에너지 대사의 개념과 운동을 위한 에너지

우리의 몸은 음식을 통해 에너지를 섭취하고, 섭취한 에너지를 쓰면서 평생 살아간다. 에너지의 대사에 대해 자세히 알아보고, 운동을 할 때 에너지가 어떻게 쓰인는지 알아보겠다.

 

에너지 대사

에너지 대사의 개념

인간은 에너지를 만들기 위해 음식을 섭취한다. 음식을 먹으면 소화와 흡수가 시작되는데, 이를 통해 탄수화물, 지방, 단백질의 에너지원을 얻게 된다. 인간은 식물과 동물성 식품을 섭취하여 3대 영양소를 얻고, 대사과정을 거쳐 즉시 사용할 수 있는 아데노신 3인산(ATP)을 만든다. 아데노신 3인산(ATP)란 인간의 세포에서 만든 에너지를 말한다. 에너지를 저장하고 전달하는 역할을 하는 화합물이다. 생명체가 활동과 성장을 하는 데 필요한 에너지를 제공하고 대사 활동을 하는데 있어 핵심적인 역할을 한다. ATP는 효소 작용에 의해 분해되면서 근육 수축에 사용될 수 있다. ATP의 원료는 탄수화물, 단백질, 지방이다. 탄수화물이 분해되면 포도당이며 살아 있는 모든 세포에서 가장 중요한 에너지원이다. 단백질은 아미노산, 지방은 유리지방산과 글리세롤로 분해된다. 우리 몸에서 섭취된 음식을 에너지로 만들기 위해서는 분해작용이 필요하다. 분해란 이화작용이라고 한다. 반대로 합성은 동화작용이다. 저분자 물질로부터 고분자를 만드는 것이다. 세포는 포도당, 아미노산, 유리지방산을 원료로 ATP를 만들 수 있다. 따라서 인간은 에너지원을 섭취하여 세포에서 ATP를 만들고 이것을 신체가 생리 및 기능적으로 사용한다.

 

인체 에너지 대사

신체활동을 위해서는 근수축을 위한 ATP가 지속적으로 공급되어야 한다. 근육세포는 크레아틴인산에 의한 ATP 생성, 해당작용으로 포도당 분해로 ATP 생성, 산화작용에 의한 ATP 생성으로 나눠진다. 크레아틴인산과 해당작용은 산소를 사용하지 않아 무산소성 대사작용, 산화작용은 유산소성 대사작용이라고 한다. 조금 더 자세히 살펴보자.

 

1) ATP-PCr 시스템은 무산소성 에너지 시스템이다. ATP와 크레아틴인산염(PCr)의 화합물을 사용하여 에너지를 공급하는데, 대략 5초 이내에 사용되는 최초의 시스템이다. ATP를 생성하는 방법은 PC에서 ADP를 ATP로 전환 시키는 것이다. 운동을 시작하자마자 ADP + Pi로 분해되나 PCr 화학작용으로 다시 ATP가 된다. PCr의 분해로 새롭게 ATP가 합성된다. 다시 만들어진 ATP를 분해하면 다시 에너지를 얻을 수 있다. PCr도 에너지를 생산하는 시스템이다. 따라서 ATP와 PCr의 결합은 ATP-PCr이라고 한다. ATP-PCr은 짧고 강한 운동에서 에너지를 생산하는데 PC가 고갈되면 운동을 제한한다. 이 시스템은 고강도 운동에서 주료 사용된다. 빠르고, 강한 운동을 위한 에너지를 제공하는 과정이다. 50m 달리기, 높이뛰기, 미식축구의 10야드 달리기 등이 있다. 

 

2) 해당작용 시스템은 무산소성 에너지 시스템이다. 해당작용은 포도당을 해체하는 과정으로 사용하는 에너지원은 포도당이다. 여기서 무산소성 에너지 시스템이란 산소 이용 없이 에너지를 만들어 내는 시스템이다. 즉 에너지원으로 포도당을 사용하고 산소를 이용하지 않는 고강도의 운동을 말한다. 해당작용은 분해과정에서 젖산염 또는 피루브산염을 만든다. 탄수화물이 고갈되면 피로가 유발되고 운동을 지속하기 어렵다. 해당작용 시스템은 주로 100m 달리기, 역도 등 짧은 시간에 강한 강도의 운동을 했을 때 가동된다.  

 

3) 유산소 시스템은 장시간, 저~중강도의 운동일수록 유산소 시스템의 기여도가 높다. 유산소 시스템은 주로 유리지방산과 포도당을 에너지원으로 사용한다. 유산소 시스템은 미토콘드리아 라는 곳에서 시스템이 가동된다. 시스템은 2개의 대사경로들이 협력하여 이루어진다. 크렙스회로와 전자전달체계이다. 크렙스회로는 생화학자 한스 크렙스의 이름을 따서 만들어졌다. 크렙스 회로는 미토콘드리아 내에서 피루부산이 아세틸-CoA로 전환되며 옥살로 아세트산과 작용하여 시트르산이 만들어진다 이후 이소시트르산 → 알파-케토글루타르산 →  숙시닐 CoA →  숙신산 →  푸마르산 →  말산 →  옥살로아세트산으로 분해되는 과정을 반복한다. 이 에너지는 전자전달체계를 통해 ADP+ Pi와 결합하여 ATP를 생성한다. 주로 800m 수영, 마라톤, 장거리 달리기를 했을 때 유산소 운동 시스템이 가동된다.

 

정리하면, 신체는 3가지 대사 경로로 ATP를 생산한다. ATP-PCr 시스템과 해당작용 시스템은 산소 없이도 일어날 수 있기에 무산소성 에너지 시스템으로 구분한다. 유산소 시스템은 산소를 필요로 하기 때문에 유산소 대사로 구분한다. 

 

 

운동을 위한 에너지 요소

1) 탄수화물은 탄소, 수소, 산소로 구성된다. 탄수화물은 1g당 4kcal의 에너지를 생산한다. 탄수화물이 분해된 형태는 포도당이다. 포도당은 음식과 다당류의 탄수화물 분해 결과이다. 과당은 과일이나 꿀에 포함되어 있다. 이당류는 2개의 단당류가 결합된 것이다. 다당류는 3개 이상의 단당류를 포함하는 탄수화물이다. 식물성 또는 동물성 다당류로 분류한다. 운동 대사작용에서 당은 근섬유와 간에 저장된다. 간과 근육에 저장될 때는 포도당 여러 개를 합하여 합성한다. 그 형태를 글리코겐이라고 한다. 탄수화물이 소화 흡수되면 혈중 포도당 농도가 높아진다. 인슐린이 분비되면서 혈당은 낮아지는데 이때 포도당이 간과 근육으로 이동하여 합성이 되고 저장이 된다. 운동을 하게 되면 저장해 두었던 글리코겐이 포도당으로 다시 분해되며 에너지를 만든다. 글리코겐이 분해되는 것은 글루카곤이 촉진한다.

 

2) 단백질의 분해 형태는 아미노산이다. 인체의 많은 부분이 단백질로 만들어진다. 단백질은 1g당 4kcal의 에너지를 만들어낸다. 단백질은 포도당이나 중성지방으로 전환되어 저장한다. 우리 몸에서는 필수아미노산이 필요한데 음식물로 섭취해서 얻는다. 단백질은 에너지를 공급할 수 있는데, 극단적인 상황에서 단백질이 아미노산으로 분해된다. 운동 중 단백질은 아미노산인 알라닌은 간에서 포도당으로 전환되어 당을 합성한다. 이소류신, 발린, 알라닌, 류신 등의 아미노산들은 근육세포의 생체 에너지를 생산하는 데 매개물질로 전환되어 에너지원으로 사용된다.

 

3) 지방은 저강도 운동을 할 때 주로 사용하는 에너지원이다. 탄수화물과 같은 화학적 요소를 포함하지만 산소에 대한 탄소의 비율이 탄수화물보다 크다. 지방은 많은 양의 에너지를 포함하고 있어서 장시간 운동에 적합하다. 지방 1g은 약 9kcal의 에너지를 생산한다. 지방은 중성지방 형태로 저장되어 있다가 에너지원으로 유리지방산과 글리세롤로 분해한다. 지방은 주로 지방세포에 저장되어 있다. 피하지방과 내장지방이 대표적이다. 운동 중 유산소 운동을 하면 중성지방은 유리지방산과 글리세롤로 분해된다. 유산소 운동은 LDL콜레스테롤을 많이 감소시키고, HDL콜레스테롤을 증가시킨다.