인체에서 탄수화물의 역할, 에너지원으로서의 장점과 단점

탄수화물의 역할, 에너지원으로서 장단점

탄수화물의 역할

탄수화물은 인체의 주된 연료이면서 동시에 체내의 여러 기관에서 제일 선호되는 연료이기도 합니다.

따라서 계속적인 탄수화물의 공급은 거의 대부분의 기관이 정상적인 기능을 유지하는데 필수적이라고 할 수 있습니다.

운동 시 탄수화물의 사용은 고강도의 운동 시 유일하게 산소 없이도 에너지를 낼 수 있고, 실제로 고강도 운동 시 주된 에너지 원천이 됩니다. 

특히, 강한 강도의 운동 초기에 근육에 저장되어 있는 글리코겐이 가장 주된 에너지 공급원입니다.

계속되는 장시간의 운동에서도 근육의 저장된 글리코겐과 간에서부터 혈액을 통해 공급되는 글루코스는 운동을 지속하는데 필요한 에너지원을 공급하는 중요한 역할을 수행하고, 근육에서의 글리코겐 저하는 피로의 시작과 깊은 연관이 있는 것으로 보는 견해도 많습니다.

 

또한 탄수화물의 지속적인 공급은 단백질의 에너지 공급을 줄임으로써 고유의 기능인 인체 단백질형성에 사용하도록 하는 단백질 절약효과가 있습니다. 인체에서 탄수화물의 저하는 지방과 단백질 같은 대체 에너지의 요구를 증가시키게 됩니다. 

만일 금식이나 장시간의 운동에 의해 탄수화물이 저하되면 지방과 함께 당신생합성(gluconeogenesis) 과정을 통해 저장된 단백질이 에너지원으로 사용되어야만 합니다. 이러한 에너지원으로 사용되는 단백질은 주로 근육에서 제공된다고 불 수 있기 때문에 제지방 체중의 감소가 동반될 수 도 있습니다. 따라서 적절한 탄수화물 섭취는 단백질 조직을 보존하는데 도움을 준다고 할 수 있습니다. 

 

탄수화물의 공급이 원활하지 않을 경우, 지방의 산화도 완전히 이루어지지 않고 acetoacetate, 3-hydroxybutyrate, acetone과 같은 케톤체를 생성하는 케토시스 현상을 보입니다. 

따라서 탄수화물은 지방의 원활한 산화를 돕는 역할을 수행한다고 할 수 있습니다. 

탄수화물 분해로 생산된 oxaloacetate와 같은 krebs cycle 중간자는 지방 대사를 원활히 수행하기 위해 절대적으로 요구되는데 만약 금식, 장시간의 운동, 당뇨병 등과 같은 상황에서 탄수화물의 고갈 또는 부족으로 인해 탄수화물 대사가 불충분하게 일어나면, 결과적으로 oxaloacetate의 저하를 초래하게 되고, 불완전한 지방분해를 일으키며 케톤체라는 부산물 축적을 초래하게 됩니다. 

이런 상황은 인체 내 체액의 산성도를 증가시키고 일부 독성을 띠고 있어 세포에 치명적인 손상을 줄 수 도 있습니다.

특히 뇌와 중추신경계는 글루코스를 주 에너지원으로 사용하기 때문에 장기간의 금식 시 글루코스의 결핍은 과도한 케톤체의 형성을 초래하고, 뇌에서의 케톤 사용이 장기화되면서 뇌 기능에 장애를 일으킬 수 있습니다.

 

이 외에도 탄수화물은 아미노산, 지방산 등의 필수적인 화합물을 생체에서 합성하기도 하고, 생물학적으로 중요한 glucolipids, glycoproteins, heparin, nucleic acids 그리고 cartilage 등과 같은 화합물의 구조적 요소가 되기도 합니다. 

 

탄수화물의 에너지원으로서의 장점

탄수화물은 산소 1L당 5.1kcal 정도로 지방이 산소 1L당 4.7kcal를 생성하는 것에 비해 높은 에너지를 생성합니다.

따라서 적은 산소를 사용하면서 같은 수준의 에너지를 생성할 수 있기 때문에 산소의 공급이 부족한 고강도의 운동에서 더욱 이점이 있을 수 있습니다.

 

탄수화물은 유, 무산소적으로 모두 대사가 될 수 있다는 장점이 있습니다.

지방과 단백질이 산소가 있는 상태에서만 산화되고 에너지를 낼 수 있는 반면에, 탄수화물은 산소가 없는 상황에서도 pyruvate을 거쳐 젖산을 생성하면서 운동에 필요한 에너지를 공급할 수 있습니다.

 

또한, 운동 시작 시 탄수화물은 빠른 대사 경로를 통해 에너지를 제공할 수 있는 장점이 있습니다. 

운동하는 근육에 저장된 글리코겐은 저장된 ATP와 CP 다음으로 운동 시작 후 몇 초 안에 해당과정을 통해 빠른 에너지 공급이 가능하여 운동지속에 필요한 에너지를 공급하고 있습니다.

그리고 고강도의 운동 중 주요한 에너지원으로 기여할 수가 있습니다. 

뿐만 아니라 근육 내 글리코겐 저장은 근육 kg(wet muscle) 당 10~50g 까지도 저장할 수 있습니다.

따라서 근육과 간의 글리코겐 저장은 훈련과 식이요법에 의해 빠르고 많이 저장될 수 있는 장점도 있습니다.

 

탄수화물의 에너지원으로서의 단점

탄수화물이 유, 무산소적으로 모두 사용되지만 무산소적인 사용의 결과로 젖산의 축적이 일어나고, 젖산의 축적과 병행하는 수소이온의 증가는 세포 내 PH를 저하시킵니다.

그리고 이러한 대사적 산성증은 에너지 생성을 포함한 여러 가지 세포 내의 대사 과정들을 저해하고 피로를 유발하게 되어, 체내에 다른 에너지원들이 많이 있음에도 불구하고 운동을 지속할 수 없게 됩니다.

 

또한, 글리코겐 저장이 고갈되면 어느 정도의 힘든 운동은 계속 유지할 수가 없고 피로의 현상을 보이게 됩니다. 

그리고 다른 에너지원인 지방(약 100,000kcal)과 단백질(25,000kcal)에 비해 인체에서 이용할 수 있는 탄수화물(1,000~3,000kcal)의 총량은 비록 훈련된 상태일지라도 비교적 적다고 볼 수 있습니다.

또한 탄수화물은 많은 양의 물과 함께 저장되어 있습니다. 

이것은 저장 형태의 열량 값을 1.1kcal/g glycogen(wet weight)으로 줄어들게 합니다. 

그리고 식이요법에 의한 탄수화물의 저장량 증가는 수분증가에 의한 체중의 증가와 연관이 된다는 주장도 있습니다.