  개 학습목표 요

 ^{개 요}

1. 안정 시 에너지 소비량

2. 안정 시에서 운동으로 전환 3. 운동 후 회복기

4. 운동에 따른 대사적 반응 1) 단시간의 고강도 운동 2) 장시간 운동

3) 점증부하운동

5. 운동 중 연료이용의 평가 6. 연료선택의 결정요인들

 ^학습목표

1. 여러 종류의 운동 중 사용되는 ATP의 생성을 위한

생체에너지 경로와 운동강도 및 시간과의 관계를 설명한다.

2. 산소결핍이라는 용어를 정리한다.

3. 젖산역치라는 용어를 정리한다.

4. 점증적 부하운동 시 혈중 젖산농도가 갑작스럽게 증가하는 몇 가지 원인을 설명한다.

5. 다양한 형태의 운동 시 사용되는 대사 연료선택을 조절하는 요인들을 열거한다.

6. 지방대사가 탄수화물 대사에 왜 의존할 수 밖에 없는 가를 설명한다.

7. 산소부채라는 용어를 정의한다.

 안정 시 에너지 소비량

 건강한 사람은 안정 시에 항상성을 유지하고 있으며, 신체의 에너지 소비량도 일정함.

- 유산소성 대사작용에 의한 공급

- 혈중 젖산 수준 < 1L당 1millimoles

 안정 시 산소섭취량의 측정은

신체가 필요한 최소한의 에너지소비량을 예측할 수 있게 함.

예) 70Kg의 젊은 성인은 1분에 0.25ℓ 산소 섭취(3.5ml/1분/kg).

 고강도 운동 시 신체의 에너지소비량은 휴식의 15~20배가 증가함.

- 골격근의 에너지 이용은 200배 이상 증가

 안정 시에서 운동으로 전환

 내가 9.6km/h의 속도로 트레드밀을 달린다면?

 휴식 시 저강도 또는 중강도의 운동을 실시하면

산소 섭취량은 급격하게 증가하여 항정상태(1~4분)에 도달함.

 선행연구의 종합

- 운동초기(무산소성): ATP-PC 체계 ⇒ 해당작용 - 항정상태 도달: 유산소성 에너지 체계 작동 - 상호 호환적인 대사작용이 이루어짐.

 산소결핍(oxygen deficit): 운동초기에 산소섭취 지연에 따른 현상

안정 시에서 최대하 운동까지 시간대별 산소섭취량 변화 훈련자와 비 훈련자 간 안정 시에서 최대하 운동까지 시간대별 산소섭취량의 차이

 ^{운동 후 회복기: 대사적 반응}

 운동직후 바로 몇 분까지는 대사의 증가는 유지되며,

상승 된 대사의 정도와 유지시간은 운동의 강도에 영향을 받음.

 산소부채(oxygen debt): 운동 후 휴식시보다 초과된 산소섭취량 - 영국의 생리학자 A. V. Hill이 처음으로 사용함.

- 운동 후 휴식 시 이상으로 소비되는 초과 산소소비는 운동 시작 시 초래되는 산소부족을 보충하는 것.

가벼운 운동 시 산소결핍과 산소부채 힘든 운동 시 산소결핍과 산소부채

 ^{운동 후 회복기: 대사적 반응}

 1920년대와 1930년대의 Hill과 유럽과 미국의 학자들은

산소부채를 운동 후의 빠른 영역과 운동 후 30분 이상 지속되는 느린 영역으로 분류를 함.

- 운동 후 산소섭취량의 빠른 감소와 산소소비량의 느린 감소

- 빠른 영역: 산소가 저장된 ATP와 PC를 재합성하고 조직에 저장된 산소와 교체되면서 나타나는 것(산소부채의 20%이내).

- 느린 영역: 간에서 젖산이 당원으로의 산화적 전환에 기인함 (산소부채의 80%이내).

 최근의 연구에 의하면 산소부채의 단지 20%만이 운동 중에 생성된 젖산을 당원으로 전환(당신생)되는데 이용되며, 산소부채의 느린 영역에 관한 표현은 부적절한 것으로 여김.

 "운동 후 초과산소소비량⁽

excess postexercise oxygen consumption

 ^{운동 후 회복기: 대사적 반응}

 운동 후 초과산소소비량이 젖산의 당원으로의 전환에 사용 되었다면 운동 후 산소소비량이 왜 증가하는가?

 운동직후 소비되는 산소소비량의 일부는 근육에 PC를 재저장하고, 혈액과 조직에 산소를 저장하는데 이용됨(회복시 2~3분).

- 고전적 관점인 산소부채의 빠른 영역과 일치함.

- 휴식 시보다 심박수와 호흡이 증가 ⇒ 추가적인 산소 요구

 EPOC를 유발하는 다른 요인들 - 상승된 체온: 대사율 증가

- 순환 호르몬: 에피네프린이나 노르에피네르핀의 높은 농도

 ^{운동 후 회복기: 대사적 반응}

 EPOC는 저강도보다 고강도운동 후가 더욱 큼.

- 체온의 상승정도(예, 주위환경),

- 고갈된 전체 PC량(운동강도에 기인함) - 에피네프린이나 노르에피네프린의 혈중

 운동 후 젖산 제거

- 고전적: 대부분의 젖산은 당신생함.

- 최 근: 젖산은 운동 후 산화됨.

 젖산은 피루브산으로 전환되고 심장과 골격근에서 기질로서 이용됨.

 산화(70%), 글리코겐(20%)과 아미노산(10%) 전환

 젖산의 제거는 회복기 때 가벼운 운동을 지속적으로 해주는 것이 더 빠른 젖산 제거를 할 수 있음.

 운동에 따른 대사적 반응:

 단시간의 고강도 운동

 고강도 운동 시 근육의 ATP는 ATP-PC 체계(1~5초)와 무산소성 해당과정(5~6초 이상)에서 생산함.

 45초 이상 지속하는 고강도 운동은 근 수축에 필요한 ATP 생산을 위하여 ATP-PC 체계, 해당과정, 유산소성 체계를 사용함.

 운동에 따른 대사적 반응:

 장시간 운동

 장시간 운동(10분 이상)을 수행하는데 필요한 에너지는 주로 유산소성 대사과정에 의해 생산됨.

 저강도로 장시간 운동 시에는 일반적으로 산소섭취량의 항정상태를 유지할 수 있으나, 고온 다습한 환경에서 운동을 하거나

높은 강도로 운동을 실시하면 시간이 지날수록

더 많은 산소를 소비함으로써 항정상태를 유지할 수 없게 됨.

고온 다습한 환경과 높은 강도의 장시간 운동(> 75%) 중 산소섭취량의 변화비교

 운동에 따른 대사적 반응:

 점진적 부하운동

 최대산소섭취량은 운동 중 산소를 운반하고 이용할 수 있는 최대능력을 뜻하며, 심폐지구력의 가장 합리적인 측정방법임.

 점진적 운동검사는 심장질환 가능성 검사와 심폐지구력을 측정하기 위하여 많이 사용됨.

- 트레드밀, 자전거 에르고미터(< 5~15%), 암 에르고미터

 운동에 따른 대사적 반응:

 점진적 부하운동

 최대산소섭취량에 영향을 주는 생리학적 요인들

- 근수축을 위해 산소를 운반하는 심폐계의 최대능력

- 산소를 섭취하고 ATP를 유산소성으로 생산하는 근육의 능력

* 유전과 훈련 모두 최대산소섭취량에 영향을 주는 것으로 알려짐.

 운동에 따른 대사적 반응:

 젖산역치

 운동강도가 증가함에 따라 혈중 젖산농도는 비직선적으로 증가함(해당작용의 의존증가).

- 일반인: 최대산소섭취량의 50~60%

- 훈련자: 최대산소섭취량의 65~80%

 무산소성 역치, 혈중젖산 축적시점.

 "무산소성 역치"라는 용어에 대한 근본적인 논쟁

- 활동근의 산소부족에 기인한 것인지 다른 이유에 기인한 것인가?

 혈중 젖산농도의 증가는 각 근세포내의 낮은 산소 수준에 의한 근 수축에서의 무산소성 대사가 증가한 것으로 여김.

 해당과정의 최종생성물이 피루브산인지 젖산인지는 다양한 요인들에 의해 결정됨.

 운동에 따른 대사적 반응:

 젖산역치

 첫째, 해당과정의 속도가 빠르다면,

NADH생성은 근 형질에서 미토콘드리아로 수소를 운반하는 왕복 기전의 운반능력을 능가할 것임.

- 에피네프린과 노르에피네프린의 혈중 농도 증가(VO²max의 50~65%) → 해당과정의 속도 촉진 → NADH생성의 속도를 증가시킴

- 해당과정에 의한 NADH생성속도 유지의 실패 ⇒ 피루브산이 제거되지 못한 수소를 받게 됨 ⇒ 젖산 생성

 미토콘드리아에서 NADH + H⁺ 생성속도를 유지하기 위한 수소왕복 체계가 실패하면 피루브산이 젖산으로 전환됨.

 운동에 따른 대사적 반응:

 젖산역치

 둘째, 피루브산에서 젖산으로의 전환을 촉진시키는 효소인 젖산탈수소효소(LDH)와 관계가 있음.

- 동질효소(isozyme), 가역반응 ^{피루빅염 젖산염}

 속근(Fast twitch)과 지근(slow twitch)

 속근섬유의 LDH 동질효소

⇒피루브산에 친화력이 더 큼⇒젖산형성 촉진

 지근섬유는 LDH형태를 가지며 젖산의 피루브산으로의 전환 촉진.

 젖산생성은 근세포에서 산소이용능력과 관계없다.

 점증부하 운동실험에서 초기

⇒지근섬유가 우선 활동⇒운동강도 증가

 운동에 따른 대사적 반응:

 젖산역치

 세번째, 점증부하 운동 시 혈중 젖산제거 속도와 관계가 있음.

- 혈중 젖산농도 = 혈액 유입 젖산농도 - 혈액 제거 젖산농도

 운동 중 어떤 주어진 시간 동안 혈중 젖산농도의 증가는

젖산생성이 증가하거나 젖산제거속도가 감소함으로써 일어남.

 운동 중 연료이용의 평가

 운동 중 탄수화물이나 지방이 에너지대사량에 대한 백분율 기여도를 평가하는 데는 일반적으로 호흡률(respiratory exchange ratio: R⁾이 쓰임.

- 호흡률(R) = 이산화탄소생성(VCO²) / 산소소비량(VO²)

- 항정상태 조건에서 VCO²/VO² 비율은 호흡지수(RQ)라고도 함.

- 운동 중 R은 "비단백질 R"이라 고도 부름.

 지방이나 탄수화물이 연료로 이용되는지 평가하는데 어떻게 R을 이용될까?

- 지방과 탄수화물이 산화될 때 이용되는 O²와 생산되는 CO²의 양이 다르다는 사실과 관계가 있음.

 연료 선택의 결정요인들

 운동강도와 연료선택

 지방은 낮은 강도 운동(VO²max의 30% 이하)에서, 탄수화물은 고강도(VO²max의 70% 이상)에서

근육의 주요 원료로 사용됨. 교차개념의 그래프

 연료교차(crossover)지점: 운동강도가 증가함에 따라 지방보다 탄수화물에서 공급되는 에너지가 많은 운동강도 지점

 어떤 요소가 지방대사를 탄수화물 대사작용으로 변환 시키는가?

- 속근섬유 사용 및 혈중 에피네프린 수준의 증가

- 속근섬유는 해당작용의 효소를 많이 갖지만, 미토콘드리아 및 지방을 분해하는 지방분해효소가 적음(탄수화물 대사의 활성화) - 혈중 에피네프린은 당원 분해, 탄수화물 대사, 젖산생성을

증가시키며, 증가한 젖산은 지방이 연료로서 사용되는 것을 억제함.

 연료 선택의 결정요인들

 운동시간과 연료선택

 장시간(30분 이상) 낮은 강도의 운동 시에는 에너지 사용연료가 탄수화물로부터 지방으로 서서히 전환됨.

 장시간 운동시 어떤 요인이 지방대사 비율을 조절하는가?

- 지방분해(lypolysis)의 대사과정을 이용하며, 지방분해의 비율을 조절하는 여러 가지 요인에 의하여 통제됨.

- 낮은 강도로 장시간 운동 → 혈중 에피네프린 증가 → 리파제 효소 활동 증가 → 지방분해 촉진 → 지방대사 활성화

 일반적으로 지방분해는 운동 후 몇 분이 경과한 후에야 활성화됨.

 연료 선택의 결정요인들

 운동시간과 연료선택

 유리지방산의 혈액이동은 인슐린과 젖산의 높은 수준에 의해 억제되며 특히, 인슐린은 리파제 효소활동을 방해 함으로서 지방분해작용을 억제함.

- 장시간 운동 시에는 혈중 인슐린 수준이 감소함.

- 운동 시작 30~60분 전에 고 탄수화물 식사나 음료를 섭취했다면 혈중 포도당 수준의 증가에 따른 혈중 인슐린 증가로 인하여

지방분해의 억제와 지방대사의 감소가 야기됨.

 연료 선택의 결정요인들

 지방/탄수화물 대사의 상호작용

 단시간 운동으로 근육 내 저장된 당원이나 혈액 내 포도당농도가 고갈되진 않으나 장시간운동은 근육 내 저장된 당원농도를

매우 낮게 함.

 근육과 혈액의 저장된 탄수화물의 고갈은 근 피로를 유발함.

 근육의 낮은 당원농도가 왜 피로를 유발하는가?

- 탄수화물의 고갈 → 해당과정의 속도 감소 → 근육 내의 피루브산 농도 감소 → 크렙스회로 구성성분(중간물질)의 수를 감소 시킴 → 유산소성 ATP생성(크렙스회로 활성속도) 지연 → 유산소성 ATP생성속도 감소 → 근 운동을 제한 → 피로 유발

 지방은 크렙스회로 산화에 의해 대사되기 때문에 신체에 저장된 탄수화물이 고갈되면, 지방의 대사속도 또한 감소됨.

 연료 선택의 결정요인들

 신체연료

 탄수화물

 연료 선택의 결정요인들

 신체연료

 탄수화물

 운동 중 에너지 대사에 있어 당원과 혈중 포도당의 상관 기여도는 운동 강도와 지속시간에 따라 다양해짐.

- 혈중 포도당 ⇒ 저강도 운동, 당원 ⇒ 고강도 운동

 고강도 운동 중에 증가된 당원 사용은 속근섬유의 사용과

혈중 에피네프린 수준의 향상으로 발생하는 당원 분해율의 증가로 설명할 수 있음.

- 장시간 최대하 운동의 초기 한 시간 동안에는 근육의 의해 대사작용 된 탄수화물의 대부분은 당원에서 생성됨.

- 시간이 지남에 따라 당원이 낮아질 때 혈중 포도당이 중요한 연료원으로서 증가됨.

 연료 선택의 결정요인들

 신체연료

 지방

 대부분의 지방은 지방세포에 중성지방의 형태로 저장되어 있으나, 일부는 근세포에도 저장됨.

 운동 중 기질로서 지방의 역할을 결정하는 주요 요인은 근세포의 지방 이용임.

 중성지방의 지방분해(지방산과 글리세롤)

→

FFA의 acetyl-CoA로 전환(β산화) → 크렙스회로

 저장된 지방이 연료원으로서 사용되는 것은 운동강도과 지속시간에 따라 다양화됨.

- 혈장 유리지방산⇒ 저강도 운동, 강도의 증가 ⇒ 근육의 중성지방

 연료 선택의 결정요인들

운동강도가 근육 연료사용에 미치는 영향 최대하 운동 시 4가지 주요 에너지원의 에너지 비율

 연료 선택의 결정요인들

 신체연료

 단백질

 운동 중 총 사용 연료의 2~15% 미만으로 기여 하기 때문에 주요 에너지원으로 간주하지 않음.

- 가지-사슬 아미노산, 알라닌, 이소루신은 직접 대사시켜 ATP를 생산할 수 있음.

 단백질은 생체에너지 경로를 통하여 인체의 다양한 곳으로 들어갈 수 있음.

 장시간 운동(2시간 이상)은 단백질 대사를 높일 수 있음(단백질 분해효소의 활성화).

 연료 선택의 결정요인들

 신체연료

 운동 시 젖산에너지 사용

 수년 동안 젖산은 해당과정의 폐기물로서 대사작용을 제한하는 요인으로 생각되어 짐.

 운동시간에서 혈당을 신생하는데 필요한 기질의 역할 뿐만 아니라 골격근과 심장에 필요한 에너지를 공급하는 원료라고 밝히고 있음.

- 지근섬유와 심장에서는 혈액에서 제거된 젖산이 피루빅염으로 전환되고, 이는 Acetye-CoA 로 변환되어 크렙스 회로로 들어가 산화적 대사과정에 기여하게 됨.

 젖산순환(lactate shuttle)

- 한 조직세포에서 젖산이 생성되어 다른 곳으로 이동한 후 에너지원으로 사용되는 것.

 연료 선택의 결정요인들

 신체연료

 코리 사이클: 연료로서의 인산염

- 근육과 간 사이의 젖산에서 포도당으로 변하는 과정