운동과 신체 대사
완전기아가 극한 상황이며 점진적인 적응 과정을 취한다면 운동은 또 다른 극한 상황이며 이때는 기아와 달리 급격한 적응을 필요로 한다.
단거리 경주 시 출발선에서 1 초 이내에 근육의 해당 경로가 적어도 1000배 증가된다. 마라톤 등의 지구력 운동은 전신 에너지 소비율이 안정 시에 비해 18배 정도 증가한다. 이때는 혈액을 통한 기질의 운반, 순환계 및 호흡계의 생리적 변화 및 대사적 변화의 조율이 이루어진다.
1) 운동 종류
혐기성 운동
단시간 내에 많은 힘을 요구. 주로 Fast-switch(type II) 근섬유 활동.
역도 선수가 역기를 들어 올리고 있는 상태 = 근육이 저항에 대항하고 있는 상태 = 외부 일은 없으나 분명히 에너지 요구 상태 = 각 근육 섬유에서 작은 수축이 지속적으로 유지되기 때문 ATP를 계속 생성하고 있는 상태 = 등장성 수축 = 근섬유의 길이 변화 없이 수축을 지속하고 있는 상태로 신속한 에너지 공급을 요구하지만 산소와 근육 기질의 공급을 받을 여유가 없다. 따라서 인산 크레아틴과 글리코겐 등 근육 자체에 저장괸 에너지을 주로 이용한다.
유산소 운동
저강도에서 장시간 운동. 장거리 달리기, 수영, 크로스컨트리 스키 등이다.근육 저장 에너지만으로는 부족하여 신체 타 부위 저장 연료인 지방 조직의 지방, 간의 글리코겐을 사용해야한다. 따라서 이러한 기질이 혈액을 통해 근육으로 이동해야 하기 때문에 순환기 적응이 필요하다. 산화성 타입 I 근섬유가 관련된다.
2) 운동 강도
에너지와 일에 관련된 단위
Force(힘) : 물체를 가속하는데 드는 힘 Newton(Kg.m/sec2) = 중력에 대항하여 사과 한 개를 드는데 필요한 힘이다.
Work(일) : 힘에 의해 움직여진 거리다. Joule(Kg.m2/sec2) KJ=1000 J/1 MJ=1000KJ
Energy(에너지) : 일을 할 수 있는 능력이다. Joule
Power(시간당 하는 일;외부 운동율) Watt(J/sec) * 외부 일(external work)
Joule은 칼로리로 대치할 수 있다. 1 cal = 4.18J 이다. 칼로리는 영양소를 다루기에 작기 때문에 대부분 킬로 칼로리가 사용된다(Kcal) * 과거 문헌에는 Cal로 표기했다.
힘: 중력에 대항하여 어떤 물건을 들고 있으면 힘을 주는 것이다. 중력 가속도(9.8 m/sec2)와 무게를 곱한 값이다. 1 newton은 사과 한 개를 들고 있는 힘이다.
힘을 사용하여 물체를 움직이면 일이 이루어진다. 일은 이동거리와 실행한 힘의 곱이며 물체의 질량과 중력 가속도의 곱으로 표현한다. 이를 외부 일(External work)라고 한다.
에너지는 일을 할 수 있는 능력이다. 에너지와 일은 joule로 표시한다. 1 joule은 1 newton의 힘으로 1 m를 이동하는 일이다.
일률은 단위시간의 에너지 단위(joules/s, watts)로 측정하며 power 또는 Power output로 부른다.
외부일이 소모된 에너지와 같은 것은 아니다. 신체는 다른 기계처럼 연료를 사용하여 외부 일을 한다. 그러나 완전 효율이 아니기 때문에 에너지의 일부는 외부일이 아닌 열의 형태로 변형된다. 인체의 열효율은 약 25%이다. 즉 연료에서 얻은 25%만이 외부일에 사용되고 나머지 75%는 열로 변환된다.
저장된 연료의 사용률은 에너지 이용률(Energy expenditure)로 측정되며 2가지 방법으로 평가한다.
* 화학 에너지를 외부 일로 전환시키는 효율 : 25%
일률은 2가지로 표현되며 Power 또는 Power output라고 하는 외부 일로 측정하며 watt라는 단위로 표시한다.
예) 체중 70 Kg의 사람이 계단 (높이2.5 m)을 2초에 오른 경우
Potential energy gain : 질량(70) * 중력 가속도(g=9.8 m/s2) * 이동거리(높이: 2.5 m)= 1715 Joule
외부 운동률(W)=총운동량/운동시간=1715/2 = 858 Joule/sec(Watt)
? 858 W 운동은 매우 힘든 일이다.
운동 강도는 65 watt(가벼운 운동), 130 watt(보통운동), 200 watt(심한 운동)으로 분류하며 이는 외부 일률을 의미한다.
신체 에너지 이용률외부 일 + 발생한 열=>안정시 에너지 이용률에 대한 비율이나 watt로 표현한다.
MET(Metabolic rate) = 전신의 에너지 이용률을 안정 시 이용률에 대한 비로 표현.
혐기성 운동에서 대사 조절
운동은 뇌에서 시작->움직이려는 방향으로 근육 수축 결정->해당 신경이 자극->전기적 신호가 수축 근육의 신경 말단에 도달->아세틸 콜린 유리->종판의 니코틴 수용체에 결합->Sodium channel 열어 근섬유초를 탈분극->활동 전위로 근섬유초 전체에 파급->활동 전위가 형질내 세망에 저장된 칼슘을 근육 세포질 내로 분비->근육 세포(sarcoplasm) 내 칼슘이온의 농도가 급격하게 증가->근육 수축과 함께 골격근 내의 ATP가 ADP+Pi로 가수분해->1초간 사용량->인산 크레아틴에서 유래한 ATP 동원->4초간 버틸 수 있는 양->ADP의 재충전 시급->초기에 글리코겐의 분해와 해당작용 일어남->해당 경로의 작동이 1000배 증가(원료(기질)가 충분할 때까지) 원료는 혈장에서 흡수된 포도당보다 글리코겐의 분해에서 만들어진 6인산 포도당에서 제공
글리코겐 분해는 증가된 근 형질 내의 칼슘 농도가 글리코겐 포스포릴라아제를 활성화시켜 작동되며 글리코겐 포스포릴라아제는 보조 기질인 무기 인산 농도가 증가해야만 작용한다. 무기 인산의 증가는 근수축에서 ATP 분해를 통해서 일어난다.
글리코겐 포스포릴라아제는 글리코겐 + Pi(무기 인산) -> 포도당 + Glycogen phosphate 반응을 촉매한다.
ATP 농도는 인산 크레아틴에 의해 항상 보충되므로 무기 인산은 실제로 인산 크레아틴에서 유래) => 그러다가 기질 공급이 충분해지면 해당 경로 증가->이를 위해서는 효소 활성이 필요
혐기성 해당 경로는 젖산을 만들고 생리적 산도에서 젖산이온과 수소이온으로 존재한다. 국소적으로 근육내에 수소 이온 농도가 증가하여 피로를 유발한다.
혐기성 운동의 수행능력은 해당 작용을 하는 타입 II 근섬유에 의존하며 이는 훈련을 통해 증가시킬 수 있다.
혐기성 운동 수행 능력 증대 방안 1)크레아틴을 하루에 5 gm씩 복용 2)다량의 중탄산소다 복용(수소 이온 축적을 최소화하는 완충제로 작용하여 피로출현을 지연)
유산소 운동에서 대사 조절
테니스, 축구 등 많은 운동이 혐기성 운동과 유산소 운동의 조합이다. 그러나 100미터 달리기는 거의 무산소 운동이다. 400미터 달리기는 유산소와 무산소 운동의 조합이며 달리는 거리가 길수록 유산소 부분이 중요해진다. 마라톤은 거의 순수한 유산소 운동이다.
유산소 운동의 특징은 장기간 유지에 있다. 따라서 근육 외에 저장된 연료를 사용해야 하고 완전히 산화되어 젖산과 같은 부분 분해산물이 축적되지 않는다는 것을 의미한다. 또한 기질의 완전 산화로 부분 분해에서보다 더 많은 에너지를 발생한다. 포도당 1분자가 완전 산화되면 38분자의 ATP가 생성되지만 포도당 1 분자가 젖산 2분자로 무산소 해당과정을 거치면 3분자의 ATP가 생성될 뿐이다.
유산소 운동에 필요한 근섬유는 산화력이 강한 slow-twitch, type I 근섬유이다. 이 근육에서 높은 효율로 외부일을 하기위해서는 산소를 포함한 기질이 공급되어야 하고 이산화탄소 같은 대사 산물은 빠른 속도로 제거되어야만 한다. 따라서 수환계의 협조가 필수적이다.
유산소 운동에서 사용되는 연료는 운동 강도와 기간에 따라 변화한다. 당질은 주로 초기에 사용되며 지방은 글리코겐 저장이 고갈된 후에 중요해진다.
순환혈액 및 세포외액에 존재하는 포도당의 양은 매우 적어 고갈되면 나쁜 영향을 일으킨다. 따라서 지구력 운동에 사용되는 당질은 운동하는 골격근 및 간에 저장된 글리코겐에서 온다. 당신생에서도 기원하기도 하며 운동중 근육은 항상 젖산을 만들어 간에서 당신생의 기질이 된다. 그러나 당신생은 운동 중에 제한되며 그 까닭은 간으로 혈류가 제한되고 골격근과 다른 장기 및 조직으로 혈류가 증가하기 때문이다.
근육 운동에서 지방의 관여
대사 지식으로 운동계를 고려하면 운동에 필요한 가능한 많은 양의 에너지가 지방 산화에서 발생해야 할 것이다. 당질보다는 지방으로 저장된 에너지가 더 많고 뇌 등의 장기 기능에 당질이 필수적이기 때문에 당질을 아껴야 하기 때문이다. 게다가 지방은 적은 중량으로 많은 에너지를 저장하고 있다. 그러나 지방 산화는 최고 유산소 Power output의 60% 정도밖에 지원할 수 없다. 그 이유는 24시간을 달리는 초지구력을 가진 운동선수에서 power output는 시간 경과에 따라 글리코겐이 고갈되는 것으로 예측되는 시점부터 최고의 50% 정도로 감소한다. 훈련이 덜 된 사람도 근육에서의 지방 산화는 산소 소비량의 60%까지 관여한다. 따라서 최대 유산소 power output을 유지하기 위해서는 지방 뿐 아니라 당질의 산화를 필요로 한다.
당질은 저장된 글리코겐에서 유래되며 최대 유산소 능력이 유지되는 시간은 저장된 초기 글리코겐양에 의해 좌우된다.
마라톤 선수들은 글리코겐 저장량이 고갈되면 벽에 부딪치는 느낌이 들고 갑작스런 피로를 경험한다. 따라서 지구력 운동 능력의 증대를 위해서는 근육의 글리코겐양을 증가시키는 방법(glycogen loading)이 중요하다.근육에 저장된 글리코겐 양이 많을수록 지구력 운동 수행 능력이 좋다.
다양한 당질 함량 음식에 따라 근육 내 초기 글리코겐 양과 상관 관계가 있음을 관찰했다.
유산소 운동에서 신경계와 순환계의 반응
신경계에서 관련된 것은 체성신경과 교감신경계다. 체성 신경계는 해당 근육의 수축을 위한 자극을 전달. 신경자극이 종판에 도달하면 근육 수축과 함께 글리코겐 분해가 일어나기 시작한다.
교감신경계는 부신 수질로부터 아드레날린 분비되어 심혈관계 및 저장된 연료인 글리코겐과 TG의 동원에 필요한 변화를 유도한다.
지구력 운동에 의한 생리적 반응은 맥박수 증가. 심근 수축력 증가에 의한 심박출량 증가오 골격근에 혈액 공급이 증가한다. 교감신경계가 심방의 베타 아드레날린 수용체에 작용하여 심박출량을 증가시킨다.
피부, 신장, 복부 장기로 가는 혈류는 교감신경계 활동으로 억제되어 더 많은 혈액이 근육으로 간다. 운동으로 생긴 젖산에서 유래한 수소 이온도 혈관 확장 유발. 근육에 증가된 혈액으로 산소 공급이 증가하고 젖산과 이산화탄소 등의 대사산물이 제거된다.
운동으로 젖산과 이산화탄소가 증가되면 혈중 산성도가 증가하여 뇌간의 산성도 수용체가 인지하게 되면 호흡 횟수와 깊이를 증가시켜 더 많은 산소를공급하고 이산화탄소를 더 많이 배출한다.
유산소 운동에서 호르몬의 작용
교감신경계와 아드레날린은 저장된 연료를 동원시킨다. 성장 호르몬과 코르티솔은 운동에 반응하여 분비되어 처음 30분에서 1 시간에 혈장 농도가 점차 증가. 이는 지속적인 운동에서 저장된 연료의 방출에 관여하는 것으로 생각된다.
운동중에 혈당치는 올라가거나 내려갈 수 있고 인슐린 농도는 지구력 운동 중에 다소 감소한다. 이것은 순환 아드레날린이증가하여 췌장에서 인슐린 분비가 억제되기 때문이다. 글루카곤도 장시간의 심한 운동시에는 증가될 수 있다.
아드레날린, 글루카곤, 성장 호르몬, 코르티솔 농도의 증가는 전형적인 스트레스 반응이다.
지구력 운동 중 당질 대사
포도당 산화는 유산소 운동 근육의 주된 에너지 원이다.
정예 마라톤 선수 : 최대 산소 섭취량의 80-90% 해당하는 고강도 유산소 운동을 한다. 에너지 이용률은 분당 약 80-90 KJ이다. 이 가운데 포도당 산화로 공급되는 에너지가 약 50%이다. 포도당이 40-50 KJ/min의 에너지를 공급하고 1 그람의 포도당이 산화되면 17 KJ(=4 Cal)을 방출하기 때문에 분당 2.5 그람(42.5/17)의 포도당이 산화된다.
혈액과 세포외액에서 이용가능한 포도당량은 약 12 그람이다. 따라서 이를 다 써버리면 고강도의 유산소 운동은 단지 수분만 지속할 수 있다. 근육의 글리코겐은 운동하는 근육에서만 사용되고 전신 근육에서 이용할 수 없다.
근육과 간에 저장된 총글리코겐양은 분당 2.5 그람을 소모하면 약 2시간 정도 지탱할 수 있는 양이다.
글리코겐이 모두 소비되면 에너지소비율은 감소하고 동작이 어려워진다.
마라톤 운동중 간의 당신생은 무시된다. 왜냐하면 혈루가 주로 근육으로 가고 간의 혈류는 감소되어 운동중에 큰 기여를 못한다. 운동 중 당신생은 대부분 글리코겐->젖산으로부터 일어난다.
저장된 글리코겐 동원을 조절하는 요인은 무엇일까?
- 근육 글리코겐
1)수축을 위한 신경자극
일하는 근육 : 수축을 위한 신경 자극이 글리코겐 동원의 주된 인자. 일하지 않은 근육은 글리코겐 농도 감소가 훨씬 덜하다.
한쪽 다리만 운동시키면 운동한 다리의 글리코겐 양은 감소되나 반대쪽 다리의 글리코겐양은 변화가 없다
2)아드레날린 농도의 증가 : 체성 신경 자극 효과를 강화. 그러나 아드레날린 농도는 외다리 운동실험 결과 양쪽 다리 모두에서 관찰되어 아드레날린 자체가 중요한 자극은 아니다.
- 간장 글리코겐
간장 글리코겐 분해 자극에 대해서는 잘 알려진 바 없음.
혈장 인슐린 농도 : 계속된 운동으로 약간 감소. 교감신경과 혈장 아드레날린이 췌장에서 인슐린 분비 억제때문.
글리코겐 : 친수성 분자로 자체무게의 3배의 물을 함유. 글리코겐이 동원되면 당질을 공급할 뿐 아니라 물이 유리되어 지구력 운동에 필요한 물을 공급.
땀으로 손실된 수분을 보충해주는 역할을 한다. 300 그람의 글리코겐이 동원되면 물 1 리터가 공급된다.
지구력 운동중 지방 대사
포도당과 지방산의 동시 산화;고강도 운동을 지속할 수 있는 시간을 연장.
근육에 지방산이 늘어나면 포도당-지방산 회로를 통해 포도당 산화율은 감소. 지방산이 많으면 글리코겐이 보존되어 고강도의 운동을 보다 오랫동안 지속할 것으로….
지구력 운동 중 산화되는 지방산은 지방 조직과 근육에 있는 TG로부터 공급된다. 그러나 근육의 TG는 고강도의 운동을 지속하면 감소한다.
운동중 지방에서 TG를 동원하는 주된 자극원은 운동중 분비되는 아드레날린이 지방 조직의 베타아드레날린 수용체에 결합하는 것이다. 그러나 이 아드레날린은 순환하는 아드레날린인지 교감신경계의 활성화인지 명확하지 않다.
운동 중 아드레날린은 인슐린 농도의 감소로 강화된다. 30-60분 정도 지속되는 운동은 혈장 성장호르몬과 코티졸 농도를 증가시켜 지방 분해에 대한 아드레날린성 자극을 강화시키며 호르몬 감수성 지방 분해 효소(HSL)의 양을 증가시켜 일어나는 것으로 생각.
지방 조직에서 유래왼 지방산은 혈장 알부민과 결합하여 운반되고 근육에 섭취되어 산화된다. 지방산 산화는 속도 조절에 의해 최대 에너지 이용률의 60%로 제한된다.(근육의 지방산 이용률이 제한)
고강도의 운동은 혈장에 지방산이 있어도 더 이상 산화할 수 없다. 근육에서 당대사는 높은 속도로 이루어진다. 피루부산 탈수소효소에 의해 acetyl coA 가 만들어지며 주로 TCA 경로에 의해 산화된다. 그러나 acetyl coA 농도가 높으면 지방생성 경로의 흐름을 증가시켜 다름 중간 대사 산물인 malonyl coA 농도가 증가된다. Malonyl coA는 지방산이 산화되기 위해 미토콘드리아로 들어가는 것을 억제한다. 따라서 포도당의 산화가 높은 속도로 일어나면 근육에서 지방 산화능력이 제한되는 것이다.
고강도의 지구력 운동에서는 지방대사는 예측된 과정대로 진행되지 않는다. 지방산의 관여는 제한되고 글리코겐의 이용성이 높은 강도의 운동 유지시간을 결정한다.
훈련효과
혐기성 운동
근육 비대. 근세포의 수가 증가하는 것이 아니라 세포가 커진다. 타입 II의 근섬유의 비율이 더 많다. 그러나 이것은 훈련 결과라기보다는 유전적 경향 일 수 있다. 즉 타입 II 근섬유를 많이 가지고 있는 사람이 역도 선수나 단거리 선수에 적합할 것.
지구력 훈련
산소와 다른 기질을 근육에 공급하는 능력과 근육에서 이들 기질을 사용하는 능력의 증가와 관련이 있다. 글리코겐 합성 효소의 활성도는 증가하나 글리코겐 포스포릴라아제 활성도는 증가하지 않는다. 이것의 활성은 지구력 운동 힘의 생산 조절 단계는 아닌 것으로 보인다.
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