이 운동을 제한하게 되고, 젖산과정은 과다한 젖산 축적에 의한 체액의 산성화(pH 감소)가 운동을 제한하는 주요인이 된다. 즉, 체액의 산성도 증가는 무산소성 해당작용의 속도 조절효소인 가속도 조절 효소 어떤 화학적 반응의 속도는 그 반응을 촉매 하는 효소 저하시키기 때문에 해당과정은 억제되어 더 이상의 에너지 생성반응은 불가활성도에 의해 조절된다. 인산 분해효소(phosphorylase)와 인산과당 분해효소(PFK)의 활성도를 불가가능하게 된다. 그러므로 운동을 지속시키기 위해서 인체는 필연적으로 유산소과정에 의한 에너지 생산과정에 의존해야만 한다. 셋째, 각각의 에너지 생성과정은 운동의 유형에 따라 그 기여비율을 달리한다. 대체로 30초 미만에 종료되는 단시간의 최대운동 시에는 인체는 인원질 과정에 주로 의존해서 에너지를 얻는다. 또한 1~3분 사이의 최대운동시에는 젖산과정이 주에너지과정이 되고, 그 이상의 장시간 운동시에는 유산소과정이 주된 에너지과정이 된다. 100m를 전력질주하는 운동은 거의 전적으로 인원질과정에만 의존하여 에너지를 얻고, 마라톤과 같은 장거리 달리기에서는 유산소과정이 전체 에너지 수요의 95% 이상을 충당한다. 넷째, 동일한 최대하 강도의 운동수행 시 훈련선수의 에너지 생성체계는 유산소과정에 더욱 의존한다. 트레이닝은 산소 수송을 위한 순환계의 기능을 개선시키고 근세포 내에 서 산소를 이용하여 에너지를 얻는 대사기능을 발달시킨다. 즉, 훈련에 의해서 혈액을 펌프 하는 심장의 용적과 심장근육의 수축력이 강화될 뿐만 아니라, 근세포에 분포된 모세혈관망이 발달한다. 이는 산소를 필요로 하는 조직세포까지의 수송체계가 잘 정비됨을 의미한다. 다섯째,  동일한 최대하 강도의 운동수행 시 단련자는 탄수화물보다 지방의 연소를 통한 에너지공급에 더욱 의존한다. 훈련선수는 동일한 최대하의 운동을 보다 유산소적으로 수행함으로써 젖산의 축적을 적게 하면서 그 운동을 수행한다. 여섯째, 트레이닝은 근세포 내 크레아틴인산(PC)이나 근 글리코겐 저장량을 증대시킨다. 훈련선수의 경우 크레아틴 인산의 저장량이 증가되어 있을 뿐만 아니라 크레아틴 인산을 분해하는 효소(creatin kinase)의 활성도가 높다.

운동 시 에너지 이용

운동선수를 포함하여 모든 사람에게 적용되는 에너지 이용 일반적인 원칙이 있다. 첫째, 1일 총 섭취 칼로리 중 적어도 60%는 탄수화물로부터 섭취하여야 한다. 그리고 총 탄수화물 섭취량 중 80% 이상은 전분이나 기타 다당류 형태의 탄수화물로 섭취하고, 정제된 설탕이나 단당류로는 20% 미만만을 섭취하도록 한다. 둘째, 지방으로부터의 칼로리 섭취는 30% 이하가 되도록 한다. 또한 포화 지방산과 불포화 지방산의 비율은 1:1이 되도록 한다. 셋째, 총 칼로리 섭취 중 적어도 10%는 단백질로부터 얻는 것이 바람직하다. 여러 종류의 운동수행 시 사용되는 에너지원에 대한 종류와 에너지 생성비율에 대해 알게 되었다. 따라서 각종 연료의 사용량에 대해 운동수행에 따른 에너지 대사의 여러 원리들을 알 수 있다. 첫째, 무산소성 해당과정 (glycolysis)에 의해 생성할 수 있는 23kcal/hr/ kg(체중당 시간당 에너지 소비량) 이상의 에너지 소비가 요구되는 활동에서 인원질(ATP와 PC)이 주된 연료로서 이용되어야 한다. 즉, 최대속도의 스프린팅, 원반 던지기, 높이뛰기 등 단시간의 최대 운동수행은 무산소성 해당과정 (젖산 시스템)이나 유산소과정에 의한 에너지 공급보다 훨씬 빠른 에너지 생성속도가 필요한 운동이다. 하지만 근육 내 저장된 ATP와 PC 양은 매우 적어서 이처럼 강한 운동을 수초 이상 지속할 수 없게 된다. 반면, 지방산의 유산소적 분해에 의한 에너지 생성속도는 매우 느리지만, 체내 지방저장량은 매우 많기 때문에 많은 시간 이상 활동을 지속시킬 수 있다. 지방의 저장량이 풍부하더라도 지방분해를 통한 에너지 생성속도는 느리기 때문에 적어도 5.0 kcal/hr/kg 이상의 에너지 소비가 요구되는 에어로빅 댄스, 축구, 달리기, 스키와 같은 활동 시에는 지방의 분해만으로 에너지 요구량이 충족될 수 없음을 알 수 있다. 근육 내 글리코겐이 고갈됨에 따라 에너지원으로서 지방에만 의존해야 하기 때문에 에너지 생성속도는 감소될 수밖에 없어서, 고강도의 운동을 더 이상 지속시킬 수 없게 된다. 어느 활동의 한 시점에서 한 가지 연료만이 독점적으로 사용되는 것이 아니라 활동의 강도나 시간에 따라 각 연료가 에너지 대사에 이용되는 비율은 달라지게 된다는 점이다. 예를 들어, 어느 특정 종목에 있어 글리코겐이 연료로서 이용된다고 하는 것은 글리코겐만이 사용된다는 것이 아니라 글리코겐이 그 활동의 주 연료라는 것을 의미한다.

단시간 최대운동시 피로 현상

대상자들이 1~2분 이상 지속시킬 수 없는 높은 부하로 자전거 에르고 메터(bicycle ergometer) 운동을 행할 때, 근육내 저장된 크레아틴인산(PC)은 10초 이내에 거의 40%가 고갈되고 20초 이내에 50%가, 60초 후에는 70%가 고갈된다. 이러한 종류의 고강도 운동 시에는 근육 내 글리코겐의 저장량은 약간 정도만 감소하고 혈중 글루코스나 지방산 역시 변화를 보이지 않는다. 이때 운동피로 현상측면에서 운동 피로의 원인은 첫째, 젖산의 축적, 둘째, 에너지원의 고갈을 들 수 있다. 피로 현상의 원인이 되는 에너지원의 고갈은 PC와 글리코겐의 고갈이다. 사용되는 소량의 글리코겐은 무산소적으로 분해되어 젖산으로 전환된다. 이러한 활동으로는 던지기, 도약운동, 800m까지의 달리기 종목, 200m 수영, 사이클 스프린팅 운동, 역도 등을 들 수 있으며, 그 활동의 주된 연료는 아데노신삼인산(ATP), 크레아틴인산(PC) 및 근글리코겐이다. 고강도의 운동과 짧은 휴식이 반복되는 형태의 운동수행 시에는 운동기 중 ATP와 PC 그리고 근글리코겐이 이용되고, 휴식기에는 근글리코겐, 혈중 글루코스 및 지방산의 유산소적 분해에 의해 운동기 중 고갈되었던 ATP와 PC가 일부분 재보충된다. 그러나 이러한 형태의 운동 시 혈중 글루코스나 지방산의 감소는 나타나지 않고 PC의 고갈이 가장 뚜렷하게 나타나며, 장시간의 운동과 휴식을 반복할 때는 결국 근글리코겐 수준도 감소하게 된다. 15초간의 고강도 사이클 운동과 15초간의 휴식을 반복할 때 PC 저장량은 최초의 휴식기에는 운동 전 수준의 80%까지 보충될 수 있다. 그러나 운동-휴식을 4~6분간 지속한다면 PC 저장량의 50%를 보충하는 데는 약 3분 정도가 소요된다. 왜냐하면 운동이 지속됨에 따라 더 많은 젖산이 생성되기 때문이다. 젖산은 해당작용 및 지방산 대사를 억제함으로써, PC 재합성을 위한 ATP 생성량이 감소하게 된다. 전완의 근육을 사용하여 60초간 최대운동을 수행한다면 PC는 완전히 고갈된다. 또한 PC 저장량을 50% 수준까지 재보충하는 데는 4분이 소요되고, 95% 수준까지 회복하는 데는 7분이 소요된다. 이러한 결과는 최대의 단시간 운동으로 인해 고갈된 PC를 거의 완전히 회복시키기 위해서는 휴식시간을 적어도 7분 정도 가져야 한다는 것을 말해준다. PC 이용률과 운동강도 사이에는 직선적인 상관관계가 있다. 상대운동 강도가 강할수록 ATP 공급에 필요한 에너지를 PC 분해에 의존하게 된 다. 또한 운동의 초기에는 그 운동의 강도와는 관계없이 PC가 어느 정도 사용된다. 이러한 유형의 운동 중에서도 10초 이내로 지속할 수 있는 운동 시의 피로현상은 크레아틴인산(PC)의 고갈이 주원인이 된다. 그리고 10초~2분 정도까지 지속할 수 있는 운동의 경우에는 PC 고갈과 함께 젖산의 축적이 피로의 주원인이 된다.