에너지 대사

1. 에너지의 근원과 전환

 인체가 생명을 유지하고 성장하며 생리적 기능을 유지하기 위해서는 에너지가 필요하다. 우리가 사용하는 에너지의 원천은 태양 에너지이다. 식물은 태양에너지를 이용하여 광합성을 통해 탄수화물을 생성하고 이를 바탕으로 동물과 사람은 에너지를 얻게 된다. 인체는 식물성 식품과 동물성 식품을 섭취하여 얻은 에너지를 체내에서 ATP 형태로 전환시키고 이를 이용하여 생명을 유지하고 신체활동을 하게 된다.

 

① 식품에너지와 ATP

 포도당, 지방산, 아미노산에 저장되어 있는 식품에너지는 소화와 흡수과정을 거친 후, 세포에서 분해되고 미토콘드리아에서 전자전달계를 통과하며 화학적 에너지인 ATP로 전환된다. 이 과정에서 식품에너지의 약 20~45%만이 ATP로 전환되고 나머지는 열로 발산되어 체온을 유지한다. 

 ATP는 아데노신에 인산기가 3개 달린 화합물로 모든 생물의 세포 내에 존재하며, 생물의 에너지 대사에서 매우 중요한 역할을 하고 있는 물질이다. ATP는 효소의 작용으로 무기인산인 Pi 한 개가 떨어져 나오면서 ADP로 전환될 때 7.3kcal의 에너지를 방출하게 되는데 이 에너지가 신체의 근육운동, 대사 작용, 신경전달 작용 등에 사용된다. 

 

② 인체 에너지의 이용과 저장

 인체는 식품으로부터 얻은 에너지를 이용하여 일을 하지만 필요 이상의 에너지를 섭취하면 여분의 에너지는 체내에 저장된다. 포도다은 글리코겐으로 저장되고 여분의 아미노산, 지방산, 포도당은 모두 지방으로 전환되어 저장된다. 알코올은 7kcal를 발생하는데 에너지원으로 사용되기도 하나 과잉 섭취 시 지방으로 전환되어 체내에 저장된다. 반면에 에너지 섭취량이 인체 필요량보다 적을 경우에는 저장되었던 에너지원이 분해되어 이용된다. 간이나 근육에 저장된 글리코겐은 포도당으로 분해되고 지방조직에 저장된 지방은 지방산과 글리세롤로 분해되며, 체단백질은 아미노산으로 분해되어 에너지로 이용된다. 

 

2. 인체 에너지 대사량

 인체에서 소비되는 에너지로는 기초대사량(또는 휴식대사량), 활동대사량, 식이성 발열효과 그리고 적용대사량이 있다. 이들을 인체 에너지 대사량이라고 한다. 

 

① 기초대사량과 휴식대사량

기초대사량

 기초대사량이란 인체가 생명을 유지하기 위해서 필요한 최소한의 에너지 필요량으로 의식적인 근육 활동이 전혀 없는 완전한 휴식상태일 때 인체가 필요로 하는 에너지이다. 즉, 기초대사량은 체내의 항상성 유지, 신경 전달, 심장 박동, 혈액순환, 호흡운동, 체온 및 내분비선 유지 등에 필요한 에너지이다. 기초대사량은 식후 12시간이 경과하여 식이성 발열효과의 영향이 배제된 상태로 스트레스가 없는 쾌적한 환경조건에서 측정한다. 

휴식대사량

 휴식대사량이란 식사 후 몇 시간 지나서 아무런 육체적 운동 없이 편안한 자세로 앉았거나 누워 있는 상태에서 정상적인 신체기능과 체내 항상성을 유지하는데 소비되는 에너지로 기초대사량에 비해 약 10% 정도 많다. 하루 총소비에너지양의 60~75%를 휴식대사량이 차지한다. 

 

② 활동대사량

 인체가 활동을 한다는 것은 근육이 수축 운동을 한다는 것이다. 이 과정에서 에너지를 소비하게 되는데 이를 활동대사량 또는 활동을 위한 에너지 소비량이라 한다. 활동대사량은 1일 에너지 소비의 20~40% 정도를 차지하는데 활동 강도 및 활동 시간에 따라 달라지고, 체중과 체구성분에 의해 영향을 받는데 근육이 많을수록 활동을 할 때 에너지 소비량이 많아진다.

 

③ 식이성 발열효과

 섭취한 식품이 장에서 소화, 흡수되는 과정과 각 영양소가 체내에서 운반, 대사되는 과정에서 소비되는 에너지이다. 혼합 식사를 하는 경우 총 에너지 소비의 10% 정도를 이 에너지 대사량이 차지하는데 섭취하는 식사의 열량영양소 구성비에 따라 달라 단백질 섭취의 경우 가장 높고 지질섭취의 경우 낮아진다. 또한 강한 향신료에 의해 증가되기도 한다. 

 

④ 적응대사량

 인체가 변화하는 환경에 적응하기 위해 소비되는 에너지로 추위에 노출 되거나 과식, 부상, 스트레스 등의 상황에서 신경 및 호르몬 분비의 변화에 의해 열이 발생하여 소비되는 에너지를 말한다. 총 에너지 소비의 10% 정도를 차지하지만 실제 1일 에너지 필요량을 계산할 때에는 포함되지 않는다. 

 

3. 에너지 측정법

① 단위

 에너지를 표시하는 단위로는 칼로리와 줄이 있다. 1칼로리는 물 1mL를 섭씨 14.5℃에서 15.5℃로 상승시키는데 필요한 열량으로 에너지의 단위는 1,000칼로리를 단위로 하여 kcal를 사용한다.

 1줄은 1kg의 물체를 1m 이동시키는데 필요한 힘인 1N의 힘으로 물체를 1미터만큼 이동시키는데 필요한 에너지로

1kcal = 4.184kJ이다.

 

② 식품 에너지 측정법

 식품의 에너지는 봄 열량계로 측정하는데, 식품 시료가 연소할 때 발생하는 열을 물의 온도 변화를 이용하여 측정하여 식품 에너지를 kcal로 환산하는 방법이다. 

 봄 열량계에 일정량의 식품을 놓고 그 식품을 태우면 열이 발생하면서 공간을 둘러싸고 있는 물의 온도를 올리게 된다. 그러므로 식품을 태우기 전과 후의 물의 온도차를 알아내어 식품의 연소열을 계산할 수 있다. 봄 열량계로 식품의 열량을 측정하면 탄수화물은 1g에 4.15kcal, 지질은 9.45kcal, 단백질은 5.65kcal, 알코올은 7.1kcal의 연소열량을 나타낸다. 이 값들은 실제 인체에서 이용되어 나오는 생리적 에너지가 보다 높은데, 이는 인체의 에너지효율이 열량계보다 떨어지기 때문이다. 

 섭취된 식품은 체내에서 완전히 소화되지 못하므로 체내에서 사용될 수 있는 에너지는 측정된 연소열량에 소화흡수율을 곱해주어야 한다. 탄수화물, 지질, 단백질의 소화흡수율은 각각 0.98, 0.95, 0.92이므로 이를 곱해주면 소화가능 에너지가 계산된다. 한편 단백질이 에너지원으로 이용될 때에는 질소가 소변을 통해 배설되기 위하여 요소를 합성하는 과정에서 에너지가 손실되므로 단백질 1g당 요소합성에 소비되는 에너지양인 1.25kcal를 더 감해주어야 한다. 이렇게 소화흡수율과 체내에서 손실되는 에너지를 감안하면 인체에서 이용되는 각 열량 영양소의 1g당 생리적 에너지는 탄수화물 4kcal, 지질 9kcal, 단백질 4kcal 그리고 알코올 7kcal가 된다. 

봄 열량계

 

③ 인체 에너지 대사량 측정법

직접 열량측정법

 인체가 소비하는 에너지를 직접적으로 측정하는 방법으로 열량계 안에서 실험 대상자가 활동하는 동안 생성되어 발산되는 열을 측정하는 방법이 있다. 인체에서 사용된 에너지는 결국 열로 발산되는 것을 이용한 방법으로 식품의 열량을 측정하는 방법인 봄 열량계와 원리가 같다. 이 방법으로 인체 에너지 대사량을 측정하기 위해서는 특수한 설비가 필요하고 비용이 많이 들기 때문에 최근에는 거의 사용하지 않는 방법이다.

간접 열량측정법

 인체가 활동시 소비하는 산소량과 배출하는 이산화탄소량을 측정하여 각 활동 시 소비하는 에너지를 계산하는 방법으로 호흡계를 사용하여 산소와 이산화탄소의 양을 측정한다. 이는 인체가 열량영양소로부터 에너지를 낼 때 사용하는 에너지원의 종류에 따라 일정량의 산소를 소비하고 일정량의 이산화탄소를 배출한다는 사실에 기초를 둔 방법이다. 

이중표시 수분방법

 이중표시 수분방법은 에너지 소비량의 새로운 측정방법으로 인체의 이산화탄소 생성량을 측정하여 에너지 소비량을 산출하는 방법이다. 경구로 소량의 안정된 동위원소로 표지 된 ²H₂O와 H₂O¹⁸를 함유한 물을 섭취한 후 2주 동안 체내수분(뇨, 타액, 혈청)을 수시로 채취하여 두 동위원소의 제거율을 측정함으로써 동위원소의 농도변화를 측정하여 CO₂ 생성량을 산축하는 방법이다. 이 방법은 활동에 제한을 초래하지 않고 평상시의 활동방식을 그대로 유지하는 상태에서 에너지 소비량을 측정할 수 있으며 정확도가 뛰어나다. 그러나 안정된 동위원소 사용경비가 비싸고 시료분석 기기와 기술적인 전문성이 요구되는 등의 어려움으로 인하여 아직은 연구의 목적으로 제한적으로만 사용되고 있다.