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제3장. 생리학적 기초 : 지원 및 공급체계
Ⅰ. 운동과 에너지 대사
1. 에너지대사의 이해
2. 에너지 체계
3. 운동과 에너지 대사율
Ⅱ. 운동과 순환계
Ⅲ. 운동과 호흡계
1. 에너지 대사의 이해
태양
광선
식물
화학적
에너지
화학적 에너지를 변화시켜 생명을 유지하기 위한 작용,
일상생활, 운동을 하는 것
에너지 대사(energy metabolism)
인간
영양소 섭취
음식 분해과정에서 방출되는 에너지는 생리적인
일에 직접적으로 이용되는 것이 아니라
ATP를 합성 하는데 이용
체내 화학반응
아데노신 3인산
(ATP)
인체의 세포들이 직접적으로 사용하는 에너지원
ATP
아데닌
ADP(아데노신 2인산)+Pi (유리인산염)
: 7~12kcal 에너지 방출
3인산
리보스
ADP + Pi
근 수축
음식, 크레아틴 인산
7~12Kcal
100
당질, 지질, 단백질
소화 흡수 시 열로 소실(5)
95
자유 에너지
45
ATP
(당질, 지질,
소량의 단백질)
신체구성
자유
에너지원
축적
근 활동, 생리기능 위해
직접 에너지공급
▣ 에너지의 공급과 소비
태양에너지
기계적 에너지 -근 수축
식물(음식물)
화학적 에너지
-대사과정 및 물질의 변화
삼투압 에너지 -체액과 체성분 수송
탄수화물
지방
단백질
전기적 에너지 -신경자극 전달
열 에너지 -열 조절
▣ 영양소의 동화 및 이화작용
영양소 섭취
동화작용
이화작용
인체에 저장
에너지로 사용
지속적인 활동
탄수화물
동화작용
이화작용
일시적인 과잉은 간세포에서
글리코겐으로 변화
근육에서 산화되어 에너지와 대사산
물을 방출
(44.1kcal/g)
C6H12 O6+6O2→에너지+6CO2 +6H2O
간과 골격근에 저장 되었다
가 포도당으로 다시 변화
과잉 시에는 지방조직으로
변화되어 저장
지방
단백질
지방조직이 형성되어 지방저
장소에 저장
지방산→에너지+CO2 +H2O
(케톤체 생성)
글리세롤→포도당(간의 당 생성)
일시 과잉은 간과 골격근에
간에서 탈아미노화 되어 암모니아를
저장
생성(산화 되거나 포도당이나 지방산
조직 단백질, 혈중 단백질, 효 으로 전환)
소 등으로 합성
운
동
근육에 저장 되어 있는 탄수화물이 산화 되어
에너지와 대사산물을 방출
혈중 포도당과 유리지방산 사용
유리지방산만이 주 에너지원으로 사용
지속적인 유산소성 운동 ⇒체내 저장된 지방질 축적을 감소
▣ 음식물의 열량
소화흡수율(98%)
탄수화물(4.1kcal)
4kcal
소화흡수율(95%)
지 방(4.1kcal)
화합물 연소열(1.3kcal)
단백질(4.1kcal)
4.35kcal
9kcal
소화흡수율(92%)
4kcal
▣ 기초대사(bacal metabolism : BM)
▲기초대사
생명의 유지에 필요한 최소의 생리적 에너지소비
각성 시 생리적 최소 에너지 대사
▲측정방법
음식물이 완전하게 소화 흡수된 식후 12~16시간
가만히 누워 있는 상태에서 측정
같은 사람에게 같은 계절의 일정조건 하에
측정 시 안정된 항일성을 가짐
▲영향요인
체격, 성, 연령, 직업 등
기초 대사량에 영향을 주는 인자
영향인자
기초대사의 상태
체 격
체중 및 체표면적에 비례 함
체 질
근육질이 지방질보다 높음
성 별
여성은 남성보다 10% 적음
연 령
체중, 체표면적당 2세가 최고, 그 이후 연령과 함께 경감 됨
내분비기능
감상선 기능 항진 시 높음
환경온도조건 외기온이 10˚C 높아지면 BM 2% 저하 됨
영양조건
체 온
노동상태
고단백식 일 때 높고, 저영양 일 때는 낮음
체온 1˚C 상승마다 BM 13% 상승 함
육체노동 시 높음
월경시
원경 2~3일 전 최고, 월경 시 최저
임 신
임신후기는 높아 짐
수 면
약 10% 감소 됨
기초대사시에 신체 각 기관의 소비열량
기 관
소비열량(kcal/min)
%
Kcal/g/min
전 신
1,200
100.0
0.016
근 육
456
38.0
0.018
간 장
149
12.4
0.057
위 장
91
7.6
0.032
신 장
90
7.5
0.171
비 장
76
6.3
0.032
심 장
53
4.4
0.083
뇌
36
3.0
0.036
췌 장
16
1.3
0.069
혈 액
13
1.1
0.002
타액선
8
0.7
0.056
▣ 수면대사(sleeping metabolism : SM)
수면 중 골격근 이완
맥박수 감소
수면대사<기초대사
혈관확장
부교감신경의 긴장상태
(전체 대사 저하)
▣ 특이 동적 작용(specific dynamic action : SDA)
동물성 식품을 많이 섭취한 후 활동을 하지 않고 있어도
대사량이 증가
음식물 섭취
- 혈액 중 아미노산 증가에 의한
세포 안에서의 대사촉진
대사 항진
단백질
20~40 %
한국인의 식사
SDA평균 : 10%
탄수화물
6~9 %
- 탈아미노기 작용으로 요소생산,
지방대사의 항진
지방
4 ~14 %
체온유지O
근육운동X
섭취열량에 비례
▣ 안정대사(resting metabolism : RM)
음식물을 섭취하지 않은 기초대사의 상태에서
기상하여 육체, 신경이 함께 안정을 취하여
의자에 조용히 앉아 있는 상태의 에너지 대사
(기초대사의 약10% 증가)
식사 직후 특이 동적 작용의 영향을 피하고 식사 후 2시간 이후에 측정
운동 대사 측정 전 안정시 대사
(음식섭취 중)
기초대사의 약 20% 증가
안정시 대사
특이 동적 작용에 의한
대사항진
▣ 운동대사(work metabolism : WM)
운동이나 노동에 의하여 항진한 에너지대사(=노동대사)
- 운동, 노동의 강도 판정
- 각종 직업에 종사한 사람의 에너지 소비량 산정
- 각종 작업에 지적 노동 조건의 결정
- 운동 능력의 판정 및 운동 생리 기능의 연구에 이용
2. 에너지 체계
대사 작용
무산소성대사
(anaerobic)
ATP 지속적 공급
근육활동
-크레아틴 인산(creatine phosaphate :PC)에 의한 ATP 생성
-해당 작용에 의해 글리코겐, 글루코오스 분해로 ATP 생성
유산소성대사
(aerobic)
-산소를 이용한 산화작용에 의한 ATP 생성
▣ 무산소성 에너지 체계
● APT-PC 시스템
1. PC를 이용하여 ATP 생성
2. 근육세포의 PC는 소량이기 때문에 단시간 고강도의 운동에 이용
3. 가장 빨리 이용할 수 있는 에너지원
PC
크레아틴키나아제
(creatine kinase:CK)
ADP+E+Pi
C+Pi+E
ATP
가장 빨리 이용할 수 있는 이유
1. 복잡한 화학적 반응에 의존하지 않는다.
2. 환기작용에 의한 산소의 공급에 영향 받지 않는다.
3. 에너지원이 직접 근육(근형질)에 저장되어 있다.
7~12Kcal
● 젖산시스템
1. 탄수화물 만을 이용
2. 해당과정(탄수화물 분해)을 통해 ATP생성
3. 최종산물로 젖산을 축적
4. 근육세포의 근형질에서 이루어 짐
5. 포도당 한 분자 당 2개의 순수 ATP와 초성포도산 2분자, 젖산 2분자 생산
6. 1분~3분간 최대 능력을 요구하는 운동 (400m, 800m)
근형질
해당과정
글리코겐
가인산 분해효소
(phosphorylase)
1ATP소비
6인산 포도당(1)
글루코스
해당과정 최대속도를
결정하는 주 효소
1ATP소비
인산과당 분해효소
(phosphofructokinase:PFK)
글리세르 알데히드 3인산(2)
2NADH+2H+
산소공급
전자전달계로
4ATP생성
젖산(2)
초성포도산(2)
산소공급
크렙스사이클로
● 무산소성 에너지 체계와 고강도의 단시간 운동
• 1~5초 동안의 운동 : ATP-PC 체계에 의해서 공급
• 5~6초 이상의 격렬한 운동 : 해당과정에 의한 ATP 얻기 시작
• 45초 이상 지속하는 고강도 운동 : ATP-PC체계, 해당과정, 유산소성 체계
• 격렬한 운동 약 60초 이상 유지 : 무산소성 70%, 유산소성30%
• 3분 후 : 무산소성과 유산소성 시스템이 거의 같게 이용
에너지 시스템의 상호작용
▣ 유산소성 에너지 체계
● 유산소성 에너지 체계
<탄수화물>
근 글리코겐
혈중 글루코스
간 글리코겐
<지 방>
근육 내 중성지방
혈액 중 중성지방, 유리지방산
지방조직 내 중성지방
근세포 내의 미토콘드리아
(산소를 이용하여 연소)
ATP 생성
<단백질>
근 단백질
해당과정
글리코겐
가인산 분해효소
(phosphorylase)
1ATP소비
6인산 포도당(1)
글루코스
해당과정 최대속도를
결정하는 주 효소
1ATP소비
인산과당 분해효소
(phosphofructokinase:PFK)
글리세르 알데히드 3인산(2)
2NADH+2H+
산소공급
전자전달계로
4ATP생성
젖산(2)
초성포도산(2)
산소공급
크렙스사이클로
NADH=3ATP
FADH2=2ATP
2NADH+2H+
젖산(2)
해당과정
산소공급
산소공급
4ATP-2ATP=2ATP
2 x 3ATP=6ATP
전자전달계
초성포도산(2)
15ATPx2=30ATP
초성포도산(1)
미토콘드리아
글루코스 한 분자가 유산소적인 과정을 통해
38ATP
생성
크렙스회로
1ATP
1ATP
4NADH
전자전달계
4NADH x 3ATP
12ATP
1FADH2
전자전달계
1FADH2 x 2ATP
2ATP
전자전달계
크렙스 회로
● 유산소성 에너지 체계와 장시간의 운동
운동시작 직후 : ATP-PC 시스템, 젖산 시스템
약2~3분 후 : 새로운 항정상태 도달
주로 유산소성 시스템으로 공급
1시간 이상 지속 되는 운동 중 혈중 젖산이 과도
하게 축적되지 않는다
▣ 운동과 에너지 연속체
에너지 연속체의 네 가지 영역
영역
운동시간
에너지 시스템
1
10초 이내
ATP-PC
운동종목
투포환, 100m, 야구의 도루, 골프나
테니스의 스윙, 미식축구 백의 런닝
플레이
2
10초~1분 30초 ATP-PC와 젖산 200m, 400m 스피드 스케이트,
100m수영
3
1분 30초~ 3분
4
3분 이상
젖산과 유산소 800m 질주, 체조경기, 권투(3분),
레슬링(2분)
유산소
축구, 크로스컨트리, 마라톤, 조깅,
장거리 수영
에너지 시스템의 일반적 특성
ATP-PC 시스템
젖산시스템
유산소성 시스템
무산소성
무산소성
유산소성
대단히 빠름
빠름
느림
화학적 연료(PC)
글리코겐
글리코겐, 지방, 단백질
대단히 제한된 ATP 생성
제한된 ATP 생성
무제한 ATP 생성
제한된 근육축적
근피로의 원인인
젖산 생성
피로부산물 생성 없음
단거리, 높은 파워, 짧은 시간
1~3분 가량의 운동
지구력과 장시간의 활동
▣ 무산소성 운동과 유산소성 운동의 비교
항 목
유산소성 운동
무산소성 운동
심장의 부하
부하가 적당하다
부하가 커 부담을 준다
젖산 축적
적다
많다
지속시간
길다
짧다
소비에너지
크다
적다
지방의 소비
크다
적다
안정성
높다
때로는 위험하다
건강을 유지하는 입장에서는 운동 상해나 심장질환 등에 대해
안정성이 높은 유산소성 운동이 요구
3. 운동과 에너지 대사율
▣ 에너지 대사율(relative metabolic rate : RMR)
1. 여러 가지 운동이나 동작, 노동 등의 에너지 소비량을 나타내기 위한 방법
2. RMR=[(작업시 소비에너지) - (안정시 소비에너지)] / (기초대사)
=(운동대사) / (기초대사)
3. 운동이나 노동의 숙련도, 힘 발휘 방법, 운동의 성질 등에 영향 받는다.
▣ 운동의 에너지 대사율
 RMR : 단위 시간당 운동 강도
 전신적이고, 빠르고 강할수록
RMR 커진다
운동에 관여한 근 섬유 수와 수축의 빈도가 증가할 때
정적 운동이 피로를 빨리 느끼는 경우
 일정의 근육이 지속적으로 긴장하여 국소 산경 압박
 흉내압 증가로 호흡이 압박되기 때문
종목
RMR
100m 전력질주
200
도약경기, 중량 올리기
100
던지기 경기
50~100
수영경기
40~50
1,500m 달리기
30
축구, 하키,럭비, 농구, 야구 등
5~13
Metabolic Rate
w 안정시와 운동시 신체가 에너지를 소비하는 비율
w 에너지 대사율 = [(운동시 소비에너지) – (안정시 소비에너지)] / (기초대사)
= 운동대사/기초대사
w 전신의 산소소비량과 칼로리 당량에 의하여 측정
w 기초 metabolic rate (BMR; kcal/day)은 생물학적으로 필수적 기능을 위한
최소의 에너지(1,200 and 2,400 kcal)
w 안정시 metabolic rate (RMR)은 정상활동을 위하여 필요한 최소의
에너지량 (1,800 to 3,000 kcal)
w Females: RMR = 655.1 + (9.56*BW) + (1.85*Height) - (4.68*Age)
w Males: RMR = 66.47 + (13.57*BW) + (5.0*Height) - (6.76*Age)
BMR 영향 요인
w fat-free mass이 많으면 많을 수록, BMR는 저하
w 체표면적이 넓으면 넓을수록, BMR 증가
w BMR 는 나이증가와 함께 점차 감소
w BMR는 체온상승과 함께 점차 증가
w stress가 많으면 많을 수록, BMR 상승
w thyroxine 과 epinephrine 수준이 높으면 높을수록,
BMR 상승