안녕하세요. 핏살롱입니다!
두 번의 포스팅을 통해 에너지 시스템 중 "ATP-PC 시스템"과 "해당과정"에 대해 하께 알아보았습니다. 이 두 시스템 모두 산소를 사용하지 않는 무산소성 시스템이며 운동 초반에 주로 사용되어 장시간 지속하기 어렵다는 단점을 가지고 있습니다. 이번 글에서는 ATP를 생성함에 있어 장시간 운동에 적합한 에너지 시스템을 소개하려고 합니다. 바로 "유산소성 대사 시스템"입니다.
유산소성 대사 시스템
Aerobic energy system
1. 유산소성 대사란?
유산소성 대사는 세포내 미토콘드리아에서 산소를 이용하여 ATP를 생성하는 대사 과정입니다. 이 시스템은 ATP를 빠르게 생성하지는 못하지만, 지속적으로 에너지를 공급할 수 있다는 점에서 장점이 있습니다. 특히 운동이 1~2분 이상 지속될 때 유산소 대사가 점차 주된 에너지원이 되며, 운동 강도가 낮거나 중간 정도일 때 가장 효과적으로 작용합니다. ATP-PC 시스템은 인산크레아틴(PC)을 주된 연료로 사용하고 해당과정은 탄수화물을 연료로 사용하지만, 유산소성 시스템은 탄수화물, 지방, 단백질 3대 영양소 모두를 연료로 사용하여 ATP(아데노신 삼인산)를 생성합니다. 유산소성 대사는 크게 세 가지 주요 과정으로 이루어집니다.
2. 유산소성 대사의 3단계
1) 아세틸코에이(Acetyl-CoA)로의 전환단계
우리가 먹은 음식(탄수화물, 단백질, 지방)은 유산소성 대사 시스템에서 주된 연료로 사용됩니다. 먼저 탄수화물의 경우 해당과정을 거쳐 피루브산(pyruvate)으로 전환되면서 ATP를 생성하는데, 이때 생성된 피루브산은 젖산(lactate)으로 전환되거나 유산소성 대사 시스템으로 유입되게 됩니다. 이해가 어려우신 분들은 "해당과정" 포스팅을 한번 읽어보시면 도움이 되실 겁니다. 피루브산이 미토콘드리아의 유산소성 대사 시스템으로 유입되면 첫번째로 거치는 단계가 있습니다. 바로 피루브산의 아세틸코에이로의 전환 단계입니다. 단백질이나 지방의 경우에도 아미노산과 지방산으로 분해되어 미토콘드리아 내로 유입되면 먼저 아세틸코에이로 전환되어야만 그 다음 단계인 크렙스 회로 단계로 넘어갈 수 있습니다. 즉, 탄수화물, 단백질, 지방 모두가 미토콘드리아에서 아세틸코에이의 형태로 전환되는 것이 유산소성 대사 시스템의 첫번째 단계입니다.
중요! 아래 그림은 유산소성 대사 시스템을 간략하게 도식화 해놓은 그림입니다. 탄수화물(glucose), 지방(fatty acid), 단백질(amino acid)이 연료로 작용하고 이들은 먼저 미토콘드리아에서 아세틸코에이(Acetyl-CoA)의 형태로 전환됩니다. 전환된 아세틸코에이는 크렙스 회로(krebs cycle)로 유입되어 ATP를 생성하고 전자를 포함한 NADH와 FADH2라는 물질을 만들어 마지막 단계인 전자전달계(electron transport system, ETC)로 보내게 됩니다. 전자전달계에서는 산소를 활용해서 ATP를 생성하게 됨으로써 최종적으로 유산소성 대사가 완성됩니다.
2) 크렙스 회로 (Krebs Cycle)
크렙스 회로는 이를 밝혀낸 한스 크렙스(Hans krebs)라는 학자의 이름을 따서 지어졌습니다. 또는 크렙스 회로의 첫번째 물질이 Citrate이라서 Citric Acid Cycle (CAC)라고도 알려져 있습니다. 탄수화물, 지방, 단백질이 각각의 대사 과정을 거쳐 아세틸코에이로 전환되면 크렙스 회로로 유입되어 Oxaloacetate와 만나 Citrate으로 전환됩니다. 이렇게 전환된 Citrate은 여러 단계를 거쳐 다시 Oxaloacetate가 되는 순환 구조를 나타냅니다. 이렇게 크렙스 회로 내에서 Citrate이 Oxaloacetate로 전환되면서 ATP를 생성하고, 다음 단계인 전자전달계에서 필요한 NADH와 FADH₂ 를 생성합니다.
크렙스 회로의 결과물
NADH 3개, FADH₂ 1개, ATP 1개 생성
이산화탄소 배출
크렙스 회로 한바퀴 돌아가는 동안 ATP는 1개만 생성되었어요. 적은 양이죠. 따라서 크렙스 회로의 가장 중요한 기능은 전자전달계에 사용할 고에너지 전자 운반체인 NADH와 FADH를 생성해서 전자전달계에 제공하는 것에 있다고 보시면 됩니다.
3) 전자전달계 (Electron Transport Chain, ETC)
ATP 생성의 최종 단계 전자전달계는 미토콘드리아 내막에서 진행되며, 유산소성 대사의 마지막 과정입니다. 이 과정에서는 크렙스 회로에서 생성된 NADH와 FADH₂를 이용해 대량의 ATP를 생산합니다. 또한 산소가 최종 전자 수용체로 작용하여 물(H₂O)을 형성하게 됩니다. 우리가 들이마신 산소는 이렇게 인체내 에너지를 만드는데 사용되는 것이죠.
중요! 전자전달계는 아래와 같이 매우 복잡한 과정입니다. 최대한 쉽게 설명해보겠습니다.
1. 이전 단계에서 생성된 NADH는 미토콘드리아 내막의 복합체(Complex) I에 전달된다.
2. 이 과정에서 NADH가 산화되면서(전자 손실) 수소 이온(H⁺)과 전자(e⁻)가 방출된다. 방출된 전자는 복합체 I을 통해 전자전달계를 따라 이동한다.
3. FADH₂는 복합체 II에 전달되어 전자를 방출한다. (NADH와 달리 FADH₂는 복합체 I을 거치지 않고 복합체 II에서 직접 전자전달계를 시작한다.)
4. 전자는 **CoQ(유비퀴논, Coenzyme Q), 복합체 III, 사이토크롬 C(Cyt C)**를 차례로 거쳐 이동하며, 최종적으로 복합체 IV에 도달한다. 여기에서 산소(O₂)가 최종 전자 수용체로 작용하여 수소 이온과 결합하여 물(H₂O)을 형성한다.
5. NADH와 FADH₂에서 방출된 수소 이온(H⁺)은 미토콘드리아 내막을 통과하여 막 사이(intermembrane space)로 이동하면서 이온 농도 기울기(proton gradient)를 형성한다.
6. 막 사이 공간의 수소 이온 농도가 점차 증가하면서 미토콘드리아 내막과 막 사이 공간의 수소 이온 농도 차이가 커진다. 이때, ATP 합성효소(ATP synthase)를 통해 수소 이온이 다시 미토콘드리아 기질(matrix)로 유입되면서 ATP 합성이 촉진된다.
7. 최종적으로 ADP와 무기인산(Pi)이 ATP 합성효소를 통해 결합하여 ATP를 생성한다.
전자전달계의 결과물
NADH 1개당 2.5 ATP 생성
FADH₂ 1개당 1.5 ATP 생성
유산소성 대사의 결과물
포도당(glucose) 1 분자당 총 32~34개의 ATP 생성
3. 유산소성 대사의 연료
- 유산소성 대사는 탄수화물, 지방, 단백질을 연료로 사용할 수 있습니다. 하지만 각 연료의 사용 비율은 운동 강도와 지속 시간에 따라 달라집니다.
- 낮은 강도 운동 (걷기, 가벼운 조깅 등) → 지방이 주요 연료
- 중·고강도 운동 (러닝, 사이클링 등) → 탄수화물이 주요 연료
- 장시간 극한 운동 시 → 단백질이 일부 사용될 수도 있음 일반적으로 지방은 저장량이 많고 ATP를 많이 생성할 수 있지만, 분해 속도가 느려 강한 운동에는 적합하지 않습니다. 반면 탄수화물은 빠르게 ATP를 공급할 수 있어 강도 높은 운동에서 중요합니다.
6. 유산소성 대사의 장점과 한계
✅ 장점
- 지속적인 에너지 공급 가능 → 장거리 운동 수행에 필수적 지방 연소 효과 → 체지방 감소에 효과적
- 젖산 축적이 적음 → 피로가 덜 누적됨
- 심폐 지구력 향상 → 건강 증진 및 운동 수행력 증가
❌ 한계
- ATP 생산 속도가 느림 → 폭발적인 힘이 필요한 운동에는 적합하지 않음
- 산소 공급 필수 → 무산소 환경에서는 ATP 생산 불가
- 초반 ATP 공급이 부족 → 운동 시작 후 몇 분간 무산소 대사가 함께 작용
맺으며
오늘은 에너지 시스템에서 가장 효율적이면서 많은 ATP를 만들어내는 유산소성 대사 시스템에 대해 알아봤습니다! 특히 장시간 달리기, 사이클, 수영 등이 오랜 지속시간을 요구하는 운동 종목에서는 이 유산소성 대사 시스템이 매우 중요합니다. 우리 몸에서 이 시스템을 최적화 한다면 장시간 운동 수행에 도움이 될 수 있겠죠? 그럼 이로써 에너지 시스템 3가지에 대해 같이 공부를 마치겠습니다. 수고하셨어요!
그럼 오늘도 핏하게 운동하세요!
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