[전공체육] 운동생리학 (세포, 에너지원, 운동 후 회복)

<운동생리학>

 

신체와 운동 능력의 이해

▶ 항상성

- 항상성이란 인체 내의 안정 상태를 유지를 의미

- 우리 몸의 어느 일부에서 생존의 조건을 흩뜨리는 현상이 일어나면 이것을 원래의 상태로 다시 회복시키기 위해 우리 몸의 다른 부분이 보상작용 반응을 일으킨다. 이러한 반응을 항상성이라고 하며 이를 통해 우리 몸은 안정 상태를 늘 유지하게 된다.

 

▶ 세포의 대사작용

이화작용

- 글루코스 이화작용은 두 개의 연속적인 과정인 해당작용과 크렙스 사이클로 되어 있다.

2. 동화작용

- 이화작용에 의해서 만들어진 에너지를 사용하여 단백질은 성장과 보상에 쓰일 수 있도록 재정비되고, 지방은 에너지원으로서 사용될 수 있도록 체내에 저장된다. 탄수화물은 에너지 저장물질인 글리코겐으로 근육과 간에 저장되고 운동 시 직접 쓸 수 있는 에너지원으로서 ATP를 합성한다.

 

(운동과 영양)

▶ 필수 영양소 6가지

탄수화물

지방

단백질

비타민

무기질

물

 

인체의 에너지원

▶ 아데노신 3인산(ATP)
- 인체 세포가 직접적으로 사용하는 에너지원이다.

ATP → ADP + Pi + energy

ATPase효소에 의해 결합체가 분해되면 에너지가 방출되어 근 수축에 필요한 에너지원으로 사용된다.

 

(ATP 생성체계)

▶ATP-PC시스템

공액반응에 의한 ATP생성

- ATP와 PC는 모두 근세포에 저장되어 있으며, 인산기를 가지고 있기 때문에 이 에너지 시스템을 인원질 시스템이라 하며, ATP와 PC는 공액반응에 의해 ATP를 재합성한다.

- PC를 분해하는 효소 : 크레아틴키나아제(CK), 마이오키나아제(MK)

 

2. 체내 인산염은 소량이기 때문에 단시간‧고강도 운동에 이용된다.

- 수 초간 반복적으로 수행되는 운동에서 에너지 생성에 중요한 역할을 하는 것은 ATP-PC계와 저장산소의 역할을 통해 가능하다.

 

3. 인원질시스템이 가장 빨리 에너지원으로 이용될 수 있는 이유

- 장시간의 복잡한 화학적 반응에 의존하지 않는다.

- 환기 작용에 의한 활동 근육까지의 산소 공급에 의존하지 않는다.

- ATP와 PC가 모두 근육 내 수축 기전에 직접 저장되어 있기 때문이다.

 

▶ 젖산 시스템(무산소성 해당 과정)

- 무산소성 해당과정에 사용되는 효소

포스포프락토키나제(PFK)	해당경로 전반에 걸쳐서 전구체들의 흐름을 조절한다.
젖산탈수소효소(LDH)	초성포도산염에서 젖산염으로 전환되는 반응이 젖산탈수소효소에 의해서 촉매되며 양 방향으로 반응이 진행될 수 있다.

▶ 유산소성 시스템

- ATP의 유산소적 생산은 미토콘드리아에서 만들어지며 크렙스 사이클과 전자전달계의 대사 경로들이 상호 협력하여 이루어진다.

- 크렙스 사이클의 주요 기능은 수소를 운반하는 NAD와 FAD(수소운반체)를 이용하여 탄수화물, 지방, 단백질의 수소이온을 제거하여 산화시키는 것이다.

- 산소는 크렙스 사이클의 반응에 참여하지 않지만 전자전달체계의 마지막 단계에서 수소이온과 결합하여 물을 형성한다.

 

1. 탄수화물, 지방, 단백질의 산화

- 유산소 시스템은 탄수화물, 지방, 단백질을 이용해 ATP를 공급한다.

- 탄수화물은 해당 과정을 거쳐 Acetyl-CoA의 형태로 크렙스 사이클로 이동된다.

- 지방은 배타 산화 과정을 거쳐 Acetyl-CoA의 형태로 크렙스 사이클로 이동된다.

- 단백질은 글루코스 신생합성을 통해 글루코스의 형태로 에너지로 이용된다.

 

2. 크렙스 사이클

- 가장 큰 특징은 이산화탄소가 이탈하고 수소 이온과 전자가 분리되는 것이다.

 

3. 전자전달계

- 크렙스 사이클에서 생성된 수소 이온과 전자가 전자 전달계에 들어와 산소와 결합해 물을 형성한다.

 

4. 지방의 에너지 대사

- 지방은 많은 화학적 화합물이 있지만 트라이글리세라이드(중성지방)만이 주요 에너지 공급원이다.

- 중성지방은 라이페이스라는 지방 분해 효소에 의해 글리세롤과 유리지방산으로 분리된다.

- 운동 중 라이페이스라는 지방 분해 효소를 활성화 시키는 호르몬에는 코티졸, 성장호르몬, 카테콜라민(에피네프린, 노르에피네프린) 등이 있다.

 

5. 단백질의 에너지 대사

- 단백질은 에너지의 근원이기는 하지만 역할이 크지 않다. 근 조성에 주로 이용되고 에너지로 이용되는 경우는 장기간 굶었을 때나 극도의 지구성 운동 중에 에너지원으로 이용된다.

- 단백질이나 글리세롤과 같은 아미노산 등은 글루코스 신생 합성 과정을 통해 글루코스로 전환될 수 있다.

▶ ATP생성에 관한 에너지 시스템의 특성

ATP-PC시스템	젖산시스템 (무산소성 해당과정)	유산소성 시스템 (유산소성 해당과정)
무산소성, 매우 빠름 화학적 연료 : PC - 극히 한정된 ATP 생산 스프린터 혹은 극히 높은 파워 활동에 이용	- 무산소성, 빠름 음식물 연료 : 글리코겐 한정된 ATP 생산 부산물인 젖산이 근 피로 유발 1분이내의 운동에 이용	유산소성, 느림 연료 : 글리코겐, 지방, 단백질 무한정의 ATP 생산 부산물에 의한 피로가 없음 지구성 또는 오랜 지속시간 을 갖는 운동에 활용

 

▶ 에너지의 소비

- 산소 소비 효율은 탄수화물, 지방, 단백질 순이다.

휴식 중

- 인체가 필요로 하는 에너지는 탄수화물과 지방의 분해로부터 거의 균등하게 충당되며, 안정시에는 대부분 유산소 과정을 통해 ATP를 공급받는다.

 

2. 최대운동 중(All-out)

- 최대운동은 최대강도로 2~3분안에 끝나는 운동으로 운동강도가 높아질수록 더 많은 양의 탄수화물이 사용되며 지방의 비중은 줄어든다.

- 무산소성 역치점을 넘는 단시간 최대운동에서는 거의 대부분의 ATP가 탄수화물로부터 생성된다.

 

3. 최대하운동중

- 탄수화물이 운동 중 먼저 이용되고, 탄수화물의 고갈 후 지방이 이용되며, 극도의 탈진 후에 단백질도 약간의 에너지를 공급한다.

 

▶ 트레이닝 전의 에너지 소비

안정 시	(1). 음식 화학적 연료 : 지방 2/3, 탄수화물1/3 (2). 에너지 시스템 : 유산소 시스템 (3). 젖산의 축적 : 젖산이 일정량 축적
최대운동	(1). 음식 화학적 연료 : 대부분 탄수화물, 약간의 지방 (2). 에너지 시스템 : 인원질 시스템, 젖산 시스템 (3). 젖산의 축적 : 안정시보다 20배 증가
최대하운동	(1). 음식 화학적 연료 : 탄수화물+지방, 극도로 탈진 시 단백질 (2). 에너지 시스템 : 인원질시스템 → 젖산시스템 → 유산소시스템 (3). 젖산의 축적 : 안정시의 2~3배

 

▶ 트레이닝 후의 에너지 소비

안정 시	(1). 음식 연료 : 탄수화물, 지방 (2). 에너지 생성 체계 : 유산소 대사 - 모세혈관 밀도, 미토콘드리아 수 증가에 따라 유리지방산의 활용도 증가 - 산소소비량 감소
최대운동	(1). 음식 연료 : 탄수화물 - 대사관련 호르몬(카테콜라민, 글루카콘) 증가로 더 많은 에너지 공급 (2). 에너지 생성 체계 : 젖산 체계 - 젖산에 대한 완충능력 증가(생성되는 젖산↑) - EPOC증가 : PC의 저장량이나 글리코겐 저장량 그리고 분해하는 효소의 활성화 등으로 운동 후 초과산소섭취량이 증가하고, 이것은 순발성 운동 능력 향상의 증거가 된다.
최대하운동	(1). 음식 연료 : 탄수화물, 지방, 단백질 - 대사관련 호르몬(카테콜라민, 글루카콘, 코티졸, 성장호르몬)의 분비가 약간 감소(과거보다 힘들지 않으므로 호르몬 분비↓) (2). 에너지 생성 체계 : 유산소 시스템 - 산화능력 향상에 따라 지방의 산화비율이 증가한다. - 포도당 절약 효과 - 무산소성 역치가 증가 - EPOC감소 : 효율성의 증가(미토콘드리아 수 증가, 젖산축적량 감소, 낮은 심박수, 낮은 호흡수) - 젖산 축적 감소 : 코리사이클을 통한 젖산 제거 증가, 산화능력 증가에 따른 젖산 생성이 감소. - 최대산소섭취량이 거의 변화 없거나 약간 감소 : 1회 박출량이 증가되어도 심박수가 감소하기 때문에 심박출량이 변화 없거나 감소하기 때문.

 

운동 후 회복

(회복기 중의 산소 소비 이론)
▶ 산소 부채 이론

- 산소부채란 운동 시작 후 항정 상태에 이르기 전 산소 부족 현상을 나타내는 말로, 이때 생긴 젖산을 산화하기 위하여 운동 후 회복기에 산소 소비량이 증가한다는 것이 산소 부채 이론이다.

(1) 비젖산 산소 부채 : 회복기 초기 2~3분까지의 급격한 산소소비량 감소 시기

- 젖산의 제거와 직접적으로 관련이 없는 시기이며, 주로 ATP와 PC보충에 산소가 소비

- 비젖산 산소 부채가 큰 선수는 순발적 파워에 유리

(2) 젖산 산소 부채

- 회복기 후기의 느린 감소 시기로 젖산의 제거에 대부분의 산소가 소비된다.

- 젖산 산소 부채가 큰 선수는 지속적 파워에 유리하다.

 

▶ 운동 후 초과 산소 섭취량(EPOC)이론

- EPOC는 운동 후 회복기 중에 산소 소비량이 증가하는 원인으로서, 운동 중 사용한 에너지 보충과 젖산의 제거, 체온의 증가, 환기 작용을 위한 산소 소비 등 몇 가지 요인을 구체적으로 제시하는 이론이다.

 

1. 빠른 회복기의 EPOC 단계에서의 산소 소비 증가의 원인

(1) ATP-PC의 보충

(2) 마이오글로빈의 보충(저장산소의 보충)

(3) 혈액의 산소 보충

(4) 증가된 환기량에 대한 에너지 소비

(5) 체온 상승

(6) 에피네프린과 노르에피네프린의 상승

 

2. 느린 회복기의 EPOC 단계에서의 산소 소비 증가의 원인

(1) 젖산의 제거

(2) 글리코겐의 재합성

(3) 카테콜라민 효과

(4) 환기 작용을 위한 산소 소비

(5) 심장 작용을 위한 산소 소비

(6) 체온의 증가

※ 운동 후 초과 산소 섭취량이 큰 선수가 순발성 운동에 유리하다.

 

근 글리코겐의 초과회복	매우 높은 강도로 운동하여 근 글리코겐을 고갈시킨 후 고 탄수화물을 섭취하여 운동 전보다 더 높은 수준의 근 글리코겐을 비축함으로써 운동의 효과에 따른 트레이닝을 적용할 수 있다.
간 글리코겐의 초과회복	간 글리코겐은 운동을 함에 따라 현저하게 감소되며, 탄수화물을 며칠 동안 섭취하지 않으면 간 글리코겐이 더 많이 감소한다. 그러나 탄수화물을 다시 섭취할 경우 초과 회복 현상이 나타난다.

▶ 글리코겐 초과 회복

※ 순발성 운동 후에는 음식물을 섭취하지 않아도 2시간 내에 많은 양의 근 글리코겐이 보충되지만, 지구성 운동 후에는 1~2시간 이내에 많은 양의 근 글리코겐이 재합성 되지 않는다. 때문에 지구성 운동 후에는 반드시 고 탄수화물을 섭취해야 한다.

 

(근육과 혈액의 젖산 제거)
▶ 안정성 회복과 운동성 회복

안정성 회복보다 운동성 회복의 경우가 젖산 제거 속도↑

운동수행능력이 높을수록 회복기 운동강도가 높아야 젖산염 제거 속도가 최적이 된다.

 

▶ 젖산역치를 발생시키는 잠재적 요인

근육의 낮은 산소량

해당 작용의 활성화

속근 섬유의 동원

젖산제거비율의 감소

 

▶ 젖산의 제거 양식

산화되어 이산화탄소와 물로 전환

글리코겐으로 전환

단백질로 전환

땀이나 소변으로 배출

 

▶ 코리 사이클

1. 근육 내 젖산 생성 → 2. 혈액을 통해 간으로 이동 → 3. 글루코스 신생합성을 통해 글루코스로 전환 → 4. 다시 혈액을 타고 글리코겐으로 전환

 

(운동과 피로)

▶ 국부 근피로의 원인

중추 신경계의 피로 : 피로에 의한 정보가 뇌로 전달

근 신경 연접부에서의 피로 : 아세틸콜린의 방출 감소가 주된 원인, 속근 섬유에서 더 많이 나타남

수축기전에서의 피로

(1) 에너지원의 부족 : ATP와 PC저장의 부족, 근 글리코겐 저장의 부족

(2) 부산물 축적 및 산소 결핍

- 젖산의 축적에 의한 수소이온농도 증가→ 근형질세망에서의 칼슘 이온 감소→ 칼슘과 트로포닌의 결합 능력 방해

PFK와 같은 효소 작용 억제

(3) 산소의 결핍과 부적절한 혈류

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