제 4강 생체에너지학-2
2) 유산소성 ATP 생산
ATP의 유산소적 과정 - 미토콘드리아 내 다음 두 가지 대사과정에 의해 발생 1) Kreb's cycle
2) 전자전달계 ( ETC; electron transfer chain,
respiratory chain, cytochrome chain)
*산화적 인산화의 3단계
1) 크렙스 사이클 ( Krebs cycle )
- 수소를 운반하는 NAD와 FAD를 이용하여 탄수화물, 지방, 단백질의 수소이온을 제거하여 산화시키는 과정
- 수소이온 제거과정의 중요성은 수소이온이
음식물 분자들의 잠재적 에너지를 갖고 있기 때문
- 크렙스 사이클을 시작하기 위해서는 acetyl-CoA와 같이 2-탄소 분자가 필요
*크렙스 사이클과 관련된 화합물
탄수화물, 지방, 단백질의 분해로 형성
초성포도산(pyruvate)은 acetyl-CoA를 형성하는 원천
해당과정에서 2개의 초성포도산이 형성되며 산소가 있을 경우
acetyl-CoA로 전환되어 개개의 포도당 분자는 크렙스 사이클을 두 번 실행 할 수 있는 연료
1번의 크렙스 싸이클은 3개의 NADH 분자와 1개의 FADH 분자를 생성 NADH로 부터 3 ATP를 생성하는데 필요한 에너지가 발생
FADH로 부터 2 ATP분자를 생성 하는 에너지가 발생
크렙스 싸이클은 NADH와 FADH 생산과 더불어 GTP(guanosine- triphosphate)를 직접 생산
GTP는 고에너지 화합물로서 인산그룹을 ADP에 기증하여 ATP를 형성 크렙스 사이클에서 직접적으로 GTP를 생산하는 것은 기질- 수준 인산화 (substrate-level phosphorylation)
크렙스 사이클은 탄수화물, 지방, 단백질을 산화하며 전자전달계를 통과하 면서 전자를 생산하여 유산소적 ATP의 생산에 필요한 에너지를 공급
크렙스 사이클 반응을 촉매하는 효소는 미토콘드리아 내부에 위치
* 전자전달체계의 3 ATP형성과정
* 유산소성 ATP 생산의 화학삼투 가설
(a) 미토콘드리아 내ᆞ외 세포막 (b) 전자전달과 수소이온 이동
-산소는 수소이온을 받아들이는 마지막 수용체로서 유산소성 ATP를 생성하는데 매우 중요 (산소 + 수소 = 물)
-만약 산소가 다른 전자를 받아들이지 않으면 세포 내 ATP 생산은 무산소 과정으로만 가능
F. 유산소성 ATP의 계산
해당과정 - 글루코스 1분자당 2개의 ATP생산
미토콘드리아에 산소가 공급될 때, 생산된 두 개의 NADH(3 ATP)는 6개의 ATP생산
피루빅산이 acetyl-CoA로 전환될 때 두 개의 NADH가 형성되어 6개의 ATP생
산
ATP와 비슷한 역할의 GTP는 기질수준의 인산화 결과로 2개 형성
1개 글루코스 분자가 크렙스 사이클을 통하여 6 NADH와 2 FADH를 생산 크렙스 사이클을 통해 생성된 6 NADH는 18 ATP를 생산하고 2 FADH(4ATP)에 서 4 ATP생산 포도당(glucose)의 유산소 분해작용으로 38 ATP를 생산 해당 과정에서 당원(glycogen)을 연료로 사용하면 39 ATP를 생산
* 1개의 포도당 분해에 따른 유산소성 ATP 계산
G. 산화적 인산화의 효율성
- 음식물을 통한 산화적 인산화의 효율성은 유산소로 생산된 ATP를 글루코스에 포함된 잠재적 전체 에너지로 나눈 비율로 계산
ex) 1g의 분자무게인 1mole의 ATP는 7.3kcal의 에너지를 방출, 1mole의 산화과정으로 방출된 잠재적 에너지는 686kcal.
호흡 효율성 =
(38 mole ATP/mole 글루코스 ´ 7.3 kcal/mole) / 686 kcal/mole 글루코스 = 40%
유산소성 호흡 효율성 = 약 40%, 나머지 60%는 열로 발산
H. 생체 에너지 조절
- ATP를 생산하는 생화학적 체계는 특별한 효소에 의해 촉진 - 대사작용은 효소활동의 조절에 의해 통제
- 효소에 의해 화학적 반응속도가 조절됨
- 대부분 대사과정은 대사속도를 통제하는 한 개의 효소를 지님 - 속도를 조절하는 효소는 대사과정 초기에 작용
- 대사과정 말미에 위치한다면 대사산물의 축적으로 인해 효소작용이 조절 이 어려움
- 속도조절 효소의 활동은 중개물질에 의해 조절
- 중개물질은 효소활동의 증감을 관할 에너지 대사작용의 조절에 있어서 방해요인은 ATP이고, 자극요인은 ADP와 Pi 많은 양의 ATP는 대사작용의 ATP 생산을 억제 – 부적 피드백
세포의 ADP와 Pi가 증가하면 ATP가 많이 사용되는 상황 (운동), ADP와 Pi가 ATP의 생산을 촉진
* 대사적 과정중 속도조절효소의 활동에 영향을 미치는 요인들
* 대사작용시 속도조절 효소의 역할
1) ATP-PC 체계의 조절
인산크레아틴의 분해 - creatine kinase 활동에 의해 조절 근형질 ADP농도가 증가하면 촉진
ATP가 높으면 creatine kinase 활동 제한
2)해당과정의 조절
해당과정의 가장 중요한 효소는 PFK
PFK는 해당과정 시작지점과 근접 (세번째 과정)
해당작용 속도의 증가는 ATP (ADP+Pi) 수준 ↑과 PFK 활성 ↑ 반면 세포의 ATP농도가 높을 때 안정시 PFK의 활성은 억제되며 해당과정의 활성은 느려짐
또한 자유지방산, 수소이온 또는 시트르산의 증가는 PFK활성을 억제 근육 내 칼슘농도의 증가는 phosphorylase(가인산 분해효소)를 직접적으로 활성화 시킴
가인산 분해효소는 높은 에피네프린 호르몬에 의해 활성화 되며 이는 고강도 운동 중에 빠른 속도로 분비되어 순환성 AMP를 형성
직접적인 가인산 분해효소의 활성 - 순환성 AMP 에피네피린 - 간접적인 영향
3) 크렙스 사이클과 전자 전달계 조절
크렙스 사이클의 속도를 제한하는 효소 - 이소시트르산 탈수소효소 (ATP에 의해 억제, ADP+Pi 증가)
전자 전달계도 ATP와 ADP/Pi의 존재량에 의해 조절
I. 유산소성 및 무산소성 ATP생산의 상호작용
실제 대부분의 운동은 유ᆞ무산소 에너지 결합에 의해 수행 짧은 시간은 무산소 과정을 통해 ATP를 생산
반면 오래 지속되는 운동은 유산소 과정을 통해 ATP를 생산
ex) 100m달리기의 약 90%는 ATP-PC가 지배, 400m달리기는 약 70-75%
그러나 ATP와 PC의 저장능력은 제한적이므로 해당작용을 통해 에너지 공급
* 최대운동시 ATP생산에 기여하는 유산소 및 무산소성 비율
* The various energy and their involvement during all-out exercise of different duration
* 유산소운동과 무산소운동 구분
일반적으로 유산소 운동과 무산소 운동을 구분할 때 종목에 의한 분류할 때가 많다.
유산소 운동은 조깅, 줄넘기, 자전거타기, 수영, 에어로빅 댄스 등이고, 역 도나 웨이트 트레이닝과 같은 근육강화 운동은 무산소 운동이라고 부른다.
하지만
본래 유산소 운동과 무산소 운동의 구분은 그 운동을 할 때 필요한 에너지 를 만드는 데 있어서 산소의 참여유무에 의해 구분된다.
짧은 시간에 최대의 노력을 쏟는 격렬한 운동은 단시간 안에 다량의 에너지 가 공급되어야 하므로, 산소공급을 통해 지방을 분해하는 느린 경로의 에너 지 생산방식으로는 충분한 에너지를 공급할 수가 없게 된다.
따라서 이럴 땐, 우선 산소가 없는 상태(무산소 상태)에서 탄수화물을 에 너지원으로 사용하는 방법을 주로 사용하여 화학반응이 진행되는데, 이와 같은 운동을 무산소 운동이라 한다.
반면, 장시간 지속적으로 할 수 있는 가벼운 운동은 에너지 사용 속도가 느려 신체가 산소 공급을 기다리면서 충분한 에너지를 생산할 수 있다. 이 때는 산소가 존재하는 상태에서 에너지를 생산하는 방법을 사용하는데 이때 에너지원으로 탄수화물, 지방을 이용한다.
에너지원으로 탄수화물만 쓰는 무산소 운동과는 달리 지방을 에너지원으로 사용하므로, 체지방을 줄이기 위해서는 주로 유산소운동을 권하게 된다.
대부분의 운동 시 유산소와 무산소 에너지 생산시스템이 혼합되어 사용되 지만, 각 운동 마다 주로 사용하는 경로가 있고, 어떤 경로를 주로 이용하 느냐에 따라 편의상 그 운동을 유산소운동이나 무산소 운동으로 분류한다.
하지만 같은 종목이라도 운동의 강도에 따라, 또는 하는 사람의 운동능력에 따라 유산소가 될 수도 있고 무산소가 될 수도 있다.
달리기의 경우, 속도가 낮은 상태에서는 유산소 운동이지만 속도를 높여
근육에 충분한 산소를 공급할 수 없는 상황이 된다면 그것은 유산소 운동에 서 무산소 운동으로 넘어간 것이다.
그래서 달리기는 유산소 운동으로 분류되지만 100m 달리기 같은 전력질주 는 무산소 운동이 된다. 피곤감 없이 덤벨을 20분 넘게 쉬지 않고 지속적으 로 들 수 있다면 그 사람에게 그 무게의 덤벨 운동은 무산소 운동보다는 유 산소 운동이 된다고 할 수 있다.
- 유산소 운동의 장점으로는
장시간 지속할 수 있고 체지방을 감소시키고 폐와 심장의 기능이 개선된 다는데 있다. 또한 무산소 운동에 비해 비교적 안전성이 높아 운동 초보자, 고령자도 가볍게 시작할 수 있으며, 꾸준히 시행시 운동부족과 관련된 각종 성인병의 예방과 개선에 도움을 준다.
무산소 운동은 근육의 크기와 힘을 키우고 순발력을 증가시킨다. 또한 몸 을 탄탄하게하며 탄력적으로 보일 수 있게 한다. 이외에도 무산소 운동은 근육량 증가에 의한 기초 대사량의 유지, 증가로 다이어트 시의 정체기 극 복과 빠진 체중을 유지하는데도 도움을 준다.
결국 다이어트와 건강을 위해서는 자신에게 맞는 강도의 운동을 선택하는 것이 중요하며, 무산소 운동과 유산소 운동의 적절한 분배가 필요하다고 하 겠다.
