운동과에너지대사
생체에너지대사 (BIOENERGETICS) 에너지방출과관련된큰분자에서작은분자로의분해 이화작용 (catabolism) 작은분자로부터큰분자의합성은이화작용으로부터방출된에너지사용해서형성 동화작용 (anabolism) Ex) 단백질 아미노산으로분해 이화작용아미노산 단백질의형성 동화과정 에너지발생 (exergonic) 반응 ; 에너지방출반응 - 이화작용 에너지흡수 (endergonic) 반응 ; 에너지동화과정 대사작용 ; 생물학적체계에서이화작용과에너지발생, 동화작용과에너지흡수과정의전체를포함
근수축의에너지 ATP (adenosine triphosphate) 세포의생명활동과근수축에직접이용되는에너지원 고에너지인산화물 고에너지결합 에너지 Adenosine P P P Adenosine P P P ATP ATPase ADP + Pi + 에너지
ATP(Adenosine Triphosphate) 근수축, 인간의움직임에에너지를제공하는최소단위 많은량의에너지를 2개의최종인산그룹의화학적결합에저장 고에너지분자 화학적결합의분해 체내에서여러가지반응을조절할에너지방출 근육세포 ; 한정된양의 ATP를저장 수축에필요한에너지를공급하기위해 ATP는세포내에서지속적으로재생산
고에너지인산염 근수축을위한즉각적인에너지원 아데노신 3 인산염 (ATP): 고에너지인산염으로구성 ATP의충분한공급이없다면세포는즉시괴사 ATP는아데노신 2인산 (ADP) 과무기인산 (Pi) 결합에필요한에너지로형성. 이에너지의일부는 ATP와 Pi의화학적결합체에저장되고이를고에너지결합이라고한다. ATPase 효소에의해결합체가분해되면에너지가방출되어근수축에필요한에너지원으로사용 ATP ATPase ADP + Pi + E
PC(phosphocreatine): 조직내적은양저장, ATP와다른고에너지인산결합물로즉각적으로이용될수있는에너지원은아니지만 ATP 재합성에신속하게이용 영양소의일부분은어떤일정한환경조건에서다른영양소로전환가능 단백질은장시간운동시탄수화물로전환가능 과도한식이탄수화물은안정시에체내에서지방으로전환가능
탄수화물 : 혈당, 간글리코겐, 근글리코겐등의형태로 제한된양이저장 지 방 : 에너지의많은양은지방의형태로체내 ( 근육 조직, 지방조직 ) 에저장 단백질 : 근육조직의단백질은높은저장률을보이지만, 정상적인조건하에서는거의이용되지않음
에너지공급과정 (BIOLOGICAL ENERGY SYSTEMS) 근세포에저장되어있는 ATP 양은제한적 운동은반복적이고지속적인근수축에의하여이루어지기에계속적인에너지공급필요 세포내에는 ATP를신속하게생산할수있는대사과정존재 ATP 생성을위한 3 가지과정 ATP-PC system: 크레아틴인산에의한 ATP 생성 Lactate system: 해당작용에의해포도당, 당원에분해로 ATP 생성 Aerobic system: 산화작용에의한 ATP 생성 산소요구
무산소성대사과정이란? 근육에산소의공급이제한되는경우에 ATP-PC 시스템과젖산시스템을통하여신속하게에너지를공급하는대사과정 ATP-PC 시스템 근육내에저장되어있는 ATP가 ADP와 Pi로분해되며신속하게에너지를공급함젖산시스템 ( 해당과정 ) 탄수화물이무산소적으로분해되며비교적신속하게에너지를공급하고부산물로젖산을생성함
ATP-PC system ( 인원질체계, 인산체계 ) ATP를생산하기위한가장간단하고빠른방법 세포내저장되어있는인산크레아틴 (phosphocreatine; PC) 의분해로부터나온인산염과에너지를이용하는것 PC가 C와무기인산염 (Pi) 으로분해되면서에너지방출, 이에너지와 Pi는 ADP를 ATP로전환하는데이용 PC + ADP creatine kinase ATP + C 그다음으로 ATP 를빠르게공급할수있는방법은세포내 adenylate kinase 에의한방법으로이효소는두개의 ADP 를이용하여하나의 ATP 를합성 ADP + ADP adenylate kinase ATP + AMP
ATP-PC system = phosphagen system 5초이내의고강도운동이나운동을시작할때의근수축에필요한에너지제공 근육속에저장되어있는 ATP는강한운동시단지몇초밖에에너지를공급. 그러나 PC와 myokinase에의한 ATP 보충으로 10~15초지속가능 운동이끝난후휴식시간에사용한 PC를다시보충할수있으며, 이때 ATP 필요 운동초기나단시간의격렬한운동시다량의에너지를신속히공급가능 100m 달리기, 높이뛰기, 멀리뛰기, 역도경기등짧고강한운동 PC의고갈은짧고강한운동을제한하는요인 다량의크레아틴섭취는운동능력을향상시킬수있을까?
단거리달리기, 높이뛰기및투포환등몇초만에끝나는폭발적인운동에서주로사용, 이시스템이없다면신속한 ATP 에너지공급이불가능해빠르고강도가높은운동의수행불가 결과적으로 ATP-PC 시스템은근육이가장빨리이용할수있는 ATP 의근원 (1) ATP-PC 시스템은신속한화학반응 (2) 화학반응에산소는필요없음 (3) ATP 와 PC 모두가근육의수축기전내에직접저장 신속하지만미량의에너지만공급 체내총근육에저장된인산염 (phosphagen) 의양이 570-690mM 에불과 ATP 에너지의 5.7-6.9kcal 의열량 운동중이용되는전체에너지중극히소량 Ex) 활동근에저장된인산은 100m 달리기와같은고강도운동을할때약 10 초만에고갈. ATP-PC 시스템을통해얻는이용가능한 ATP 에너지의총량은극히제한
인원질시스템 ; 주로고강도, 짧은시간에 ATP 를제공 (weight training, sprinting) 모든운동초기에활동작용 이러한에너지시스템은효소인 myosin ATPase 와 creatine kinase 뿐만아니라 ATP 와 phosphate creatine(pc, 인산크레아틴 ) 의화학적반응에의존 Myosin ATPase; ADP와무기인산 (inorganic phosphate; Pi) 을형성 에너지방출 ATP 가수분해에촉매작용 Creatine kinase; phosphate creatine, ADP ATP 합성촉매작용 PC는 ATP를만들기위한 ADP와결합된인산그룹 (a phosphate group) 을제공 Myosin ATPase ATP - ADP + Pi + Energy Creatine kinase ADP + PC - ATP + Creatine
인원질시스템의또다른중요한반응 ; myokinase 반응 AMP는당신생에가장중요한자극제 Adenylatekinase Myokinase( 근세포 ) 2ADP--- ATP + AMP AMP (adenosine monophosphate) ATP-PC 시스템은 CK 에의해조절 세포질내 ADP 농도증가 creatine kinase 의활동촉진 세포질내 ATP 농도증가 creatine kinase 의활동억제
운동의초기 ; ATP는 ADP로가수분해 근수축을위해서에너지를방출 ADP 농도증가 PC의분해 ATP 형성을촉매하기위해 CK를활성화 ATP 합성촉진 고강도운동지속 creatine kinase의활동은상승된상태 운동중단, 낮은강도로전환 ATP의근형질농도증가 creatine kinase의활동감소 ATP와 PC는근육내에작은량이저장 장시간활동할에너지공급불가능
젖산시스템이란? 탄수화물이초성포도당으로분해되면서에너지방출 무산소성해당작용 (anaerobic glycolysis) 세포내저산소증상태에서 ATP 소요량이많아질때 해당작용만이급속히진행 근육에젖산을생성 이시스템은산소와관련되지않아서젖산축적을유발한다고하여이방법을무산소성해당작용또는젖산시스템으로분류 운동중근육에젖산이과도하게축적되면운동능력을제한 운동을수분지속하는데중요한작용 무산소성해당작용도비교적신속한 ATP의근원이기때문에운동에서매우중요 (ATP-PC system의약 2배이상의 ATP 생성 ) Ex) 1~3분안에끝나는고강도운동 (400~800m 달리기 ) 은 ATP 공급을위하여대부분 ATP-PC 시스템과무산소성해당작용에의존
해당작용 (Glycolysis) 해당작용 ; ATP 를생산하기위한탄수화물 ( 근육에는글리코겐 의형태로저장, 혈중에는글루코스의형태로저장 ) 의분해 해당작용을위한효소 ; 세포질 ( 근형질 ) 에존재 해당작용에사용되는글루코스는두가지경로에의해유입 혈액중글루코스 ; 세포막을통해근세포로유입 근세포에저장된글리코겐 ; 당분해과정에의해글루코스로유리
해당과정의 2 가지방법 빠른해당과정 ; 피루브산 (pyruvate) 이젖산 (lactic acid) 으로전환 느린해당과정 ; 에너지공급 (ATP) 에서피루브산 (pyruvate) 은산화과정에사용되기위해서마이토콘드리아로전이 저항트레이닝과같은높은에너지공급을필요로한다면, 빠른해당작용이주로사용 에너지요구가높지않고충분한양의산소가세포로공급된다면, 느린해당작용이가동
Fast Glycolysis Slow Glycolysis Glucose + 2Pi + 2ADP( 무산소성해당과정 ) 2Lactate + 2ATP + H 2 O Glucose + 2Pi + 2ADP + 2NAD 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H 2 O 근육세포의감소된산소이용능력동안발생 젖산의형성초래 근피로 조직의높은젖산농도와관련 산소가미토콘드리아에충분히공급 해당작용의최종산물인피루빅산은젖산으로전환되지않고, 미토콘드리아로이동
혈액내의젖산의제거는항상성의미 근피로를회복할수있는능력반영 ( 젖산역치 ) 혈중젖산의축척 ; 낮은강도에서의지속적인운동보다고강도의간헐적인운동후에더욱많이발생 안정시정상적범위의혈중젖산축척량 : 0.5mmol/l ~ 2.2mmol/l typeⅡ( 속근 ) 근섬유에서최대젖산생성율 : 0.5mmol g -¹ s-¹ typeⅠ( 지근 ) 근육의경우 : 0.25mmol g-¹ s-¹ 젖산의축척 : 운동강도, 근섬유의형태, 운동시간, 트레이닝상태, 초기글리코겐수치에의해영향
Lactate Threshold 혈중젖산 ; 젖산역치 (LT) 의농도이상에서갑작스러운증가 LT 의발생기전 ; 운동강도증가 해당과정촉진 피루빅산이불충분한유산소대사과정에의해젖산으로전환 속근섬유의가동비율증가로젖산생산촉진 젖산의축적
Identification of the Lactate Threshold
Mechanisms to Explain the Lactate Threshold
Lactic system( 무산소계 )=Glycolysis 무산소성해당과정 인원질시스템다음으로산소를이용하지않고 ATP를빠르게생산할수있는과정 glucose나 glycogen을초성포도산 (pyruvic acid) 이나젖산 (lactic acid) 으로분해하면서 ATP를생산 근육세포의근형질에서이루어지며, 포도당한분자당 2개의 ATP와초성포도산또는젖산 2분자를생산
Lactic system = Glycolysis 해당작용으로사용되는글루코스의두가지경로 혈액중글루코스가세포막을통해근세포로유입 근세포에저장된글리코겐이당원분해과정에의하여글루코스로유리 근글리코겐으로부터유리된글리코스 1 분자를이용하여해당과정을거치면 3 ATP, 혈액중의글루코스로부터해당과정을거치면서 2 ATP 를생산 해당작용은세포질내에서일어나며최대강도로운동시 20~30 초가량에너지공급가능 해당과정 산소공급이충분하지않을경우초성포도산이젖산으로전환되는데이때생성된젖산은산성물질로서체액을산성화하여근피로유발 산소공급이충분할경우초성포도산은아세틸 - 조효소 A(acetyl-CoA) 로분해되어산화과정 ( 유산소시스템 ) 으로들어간다. 초성포도산은산소공급이충분할때산화과정에서 H 2 O 와 CO 2 로분해되면서많은 ATP 를추가로생산
Control of Glycolysis 해당작용 ; 암모니아, 무기물인산, 그리고 ADP와 ph의감소, AMP에의해서자극 반응 ; phosphofructokinase(pfk) 효소 촉매작용 운동초기 ; ADP, Pi 증가 활성화 안정시 ; ATP 농도증가 비활성화 Myokinase 반응 인원질에너지시스템의활동 AMP의생성 고강도운동의에너지생성에기여하기위한해당작용을자극
해당과정 포도당 ( 글루코스 ) 3 단계에걸쳐물과이산화탄소로분해 C 6 H 12 O 6 ( 포도당 ) 결합에너지 (ATP) 사용 H 2 O, CO 2 로분해하는과정 C 6 H 12 O 6 2ATP 사용, NAD 개입 2C 3 H 4 O 3 ( 피루브산 ) 4ATP, 2NADH 2 생산 * 탈수소효소의관여 * 세포질에서이루어지고생산된피루브산은미토콘드리아로
유산소성대사과정이란? 근육에충분핚산소가공급되는경우 탄수화물과지방이이산화탄소와물로분해 많은양의에너지를장기간동안공급 유산소성시스템이란? 무산소성시스템 ; 세포의원형질에서반응 유산소성시스템 ; 마이토콘드리아내에서반응 유 무산소성해당작용의가장큰차이 무산소성은피루빅산이젖산으로전환 - 에너지생산불가 유산소성은잔여대사물과산소의화학반응 - 에너지생산
한분자의글루코스가무산소과정에서분해 - 총에너지중 5% 가방출 유산소과정 ; 글루코스 - 이산화탄소와물로완전히분해 분해과정을통해최종적으로 38 개의 ATP 분자생성 글루코스가분해될때산소가있으면다량의에너지가발생 유산소성대사과정 ; 근세포내의마이토콘드리아내에서발생 일련의복잡한화학반응의과정을거쳐서글리코겐과지방은산소의공급을받아서분해 운동강도 최대 4 분이상지속 운동중에필요한에너지의 99% 이상이유산소계에서담당 유산소에너지과정의중요한특징 ; 체내에저장되어있는주요한에너지원인지방을이용
The Oxidative (Aerobic) Systems 산화시스템은탄수화물 (30%) 과지방 (70%) 을사용 유산소시스템 ; 크렙스회로 (Krebs cycle) 와전자전 달계 (electron transport chain) 로구분 충분핚양의산소 해당작용의최종산물인피루빅 산은젖산으로변환되지않고, 마이토콘드리아로이 동 Krebs cycle 가동
Aerobic system( 유산소계 ) 마이토콘드리아내에서일어나며, 두개의대사경로들의상호협력 1. Krebs cycle: 수소의수송체인 NAD와 FAD를이용하여탄수화물, 지방, 단백질의산화 ( 수소이온제거 ) 를완성시키는기능 2. 전자전달계 (electron transport chain)
Krebs cycle 생화학자 Hans Krebs의이름에서명명 Krebs cycle를시작하기위해서는 acetyl-coa와같이 2-탄소분자가필요하며이는탄수화물, 지방, 단백질분해로형성 피루빅염은탄수화물과단백질로부터형성, acetyl-coa를형성하는원천 3-탄소분자인피루빅염은 2-탄소분자인 acetyl-coa로분해되고한개남은탄소는 CO 2 로방출 그후 acetyl-coa는 4-탄소분자인 oxaloacetate와결합하여 6-탄소분자인 citrate를형성하며계속적으로 oxaloacetate와 2 개의 CO 2 분자를생성하여이러한과정을반복
Krebs cycle 의주요기능 대사과정에관여하는여러종류의기질로부터수소이온을제거하고이과정에서발생한에너지를활용 한번의 Krebs cycle은 3개의 NADH 분자와 1개의 FADH 2 분자가생성 NADH: 한쌍의전자들이전자전달체계를통해 NADH로부터산소로이동되어질때, 3개의 ATP 형성하는데필요한에너지생성 FADH: 하나의 FADH 분자가형성되면 2개의 ATP 형성하는데필요한에너지생성 Guanosine triphosphate(gtp) 을직접생산 substrate-level phosphorylation( 기질-수준인산화 ): 적은양의에너지생산 GTP는고에너지화합물로서말단인산그룹을 ADP에기증함으로써 ATP 를형성 Krebs cycle에서생산되는대부분의에너지 (NADH와 FADH 2 ) 는전자전달계를통해서 ATP를생산
Krebs cycle 의주요기능 지방 ( 중성지방 ) 은지방산과글리세롤로분해되며, 이중지방산은 acetyl-coa 형성을위해 β 산화의반응과정을거쳐 Krebs cycle로진입 ( 글리세롤은운동중연료로사용되지않음 ) 단백질은운동중에사용되는총연료의 2~15% 미만으로기여하기때문에주요에너지원으로간주하지않음 아미노산으로분해 포도당또는피루빅산 / Acetyl-CoA / Krebs cycle 중간물질로전환 Krebs cycle은탄수화물, 지방, 단백질을산화하며, 전자전달계를통과하면서이산화탄소와전자를생산하여유산소성 ATP를생산하는데필요한에너지를공급
전자전달계 (electron transport chain) 마이토콘드리아내에서일어나는유산소성 ATP 생산의과정에중요한역할을하는경로 = cytochrome 체계 유산소적 ATP 생산은 ADP를인산화하여 ATP를생성 전자들이전자전달체계를통과하면서고반응분자인자유유리기 (free radical) 형성 전달전달계로들어가는다량의전자들은 Krebs cycle에의해형성된 NADH와 FADH에의해서공급 한쌍의전자들이 NADH와 FADH에서생성되어 ATP 합성에필요한에너지공급 NADH 가전자전달계에먼저들어간다음에 FADH 가들어감
전자전달계 (electron transport chain) ADP와 Pi를결합시켜 ATP를형성하는반응은 ATP 생성효소 (synthetase) 에의해촉진 마이토콘드리아내막안으로들어간수소이온은산소와결합, 물형성 산소가산화적인산화에중요한이유 ( 마이토콘드리아내막으로들어간수소이온이지속적으로 ATP를생산하기위해서는수소이온이제거되어야함 ) 산소는수소이온을받아들이는마지막수용체로서유산소성 ATP를생성하는데매우중요한역할을수행
TCA 회로 : 피루브산을이산화탄소와물로분해하는과정에서고에너지화합물인 ATP와함께 NADH 2, FADH 2 를생산하는일련의대사과정
전자전달계 (electron transport chain) 크렙스사이클에서제거된수소이온과전자는전자전달계에들어갈때높은에너지수준을가진다. 여기서두가지중요한화학적변화가일어난다. 1. 수소이온과전자가일련의효소반응들을통해서전자전달자에의해서우리가호흡하는산소에전달되어물을형성한다. 2. 동시에이과정에서방출된에너지를이용한공액반응을통하여 ATP 가재합성된다.
1. 해당과정-세포의기질에서일어남 : 포도당이 2분자의피루브산으로분해되는과정ᄀ 1분자의포도당이 2분자의피루브산으로분해되면서 2분자의 ATP와 2분자의 NADH 2 가생성ᄂ산소가충분히공급되면 2NADH 2 는전자전달계에서 6ATP를생성ᄃ산소의공급이충분하지못하면 NADH 2 는피루브산과결합하여젖산이된다
2. TCA 회로 (TriCarboxylic Acid cycle, 시트르산회로 ) : 해당과정에서생긴피루브산이탈탄산효소와탈수소효소의작용으로 CO 2 와 H 2 로분해하는과정ᄀ장소 : 미토콘드리아기질내에서진행 (O 2 가있는조건에서일어남 ) ᄂ과정 a. 피루브산은탈탄산효소와탈수소효소의작용을받아 CO 2 와 H 2 를잃고, 조효소A(CoA) 와결합하여활성아세트산이된다 b. 이활성아세트산은미토콘드리아내에있던옥살아세트산과결합하여시트르산이되며, 시트르산은다시 α-케토글루탐산, 숙신산, 푸마르산, 말산을거쳐옥살아세트산으로되어회로를완료한다ᄃ TCA 회로정리 4분자의 NADH 2 와 1분자의 FADH 2, 기질수준의 ATP를생성함. 결과적으로피루브산 2분자가 TCA회로와전자전달계를거치면 15ATP 2 = 30ATP 가생성됨
3. 전자전달계 ᄀ전자전달계과정 ᄂ전자전달계와에너지 : 기질에서이탈된수소가수소또는전자상태로여러중간단계를거쳐산소에도달 1분자의 NADH 2 가 H 2 O 1분자와 3ATP 생성 1분자의 FADH 2 당 H 2 O 1분자가생기고 2ATP 생성ᄃ전자전달계가일어나는장소 - 미토콘드리아의크리스타ᄅ전자전달계와산소 : 전자의최종수용체는산소 (O 2 ) 이다 ( 산소가없으면반응이일어나지않음 )
4. 호흡전과정 해당과정 --------- 기질수준의 2ATP 생성 2 NADH 2 -------------- 6ATP ( 전자전달계 ) TCA회로 ---------- 기질수준의 2ATP 생성 8NADH 2 -------------- 24ATP ( 전자전달계 ) 2FADH 2 --------------- 4 ATP ( 전자전달계 ) 총생성 --------------------- 38 ATP 생성 5. 에너지효율은 40% 이고, 60% 는열 ( 체온유지 ) 로소모됨
지방의산화 ᄀ지방산 : 지방산산화효소에의해활성아세트산으로되어 TCA 회로로들어가산화된다. ᄂ글리세롤은 PGAL 로전환된다음해당과정에투입되어피루브산을거쳐 TCA 회로에서완전산화된다 단백질의산화 ᄀ단백질의소화로생긴아미노산은탈아미노반응 (-NH 2 ) 을거쳐유기산이되고각종유기산은 TCA 회로로들어가완전산화된다 ᄂ이탈된아미노기는암모니아 (NH 3 ) 로되어간에서요소로변한다음체외로배출된다
이론적으로살펴본다이어트실패요인 인체의항상성 (set-point theory) 인체의에너지대사 ( 에너지소모절차 ) 운동이인체에미치는영향 ( 운동강도, 빈도, 시간, 유형 ) 운동효과 ( 인체의적응및변화기간 )
셋포인트이론 (Set Point Theory) 체중조절에관련된이론 체내유전자의역할 신체 특정체중을유지하기위해작용 식욕, 음식섭취, 에너지저장및소비를조절 체성분의구성을조절 체내셋포인트 (Set Point) 대표적인예 요요현상 식이요법, 운동요법이병행되어야하는이유
식이조절및운동시작 인체에스트레스요인의인식 에너지사용자동조절시스템가동 각종대사에관련된시스템제어 기초대사량감소 input 과 output 의불균형조절 체중유지
에너지소모절차 운동에대한반응 운동초기 - 근육내 ATP 사용 (ATP-PC 시스템 ) 근육내저장된 ATP 제한 운동초, 중기 - 근육및간저장글루코스및글리코겐의사용 ( 해당과정 ) 운동자극에반응 - 무산소성해당과정의경우대사의산물로젖산의축적 운동지속불가 인체의항상성에의해자극으로인한반응 운동으로야기된 input 과 output 의불균형에대한조절
항상성유지를위한조절작용에대한거부 신체이상을유발 운동지속을불가능하도록경고 신체활동억제 에너지대사작용촉진 - 동화작용 ( 합성및저장기능 ) 식이조절및운동초기의반응
다이어트를위한올바른운동지침 자신의신체기능상태에대한객관적인인지 각종체력요인의분석및운동부하검사요망 최대산소섭취량, 최대심박수, 1RM 운동프로그램및식이조절프로그램의작성 1. 구체적이고체계적인구성 2. 실현가능한구성 3. 점진적인구성
충분한준비운동 ( 에너지대사의산물발생최소화, 상해위험율최소화 ) 근력운동의병행 유산소성운동을하기위한최소한의근력증진 낮은강도로시작, 점진적인부하증가 부하증가 ; 근력운동의효과를확인한후수행한부하로는더이상의운동효과를기대하기어려울때증가 1RM 의 40-50% 의강도로시작
유산소성운동의실시 강도, 빈도, 시간의적절한조절 특히시간의조절필요 충분한산소섭취가능한운동선택 심폐기능의강화 유산소성운동효과증대 젖산에대한내성증가 운동지속능력향상 유산소 ( 산화 ) 시스템의발현 지방의산화 체지방의감소
다이어트시유의사항 정상체지방수치 남성 20% 여성 25% 여성의지방보유수치가남성보다많음 체구성지방많음 가임을위한최적의조건유지 과도한체중감량과체지방감소 식이장애와성호르몬분비의불균형초래 월경불순, 무월경초래
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