파워운동 생리학 23장. 영양, 신체구성 및 운동능력

[문형철]

chapter 23. 영양, 신체구성 및 운동능력

이장에서 다룰 영양, 신체구성 및 운동능력에 대한 내용은 18장의 내용을 더욱 확대한 것으로 운동능력에 관련된 내용보다는 건강관련 내용을 강조함. 

운동선수는 단백질 보충이 필요한가?

운동선수의 체지방률은 어느정도가 적당한가? 

"성인은 필요한 칼로리를 탄수화물 45~65%, 지방 20~35%, 단백질 10~35%를 섭취해야 한다"

이렇게 간단 명료한 구절은 매우 중요하다. 왜냐하면 이를 근거로 운동선수들이 고강도 훈련시 무엇을 섭취하고 우수한 운동선수가 되기위해 다양한 형태의 운동수행시 어떤 연료를 섭취해야 하는가 등의 토론을 위한 기준이 된다. 

탄수화물

모든 사람을 충족시키는 탄수화물 섭취권장량 기준은 광범위함. 운동강도가 증가함에 따라 탄수화물 섬취가 필요하다는 사실을 잘 알려짐. 

탄수화물 식단과 운동수행능력

1967년 스위스 연구실에서 운동수행에 미치는 근육당원의 역할을 이해하는데 기초가 되는 세편의 연구가 발표됨. 힘든 운동(77%  VO2max)중에 근육당원이 체계적으로 소모되며, 탈진에 이르는 수준에서 당원이 0에 가깝다는 사실. 그래서 탈진이 발생하는 시점은 초기당원 축적량과 관련이 있음을 발견함.  

알보그는 탈진이 발생하는 시점은 초기당원축적량과 관련되어 있음을 발견함. 벨그스롬은 식이요법을 통해 탄수화물량을 조절하여 근육당원의 농도와 탈진시간을 변화시킬 수 있음을 보여주어 알보그 등의 연구를 뒷받침함. 그들 연구대상자는 2,800kcal/d를 소비하였는데, 저탄수화물(지방, 단백질) 식이요법이나 혼합 식이요법 또는 2,300kcal/d를 사용함. 대퇴사두근의 당원함유량은 각각 0.63, 1.75, 3.31g/100g이었으며, 최대산소섭취량의 75% 운동수행시간은 평균 57, 114, 167분이었음. 

요약하면 근육당원 함유와 운동수행 시간은 식이요법에 따라 다양함. 이러한 연구결과는 칼슨과 살틴의 후속연구를 통해 구체화됨. 피험자들은 30km를 두번 달리면서 한번은 고탄수화물 식이요법을 하고, 한번은 혼합식이를 함. 시작단계에서 근육당원 수준은 탄수화물 식이요법에서는 근육 100g당 3.5g이었으며, 혼합 식이요법 후에 근육 100g당 1.7g이었음. 피험자 중 고탄수화물 식이요법을 한 경우가 최상의 운동수행을 보임. 

Muscle Glycogen and Muscle Electrolytes during Prolonged Physical Exercise1

Authors

• Bjorn Ahlborg,

• Jonas Bergstrom,

• Lars-Goran Ekelund,

• Eric Hultman

• First published: June 1967Full publication history
• DOI: 10.1111/j.1748-1716.1967.tb03608.xView/save citation
• Cited by: 71 articles
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• 1

  A preliminary report on muscle glycogen during prolonged exercise was delivered at the Annual Meeting of the Swedish Medical Society, Clinical Physiological Section, in November 1964.

Abstract

Nine volunteers have been examined during prolonged physical exercise to exhaustion at a load of about 60 per cent of W170. Ordinary circulatory parameters were measured as well as the quantities of glycogen, water and electrolytes in muscle tissue obtained by needle biopsy. In a separate study 6 subjects were examined for respiratory quotient under similar exercising conditions. The muscle glycogen fell considerably from a mean of 6.9 per 100g glycogen and fat-free solids to a mean of 1.7 g at the end of exercise. The quantity of muscle glycogen used was correlated both to total energy developed during exercise and also to duration of exercise.

The electrolyte and water content in muscle tissue showed only small changes. Some increase was found in muscle sodium and chloride, and also in the chloride space. The potassium content fell significantly by about 4 per cent of the basal value. None of the circulatory parameters measured showed changes of such magnitude as to have a limiting effect on performance. Two subjects were examined also with glucose infusion during the exercise. The reduction of glycogen, as also the performance of these two subjects, was of the same order of magnitude with and without infusion of glucose. The results suggest that the capacity for prolonged work is directly correlated to the glycogen store in the working muscles.

Diet, Muscle Glycogen and Physical Performance

Authors

• Jonas Bergstrom,

• Lars Hermansen,

• Eric Hultman,

• Bengt Saltin

• First published: October 1967Full publication history
• DOI: 10.1111/j.1748-1716.1967.tb03720.xView/save citation
• Cited by: 520 articles
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Abstract

The muscle glycogen content of the quadriceps femoris muscle was determined in 9 healthy subjects with the aid of the needle biopsy technique. The glycogen content could be varied in the individual subjects by instituting different diets after exhaustion of the glycogen store by hard exercise. 

Thus, the glycogen content after a fat ± protein (P) and a carbohydrate-rich (C) diet varied maximally from 0.6 g/100g muscle to 4.7 g. In all subjects, the glycogen content after the C diet was higher than the normal range for muscle glycogen, determined after the mixed (M) diet. After each diet period, the subjects worked on a bicycle ergometer at a work load corresponding to 75 per cent of their maximal O2 uptake, to complete exhaustion. The average work time was 59, 126 and 189 min after diets P, M and C, and a good correlation was noted between work time and the initial muscle glycogen content. The total carbohydrate utilization during the work periods (54–798 g) was well correlated to the decrease in glycogen content. 

It is therefore concluded that the glycogen content of the working muscle is a determinant for the capacity to perform long-term heavy exercise. Moreover, it has been shown that the glycogen content and, consequently, the long-term work capacity can be appreciably varied by instituting different diets after glycogen depletion.

Muscle glycogen during prolonged severe exercise PDF

장시간 지구성 운동수행에서 근육당원의 중요성을 입증하기 위해 연구자들은 근육당원을 가장 많이 함유한 상태를 밝히려고 노력함. 1966년 벨그스롬과 헐트만은 당원 축적하는 방법을 연구함. 

근육당원 저장법(7일)

# 축적되어 있는 근육당원을 소모시키기 위한 격렬한 운동을 시행

# 3일동안 고강도 운동을 지속하면서 지방, 단백질 식이요법을 실시

# 3일동안 운동을 중단하면서 고탄수화물 식이요법(90% 탄수화물)을 실시

이 방법은 하나의 경기를 준비하기 위해 7일이 필요하다는 것과 대산자들이 탄수화물이 너무 적거나, 너무 많은 탄수화물 식이요법을 견디기 힘들어 한다는 것임. 

셔먼의 수정된 계획(근육당원 저장법)

# 50% 탄수화물 식이요법(350g/day)을 실시하면서 훈련을 90분에서 40분으로 줄임

# 2일간 70% 탄수화물 식이요법(500-600g/day)을 하면서 훈련을 20분으로 줄임.

# 경기전 휴식하는 하루는 70% 탄수화물 식이요법을 지속하면서 휴식.

최근에 발표한 두개의 논문을 보면 높은 혈당을 함유한 음식을 사용하여 탄수화물을 체중당 10g을 섭취하면 단지 하루만에 모든 근섬유의 당원 저장이 최고로 높아짐. 상승된 근육당원 농도는 이 시기 동안 섭취된 탄수화물의 양과 활동수준에 따라 5일정도 지속될 수 있음. 

근육당원을 매일 재보충하기 위해서는 무엇이 필요할까? 

근육당원을 재보충하기 위해서는 24시간 정도가 소요되는데 500-700g의 탄수화물을 섭취해야 함. 여기에서 강조되어야 할점은 탄수화물 55-60%의 식이요법이 성공하고 있는 사람은 이미 근육당원 재보충에 필요한 칼로리를 섭취하고 있는 것임. 

만약 운동선수의 칼로리 균형을 위해 매일 4,000 kcal가 요구된다면 그중 55-60%를 탄수화물로 섭취하므로 2,200~2,400kcal(4000kcal의 55-60%) 또는 550-600g의 탄수화물을 섭취해야 함. 그러므로 이수치는 선수가 격렬한 운동후에 정상적인 수준으로 돌아오기 위해서 24시간 이내에 재보충해야 할 근육당원의 양임. 

당원이 물로 저장되는 것을 고려하면, 선수들은 특히 체중부하운동을 할때 무거움을 인지해야 할 필요가있음. 

경기전 또는 경기 중 탄수화물 섭취

고강도 운동시 탄수화물의 주 원료로서 근육당원은 혈중 포도당이 근육의 탄수화물 산화를 유지시켜주는역할을 대신함. 그러나 코간과 코일의 연구에서 3-4시간 운동시 혈당과 근육당원은 탄수화물 산화에 동일하게 사용된다고 함. 사실 근육당원이 감소하면 3-4시간의 운동이 끝날때 혈중 포도당의 역할은 증가하게 됨. 이는 장시간 운동시에 혈당이 중요한 연료로 사용된다는 것을 의미하며, 운동시 어떻게 혈당을 유지하는가에 많은 관심을 갖는 이유임. 

간의 당원은 장시간 운동 동안 감소하는데, 그 이유는 포도당신생과정에서 근육당원이 분당 1-2g의 비율로 소모될때 분당 0.2-0.4g의 비율로 포도당을 제공하기 때문임. 저혈당증은 혈당소비와 간이나 소장에서 분비되는 혈당량이 일정하지 않기 때문에 발생함. 최대산소섭취량의 58% 운동강도에서 3시간 30분 운동을 했을때와 최대산소섭취량 74% 운동강도에서 2시간 30분 운동햇을때 저혈당 증세가 나타남. 저혈당이 피로를 유발한다는 명백한 연관성은 없으나 운동의 에너지 원료로서 혈당을 사용할 수 있는 능력은 3-4시간 동안의 격렬한 운동을 수행하는데 매우 중요함. 

운동수행을 위해 필요한 탄수화물 산화비율을 높이려면 운동중과 운동전에 얼마나 많은 탄수화물을 섭취해야 할까? 

1) 경기전 탄수화물 섭취

신체 탄수화물 저장의 고갈을 둔화시키기 위한 탄수화물 형태와 섭취시간 조절은 중요한 요소임. 최대산소섭췰야 70-75% 운동강도를 시작하기 30-45분 전에 포도당 75g을 섭취했을때 혈당과 인슐린은 운동시작시에 증가하고, 근육당원은 운동중에 보다 빠른 비율로 사용됨. 이것은 근육당원을 적게 사용하고자하는 목적에 반대되는 것이며, 운동수행이 19% 감소하는 것을 볼 수 있었음. 

운동 전 탄수화물 섭취는 근육과 간에 당원저장을 증가시키는 것을 의미함. 일반적으로 많은 양의 탄수화물 섭취로 인해서 탄수화물이 높은 비율로 이용되는 것이며, 혈당의 농도는 오랜 시간 동안 유지됨. 

다음은 운동전의 식사에 권고되는 사항들임

# 운동전 75g의 탄수화물 섭취에 다른 최대하 운동(최대산소섭취량의 62-72%) 중에 혈당이 감소하는 것은 더 적은 22g 혹은 더 많은 155g이상 양의 탄수화물을 섭취하는 것으로는 예방될수 없음. 

# 운동 1시간전 고혈당 탄수화물 섭취는 보통 혹은 저혈당 탄수화물과 비교해볼때 더 높은 혈당과 인슐린 반응을 가져옴

# 다른 선수들보다 훨씬 더 민감한 선수는 저혈당 반응이 꽤 가변적임. 흥미롭게 이 반응성은 인슐린 민감성과 관계가 없음.

# 저혈당증의 위험을 최소화하기 위해서, 운동 5분전 혹은 준비운동중에 탄수화물을 섭취할 수 있음.

# 탄수화물의 섭취형태는 중요하지 않음.

2) 경기 중 탄수화물 섭취

운동전에 탄수화물을 섭취한 연구에서 다양한 결과가 나온 것과는 달리, 운동중 탄수화물 섭취는 피로를지연시키고 운동수행능력을 향상시킴. 탄수화물 섭취와 관계없이 장시간 중강도 운동 동안(최대산소섭취량 70-75%) 근육당원은 동일한 비율로 고갈됨. 그러나 간 당원은 그렇지 않음. 섭취한 탄수화물을 통해서 저장된 간당원은 탄수화물 산화시 바로 이용됨. 

만약 장시간 운동동안 추가적인 탄수화물을 섭취하지 않는다면 간의 포도당이 고갈되어 혈당농도가 저하되고, 근육의 불충분한 탄수화물 산화로 인해서 피로가 발생하게 됨. 저혈당은 중추신경계의 근육활성화를 저하시키 근육파워를 감소시킴. 이와 더불어 장시간 운동시 탄수화물 보충은 운동자각도를 낮추는 효과가 있음. 

그림은 장시간 운동중 공복시와 탄수화물 섭취시 얼마만큼 탄수화물이 근육에 공급되는가를 보여주는 코간과 코일의 모델임. 그렇다면 운동중 탄수화물을 섭취하기 위한 최상의 시간은 언제일까? 

코간과 코일은 탄수화물을 운동중에 섭취하든지 또는 피로가 예상되는 30분전에 섭취하든지 차이가 없다고 주장함. 75% 최대산소섭취량 운동실험에서 탄수화물을 섭취했을때 피로시간이 45분 지연됨. 이것은 근육이 운동후반에 혈당을 약 1-1.3g/min 비율로 사용되기 때문이며 탄수화물 45-60g(45min*1-1.3g/min)을 추가적으로 제공하기 위해서는 탄수화물을 충분히 섭취해야 함. 운동중 약 30-60g/h 비율로탄수화물 섭취가 가능하다는 것이 일반적인 견해임. 

경기후 탄수화물 섭취

근육당원의 고갈정도는 운동시간과 강도에 비례함. 근육당원 합성의 제한요인은 세포막을 지나는 포도당의 운반임. 한차례 심한 운동후 근육세포는 포도당으로의 투과성이 증가하고 당원합성이 증가하고 인슐린에 대한 근육민감도가 증가함. 이러한 요인의 이점을 얻기 위해서 운동후 30분 이내에 탄수화물을 먹어야 하고, 당원저장을 빨리 하고 싶다면 2시간 간격으로 6시간 탄수화물을 섭취해야 함. 

단백질

성인의 단백질 1일 권장량은 0.8g/kg/day이고 단백질 에너지의 12%가 음식을 통해 섭취됨. 남성 20세,72kg 체중에 대한 1일 에너지 권장량은 대략 2,900kcal/day임. 이 값의 12%가 단백질이라면 348kcal이 단백질로 얻어짐. 그래서 하루에 87g의 단백질을 섭취해야 함. 선수들은 1일 섭취권장량에 규정된 것보다 단백질을 많이 섭취해야 할까? 아니면 일반 식이요법으로 충분할까? 혼란스러워보이지만 두 질문에대한 대답은 모두 그렇다임. 

단백질 필요량과 운동

단백질 섭취의 적정량은 질소균형에 근거하고 있음. 단백질의 약 16%가 질소이고, 질소를 섭취하면 동일한 양의 질소가 배설되어 질소균형이 이루어짐. 질소섭취량보다 배출량이 적을때 이것을 양의 질소균형이라고 함. 반대로 섭취량보다 질소의 배출량이 많은 경우 음의 질소균형이라고 함. 인체가 후자의 상태로 계속유지된다면 건강상 좋지 않다고 할 수 있는데, 그것은 바로 제지방량이 잠재적으로 손실된다는 뜻이기 때문임. 

레몬과 뮬린의 연구에 의하면 휴식시에는 질소배출이 별 차이가 없는 반면 운동시에는 땀으로 질소배출이 60-150배 증가한다고 함. 이것은 운동중에 아미노산 산화에 의해 요구되는 에너지양의 10%와 동일한 것임. 

다른연구

근육은 장시간 운동시에 아미노산 알라닌을 배출하고, 알라닌은 새로운 포도당을 만들기 위해 간에서 포도당신생을 사용함. 운동중에 아미노산이 동원되고 산화되는 비율을 연구하는 것은 아미노산류신의 동위원소를 이용함. 일반적으로 산화비율은 쥐와 인간에서 보면 휴식시 비율보다 운동시에 더 높음. 이들 연구에서 보면 아미노산은 이전에 생각해왔던 것보다 더 많은 범위에서 운동 중 연료로 사용됨. 장시간 운동시 단백질 요구량은 RDA보다는 높음. 

아미노산 산화

운동을 하는 사람들이 단백질을 더 많이 섭취해야 한다는 사실의 정당성은 운동중 신진대사를 추적할 수있는 아미노산 동위원소를 사용하는 연구에 기초를 두고 있음. 즉 아미노산이 신진대사를 이용하면 CO2가 방출되기 때문에 사용비율의 지표로 활용할 수 있음. 필수 아미노산 류신이 아미노산 결합을 대표하는 것으로 여겨져 옴. 이것은 단백질의 이화작용인 휴식때에 비해 운동중에 더 높다는 것을 의미함. 

체내 질소균형연구

평소에 운동을 하지 않을때 좌식생활하는 사람들은 양의 질소균형

운동을 시작하면 12-14일까지 음의 질소균형, 이후에 균형이 맞음. 

그래서 단백질 이용을 측정할때 훈련프로그램을 고려하면서 실시한다면 운동에 적응하는 기간 동안 단백질 요구나 완전히 운동에 적응한 후 단백질 요구량은 1일 권장 섭취량으로 충분히 보충될 수 있음. 버터필드는 질소균형연구를 통해 새로운 항정상태에 도달하는데 필요한 시간의 길이는 질소섭취 수준의 변화량, 섭취되는 질소의 양에 좌우되면, 10일간의 적응기에 권장되는 소비량은 질소섭취가 많을때에는 소용이 없다는 것을 나타냄. 이 결론에 영향을 미치는 다른 요인은 운동중에 단백질 요구량이 추가도니 운동량의 소비를 극복할 수 있을 정도의 충분한 영양소를 섭취했는지에 있음. 

예를들어 체중을 유지하기 위한 것보다 15%증가된 에너지를 섭취하고, 달걀 흰자 단백질 0.57g/kg/day을 섭취하면 운동중에 질소가 증가함. 필요량보다 15%적은 열량을 섭취하면 하루 질소 1g씩 음의 균형을 이룸. ...

운동중 아미노산 대사율에 영향을 미치는 최종적인 영양소는 탄수화물의 이용임. 레몬과 뮬린의 연구에 의하면 땀에서 발견된 요소량이 피험자가 탄수화물 고갈에 반대되는 보충된 탄수화물이 있을때 반으로 줄어든다는 사실을 입증해주고 있음. 

더욱이 아래 그림에서 보는 것처럼 최대산소섭취량의 50%로 3시간 운동 중 후반부의 절반동안에 포도당의 섭취가 아미노산 류신의 산화율을 감소시킴. 그러므로 단백질대사에 있어서 중요한 칼로리 균형은 물론 적절한 탄수화물 공급을 위한 다이어트가 고려되어야 함. 

운동선수를 위한 단백질 필요량

그렇다면 선수들에게는 얼마만큼의 단백질이 필요할까? 국가마다 RDA가 다름. 이러한 표준들은 고강도 운동을 하지 않는 일반적인 권고사항임. 

독일은 운동선수가 섭취해야 하는 1일 권장기준으로 1kg당 1.5g을제시함. 유산소 운동과 근력운동은 단백질 권고섭취량이 다름. 저강도 유산소 운동(최대 산소섭취량 35-55%)에서 필요한 단백질양은 0.8g/kg/day, 고강도 운동중 요구량은 1.2~1.4g/kg/day. 일반적인 근력운동시에는 0.9g/kg/day, 엘레트 근력운동선수는 1.7g/kg/day이 필요함. 

운동선수에게 가장 중요한 것은 칼로리의 균형임. 중요한 질문은 최적의 근육량을 얻기 위한 단백질 섭취 타이밍과 어떤 종류의 단백질이 다른 것보다 나은지임. 

음식섭취만으로 단백질 섭취가 충분하다는 것을 지지하는 2개의 최신논문을 보면 단백질 보충은 선수 저항프로그램에서 근력향상에 도움을 주지 못했으며, 근육감소증을 경험한 노인에게도 효과가 없었음. 

지나친 단백질 섭취는 칼슘이온의 배출을 증가시킴. 고기를 안먹으면 장기적으로 골격근에 심각한 문제를 일으킬 수 있음. 

수분과 전해질

발한율은 운동강도와 함께 선형적으로 증가하며, 더운 환경에서 발한율은 시간당 2.8L에 이르는 경우도있음. 증가된 발한율은 "Na+, K+, Cl-,MG2+와 같은 전해질의 손실이 함께 일어남. 

운동전 수분보충

# 최소 운동 4시간전에 물을 천천히 마셔라

# 소변색이 둔탁한 색이라면 운동 2시간전에 더 많은 물을 마셔라

# 나트륨이 함유된 음료나 소금기 있는 과자가 체액을 유지하는데 도움이 된다

운동중 수분보충

땀 증발비율은 개인간의 차이가 많기 때문에 얼마나 많은 양의 음료를 마실것인지 결정하기 위해서는 운동전후 체중과 섭취한 음료의 양을 비교해야 함.

스포츠 음료 고려사항

# 15-21도사이의 물

# 소금과 칼륨 포함

# 5-10% 탄수화물 포함

더나은 운동수행을 위해 기설피와 더치맨이 제시하는 가이드라인

음료에 염분을 가하는 것은 청량감을 증가시키고 수분과 탄수화물의 흡수를 촉진하며 운동중 손실된 전해질을 재공급해줌. 또한 나트륨이 첨가되는 부가적인 이유는 4시간 이상 지속되는 초지구성 운동중 물만으로 수분을 보충하는 경우 발생할 수 있는 저나트륨혈증이 일어날 가능성이 증가하기 때문임.

운동후 수분보충

기설피와 더치맨은 피험자에게 전해질과 근육당원을 보충시키는 회복음료를 제공함. 

염분

[문형철]

성인은 필요한 칼로리를 탄수화물 45~65%, 지방 20~35%, 단백질 10~35%를 섭취해야 한다