1. 에너지 대사의 개요
1) 기초대사량
생존 하는데 쓰이는 대사량
2) 활동대사량
활동 및 운동하는데 쓰이는 대사량
3) 소화성 발열대사량
식사 후 소화기관 및 몸을 데우는데 쓰이는 대사량
4) 적응 대사량
스트레스, 온도, 영양상태, 심리상태 등의 환경 변화 적응하는데 쓰이는 대사량
이 모든 대사량 보다 적게(일반적으로는 기초대사량과 활동 대사량보다 적게) 먹으면 살이 빠진다.
운동을 많이 하는 사람이면 활동 대사량이 많은데, 그래서 큰 대사량을 맞추기 위해 많은 음식을 먹다, 운동을 쉬게 되면, 활동 대사량이 낮아지게 되서 살이 찌게 된다.
2. 에너지 생성과 ATP의 이해
1) 에너지 생성
아데노신 3인산이라 불리는 ATP가 아데노신 2인산(ADP)가 되면서 에너지를 생성하고, 또 ADP가 아데노신 1인AMP가 되면서 에너지를 생성한다.
ATP ＋ H2O → ADP ＋ H3PO4 ＋ 11∼13 kcal/mol(혹은 7.3 kcal)
ADP ＋ H2O → AMP ＋ H3PO4 ＋ 11∼13 kcal/mol(혹은 7.3 kcal)
ATP는 그 자체로 에너지로 볼 수 없고 에너지를 포함하고 있는 존재로 볼 수 있다.
에너지를 품고 있는 ATP가 물과 결합하여(가수분해) ADP가 되면서 에너지를 주고, 또 ADP도 물과 결합하여 AMP가 되면서 에너지를 주게 된다.
이렇게 생긴 에너지로 근 수축을 할 수 있는 것이다.
2) ATP 생성
에너지를 품고 있는 ATP는 어떻게 만들어지는 것이냐면, ADP가 에너지와 결합하면서 ATP로 된다.(AMP는 ATP와 결합하여 2개의 ADP가 된다. 아데닐산 키네이스가 촉매)
그리고, 몸 속에는 소량의 ATP가 있으며 이 ATP를 소진하여 에너지를 얻는다. 이때 얻는 에너지는 수초의 에너지량 밖에 안되기 때문에 ATP를 재생성(재합성)해야되는데, 여러가지 방법이 있다.
2-1) 무산소 시스템 - ATP-PC/인원질 과정
소량으로 가지고 있는 ATP가 에너지로 방출될때 ATP가 분해해서 인산하나가 떨어져 나가게 되면서 ADP로 전환되고 이 과정에서 생산되는 에너지를 사용한다.(위 언급내용) ATP를 가수분해하여 ADP와 무기인산(P)으로 분해하는 효소가 세포속에 있는데 이를 ATPase(ATP아제) 라고 한다.
ATP ＋ H2O →(ATPase) ADP ＋ H3PO4 ＋ 11∼13 kcal/mol(혹은 7.3 kcal) //H3PO4가 Pi 인상임.
이것이 반복 되면, 우리 몸 속에는 ATP가 줄고 ADP가 늘어나게 된다. 이렇게 ADP수치가 상승하면 Creatin Kinase(CK:크리아틴 키나아제)를 자극하게 된다. 크리아틴 키나아제는 골격에 있는 CP/PC/PCr(creatine(크리아틴) phosphate(유리인산염), PC/PCr Phosphocreatine 포스포크레아틴, 모두 같은거임)를 분해하는 효소이다. CP/PC/PCr가 분해될 때 나오는 에너지는 ATP를 재 합성하는데 사용된다.
*이 CP/PC/PCr의 경우 에너지를 가지고 있는데, 이 에너지는 운동 에너지로 사용되는 것이 아니라, ADP가 ATP로 재합성될 때 사용될 에너지이다.
ADP + PC
PC →(CK,크리아틴 키나아제) Pi + C + ATP를 만들 에너지
=> (ADP + PI)*ATP 만들 에너지 →ATP + C
// C는 나중에 섭취된 음식물에 의해 들어온 ATP와 CPK(크레아틴인산화효소)의 작용을 통해 PC로 재생성된다.
이렇게 PC는 운동 중 분해된 에너지가 ADP와 결합하여 ATP를 재합성 하도록 기능적 연결을 한다. 그래서 ATP-PC 시스템이라고 한다.
추가적으로, 이 PC는 무한하지 않다. 골격근에 위치하는 만큼, 근육이 많을수록 더 많은 양이 저장된다.(더 많다.) 무한하지 않기때문에, PC가 ATP 재합성하는데 다 쓰이면, ATP 수치는 낮아지게 된다. ATP 수치가 낮아지면, 힘이 빠지는 것이다.
이 ATP-PC 방식으로 에너지 받는 것은 산소가 필요 없지만, 가능한 시간은 약 8초로 매우 짧다.
"ATP-PC 시스템은 체내에 소량으로 저장되어 있는 ATP와 PC의 분해와 합성 과정에서 비혐기성 에너지로 단시간 폭발적인 힘을 낼 때 사용되는 에너지 시스템입니다."
2-2) 무산소 시스템 - 젖산 시스템 / 무산소성 해당 작용/과정(Glycolysis)
8초가 지나 ATP와 PC가 고갈이 되면 젖산 시스템에 의해서 에너지를 추가적으로 생성한다. 근세포와 간에 저장되어 있는 글리코겐(포도당)을 분해시켜 ADP+Pi를 다시 ATP로 재합성하기 위한 에너지를 얻는다. 글리코겐을 분해시키는 동안 산소가 공급되지 않으므로, 그 부산물로 젖산이 생성된다.(피부르산이 생기고, 젖산탈수소에 의해 젖산으로 변함) 이러한 형태로 운동이 지속되면, 젖산이 근육 속에 축적되어 근육의 피로를 유발하여 운동을 진행할 수 없도록 막는다. 이 시스템으로 얻을 수 있는 에너지는 약 1분 정도이다.
* 일반적으로 이 젖산 시스템이 먼저 다 쓰이는 것이 아니다,(그렇다면 우리는 매일매일 젖산에 시달려야함) 보통은 유산소 시스템으로 ATP를 만들지만, 산소공급에 비해 운동량이 많으면 해당 작용을 통해 ATP가 만들어진다.
* 이 운동을 통해 생성된 젖산은 유산소 운동을 통해 다시 ATP로 전환된다.(젖산은 휴식기에서 간에서 glycogen으로 전환이 된다. 피부르산은 유산소성 해당 작용을 통해 에너지로 쓰일 수 있는데 그러하면 피부르산이 사용되어 젖산이 쌓이는 것을 줄일 수 있다.) 따라서 근력운동 후 유산소 운동은 필수이다.
* 무산소성 해당 작용이든, 유산소성 해당 작용이든 이 포도당을 에너지원으로 바꾸는 주체는 미토콘드리아 이다.
2-3) 유산소 시스템 - 유산소성 해당 작용/과정(Glycolytic) - 크렙스 회로 - 전자 전달계
오랜 시간 운동을 위해서는 저 두 무산소성 시스템으로는 부족하다. 에너지의 지속적인 공급을 위해 유산소성 시스템을 활용해야하고, 이때 만들어지는 에너지 양은 무산소성 시스템에 비해 15~20배정도이다.
무산소성과 달리 유산소성에서는 호흡(폐에 의한 외호흡이 아닌 세포의 호흡인 내호흡) 반응을 통해 산소를 이용하여 포도당이 분해된다. 무산소성 해당 작용과 동일하게 포도당을 분해 후 피부르산을 생성한다.
포도당 +산소 => 2 피부르산(초성포도산) + 2ATP + 2NADH2
2-4) 유산소 시스템 - 크렙스 회로krebs cycle, TCA(Tricarboxylic Acid) 회로/시트르산 회로/구연산회로
이 피부르산은 무산소성 해당작용 때와는 다르게 산소를 만나 젖산이 되지 않고 Acetyl-CoA으로 분해되고, 크렙스 사이클(크렙스 회로)로 넘어가게된다. 이 때, 무산소성 해당작용에서 발생한 피루브산도 산소를 만나 Acetyl-CoA으로 분해되고, 마찬가지로 크렙스 사이클(크렙스 회로)로 넘어가게된다.(유산소가 젖산 제거에 좋은 이유)
그리고 음식(탄수화물, 지방, 단백질의 이화 작용(더 작은 것으로 나눠지는 것)을 통해 생성된 Acetyl-CoA도 크렙스 사이클로 넘어간다.
미토콘드리아 속에서 크렙스 사이클(krebs cycle, TCA(Tricarboxylic Acid) 회로/시트르산 회로/구연산회로 라고도 함)이 작동한다. 이 회로는 Acetyl-CoA로부터 옥살아세트산과 축합하여 시트르산을 형성하는 것으로 시작한다.
그리고 위 그림과 같은 사이클을 돌며 에너지를 형성한다.
=> 2 피루브산 -(TCA 산화적 인산화반응) → 2 (ATP + 4NADH2 + FADH2)
=> 피루브산 + 4NAD + FAD + GDP + Pi → 3 CO2 + 4NADH2 + FADH2 + GTP
세포 호흡의 중간 과정 중 하나로 산소 호흡을 하는 생물에서 탄수화물, 지방, 단백질, 같은 호흡 기질을 분해해서 얻은 아세틸-CoA를 CO2로 산화시키는 과정에서 방출되는 에너지를 ATP(또는 GTP)에 일부 저장하고, 나머지 에너지를 NADH + H+, FADH2에 저장하는 일련의 화학 반응이다. 생성된 NADH + H+, FADH2는 전자전달계로 전달되어 산화적 인산화로 ATP를 생성하는데 사용된다. (위키디피아)
2-4) 유산소 시스템 - 전자 전달계
해당작용과 TCA회로 등에서 형성된 NADH2와 FADH2는 각기 높은 전이 포텐셜을 가진 한 쌍의 전자들을 가지고 있는 고에너지 분자이다. 따라서 이 전자들이 산소와 결합할 때 많은 양 의 자유에너지가 방출되는데(물도 방출) 이 에너지는 ATP를 생성하는 데 이용된다
해당작과 TCA회로를 거쳐 형성된 NADH2는 높은 전자 친화력을 갖고 있는 FAD에 H2를 주고 자신은 NAD＋로 산 화된다. FAD는 양성자를 받아 FADH2로 되고 NADH-Q라는 탈수소효소에 의해 양성자(H＋ ) 는 기질 외부로 방출하고, 전자는 시토크롬 b(cytochrome b) 분자 내의 Fe 3＋에 전달하여 자 신은 원래의 FAD가 된다. 이때 시토크롬 b의 Fe 3＋은 Fe 2＋로 환원된다. 이와 같이 전자는 시 토크롬 b에서 시토크롬 c, 시토크롬 a, 시토크롬 a3의 전자전달체를 거쳐서 마지막 수용체인 산소분자에 전달된다. 기질 외부로 방출된 양성자(H＋ )는 pH 및 전위차로 인해 기질 내부로 들 어오면서 ATP 생성효소에 의해 ADP를 ATP로 생성시킨 후 산소와 최종 결합하여 물이 된 다. 전자전달계의 과정에서 NADH2가 1분자로부터 3 ATP가 생성되고, FADH2 1분자로부터 는 2ATP가 생성된다
(https://www.cheric.org/files/education/cyberlecture/d200202/d200202-501.pdf)
유산소 시스템(포도당 대사) 한줄 요약 - C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP + 열에너지
그러니까, 유산소는 포도당과 산소를 결합시켜 이산화탄소와 물과 에너지를 만든다. 그래서 우리가 산소를 들이마셔야하고 내쉴 때 이산화탄소가 나가나보다.
유산소 상태의 주 에너지원은 탄수화물이다. 빠르게 포도당으로 변환하기 때문이다. 그래서 단기간의 운동에는 탄수화물이 쓰이고, 장기간 운동이 지속되어야 지방이 쓰인다.