생체 에너지: ATP와 에너지 시스템 종류

생체 에너지 입문: 운동과 에너지 대사

• ATP(아데노신 삼인산)는 adenosine과 triphosphate로 구성되며, ATPase에 의해 결합이 끊어지면서 에너지를 방출함.

에너지 시스템 종류

• ATP-PC 시스템, 무산소 시스템, 젖산(lactate) 시스템, 유산소(aerobic) 시스템이 있음.
• 젖산 시스템은 탄수화물의 무산소 과정인 해당 과정에서 젖산이 생성되기 때문에 붙여진 이름이지만, 현재는 해당 과정이라는 표현이 더 적합함.

무산소성 ATP 생산 (ATP-PC 시스템)

• PC(Phosphocreatine)는 크레아틴(C)과 무기인산염(Pi)으로 분해되면서 에너지를 방출하며, ATP를 생성하는데 사용됨.
• ATP-PC 시스템 II에서는 ADP 2개를 이용하여 ATP를 합성함.
• PC 고갈 시 ATP 합성이 어려워지면 ATP를 공급함.

무산소성 해당 과정

• 글리코겐이 글루코스로 분해되는 과정은 당원분해(glycogenolysis)라고 함.
• 글루코스가 초성포도산(pyruvate)으로 분해되는 과정은 해당 과정(glycolysis)이라고 함.

해당 과정의 글루코스 경로

• 혈액 속 글루코스가 세포막을 통해 근세포로 유입됨.
• 근세포에 저장된 글리코겐은 당원분해 과정을 통해 글루코스로 전환되어 사용됨.
• 근글리코겐에서 유래된 글루코스는 3ATP를, 혈중 글루코스의 해당 과정은 2ATP를 생성함.

해당 과정을 거친 후

• 글루코스가 분해되면 최종적으로 젖산이 생성됨.
• 젖산은 다른 근세포에서 산화되거나 간에서 글루코스 합성 재료로 쓰임.
• 젖산은 혈액을 산성화시킴.

무산소 대사 과정 특징

• 세포질 (근형질, 원형질)에서 일어남.
• 산소를 사용하지 않음.
• 글루코스와 글리코겐과 같은 탄수화물만을 에너지원으로 사용함.
• 젖산이 축적되는 특징을 보임.

유산소성 ATP 생산

• 해당 과정을 거치거나 지방의 산화적 인산화 과정을 거쳐 아세틸 CoA 경로를 지나면 미토콘드리아 내부에서 ATP가 생성됨.
• 이 ATP는 유산소 운동의 에너지로 사용됨.

ATP-PC 시스템 조절

• 짧고 강한 운동을 수행하는 선수에게 중요한 에너지 시스템임.
• 에너지를 가장 빠른 시간 안에 생성할 수 있다는 장점이 있음.
• 에너지를 장시간 지속적으로 사용하기는 어려움.
• 지속적인 운동을 위해서는 다른 에너지 시스템으로 전환이 필요함.

효소 활동

• 세포 내 화학 반응 속도를 조절하는 촉매 역할을 함.
• 세포 내 대사 작용에 중요한 역할을 담당함.
• 효소 자체는 반응을 유발하지 않음.

탄수화물

• 글루코스 + 글루코스 = 맥아당(maltose)
• 글루코스 + 과당 = 자당(sucrose)
• 글루코스 + 갈락토스 = 젖당(lactose)
• 단당류 3개 이상 결합 = 복합 탄수화물 (다당류)
• 단당류 3-10개 결합 = 올리고당.

체내 탄수화물 흡수

• 탄수화물은 체내에서 소화 및 흡수 과정을 거쳐 최종적으로 글루코스로 분해되어 에너지원으로 사용됨.

단백질 개요

• 탄소, 수소, 산소, 질소의 4가지 요소로 구성됨.
• 필수 아미노산과 비필수 아미노산으로 분류됨.
• 필수 아미노산은 체내에서 합성되지 않아 반드시 섭취해야 함.

단백질 에너지 원 이용

• 1970년대에는 에너지원으로 2% 정도 사용됨.
• 1990년대 초에는 5~15%까지 증가 (운동 형태에 따라 다름).
• 당신생을 통해 글루코스로 전환될 수 있음.
• 장시간 운동 시 프로테아제 활성화로 인해 아미노산이 증가함.

단백질 흡수 과정

• 단백질은 위와 소장에서 분해됨 (대장까지는 가지 않음).
• 십이지장에서 이자액과 장액의 도움을 받아 마무리됨.

지방산

• 저밀도지단백(LDL)은 동맥경화의 원인이 됨.
• 고밀도지단백(HDL)은 동맥경화를 억제하는 역할을 함.
• 초저밀도지단백(VLDL) 또한 동맥경화를 유발함.
• VLDL -> IDL, LDL로 분해되어 조직에서 흡수됨.

탄수화물 대사

• 혈액 내 포도당(glucose)은 세포막을 통해 근세포로 유입됨.
• 근세포 내 저장된 글리코겐(glycogen)은 당원분해 과정을 거쳐 포도당으로 전환됨.

GLUT4

• GLUT4는 혈관 속 포도당을 빠른 속도로 세포 내로 이동시키는 역할을 함.
• 인슐린 존재 시 세포막으로 이동하여 포도당을 세포 안으로 운반함.

탄수화물 유산소 대사

• 해당 과정 > Acetyl-CoA 생성 > 유산소 과정 순으로 진행됨.

산화와 환원

• 산화: 전자를 잃는 것
• 환원: 전자를 얻는 것

전자 전달계(ETS)

• NADH 1분자는 3분자의 ATP 생성
• FADH2 1분자는 2분자의 ATP 생성

Krebs 회로

• 해당 회로는 생화학자 Hans Krebs의 이름에서 유래됨

운동 시 에너지 시스템 관련 요소

• 운동 시작 시 산소 섭취량이 즉각 증가하지 않음
• 운동 초기에는 무산소 과정에 의존하여 에너지를 얻음
• 항정 상태(steady state)에서는 유산소 과정에 의존하게 됨
• 장시간 운동 (90분 이상) 시 지방이 주요 에너지원으로 사용됨.
• 45~90분 운동 시 지방과 탄수화물이 에너지원으로 사용됨.

단백질 대사

• 심한 운동이나 기아 상태, 장시간 운동 시 단백질 동원율이 증가함.
• 당뇨병 환자는 단백질이 주요 에너지원으로 사용될 가능성이 높음.
• 주로 사용되는 아미노산은 류신(leucine), 이소류신(isoleucine), 발린(valine) 임.

당신생성(Glyconeogenesis)

• 글루코스 외 물질(젖산, 글리세롤, 알라닌)로부터 글리코겐을 합성하는 과정.

코리 사이클 (Cori cycle)

• 코리 사이클은 간에서 근육 내 젖산을 글루코겐으로 재합성하는 과정.
• 경로: 간 글리코겐 -> 혈중 글루코스 -> 근 글리코겐 -> 혈중 젖산 -> 간 글리코겐.

지방 대사

• 지방은 지방분해(lipolysis) 과정을 거쳐 에너지로 사용됨.

지방산 특징

• 지방산의 베타 산화는 지방산을 acetyl-CoA로 전환하는 과정임.
• 지방산의 베타 위치에서 산화가 일어나 탄소 수가 2개 단위로 잘려나가면서 ATP를 생성함.
• 지방산 산화 과정 1 주기마다 acetyl group 1개가 생성.

지방산 산화 단계

• 1단계: 지방산이 fatty acyl CoA로 활성화 (미토콘드리아 외막)
• 2단계: fatty acyl CoA가 fatty acyl carnitine으로 변환 (미토콘드리아 내막).
• 3단계: fatty acyl carnitine이 fatty acyl CoA로 재형성 (미토콘드리아 내부).

지방산 ATP 생성

• Palmitic acid(16개 탄소): ATP 130개 생성
• Stearic acid(18개 탄소): ATP 147개 생성

지방산 산화 공식

• P = 8.5n - 2x - 7 (n: 탄소수, x: 이중결합수)

탄수화물 vs 지방

• 지방은 탄수화물보다 약 12% 더 많은 산소를 요구함.

지방산 조절 요소

• 리파아제(lipase) 활성화 시 지방산 동원이 촉진됨.
• 촉진 인자: 에피네프린, 노르에피네프린, 글루카곤,카페인.
• 억제 인자: 인슐린, 젖산.

지단백질

• 지단백 리파아제 존재 -> 지방산 방출, 에너지원으로 사용
• 에피네프린, 노르에피네프린, 글루카곤에 의해서 활성화됨

산소 섭취량 변화

• 운동 초기 산소 섭취량이 증가하지 않음.
• 운동 초기에 필요한 에너지 -> 무산소 과정에서 얻음
• 일정 시간 후 유산소 과정에 의존적으로 에너지를 얻음
• 훈련된 사람은 훈련되지 않은 사람보다 운동 초기에 항정 상태 도달 시간이 더 빠름.

단시간 운동

• 1-4초: ATP (근육)
• 4-20초: ATP + PC
• 20-45초: ATP + PC + 근육 글리코겐

고강도 및 저강도 운동

• 고강도 운동 -> 탄수화물 이용 증가
• 저강도 운동 -> 지방 이용 증가

에피네프린

• 에피네프린은 아데닐산 시클라제 활성 증가 -> protein kinase 활성 촉매 -> 글리코겐 분해효소 활성(phosphorylase)