에너지시스템 3편: 산화적 시스템

안녕하세요. 닥터스키니 최보윤 원장입니다^^

세포 에너지생산의 마지막 시스템은 "산화적 시스템" 입니다. ATP의 이러한 산화적 생산은 세포 내부에 있는 '미토콘드리아' 라는 기관에서 일어납니다.

오랜 시간 동안의 신체활동에 요구되는 에너지원의 충당을 위해서는 지속적인 에너지 공급이 필요한데요, "무산소적 ATP생산" (PCr-ATP시스템, 해당과정)과 달리, "산화적 시스템" 은 많은 양의 에너지를 생산하는 능력이 있기 때문에 지구력 운동과 같이 오랫동안 에너지 요구량이 많을 때 주로 이용되는 시스템입니다.

정리해서 말씀드리면, "ATP의 생산과정에는 산소를 이용하는 과정과, 산소 없이 진행되는 과정이 있다. 오랜 운동과 같이 지속적응로 에너지가 필요할 때에는 산소를 이용하는 ATP 생산과정이 필요하다. 그것에는 다음과 같은 3가지 과정이 있다." 로 요약해볼 수 있겠습니다.

그럼, 산화적 ATP 생산의 3가지 시스템 각각에 대해 알아보도록 할게요.

1.유산소적 해당과정

탄수화물 대사에서의 해당과정에는 '무산소적', '유산소적' 과정 2가지가 있습니다. 산소가 있거나, 없거나 간에 해당과정의 진행은 동일합니다. 단, 산소 존재 유무에 따라 해당과정의 최종 생성물인 파이루빅산의 운명이 결정되게 됩니다.

'무산소적' 해당과정 은 최종산물로 '젖산' 을 생성하며 "ATP 3 분자" 을 만들어냅니다. 반면

'유산소적' 해당과정 은 최종산물로 '아세틸 코엔자임 A' 를 생성하며 이는 "크렙스 회로" 로 이어지게 됩니다.

2.크렙스 회로

"아세틸 코엔자임 A(아세틸 CoA)" 가 만들어지면 "크렙스 회로(Krebs cycle)" 를 거치면서 '아세틸 CoA'가 완전히 산화됩니다. cyle이 끝나면 "ATP 2분자" 가 만들이지며 기질은 탄소와 수소로 분해됩니다.

3. 전자운반 연쇄

해당과정과 크렙스 회로 과정을 거치면서 '수소' 가 여러개 떨어져 나옵니다. 만일 그대로 방치된다면 세포 내부가 심하게 산상화될 것입니다. 이런 산성화를 방지하기 위한 과정이 일어나게 되는데요.

떨어져 나온 수소는 "NAD, FAD" 라고 하는 두 종류의 보효소(coenzyme)와 결합합니다. 이 보효소들은 수소 원자를 잔자운반연쇄로 이동시키며 그곳에서 수소는 양자와 전자로 분리됩니다. 이 전자운반연쇄의 끝에서 수소는 산소와 결합하여 물을 만들기 때문에 산성화가 방지됩니다.

'수소로부터 분리된 전자' 는 일련의 반응을 거치면서 (그래서 '전자 운반 연쇄'라는 명칭을 갖는다) ATP를 생산합니다. 이러한 과정은 산소가 필요하기 때문에 '산화적 인산화' 라고 부릅니다.

(1) 탄수화물로부터의 에너지 생산

산화적 에너지 생산 시스템은 1mole의 글리코겐으로부터 많게는 "ATP 39분자" 를 생산할 수 있습니다. 세포질에서 환원되었던 NAD 분자는 미토콘드리아 내부로 직접적으로 들어갈 수 없으므로 전자운반연쇄에 있는 NADH 또는 FADH 운반체에게 자신들의 전자를 제공해야만 합니다.

자신들의 전자를 미토콘드리아 NADH 에 제공하는 두개의 세포질 NADH 분자는 "6개의 ATP 분자" 를 생산하는 반면, 자신들의 전자를 미토콘드리아 FADH 에게 제공하는 경우에는 "4개의 ATP 분자" 를 생산합니다. 그러므로 FADH 가 운반체일 때에는 글루코스로부터 36개의 ATP 그리고 글리코겐으로부터는 37개의 ATP가 생산될 수 있습니다.

(2) 지방의 산화

지방 또한 근육의 에너지 요구량을 공급합니다. 근육과 간의 글리코겐 저장량은 겨우 1500~2500kcal의 에너지를 제공할 수 있지만, 근섬유 내에 그리고 지방세포에 저장되어 있는 지방은 신체 지방이 적은 사람이라도 최소 70000~75000kcal 를 공급할 수 있습니다.

비록 많은 화학적 화합물(트리클리세라이드(증성지방), 인지질, 콜레스테롤 ) 들이 지방으로 분류되지만, 'TG' 만이 주요 에너지 공급원 입니다. TG 는 지방세포 내부에 그리고 골격근 섬유사이와 내부에 저장되어 있습니다. 에너지 생산에 사용되기 위해서는 TG 는 기본 구성단위인 1분자의 '글리세롤' 과 3분자의 '유리지방산(FFA)' 으로 분리되어야 합니다. 이 과정을 '지방분해' (lipolysis) 라고 부르며 lipase라는 효소에 의해 촉진됩니다.

일단 글리세롤로부터 분리되면, FFA는 혈액 속으로 들어간 다음 확산에 의해 근섬유 내부 로 이동됩니다. 혈액 속 FFA 농도 증가는 근섬유 내부로의 이동을 촉진시킵니다.

1) 베타산화

근섬유 내부로 들어간 FFA는 ATP로부터의 에너지에 의해 활성화되면서 미토콘드리아 내에서의 분해를 위해 준비됩니다. 이 미토콘드리아에 의한 효소적 분해를 "베타산화"(beta oxidation) 이라고 부릅니다.

이 과정에서 "유리지방산의 기다란 탄소사슬" (탄소 16개) 은 탄소가 2개인 "아세틱산(acetic acid)" 8개로 잘려집니다. 그후 아세틱산은 "아세틸 CoA" 로 바뀝니다.

2) 크렙스 회로와 전자운반 연쇄

여기서부터 지방 대사는 탄수화물 대사와 동일한 경로를 거칩니다. 베타 산화에 의해 생성된 아세틸 CoA는 크렙스 회로로 들어가는 것이지요. 크렙스 회로 과정에서 떨어져 나온 수소는 베타 산화 과정에서 분리된 수소와 함께 전자운반 연쇄로 운반되어 산화적 인산화가 일어납니다.

분자 구조상 글루코스보다 FFA가 "더 많은 탄소" 를 함유하므로 FFA는 같은 무게의 글루코스보다 더 많은 양의 아세틸 CoA가 크렙스 회로로 들어가게 되며 어 많은 숫자의 전자가 전자 운반 연쇄로 보내집니다. 이러한 이유 때문에 "지방 대사"가 "글루코스 대사"보다 훨씬 더 많은 양의 에너지를 생산 하는 것입니.

여러 종류의 유리지방산 중에서 탄소가 16개인 palmitic acid 를 예로 들어보면, 1개의 palmitic acid는 산화, 크렙스 회로, 전자운반 연쇄의 복합적인 과정을 거치면서 "129개의 ATP" 를 생산합니다. 반면 글루코스는 "38 개의 ATP" (글리코겐은 39개의 ATP)를 생산하죠. 비교해보면 지방을 통한 에너지 생산이 글루코스에 비해 훨씬 많은 양이긴 합니다.

비록 지방이 같은 무게의 탄수화물보다 더 많은 양의 kcal를 제공하지만, 지방 산화는 탄수화물 산화보다 더 많은 양의 산소를 필요로 합니다.

지방으로부터의 에너지 생산은 산소 1분자당 ATP 5.6 분자 이며, 탄수화물로부터는 ATP 6.3 분자 가 생산됩니다. 산소의 운반은 산소운반계인 심장, 폐, 혈액, 혈관에 의해 제한되므로 높은 강도의 운동 동안에는 탄수화물이 더욱 선호되는 연료입니다. 그 뿐만 아니라 지방 산화로부터의 ATP 최대 생성 속도는 고강도 운동 동안의 ATP 사용 속도를 총족시키기에 너무 느린데요, 이러한 이유 때문에 탄수화물 저장량이 고갈되면서 지방이 주된 연료원이 될 때에는 선수의 달리기 스피드가 감소하는 것이죠.

(3) 단백질 대사

인체의 주된 에너지 공급원은 "탄수화물과 지방" 입니다. 하지만 단백질(더 정확히 말하면 단백질의 구성성분인 아미노산) 도 에너지원으로 사용되기는 합니다. 일부 아미노산을 글루코스로 바뀔 수 있습니다. 이를 "글루코스신생합성(gluconeogenesis)" 라고 합니다. 또한 일부는 산화 대사의 여러가지 중간 대사물( 파이루빅산이나 아세틸 CoA) 로 바뀌어서 산화과정으로 들어갑니다.

단백질의 에너지 생산은 "질소"를 포함하고 있기 때문에 탄수화물이나 지방처럼 쉽게 에너지 생산에 쓰이지 않습니다.

아미노산이 분해될 때 분리된 일부 질소는 새로운 아미노산을 만드는데 사용되며 나머지는 요소(urea)로 바뀐 다음 주로 소변으로 배설됩니다. 이 같은 전환에는 ATP가 사용되므로 일부 에너지가 이러한 과정에서 소모됩니다.

세가지 에너지 시스템의 상호작용

세가지 에너지 시스템은 서로 독립적으로 작동하지 않습니다. 가장 짧은 단거리(10초 미만)에서부터 지구력 종목(30분을 초과하는)에 이르기까지 인체가 가능한 가장 높은 강도에서 운동할 때에 각 에너지 시스템은 인체의 전체 에너지 요구량에 기여합니다. 그렇지만 주도적인 한가지 시스템에서 다른 시스템으로 전환이 이루어질때를 제외하고는 일반적으로 한자기 에너지 시스템이 주도적입니다.

예를 들면, 10초동안의 100m 전력 질주의 경우 ATP-PC 시스템이 주도적인 에너지 시스템이지만 무산소적 해당과정 그리고 산화적 시스템 2가지 모두 요구되는 에너지의 일부분을 제공합니다.

다른 예로 30분의 10000m 달리기에서는 산화적 시스템이 주도적이지만, ATP-PC와 무산소적 해당과정 시스템 역시 에너지를 제공합니다.

이와같이 어떤 운동을 하느냐에 따라 쓰이는 주된 에너지 시스템이 다른데요, 다음 포스팅에서는 이에 대해 알아보도록 하겠습니다.

by 닥터스키니, 최보윤 원장