Exercise and the Regulation of Mitochondrial Turnover

초록

존 2(Zone 2) 훈련(첫 번째 젖산 역치(LT1, first lactate threshold) 이하에서 수행되는 지속적인 유산소 운동으로, 최대 심박수의 약 60~70%에 해당)은 지구력 훈련 방법론의 초석으로 부상하였으며, 운동 능력 향상을 넘어 대사 건강 이점으로 점점 더 인정받고 있다. 본 리뷰는 존 2 훈련의 세포적·전신적 적응을 검토하며, 특히 미토콘드리아 생합성(mitochondrial biogenesis), 지방 산화 능력, 인슐린 민감도, 심혈관 건강에 주안점을 둔다.

존 2 훈련은 높은 미토콘드리아 밀도와 산화적 능력이 특징인 제1형(지근, slow-twitch) 근섬유를 선택적으로 동원한다. 이 강도에서의 지속적인 훈련은 PGC-1α 및 관련 전사 인자의 활성화를 통해 미토콘드리아 생합성을 촉진하여 미토콘드리아 밀도와 기능 모두를 향상시킨다. 이러한 적응은 향상된 지방 산화 능력, 최대하 강도에서 탄수화물 산화에 대한 의존도 감소, 향상된 대사 유연성(metabolic flexibility)으로 해석된다.

전신 수준에서 존 2 훈련은 인슐린 민감도를 향상시키고, 중성지방을 감소시키며, 안정 심박수를 낮추고, 심혈관 위험 요인을 완화한다. 미토콘드리아 기능 이상이 대사 질환의 공통적인 상류 유발 요인이며, 존 2 훈련의 미토콘드리아 적응이 인슐린 저항성, 제2형 당뇨병, 대사 증후군에서 치료적 이점을 가져다줄 수 있다는 신흥 증거가 있다. 저항 훈련과 존 2 훈련을 통합하기 위한 실용적인 프로그래밍 권고사항을 제공한다.

서론

운동 강도 구역의 개념은 수십 년간 지구력 스포츠 훈련 방법론의 기초 요소였다. 이러한 구역들 중에서 존 2(첫 번째 젖산 역치(LT1) 또는 환기 역치(VT1) 이하에서의 지속적인 유산소 운동으로 정의)는 역사적으로 지구력 선수들이 유산소 기반을 구축하기 위해 수행하는 고볼륨, 저강도 기초 훈련과 연관되어 있었다. 최근 몇 년간 존 2 훈련은 미토콘드리아 생물학과 대사 질환 병태생리학에 대한 이해가 성장하면서 부분적으로 동기 부여되어, 치료적이고 건강 최적화 방식으로 더 광범위한 관심을 끌고 있다 [1].

젖산 역치는 중요한 대사 경계를 나타낸다. LT1 이하(존 2)에서 신체는 주로 지방을 연료로 산화하고, 젖산 생성은 제거에 의해 균형을 이루며, 운동은 연장된 시간 동안 지속될 수 있다. LT1 이상에서는 탄수화물 산화가 점점 더 지배적이 되고, 젖산이 축적되기 시작하며, 지속 가능한 노력의 기간은 점차 제한된다 [2]. 존 2 훈련은 따라서 제1형 근섬유의 산화적 기계 장치와 그 안의 미토콘드리아 네트워크를 특이적으로 도전하여, 고강도 훈련에 의해 생성된 것과는 질적으로 다른 적응을 유발한다.

미토콘드리아 기능 이상은 인슐린 저항성, 제2형 당뇨병, 비알코올성 지방간 질환, 심혈관 질환의 중심적 특징으로 확인되었다 [3]. 감소된 미토콘드리아 산화적 인산화 능력, 감소된 지방 산화율, 손상된 미토콘드리아 품질 관리(자가소화작용과 생합성)는 이러한 상태를 가진 개인의 대사 조직을 특징짓는다. 존 2 훈련이 이러한 미토콘드리아 결핍을 직접적으로 표적으로 하고 역전시킨다는 전제는 이를 독특하게 강력한 예방적이고 치료적인 운동 방식으로 자리매김한다.

본 리뷰는 존 2 훈련의 미토콘드리아 기능과 대사 건강에 대한 분자적, 세포적, 전신적 증거를 검토하며, 기전적 경로와 실용적 구현 전략에 특별한 주의를 기울인다.

참고문헌

[1] San-Millan I, Brooks GA. Assessment of metabolic flexibility by means of measuring blood lactate. J Appl Physiol. 2018;124:1548–1560. [2] Wasserman K, et al. Anaerobic threshold and respiratory gas exchange during exercise. J Appl Physiol. 1973;35:236–243. [3] Petersen KF, et al. Impaired mitochondrial activity in the insulin-resistant offspring of patients with type 2 diabetes. N Engl J Med. 2004;350:664–671.

미토콘드리아 기능과 존 2 훈련

미토콘드리아 생합성

존 2 훈련은 골격근에서 미토콘드리아 생합성(mitochondrial biogenesis)을 위한 가장 강력한 자극 중 하나이다. 주요 분자 매개체는 퍼옥시솜 증식자 활성화 수용체 감마 코액티베이터-1 알파(PGC-1α, peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha)로, AMPK와 칼슘/칼모듈린 의존성 단백질 키나아제(CaMKII)를 포함한 여러 상류 신호를 통해 존 2 강도의 운동에 반응하여 활성화된다 [1]. PGC-1α는 핵 호흡 인자(NRF-1, NRF-2)와 미토콘드리아 전사 인자 A(TFAM)를 활성화하여, 산화적 인산화 기계 장치의 핵-인코딩 및 미토콘드리아-인코딩 구성 요소의 협조적 발현을 유도한다.

만성적인 존 2 훈련은 미토콘드리아 밀도(근육 단위 부피당 미토콘드리아 수)와 기존 미토콘드리아의 기능적 능력 모두를 증가시킨다. 훈련된 지구력 선수들은 앉아서 생활하는 개인에 비해 지근 섬유에서 최대 2~3배 더 높은 미토콘드리아 밀도를 가질 수 있다 [2]. 이 확장된 미토콘드리아 질량은 세포의 산화적 인산화와 지방 산화 능력을 근본적으로 증가시킨다.

지방 산화 능력

존 2 훈련에 대한 대표적인 적응은 향상된 지방 산화 능력이다. 이 향상은 여러 통합된 적응을 반영한다: 증가된 미토콘드리아 밀도, 베타 산화 경로의 효소 상향 조절(지방산의 미토콘드리아 진입을 조절하는 카르니틴 팔미토일트랜스퍼라아제 I 포함), 즉각적으로 접근 가능한 국소 지방 저장소로서의 근육내 중성지방 함량 증가, 전신 순환에서 전달된 유리 지방산을 산화하는 향상된 능력 [3].

실용적인 측면에서 이러한 적응들은 훈련된 개인이 비훈련 개인에서 해당당분해(glycolytic) 경로를 포화시킬 출력 수준에서도 더 높은 절대적 운동 강도에서 지방을 산화할 수 있게 하여, 탄수화물 저장을 그것이 필요한 더 높은 강도의 노력을 위해 "절약"한다. 엘리트 지구력 선수들은 비훈련 개인에서 해당당분해 경로를 포화시킬 출력 수준에서도 높은 지방 산화율을 유지할 수 있다, 장시간 운동에서 중요한 수행 이점.

미토콘드리아 품질 관리

생합성을 넘어, 존 2 훈련은 미토파지(mitophagy, 손상된 미토콘드리아의 선택적 자가소화작용)와 융합/분열 역학의 상향 조절을 통해 미토콘드리아 품질 관리를 향상시킨다 [4]. 건강한 미토콘드리아 품질 관리는 과도한 반응성 산소종(ROS)을 생성하고 세포 산화 스트레스에 기여하는 기능 이상 미토콘드리아의 축적을 방지한다. 이 미토콘드리아 품질 유지 효과는 기능 이상 미토콘드리아가 인슐린 저항성의 병인에 점점 더 관련되는 것으로 확인됨에 따라 대사 질환 예방에 특히 관련이 있을 수 있다.

젖산 역학

존 2 훈련의 중요하지만 종종 간과되는 측면은 젖산 제거 능력에 대한 효과이다. 운동 중 해당당분해 제2형 섬유에 의해 생성된 젖산은 제1형 섬유와 심근의 중요한 연료 기질이다 [5]. 존 2 훈련은 산화적 섬유가 모노카르복실레이트 수송체 1(MCT1)과 젖산 탈수소효소 B(LDH-B) 시스템을 통해 젖산을 흡수하고 산화하는 능력을 향상시켜, 젖산 역치를 높이고 운동의 대사 부산물을 관리하는 신체의 전반적인 능력을 향상시킨다.

참고문헌

[1] Liang H, Ward WF. PGC-1α: a key regulator of energy metabolism. Adv Physiol Educ. 2006;30:145–151. [2] Hoppeler H, Flück M. Plasticity of skeletal muscle mitochondria. J Exp Biol. 2003;206:2143–2152. [3] Spriet LL. New insights into the interaction of carbohydrate and fat metabolism during exercise. Sports Med. 2014;44:87–96. [4] Hood DA, et al. Maintenance of skeletal muscle mitochondria in health, exercise, and aging. Annu Rev Physiol. 2019;81:19–41. [5] Brooks GA. The science and translation of lactate shuttle theory. Cell Metab. 2018;27:757–785.

대사 건강 이점

인슐린 민감도

인슐린 민감도 향상은 존 2 훈련의 가장 임상적으로 중요한 이점 중 하나이다. 여러 기전이 이 효과에 기여한다. 첫째, 향상된 미토콘드리아 산화 능력은 근육 내 지방 산화를 향상시켜, 인슐린 신호를 방해하는 지질 중간체(이아실글리세롤, 세라마이드)의 축적을 감소시킨다 [1]. 둘째, 운동 수축 자체가 인슐린과 독립적으로 근육 세포막으로의 GLUT4 전위를 자극하여, 운동 중 및 이후 수 시간 동안 포도당 흡수를 향상시킨다. 셋째, 골격근과 간의 이소성(ectopic) 지방 축적 감소(존 2 훈련을 통한 정기적인 지방 산화에 의해 향상된)가 인슐린 수용체 민감도를 향상시킨다.

역학적 및 개입 연구들은 심폐 체력(훈련 볼륨 및 강도 분포에 의해 실질적으로 결정되는)이 인슐린 저항성 및 제2형 당뇨병 위험과 강력하고 역비례적으로 연관되어 있음을 일관되게 보여준다 [2]. 미토콘드리아 산화적 적응을 가장 직접적으로 유발하는 방식인 존 2 훈련은 이 측면에서 특히 강력한 것으로 보인다.

심혈관 건강

존 2 훈련은 포괄적인 심혈관 적응 세트를 만들어낸다. 심박출량(cardiac output)은 증가된 일회 박출량(심실 충만 및 수축력 향상—"선수 심장(athlete's heart)" 형태학)과 최적화된 심박수 반응 모두를 통해 증가한다. 안정 심박수는 훈련과 함께 감소하며, 이는 향상된 부교감 긴장도와 내재적 동방결절(sinoatrial node) 적응을 반영한다 [3]. 말초 혈관 적응에는 훈련된 근육의 모세혈관화와 향상된 내피 기능이 포함되어 말초 혈관 저항을 감소시키고 조직 산소 전달을 향상시킨다.

전신 수준에서 존 2 훈련은 혈장 중성지방을 감소시키고, HDL 콜레스테롤을 증가시키며, 혈압을 낮추고, 전신 염증(C-반응 단백질, 인터류킨-6)을 감소시킨다. 이러한 집합적 심혈관 적응은 주요 심혈관 이상 사건의 위험을 실질적으로 감소시키며, 심폐 체력의 각 단위 증가는 전체 원인 사망률의 약 13% 감소와 관련이 있다 [4].

대사 유연성

"대사 유연성(metabolic flexibility)"이란 기질 가용성과 운동 강도에 반응하여 지방과 탄수화물 산화 사이를 빠르게 전환하는 유기체의 능력을 말한다. 존 2 훈련은 최대하 강도에서 지방 산화 능력을 증가시키고, 탄수화물이 지배적인 연료가 되는 속도를 감소시키며, 젖산 제거 역학을 향상시킴으로써 대사 유연성을 향상시킨다 [5]. 대사적으로 유연하지 않은 개인(인슐린 저항성과 비만의 특징)은 휴식 및 저강도 운동 중 지방 산화가 둔화되며, 존 2 훈련은 이 유연성을 회복하는 가장 효과적인 개입 중 하나이다.

참고문헌

[1] Samuel VT, Shulman GI. The pathogenesis of insulin resistance: integrating signaling pathways. Cell. 2012;148:852–871. [2] Kodama S, et al. Cardiorespiratory fitness as a quantitative predictor of all-cause mortality. JAMA. 2009;301:2024–2035. [3] Pluim BM, et al. The athlete's heart: a meta-analysis of cardiac structure and function. Circulation. 1999;100:336–344. [4] Blair SN, et al. Physical fitness and all-cause mortality. JAMA. 1989;262:2395–2401. [5] San-Millan I, Brooks GA. Reexamination of cancer hallmarks through the lens of mitochondrial dysfunction. Mitochondrion. 2017;37:1–11.

실용적 프로그래밍

존 2 강도 확인

존 2는 생리학적으로 최대 지방 산화와 젖산 정상 상태에 해당하는 강도(특히 첫 번째 젖산 역치(LT1) 이하)로 정의된다. 실용적으로 존 2는 여러 방법을 사용하여 확인할 수 있다:

대화 테스트: 개인이 호흡 곤란 없이 완전한 문장으로 말할 수 있다. 문장을 완성하는 데 어려움이 있으면 존 2 이상의 강도를 나타낸다.

심박수: 대부분의 개인에게 최대 심박수(HRmax)의 약 60~70%. 더 정확한 추정치는 나이를 뺀 180이라는 조잡한 경험 법칙이지만, 이는 개인 간에 실질적으로 다를 수 있다.

젖산 검사: 황금 기준은 다양한 운동 강도에서의 혈중 젖산 실험실 측정으로, LT1을 젖산이 안정 수준 이상으로 상승하기 시작하는 변곡점으로 확인한다(일반적으로 1.5~2.0 mmol/L).

지각된 노력: 1~10 척도에서 RPE 3~4, 또는 "가벼운에서 보통" 노력—30~60분 연속으로 지속할 수 있을 만큼 편안한.

볼륨 권고사항

현재 증거는 엘리트 지구력 선수의 대다수가 총 훈련 볼륨의 약 80%를 존 2(저강도)에서 20%를 고강도에서 수행한다고 시사한다, 소위 "양극화(polarized)" 훈련 모델 [1]. 비선수의 일반적인 건강 최적화를 위해 목표는 주 150~300분의 존 2 훈련으로, 중강도 운동에 대한 주요 공중 보건 지침과 일치한다.

저항 훈련과 존 2 훈련을 결합하는 개인의 경우, 주 2~3회의 세션당 30~60분이 저항 훈련 적응에 대한 간섭을 최소화하면서 존 2의 대사 건강 및 체력 이점을 제공한다 [2].

방식 선택

존 2는 어떠한 유산소 방식에서도 수행될 수 있다: 사이클링, 걷기, 달리기, 로잉, 타원 기기, 또는 수영. 방식 선택은 근골격 부하(달리기는 사이클링보다 더 높은 충격력을 부과), 즐거움과 순응도, 누적 피로에 기여할 수 있는 하체 저항 훈련과의 중복을 고려해야 한다.

저항 훈련과의 통합

근육 비대와 대사 건강 모두를 추구하는 개인들을 위해, 다음 일정 프레임워크가 간섭을 최소화한다: - 가능하면 저항 훈련과 다른 날에 존 2 세션을 수행 - 같은 날 훈련이 필요한 경우, 저항 훈련이 존 2 앞에 와야 함 - 존 2 강도를 진정으로 존 2로 유지; 존 3~4로 표류하면 AMPK 활성화와 간섭 잠재력을 실질적으로 증가시킴 [3]

적응 일정

지방 산화와 젖산 역치에서 측정 가능한 향상은 일반적으로 적절한 볼륨으로 일관된 존 2 훈련의 4~8주 이내에 나타난다. 실질적인 미토콘드리아 리모델링과 심혈관 적응은 3~6개월에 걸쳐 축적된다. 존 2 훈련은 단기 개입이 아닌 대사적·심혈관 건강에 대한 장기적인 인프라 투자로 간주해야 한다.

참고문헌

[1] Seiler S, Kjerland GØ. Quantifying training intensity distribution in elite endurance athletes. Scand J Med Sci Sports. 2006;16:49–56. [2] Murach KA, Bagley JR. Skeletal muscle hypertrophy with concurrent exercise training. J Strength Cond Res. 2016;30:1991–2004. [3] Baar K. Using molecular biology to maximize concurrent training. Sports Med. 2014;44:117–125.