운동을 위해 알아야 하는 기본 에너지 대사 시스템

1. 고에너지인산:ATP(adenosine-triphosphate)

사람 몸에 저장되어 있다가 근력 운동이나 신체 활동을 할 때 곧바로 이용할 수 있는 에너지원인 아데노신삼인산, ATP는 아데노신과 3개의 무기 인산기(pi)가 결합한 분자 형태를 가지고 있다.

ATP가 물에 반응해 제일 끝부분에 있는 인산기가 떨어져 나오면서 ADP(아데노신-2-인산)+pi로 분리되는데 이때 많은 양의 에너지가 방출된다.
인산기가 하나 더 떨어지면서 AMP(아데노신-1-인산)까지 분해될 수 있다. ATP가 ADP+pi로 부서질 때는 에너지를 방출하고 반대로 ADP와 pi가 결합해 ATP를 생성할 때는 꽤 많은 양의 에너지가 필요하다. 이런 식으로 인산기가 붙는 과정을 인산화(phosphorylation)라고 하고 반대로 인산기가 떨어지는 과정은 탄 인산화라고 한다.
ATP는 산소가 있는 상태와 없는 상태 모두에서 만들어지는데, 산소가 없을 때 ATP가 생성되는 과정을 기질 수준(substrate-level)의 인산화, 산소의 도움으로 ATP가 생성되는 과정을 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)라고 한다.
ATP는 한 번에 많이 만들어져서 저장되지 않고 필요시에 지속해서 만들어내야한다. 우리 몸에서 ATP를 만들어 내기 위한 3가지 시스템이 있는데 3가지 시스템은 동시에 작동하고 운동 강도에 따라 어떠한 시스템이 우선이 되는지 달라진다.

 

2. 해당과정(glycolysis)

1~2분 정도 전력을 다하는 운동을 할 때 지배적인 역할을 하는 해당 시스템은 이름처럼 글루코스 분해를 통해 ATP를 생산하는 과정이다. 해당과정(glycolysis)은 글루코스가 ATP 한 분자만큼의 에너지를 사용해 글루코스-6-이산으로 바뀌면서 시작된다.
해당과정(glycolysis)을 간단히 말하자면 포도당인 글루코스가 분해를 촉진하는 여러 효소와 단계를 거쳐 2개의 피루브산염이 되는 과정이다.
해당과정(glycolysis)에서 중요한 점은 글루코스 한 분자가 피루브산염 2분자로 나뉜다는 점이다. 하나만 더 말하자면 해당과정(glycolysis)이 일어나는 동안 ATP 4분자가 생산되고 2분자가 사용되어 결과적으로 ATP 2분자만 최종 생성된다는 것이다.
지난 포스팅에서 간과 근육에 저장된 글리코겐을 글루코스로 분해하는 과정을 거쳐 에너지 생산이 가능하다고 했는데 여기서 글리코겐이 글리코겐분해(glycogenolysis) 과정을 통해 글루코스 1-인산으로 분리된다. 그 이후 글루코스-1-인산이 포스포글루코뮤타아제(phosphoglucomutase)라는 효소에 의해 글루코스-6-인산으로 전환되어 해당과정(glycolysis)이 다시 이어진다.
이 과정에서는 ATP가 에너지로 사용되지 않는다. 글루코스 혹은 글리코겐이 해당과정의 마지막 반응물인 피루브산염 또는 젖산염으로 전환되는 과정에서 10단계~12단계 정도의 효소 반응을 해야 한다. 전부 다 알아보기 복잡하니 꼭 필요한 부분만 설명하겠다.
글루코스의 경우 1 mole이 분해되면 2 mole의 ATP 분자를 얻게 되고 글리코겐의 경우 글루코스와는 다르게 초반에 ATP 한 분자를 사용하지 않기 때문에 1 mole이 분해되면 3 mole의 ATP 분자를 얻게 된다.
ATP-PCr 시스템과 해당 시스템은 2분 이내의 짧은 시간 많은 양의 힘을 요구하는 운동 시 에너지를 생산하고 공급한다. 하지만 운동 지속시간이 길어지면 3번째 에너지 시스템인 산화적 인산화 시스템으로 넘어가게 된다.

 

3. ATP-PCr 시스템 

ATP-PCr 시스템(인원질 시스템)은 순간적으로 폭발적인 힘을 쓸 때 지배적으로 이용되는 에너지 시스템이다. 이 시스템은 산소 없이 일어날 수 있는 무산소대사 과정이며 3개지 에너지 생산 시스템 중 제일 간단하다. ATP와는 다른 또 하나의 고에너지 화합물인 포스포크레아틴(phosphocreatine) 또는 PCr을 분해해 ATP를 재생산하는 시스템이다.
포스포크레아틴 분자가 효소인 크레아틴 카이네이스(creatine kinase:CK)에 의해 크레아틴(creatine)과 인산기(Pi)로 분리되고 여기서 떨어진 Pi가 ADP와 결합하면서 ATP를 생성하게 된다. 크레아틴 카이네이스는 ADP 또는 Pi의 농도가 증가하면 활성화되고 ATP 농도가 증가하면 억제되어 기전의 속도 조절 요소로서 작용한다.
ATP-PCr 시스템을 통한 에너지 생성의 전력을 다하는 운동을 하는 약 3~10초 이내의 시간 동안만 근육이 필요로 하는 에너지 요구량을 충족할 수 있다. 운동 지속시간이 더 길어지게 되면 추가로 필요한 ATP 생성을 위해 해당과정과 산화적 인산화 시스템을 지배적으로 사용하기 시작한다.

 

4. 산화적 인산화 시스템(oxidative phosphorylation)

ATP-PCr 시스템과 해당 시스템이 세포질에서 이루어졌다면 산화적 인산화 시스템은 세포 안의 미토콘드리아라고 부르는 세포의 소기관(organelle)에서 일어난다. 산소를 사용해 기질을 분해하고 에너지를 만들어 내는 과정을 세포 호흡(cellular respiration)이라고 한다.
산화적 인산화 시스템은 장기간의 신체 활동에서 요구되는 에너지를 지속적으로 공급하기 위해서 다른 시스템들과 달리 많은 양의 ATP를 생산한다. 탄수화물과 지방을 통해 주로 에너지 생산이 이루어진다.