기본 에너지 시스템

세포는 아주 소량의 ATP만을 저장할 수 있으므로 근육 수축을 포함해서 모든 세포 대사에 필요한 에너지를 제공하기 위해서는 계 속해서 ATP를 만들어 내어야만 한다. 세포는 다음의 세 가지 대사 경로 중의 하나(또는 복합적으로)를 통해 ATP를 만들어 낸다.

 

1. ATP-PCr 시스템 (무산소 대사)
2. 해당 시스템(해당작용) (무산소 대사) (불충분한 산소를 사용)
3. 산화 시스템 (산화적 인산화) (유산소 대사)

 

처음 두 시스템은 산소 없이도 일어날 수 있으며 무산소대사로 불린다. 세 번째 시스템은 산소를 필요로 하며 따라서 유산소대사다.

 

ATP-PCr 시스템

가장 간단한 에너지 시스템은 ATP-PCr 시스템이다. 아주 적은 양의 ATIP를 저장하고 있는 것 외에도. 세포는 에너지를 포함하고 있는 또 다른 하나의 고에너지 화합물을 가지고 있다. 이러한 분자를 파스포크레아틴 (phosphocreatine) 또는 PCr이라고 부른다(크레아틴 파스페이 트라고도 부름). 이 간단한 경로는 ATP 생산을 위해 PCr의 P를 ADP에 제공하는 것을 포함한다. 세포 내에서 자유롭게 사용할 수 있는 제한된 양의 ATP와는 달리. PCr의 분해로 방출되는 에너지는 세포 활동에 직접적으로 사용되지 않는다. 그 대신 PCr은 ATP의 비교적 안정적인 공급을 유지하기 위한 ATP 재생산에 사용된다. PCr로부터의 에너지 방출은 효소인 크레아틴 카이네이스 (creatine kinase: CK)에 의해 촉진되며, 이것은 PCr에 작용하여 Pi를 크레아틴으로부터 분리시킨다. 방출되는 에너지는 Pi를 ADP 분자에 결합시키는 데 사용되며 따라서 ATP가 생성된다. 인산기의 분리에 의해 ATP로부터 에너지가 방출되더라도 ATP 재생성을 위 한 에너지와 Pi를 PCr 분해로부터 제공함으로써 세포는 ATP고갈을 방지할 수 있다.
음성되먹임 작용의 원리를 따르고 속도조절효소의 역할을 하면서, 크레아틴 카이네이스 활성은 ADP 또는 Pi의 농도가 증가하면 강화되고 ATP 농도가 증가하면 억제된다. 고강도 운동이 시작되면 근육세포 내에 있던 소량의 ATP는 곧바로 필요한 에너지를 제공하기 위해 ADP와 Pr로 분리된다. ADP 농도의 증가는 크레아틴 카이네이스의 활성을 강화시키며 PCr은 분해되면서 ATP를 생성한다. 운동이 진행되면서 추가적인 ATP가 다른 두 에너지 시스템에 의해 생성되면서-해당작용과 산화적 시스템-크레아틴 카이네이스 활성은 억제된다. ATP 생성을 위한 이 같은 PCr 분해 과정은 빠르게 진행되며 세포 내의 어떠한 특정 소기관과도 관련 없이 이루어질 수 있다.ATP-POr 시스템은 기질-수준 대사로 분류된다. 산소가 존재하더라도 일어날 수 있지만 이러한 과정은 산소를 필요로 하지 않는다. 짧은 시간 동안의 전력질주와 같은 아주 강도 높은 근육활동의 처음 몇 초 동안 ATP는 비교적 일정한 수준을 유지하지만 PCr 수준이 서서히 감소되기 시작하는데 그 이유는 소모된 ATP의 재보충에 PCr이 사용되기 때문이다. 하지만 탈진 상태가 될 때에는 ATP와 PCr 수준 두 가지 모두 아주 낮아지므로 근육의 수축과 이완을 위한 에너지를 더 이상 공급할 수 없게 된다. 그러므로 PCr로부터의 에너지로 ATP 수준을 유지하는 능력은 제한적이다. ATP와 PCr 저장량은 전력을 다하는 운동동안 겨우 3초에서 15초 정도의 근육 에너지 요구량을 제공할 수 있다. 운동시간이 그보다 길면 근육은 ATP 생성을 위해 다른 과정에 의존해야만 한다: 해당 과정과 산화적 경로.

해당 시스템

ATP-POr 시스템은 ATP 생산에 있어 제한된 능력을 가지고 있으며 겨우 몇 초를 지탱한다. ATP 생산의 두 번째 방법은 글루코스 분해를 통해 에너지를 방출시키는 것과 관련이 있다. 이러한 방법을 해당(glycolytic) 시스템이라고 부르는데 그 이유는 이 방법이 해당과정 효소들의 연속적인 작용에 의한 글루코스 분해 과정인 해당작용(glycolysis)을 포함하고 있기 때문이다. 해당작용은 ATP-PCr 시스템보다 더 복잡하다. 글루코스는 혈액 속에 순환하고 있는 전체 탄수화물의 약 99%를 차지한다. 혈액 글루코스(혈당)는 음식으로 섭취한 탄수화물의 소화 및 흡수에 의해(소장으로부터) 그리고 간 글리코겐의 분해에 의해 혈액 속에 나타난다. 글리코겐은 글루코스로부터 만들어지며 이러한 과정을 글리코겐합성(glycogenesis)이라고 부른다. 글리코겐의 분해가 필요할 때까지 글리코겐은 간이나 근육에 저장되어 있다가 글리코겐분해(glycogenolysis) 과정을 통해 글루코스 1-인산으로 분리된다.
글루코스나 글리코겐이 에너지를 생산하는 데 사용될 수 있도록 하기 위해서는 먼저 글루코스6-인산이라고 부르는 화합물로 바뀌 어져야 만 한다. 글루코스 분자를 이렇게 바꾸기 위해서는 한 개의 ATP 분자가 요구된다. 글리코겐의 경우에는 아무런 에너지의 소모가 없으면서 글루코스 1-인산으로부터 글루코스 6-인산이 만들어진다. 일단 글루코스 6-인산이 만들어지면 해당과정이 시작된다.
글리코겐을 파루브산으로 분해하려면 해당작용은 10~12단계의 효소 반응을 필요로 하며 피루브산은 젖산으로 바뀐다. 이러한 경로의 모든 단계 그리고 관련된 모든 효소들은 세포질 내에서 작용한다. 글리코겐 1 mole이 분해될 때마다 이 같은 과정을 통해 3 mole의 ATP 분자가 만들어진다. 만일 글리코겐 대신에 글루코스가 사용되면 2 mole의 ATP 분자를 얻게 되는데 그 이유는 글루코스를 글루코스 6-인산으로 바꾸기 위해서는 1 mole의 ATP가 사용되기 때문이다. 이러한 에너지 시스템은 많은 양의 AIP를 생산하지 않는 것이 분명하다. 하지만 이 같은 한계에도 불구하고, ATP-PCr과 해당과정 시스템의 복합적인 작용은 산소의 공급이 제한적일지라도 근육의 에너지 생산을 허용해 준다. 이러한 두 가지 시스템은 높은 강도 에서 운동할 때 처음 몇 분 동안 주도적인 역할을 한다.
무산소 해당작용의 또 다른 주요 제한점은 해당작용이 근육과 체액에 젖산 축적을 가져오는 것이다. 해당과정은 파루브산을 생성한 다. 이러한 과정은 산소를 요구하지 않지만 산소의 존재 유무는 피루브산의 운명을 결정짓는다. 산소가 없으면 피루브산은 화학식이 Cala0이고 산성 물질인 젖산으로 바뀐다. 무산소 해당작용은 젖산을 생성하지만 빠르게 분리되면서 젖산염이 형성된다.