[운동 안내서] 미토콘드리아와 함께 하길 - 2
May the mitochondria be with you!
운동은 세포 조직으로 가는 혈류를 늘려 산소 공급을 원활하게 해주는 가장 강력한 방법 중 하나다. 강도 높은 운동을 하면 근육 조직 내 미토콘드리아가 자기복제를 시작하고, 그 영향으로 커다란 신진대사가 일어난다. 근육 조직 내 미토콘드리아 자기복제의 가장 중요한 효과 중 하나는 인슐린 감수성의 증대다. 소량의 인슐린을 사용해 근육이 혈액으로부터 많은 양의 포도당을 흡수, 즉각 에너지로 활용하거나 에너지로 비축해 두었다가 후에 글리코겐으로 활용하는 것이다. 인슐린 감수성이 높아진 근육은 포도당을 우선 연료로 활용하면서 아주 효율적으로 움직이게 된다.
그럼 운동선수들이 과일, 전분이 풍부한 채소, 콩류, 통곡물 등 다양한 식물성 자연식품을 먹으면 어떻게 될까? 탄수화물로부터 많은 양의 포도당을 보충 받아 인슐린 감수성이 높아진 근육에 아데노신 3인산(ATP)을 효율적으로 생성하는 데 필요한 연료만 공급한다. 결과적으로 아주 소량의 인슐린만 사용하게 되는 것이다. 연구 결과에 따르면, 인슐린 감수성이 높은 사람은 2형 당뇨병, 심혈관계 질환, 암 같은 만성질환에 걸릴 가능성이 크게 준다. 즉 인슐린 감수성이 높아지면 훈련 중 근육 기능이 향상될 뿐 아니라 장기적으로 만성질환 발병률 또한 급격히 감소한다.
- 사이러스 캄바타, 박사 겸 <뉴욕 타임스> 선정 베스트셀러『당뇨병 정복하기』의 저자
- 맷 프레이저(Matt Frazier) & 로버트 치키(Robert Cheeke)의 《채식하는 운동선수》 중에서[1]
앞선 글 <미토콘드리아와 함께 하길! -1>에서 미토콘드리아는 운동과 건강한 식단으로 늘릴 수 있다고 했다. 운동 능력은 규칙적인 운동으로 점차 향상된다. 규칙적인 운동은 근육량 증가만이 아니라 미토콘드리아의 증가도 관련되어 있다. 건강한 식단은 물론 간헐적 단식도 미토콘드리아를 건강하게 만든다. 그렇다면 우리를 지배하는 미토콘드리아는 어떻게 해서 늘어나는 것일까?
세포가 ‘기아 상태(Starvation)’가 되면 미토콘드리아가 늘어난다. 우리가 근육을 사용할 때 근육세포에서는 ATP가 많이 소비된다. 계속 소비되면 근육세포는 에너지가 부족한 비상사태, 즉 기아 상태가 된다. 그러면 핵에 있는 유전자가 움직이기 시작하고 미토콘드리아의 성분(단백질이나 DNA 등)이 세포나 미토콘드리아 안에서 만들어진다. 완성된 성분은 지금 있는 미토콘드리아에 자꾸 더해져, 미토콘드리아의 부피가 늘어나는 것이다.
미토콘드리아가 늘어나는 원리
▶미토콘드리아가 늘어나는 원리[2]
ATP는 '충전지'를 닮았다. 세포의 에너지원 ATP는 충전지를 닮았다. ATP는 전지가 가득 찬 탱크의 상태, 그리고 ADP는 전지가 비어 있는 상태와 같다. ATP합성 효소는 ADP에서 충전되어 ATP를 만든다. 세포는 ATP의 에너지를 써서 움직인다.
1. 근육세포는 ATP를 분해해서 움직인다: 근육세포 안에 있는 '미오신'이라는 섬유가 ATP를 ADP로 바꿀 때의 에너지를 써서 움직인다. 그 움직임에 의해 근육 전체가 급속히 수축한다.
2. 에너지가 부족한 기아 상태가 된다: 운동을 계속해서 근육세포 안의 ATP가 거의 소비되면 ADP까지 분해되어 AMP(아데노신1인산, Adenosine monophosphate)와 인산이 생긴다. AMP가 늘어난 기아 상태가 되면, 'AMP 키나아제'라는 단백질이 '미토콘드리아를 만들라'는 지령을 핵 안의 유전자에 전달한다.
3. '미토콘드리아를 만들라'는 명령을 받는다: 명령을 받으면 미토콘드리아 합성에 필요한 모든 핵유전자가 작용해서 미토콘드리아의 구성 성분을 세포질로 만들기 시작한다.
4. 미토콘드리아 안에서도 재료가 만들어진다: 미토콘드리아 안에서도 구성 성분이 만들어진다. 미토콘드리아 내부에서는 DNA도 복제된다.
5. 미토콘드리아의 부피가 늘어난다: 기존에 있던 미토콘드리아에 만들어진 단백질 등이 추가되어 부피가 늘어난다.
- 아이뉴턴 편집부의《근육과 운동의 과학》중에서
미토콘드리아는 어떻게 늘릴 수 있을까? [이미지 출처: 구글]미토콘드리아 기능이 떨어지면?[3]
만약 미토콘드리아 기능이 떨어지면 우리 몸은 영양분을 제대로 활용하지도 못하고 에너지 생산도 저하될 수밖에 없어 피로 누적ㆍ체지방 증가ㆍ인지 능력 저하 등의 증상이 나타난다. 연구에 따르면 미토콘드리아 기능 장애는 알츠하이머병과 심혈관계 질환을 포함한 거의 모든 노화 관련 질병에 영향을 미친다. 케임브리지 대학교 의학 연구진은 미토콘드리아가 체내 염증 반응을 켰다 껐다 하는 작은 스위치 역할을 한다는 것을 밝혀냈다.[4] 건강한 미토콘드리아는 염증 및 소염 시스템을 능숙하게 통제한다. 따라서 미토콘드리아가 잘 작동하면 다른 생물학적 시스템도 몸을 더 잘 돌보게 된다.
이처럼 미토콘드리아 기능이 좋아지면 노화를 늦추고 질병을 억제한다는 것은 많은 연구를 통해 밝혀지고 있다. 노화를 방지하거나 100년간 생사고락(生死苦樂)을 함께 할 몸을 튼튼하고 건강하게 만들고 유지하기 위해서는 에너지를 만드는 세포기관인 미토콘드리아를 활성화해야 한다. 미토콘드리아가 에너지를 풍부하게 생산할 수 있는 환경을 제공해야 하는 것은 ‘당신의 몫’. 그러한 환경은 규칙적인 운동과 자연의 음식을 섭취하고 충분히 쉬는 것이다.
미토콘드리아와 운동
미토콘드리아의 부피를 늘리려면 적당한 강도의 빠른 걷기, 달리기 같은 유산소 운동이 좋다. 단, 운동을 규칙적으로 하지 않으면 1개월 만에 원래의 부피로 되돌아간다. 그리고 미토콘드리아의 부피는 나이를 먹음에 따라 줄어든다.
여기서 잠깐! 평소 운동을 전혀 하지 않던 일반인의 마른 다리가 마라톤 선수의 마른 다리 근육과 같을까? 전혀 다르다. 같은 부피라도 그 안에 채워진 성분이 다르기 때문이다. 마라톤 선수의 근육에 포함된 미토콘드리아는 수적으로나 부피 면에서 훨씬 더 많고 크다. 미토콘드리아와 관계된 지방 덩어리도 더 크다. 이러한 차이는 효과 면에서도 상상을 초월하는 차이를 보인다.
같은 나이라도 운동을 하지 않은 사람과 마라톤 선수를 비교해 보면, 마라톤 선수의 다리근육에 포함된 미토콘드리아의 부피가 약 50%나 더 크다. 그리고 산소를 이용하는 유산소 능력도 미토콘드리아 밀도가 높은 사람일수록 비례적으로 증가했다.[5] 이 결과를 보고 혹시 마라톤 선수가 유전적으로 뛰어나기 때문에 더 우수한 결과를 보인 게 아니냐고 반문할 수도 있다.
이러한 반문에 대한 공정한 평가를 하기 위해 쌍둥이를 연구 대상자로 해서 실험했다. 쌍둥이 중 한 명에게만 지구성 운동을 시키고 다른 한 명에게는 아무런 운동도 시키지 않았다. 그리고 일정 시간 후 두 사람을 비교해 보니 지구성 훈련을 받은 사람이, 근육 속에 포함된 미토콘드리아의 밀도와 산소 섭취 능력이 15%나 증가한 결과가 나왔다.[6] 이처럼 미토콘드리아의 증가는 ‘건강한 체중조절의 성공’으로 이어짐을 의미한다.
유산소 운동은 미토콘드리아의 부피를 무산소 운동은 미토콘드리아의 숫자를 늘려준다. [이미지 출처: 구글]다이어트의 성공을 위해서는 기초대사량(Basal Metabolism)을 올리는 일이 중요하다. 기초대사량은 생명을 유지하는 데 필요한 최소한의 에너지의 양이다. 기초대사량이 높을수록 운동을 하지 않아도 에너지가 소비되기 때문에 상대적으로 살이 잘 찌지 않는다. 그리고 기초대사량을 정하는 것이 미토콘드리아의 양이다. 미토콘드리아의 양이 많을수록 ATP 합성을 위해 음식물의 에너지를 많이 사용하기 때문에 기초대사량이 높아진다.
반면 미토콘드리아의 수를 늘리려면 웨이트 트레이닝과 같은 무산소 운동이 좋다. 그런 의미에서 근육을 늘릴 수 있는 웨이트 트레이닝 같은 저항성 운동은 건강한 삶에 있어 필수다. 또한 심장 근육을 튼튼하게 할 수 있는 지구력 운동도 필요하다. 심장은 끊임없이 움직여야 하는 숙명을 타고났으며 활동하는 데 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 심장이 한순간도 쉬지 않고 계속 움직일 수 있는 이유도 미토콘드리아가 있기에 가능하다.
미토콘드리아를 건강하게[7]
미토콘드리아의 기능을 원활하게 유지하고 수가 줄어들지 않게 하기 위한 좋은 식습관은 무엇일까? 자연적이고 균형 잡힌 식사를 하되 위의 70~80%만 채울 정도로 먹는 것이 가장 좋다. 제철 음식을 뿌리부터 껍질까지 통째로 먹는 전체식(Macrobiotic, 매크로바이오틱) 식사법도 권장할만하다. 사찰 음식, 자연식 위주의 식사가 미토콘드리아에 좋은 식습관이다. 부처나 예수가 왜 채식을 실천하고 권했는지는 미토콘드리아의 관점에서 보며 이해가 된다.
전체식 같은 자연식은 미토콘드리아를 건강하게 만든다. [이미지 출처: 구글]미토콘드리아에 좋은 식품이 있을까? 달걀ㆍ렌즈콩ㆍ시금치ㆍ마늘ㆍ생강ㆍ녹차ㆍ구기자 등과 더불어 각종 채소를 규칙적으로 먹는 것이다. 다시 말해 항암 및 항염 작용과 항산화 작용을 하는 식품을 규칙적으로 먹어야 한다. 달걀노른자에는 콜린Choline 성분이 들어 있어서 지방간 예방 인자로 간을 보호하고 지방을 줄이는 역할도 한다.
생체막을 구성하는 레시틴(Lecithin)과 신경의 흥분전달 물질인 아세틸콜린(Acetylcholine)의 성분인 콜린은 베타인(Betaine)으로 분해되고, 메틸기에 메틸화(Methylation) 과정을 제공한다. 베타인은 미토콘드리아에 있는 콜린으로부터 형성되며, 이런 산화가 미토콘드리아의 산화ㆍ환원을 활성화시킨다. 즉 산화 스트레스로부터 염증을 예방한다. 베타인의 주요 기능은 항지간작용지방간 생성 억제과 혈압강하ㆍ항혈당작용ㆍ시력회복ㆍ해독작용ㆍ세포 복제 기능 등이 있다.
베타인이 풍부한 식품은 어떤 게 있을까? 식물성 식품에 풍부한데 대표적으로 시금치ㆍ구기자ㆍ비트가 있다. 특히 시금치에 함유된 파이토엑디스테로이드(Phytoecdysteroid)는 근육 조직 성장 및 포도당 대사도 향상한다. 곤충 탈피 호르몬(Insect Hormone)과 유사한 파이토엑디스테로이드는 식물이 해충에 저항하기 위해서 생산하는 화학물질 중 하나로 실상 단백 동화 스테로이드제의 성질을 지닌 스테로이드 호르몬이다. 한마디로 천연 스테로이드인 셈이. 만화《뽀빠이》의 주인공 뽀빠이가 시금치를 먹고 괴력을 발휘해 악당들로부터 올리브를 구출하는 이유이기도 하다.
렌즈콩은 값싸게 구할 수 있는 식물성 단백질원으로 특히 아이소루신(Isoleucine)과 라이신(Lysine)이 많이 함유되어 있다. 이 둘은 근육을 재생하는 효과가 있고, 아이소루신은 포도당 대사를 향상한다. 그리고 녹차에서 발견되는 에피갈로카테킨 갈레이트(Epigallocatechin Gallate)는 카테킨(Catechin), 폴리페놀의 일종으로 녹차의 떫은맛 성분으로 강력한 항산화 작용물질이다. 이 물질은 자외선에 의한 피부 손상 위험을 줄여 주고, 항암 작용과 미토콘드리아의 산화 스트레스를 해소해 노화를 방지하는 효과가 있다.
건강한 식단 외에 간헐적 단식도 미토콘드리아 건강에 도움이 될까?《최강의 단식》의 저자 데이브 아스프리(Dave Asprey)는 “단식을 하면 나아진 삶을 오래도록 누리게 될 것이다.”고 이야기한다(참고: (참고: <우리 삶에 단식이 필요한 이유 - 1>). 그리고 미토콘드리아도 휴식이 필요하다고 강조한다.
혹 힘들고 바쁜 하루를 끝낼 무렵 뇌가 얼마나 기진맥진한지 아는가? 그야말로 세포 차원에서 지쳐 버리고 만다. 쉬지 않고 일한 신경 세포는 반드시 처리해야 할 노폐물을 만든다. 최소 12시간(이상적으로는 18시간)의 단식을 하면 세포에게 집 안 청소를 할 시간이 됐다는 신호가 전해진다. 미토콘드리아도 정기적인 휴식 및 회복과 재생을 위한 시간이 필요하다.
고 말이다.[8]
미토콘드리아가 ‘생명 발전소', ‘세포 발전소’라는 교과서 같은 설명은 진부하지만 생물학에서 가장 기이한 메커니즘을 간직한 미토콘드리아가 우리 몸을 지배한다. 이는 엄연한 사실이다. 우리에게 '푸른 행성에서의 경이로운 여행'이라는 패키지를 선물해준 생명의 지배자 미토콘드리아. 지구별을 여행하는 동안 활력을 유지하고 정신을 집중하며 행복감을 느끼려면, 반드시 연료가 잘 채워진 건강한 미토콘드리아가 우리 몸에 충분히 존재해야 한다. 우리는 지배자인 미토콘드리아를 늘릴 수도 있고, 건강하게 협력할 수도 있다. 정리하면 이렇다.
1. 유산소 운동과 근력 운동을 통해 근육을 늘리면 미토콘드리아 크기와 숫자가 늘어난다.
2. 지구력 운동을 통해 심장을 튼튼하게 하면 미토콘드리아가 지속적인 에너지를 심장에 공급해줄 수 있다.
3. 자연식 위주의 식사와 소식 그리고 간헐적 단식은 활성 산소를 줄여 미토콘드리아를 건강하게 유지할 수 있다.
이 세 가지만 잘 실천한다면 당신의 미토콘드리아는 항상 젊음을 유지할 것이며, 지구별에서의 경이로운 여행을 건강하게 마칠 수 있도록 도와줄 것이다. 미토콘드리아와 함께 하길!(May the mitochondria be with you!)
원문 출처: 미토콘드리아와 함께 하길! - 2
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참고 문헌
[1] p104, 전자책, 맷 프레이저 & 로버트 치키의《채식하는 운동선수》
[2]《근육과 운동의 과학》 아이뉴턴 편집부 지음 | 아이뉴턴(뉴턴코리아)(2018)
[3] 참고: <당신의 몸을 지배하는 미토콘드리아! 생명발전소를 젊게하는 방법은?> 푸샵.com, 2018.4.17
[4] Zhenyu Zhong et al., “New mitochondrial DNA synthesis enables NLRP3 inflammasome activation” Nature 560 (July 2018): 198–203, - 데이브 아스프리,《최강의 단식》중에서
[5] Hoppeler H, Lindstedt SL. Malleability of skeletal muscle in overcoming limitations: structural elements. J Exp Biol 1985; 115: 355-64 – 이대택,《인간사냥꾼은 물위를 달리고 싶어했다》 중에서
[6] Weibel ER. The Pathway for Oxygen: Structure and Function in the Mammalian Respiratory System. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1984 - 이대택,《인간사냥꾼은 물위를 달리고 싶어했다》중에서
[7] 참고: <당신의 몸을 지배하는 미토콘드리아! 생명발전소를 젊게하는 방법은?> 푸샵.com, 2018.4.17
[8] p31-32, 전자책, 데이브 아스프리의《최강의 단식》
By 푸샵 이종구: <남자들의 몸 만들기, 2004> 저자
·자격사항: 개인/임상/재활 운동사, 미국체력관리학회 공인 퍼스널 트레이너(NSCA-CPT), NSCA-스포츠영양코치, 국가공인 생활스포츠지도사2급, 퍼스널 트레이너2급, 웃음치료사2급, 바디테크닉 수료
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