Dietary Protein for Athletes: From Requirements to Optimum Adaptation

초록

본 리뷰는 다양한 스포츠 종목에 걸쳐 운동선수의 단백질 요구량을 검토하며, 결핍을 예방하는 데 필요한 최소 요구량과 훈련에 대한 적응 반응을 극대화하기 위한 최적 섭취량을 구별한다. 좌식 성인의 단백질 권장식이섭취량(recommended dietary allowance, RDA)은 체중 1 kg당 0.8 g/일이지만, 상당한 근거는 체계적인 저항성 운동 또는 지구력 운동에 참여하는 개인에게 이 권고량이 불충분함을 시사한다. 대사 추적자 연구, 질소 평형(nitrogen balance) 연구, 근육 단백질 전환 연구는 운동선수 집단의 경우 하루 체중 1 kg당 1.3–2.2 g의 단백질 섭취를 지지하며, 이 범위의 상한값은 양의 에너지 균형 기간에 골격근 비대(hypertrophy)를 극대화하려는 이들에게 가장 관련성이 높다. 하루 총 섭취량 외에도, 필수 아미노산(essential amino acid, EAA) 함량, 류신(leucine) 밀도, 소화율로 조작적으로 정의되는 단백질 질(protein quality)과 운동에 상대적인 식사 시기(meal timing)는 근육 단백질 합성 반응의 핵심 결정 인자이다. 본 리뷰는 저항성 운동, 지구력 스포츠, 복합 훈련(concurrent training), 에너지 제한 등 다양한 운동 맥락에서 증거 기반의 단백질 섭취 권고안을 제시하기 위해 현재의 근거를 종합한다 [1].

서론

단백질은 운동으로 유발된 교란 이후 골격근의 회복, 재형성, 성장에 있어 필수불가결한 역할을 하기 때문에 스포츠 영양학에서 중심적인 위치를 차지한다. 탄수화물 및 지질과 달리, 단백질은 나중에 동원할 수 있는 전용 저장 창고에 저장되지 않는다. 오히려 체내 단백질은 지속적인 합성과 분해의 동적 평형 상태로 존재하며, 특정 기간 동안 순 증가 또는 손실 여부는 이 두 과정의 균형에 의해 결정된다. 운동, 특히 저항성 운동은 근육 단백질 합성(muscle protein synthesis, MPS)과 근육 단백질 분해(muscle protein breakdown, MPB)를 동시에 자극하여 이 평형을 교란시키며, 식이 단백질은 순 근육 단백질 축적에 유리하도록 필요한 아미노산 기질을 제공한다 [1].

운동선수의 단백질 요구량에 관한 과학적 연구는 지난 40년에 걸쳐 상당히 발전해왔다. 초기의 질소 평형 방법론은 지구력 운동선수가 인구 RDA인 체중 1 kg당 0.8 g/일을 초과하는 단백질 섭취를 필요로 한다는 최초의 체계적 근거를 제공하였으며, Lemon과 동료들의 초기 연구에서 유산소 운동선수의 경우 약 1.2–1.4 g/kg/일, 근력 운동선수의 경우 1.4–1.8 g/kg/일이 제안되었다 [2]. 이후 안정 동위원소 추적자 방법론의 발전으로 섭식과 운동에 대한 반응으로 나타나는 MPS 및 MPB 유동량(flux)을 더욱 정밀하게 정량화할 수 있게 되어, 섭취 권고안이 정교해지고 동화 신호에 영향을 미치는 식이 단백질의 질적 측면에 대한 이해가 확장되었다.

단순히 "충분한" 단백질이 아닌 "최적의" 단백질 섭취 개념이 스포츠 영양학 문헌에서 주목받고 있으며, 결핍을 예방하기 위한 최소 요구량을 충족하는 것과 훈련에 대한 동화 반응을 극대화하는 것은 서로 다른 목표임을 인식하게 되었다. 근육량 증가, 운동 수행능력, 회복을 극대화하고자 하는 운동선수에게는 이용 가능한 근거에 의해 안전하고 내인성이 잘 유지되는 범위 내에서의 높은 섭취가 정당화될 수 있다 [3].

본 리뷰는 근거 기반이 가장 광범위한 저항성 훈련 집단을 중심으로, 다양한 운동 종목에 걸쳐 최적의 적응을 지원하는 데 필요한 식이 단백질의 양, 질, 섭취 시기를 다룬다.

운동선수의 단백질 요구량

방법론적 접근

운동선수 집단의 단백질 요구량을 확립하는 데 세 가지 주요 방법론이 사용되어 왔다: 질소 평형 분석, 안정 동위원소 추적자 연구, 지표 아미노산 산화(indicator amino acid oxidation, IAAO) 기법. 각 접근법은 고유한 가정과 한계를 가지며, 이들의 수렴이 섭취 권고안에 대한 가장 강력한 근거를 제공한다 [1].

질소 평형은 섭취된 질소(주로 식이 단백질을 통해)와 배설된 질소(소변, 대변, 피부를 통해) 사이의 차이를 측정한다. 순 근육 단백질 축적을 위해서는 양의 질소 평형이 필요하다. 이 방법은 운동선수가 중립 또는 양의 질소 평형을 유지하기 위해 체중 1 kg당 0.8 g/일의 RDA를 초과하는 단백질 섭취가 필요함을 확인하였으며, 저항성 운동 집단의 경우 초기 추정치는 1.4–1.8 g/kg/일이었다 [2]. 그러나 질소 평형은 불완전한 채집과 적응 인위물(adaptation artifact)로 인해 요구량을 체계적으로 과대평가하는 경향이 있다.

안정 동위원소 추적자 연구는 MPS와 MPB 속도를 독립적으로 정량화하여 조직 수준에서의 단백질 균형 평가를 가능하게 함으로써 기계론적 통찰을 제공한다. 이 연구들은 식사당 단백질 섭취량과 MPS 속도 사이의 용량-반응 관계를 확립하였으며, 젊은 성인에서 운동 후 MPS를 최대로 자극하는 데는 고품질 단백질 약 20–40 g이 필요하고, 노인에서는 동화 저항성(anabolic resistance)으로 인해 요구량이 더 높을 수 있음을 보여주었다 [3].

근거 기반 권고안

현재까지의 문헌을 종합하면 운동선수에게 다음의 단백질 섭취 권고안을 지지한다:

• 저항성 운동 선수(근비대 목표): 양의 에너지 균형에서 근육 단백질 축적을 극대화하기 위한 근거 기반 범위는 체중 1 kg당 1.6–2.2 g/일이다. 대부분의 개인에서 약 2.2 g/kg/일을 초과하는 섭취는 추가적인 동화 이점을 제공하지 않는 것으로 보이지만, 해롭지는 않으며 포만감을 지원할 수 있다.

• 지구력 운동선수: 유산소 훈련에 따른 미토콘드리아 단백질 재형성, 결합 조직 유지, 적절한 근원섬유 단백질 전환을 지원하는 데는 일반적으로 체중 1 kg당 1.2–1.6 g/일로 충분하다.

• 에너지 결핍 상태의 운동선수: 칼로리 제한 기간에 요구량이 증가하며, 체중 감량이나 식이 단계에서 제지방량(fat-free mass) 손실을 줄이기 위해 제지방량 1 kg당 2.3–3.1 g이 권고된다 [1].

이 권고안은 하루 총 단백질 섭취 목표를 나타내며, 식사 전반에 걸친 분배는 단백질 이용 효율의 독립적 결정 인자로서 단백질 섭취 시기의 맥락에서 별도로 다룬다.

단백질의 질과 섭취 시기

단백질의 질

모든 식이 단백질이 MPS를 자극하는 능력에서 동등하지는 않다. 단백질의 질은 필수 아미노산(EAA) 프로파일 — 특히 류신(leucine) 함량 — 과 소화율 및 흡수 동태(absorption kinetics)에 의해 결정된다. 류신은 단백질 합성의 기질 역할을 할 뿐 아니라 리보솜 생합성(ribosomal biogenesis)과 번역 활성의 주요 조절 노드인 mTORC1 경로를 활성화하는 신호 분자로도 기능한다 [1].

동물성 단백질(유청, 카제인, 달걀, 육류, 생선)은 완전한 EAA 프로파일과 높은 류신 함량(유청 단백질에서 일반적으로 총 아미노산의 8–11%)을 기반으로 일반적으로 더 높은 질의 공급원으로 평가된다. 치즈 생산 과정에서 우유로부터 추출된 유청(whey) 단백질은 빠른 소화 및 흡수 동태와 높은 류신 농도로 특히 높이 평가되며, 이러한 특성들이 결합되어 강하고 일시적인 MPS 반응을 유도하여 운동 후 동화 창(anabolic window)에 적합하다 [2].

식물성 단백질 공급원(대두, 완두콩, 쌀, 밀)은 낮은 EAA 함량, 감소된 류신 밀도, 완전식품 형태에서의 낮은 소화율로 인해 일반적으로 동화 질(anabolic quality)이 낮다. 그러나 단백질 혼합(protein blending) 및 류신 강화(leucine fortification) 전략은 이 질적 격차를 실질적으로 좁힐 수 있다. 잘 설계된 식물성 단백질 조합(예: 완두콩 + 쌀)은 낮은 EAA 함량을 보완하는 용량으로 섭취할 때 유청과 유사한 MPS 반응을 근사할 수 있다 [3].

단백질 섭취 시기

"동화 창(anabolic window)" — 단백질을 반드시 섭취해야 MPS를 극대화할 수 있는 운동 후 좁은 시간대 — 의 개념은 최근 연구에 의해 상당히 수정되었다. 운동 직후 수 시간 내에 MPS의 급성 상승이 최대에 이르고 이 기간 내 식이 단백질 섭취가 동화 반응을 향상시키는 것은 사실이지만, 기회의 창은 원래 제안된 것보다 훨씬 넓어 대부분의 훈련된 개인에서 운동 후 4–6시간까지 연장될 수 있다 [1].

정확한 운동 후 섭취 시기보다 실용적으로 더 중요한 것은 하루 총 단백질 섭취량과 식사 기회 전반에 걸친 분배이다. 취침 전 단백질 섭취(취침 전 서서히 소화되는 카제인 30–40 g)는 야간 단백질 축적을 제한하는 장시간의 야간 공복 기간 동안 야간 MPS를 향상시키는 근거 기반 전략으로 부상하였다 [2].

실용적 권고안

하루 섭취 목표

근비대(hypertrophy)를 목표로 저항성 운동을 하는 운동선수는 체중 1 kg당 하루 1.6–2.2 g의 단백질을 목표로 해야 한다. 체중 75 kg의 남성이라면 하루 약 120–165 g의 단백질을 섭취하게 된다. 지구력 운동선수는 1.2–1.6 g/kg/일로 충분한 적응을 달성할 수 있으며, 에너지 결핍 상태에 있거나 복합 훈련에 참여하는 운동선수는 제지방량 보호를 위해 표준 범위의 상한 또는 그 이상의 섭취가 도움이 될 수 있다 [1].

식사 분배 전략

하루 단백질의 대부분을 한두 번의 대용량 식사로 섭취하는 대신, 하루 3–5회 식사에 걸쳐 분배하면 MPS를 자극하는 식사 기회의 횟수를 극대화할 수 있다. 각 식사는 체중 1 kg당 약 0.25–0.40 g, 대부분의 성인에게는 20–40 g이 포함되어야 한다. 이러한 분배 전략은 각 식사 기회에서 mTORC1 활성화에 필요한 류신 역치에 도달하도록 보장하여 하루 총 단백질 섭취의 동화 효율을 극대화한다 [2].

공급원 선택

류신이 풍부한 고품질 단백질 공급원에 우선순위를 두어야 한다. 실용적인 식이 선택지는 다음과 같다:

• 유청 단백질(Whey protein): 빠른 흡수, 높은 류신 함량, 운동 후 이상적
• 카제인(Casein)(코티지 치즈, 그릭 요거트, 카제인 파우더): 느린 흡수, 취침 전 이상적
• 달걀: 완전한 EAA 프로파일, 높은 생체이용률
• 저지방 육류 및 생선: 높은 단백질 밀도, 완전한 EAA 프로파일
• 콩류 + 곡류: 식물성 운동선수를 위한 상호 보완적 제한 아미노산 구성

특수 집단

노인(65세 이상)은 동화 저항성(anabolic resistance)을 보이며 — 동일한 단백질 용량에 대한 MPS 반응이 둔화됨 — 젊은 성인에서 0.25 g/kg와 동일한 동화 자극을 달성하기 위해 식사당 0.40 g/kg이 필요할 수 있다. 이 집단에서 증가된 단백질 섭취는 근감소증(sarcopenia) 관련 기능적 쇠퇴 위험 감소와도 관련이 있다 [3]. 칼로리 제한을 받고 있는 운동선수는 단백질 섭취를 우선시해야 하며, 결핍 단계에서 제지방량을 보존하기 위해 잠재적으로 제지방량 1 kg당 2.3–3.1 g에 달할 수 있다.