운동과 에너지대사

인체는 탄수화물, 단백질, 지방의 대사를 이용해 생명을 유지한다

모든 에너지는 태양의 빛으로부터 시작한다. 광합성 작용은 빛에너지를 식물 내부에 저장하여 화학적 힘으로 변화시킨다. 사람은 식물이나 식물을 먹은 동물을 섭취하여 그 에너지를 얻는다. 섭취된 음식물에서 얻은 영양소는 탄수화물, 단백질 지방 등의 형태로 우리 체내에 저장된다. 탄수화물의 주요 기능은 ATP 재합성을 위한 에너지 생산이다. 탄수화물의 대사는 당분 해 과정 등을 거쳐서 분해된다. 과잉 섭취된 탄수화물은 글리코겐이나 지방으로 변경되어 체내에 저장된다. 근육이나 간에 저장되어 있는 글리코겐은 필요에 따라서 분해되어 글루코스로 바뀐 뒤, 혈류를 통하여 인간의 모든 조직으로 운반 및 전달되어 당분 해 과정을 거친다. 그리고서 비로소 에너지로 사용되는 것이다. 
 
간과 근육에서 저장할 수 있는 글리코겐의 양은 제한되어 있어서 사람이 먹는 음식에 일정량의 탄수화물이 포함되어 있지 않으면 신체에서 탄수화물이 고갈될 수 있다. 그래서 이미 사용한 저장량을 보충하기 위해서는 지속해서 탄수화물을 섭취해야 한다. 적절한 양의 탄수화물을 섭취하지 않으면 인간의 근육과 간에서 일차적인 에너지원이 부족할 수 있다. 단백질은 인체를 구성하는 중요한 기능을 가질 뿐만 아니라 비타민이나 호르몬 등을 합성하는 역할도 한다. 단백질의 분해로 인하여 생긴 아미노산은 단백질합성에도 때로 이용된다. 즉, 식이 단백질과 체단백질의 분해로 아미노산 풀을 이루는데, 이를 기반으로 신체에 필요한 다른 체단백질을 분해하게 된다. 
 
인간의 몸속에서 단백질은 에너지원으로 사용하기도 하지만, 먼저 글루코스로 바뀌어야 한다. 치명적인 영양 결핍 상태에서는 세포의 에너지 공급을 위한 유리지방산을 만들어내기 위하여 단백질이 사용되기도 한다. 단백질은 오랜  기간의 활동과 운동에 요구되는 전체 에너지의 약 10%까지 공급할 수 있다. 단백질의 가장 기본적인 구성단위인 아미노산이 오로지 에너지로 사용될 수 있다. 1g의 단백질은 약 4.1kcal의 열량을 만들어낸다. 단백질은 아미노산으로 바뀐 뒤, 아세틸 CoA로 만들어 산화 과정으로 진입하고 ATP를 만들어낸다. 사람은 쉬는 시간과 운동 중에는 적은 양의 단백질만을 사용하기 때문에 단백질 대사는 무시한다. 
 
인체에서는 중성지방이 지방의 대부분이며 체내에서 에너지로 바뀌게 된다. 열량으로서 지방은 1g에 9kcal인데, 단백질이나 탄수화물과 비교하면 2배 이상 열량이 높다. 섭취된 지방은 인체의 각 조직 또는 간으로 전달되어 사용된다. 지방은 혈액으로 전송되고, 새로운 지방의 분해와 합성은 끊임없이 발생하는데, 이는 호르몬처럼 특수한 효소에 의해 조절되거나 신경에 의해 조절된다. 지방은 장시간 저강도의 운동을 할 시에 상당한 양의 에너지를 제공한다. 하지만 운동강도가 높아지면 지방세포로부터 유리지방산의 방출이 줄어들어 근육 내의 글리코겐의 형태인 탄수화물이 주요한 에너지원으로 이용된다. 그러나 지방의 형태로 신체에 저장된 잠재적 에너지의 저장량은 탄수화물을 저장량보다 월등하게 많다. 근육과 간에 저장되어 있는 글리코겐은 2,500kcal 정도의 에너지를 만들어 낼 수 있지만, 근육의 섬유나 지방세포에 저장되어 있는 지방은 70,000kcal 이상의 열량을 제공할 수 있다.
 
운동 강도가 높지 않거나 글리코겐이 부족할 때는 중성지방을 분해해 에너지를 공급하게 된다. 분해된 지방은 아세틸 조효소 A로 전환되어 인산화 과정으로 들어가는데, 이것을 베타산화라고 한다. 운동을 할 때의 에너지 대사의 특성을 알아보면 운동을 10분 이상 계속 수행했을 때 에너지원이 되는 주요 음식의 성분은 탄수화물과 지방이다. 장시간의 운동에 필요한 ATP는 주로 유산소에너지 대사에 의하여 공급된다. 산소섭취량이 운동이 시작한 뒤 약 2~3분 뒤 항정상태에 다다르면 운동에 필요한 모든 ATP 에너지를 유산소로 공급하기에 충분해진다. 그렇기 때문에 1시간 이상의 운동을 하는 경우에는 혈액 속의 젖산이 과다하게 축적되지 않는다. 장시간 운동 후의 혈중젖산의 농도는 안정 상태보다는 물론 2배 이상 높지만, 탈진의 이유는 저장된 글리코겐의 고갈에서 찾아볼 수 있다.
 
마라톤과 같이 지구력이 필요한 운동에서 처음에 너무 빠르게 달리면 젖산이 쌓이는 양이 급격하게 증가하고 글리코겐이 고갈된다. 그래서 에너지가 무산소대사를 통해 공급되기 때문에 페이스를 잃기 쉽다. 단시간 고강도 운동은 최대 운동 부하로 2~3분 동안 할 수 있는 운동을 포함한다. 단시간 고강도 온도에 사용되는 음식 연료는 대부분 탄수화물이며 무산소에너지 대사가 주 에너지대사이다. 모든 인간은 최대 유산소 파워, 즉 산소를 마실 수 있는 최대 능력의 한계를 가지고 있기 때문에 운동 시작 후에 급격히 늘어난 산소요구량을 맞추려면 최소 2분 이상이 소요된다.
 
따라서 운동 초기에는 유산소 에너지 대사의 운용이 제한된다. 같은 운동이라고 하여도 일정 시간 지속되는 운동의 에너지 공급 방법은 시간의 흐름에 따라 달라질 수 있다. 역도나 야구의 도루와 같이 신속하게 에너지를 공급해야 하는 운동을 수행할 때는 유산소 대사로는 필요한 에너지의 양을 충족시킬 수 없기 때문에 무산소에너지 과정에 의해서 대부분의 에너지를 공급받아야 한다. 고강도 운동을 수행할 때 신체의 에너지소비량은 평소보다 최대 25배까지 증가하는데, 이것은 운동 중에 사용할 ATP를 만들어내기 위해서이다. 또한 그 효율 역시 약 200배 이상 증가한다.
 
에너지소비량을 운동 중에 최대로 증가시킬 이로운 ATP를 만들어내는데, 이 한계를 극복하는 것이 운동과 훈련의 목표이기도 하다. 운동 중에 소비되는 산소는 에너지소비량에 비례하는데, 운동이 종료된 뒤에도 일정 동안은 평소보다 더 많은 산소를 소비하는 것을 관찰할 수 있다. 운동 후 회복기의 산소의 소비량은 신체를 운동 전의 안정적인 상태로 회복시키는 데 필요한 에너지를 만들어내기 위해 평소 수준 이상의 산소를 소비하는데, 이것은 초과 산소섭취량이다.