Energy System과 Training

오늘은 운동시에 사용되는 에너지 시스템에 대한 이야기를 해볼까 합니다.

갑자기 이런 주제를 꺼내면, 아마 이렇게 생각하시는 분들이 있을 겁니다. “아 또 이론적인 이야기만 잔뜩 하는 구나, 구체적으로 써먹을 수 있는 이야기나 해주지”라고 말이죠. ㅎㅎ 글쎄요. 제가 만약 모든 경우에 따른 구체적인 이야기만 하고 스스로 원리 파악을 하려고 하지 않는다면, 그냥 처음 예제로 알려드리는 스케쥴 대로 진행할 수 밖에 없지 않나 합니다. 상황에 따른 대응이나 변형도 제대로 못하게 되고, 하루 하루의 운동이 가지는 의미를 파악하지 못한다면, 동기 부여도 잘 안되어서 훈련 효과도 적게 나오고 말이죠.

말을 돌려 가면서 이야기 했는데, 결국은 본인이 하는 운동이 어떤 의미에서 하고 있다는 것 쯤은 알고서 해야 한다는 것입니다. 코치가 가르쳐 주던지 아니면 스스로 공부해서 이해하고 하던지 말이죠.

사실 이러한 내용은 상당히 지루하고 재미 없는 부분입니다. 필자의 경우도 학창 시절 화학을 그렇게 즐겨 공부하던 그런 학생이 아니었기 때문에(사실 잼병이었습니다. ㅎㅎ) 왠지 화학식 비스무리한 것만 나와도 거부감이 드는 것이 사실입니다.

대부분의 싸이클 훈련 관련 또는 싸이클링에 대한 과학적인 접근을 보이는 책들은 너나 할 것 없이 모두 싸이클링 도중에 사용되는 에너지 시스템에 대하여 설명하는 챕터를 하나씩 가지고 있습니다. 하지만 대부분의 사람들은 이 부분의 설명이나 용어가 어려운 관계로 건너 뛰거나 대충 읽는 경향이 많습니다.

사실 결론은 생각보다 간단하거든요. 유산소와 무산소로 운동이 나뉘게 되고 유산소 운동은 지방 사용을 함으로서 오랜 시간 운동이 가능하지만 무산소 운동의 경우 탄수화물을 사용하게 됨으로서 짧은 시간 동안 강한 운동을 할 수 있다. 그럼으로 오랜 시간 운동하려면 지방을 소모하는 유산소 운동을 해야 한다 정도입니다.

그런데도 불구하고 왜 수 많은 책들은 똑 같은 내용을 더 많이 길게 설명하는 걸까요? 그건 이 내용이 그만 큼 중요한 내용이기 때문이라고 생각합니다. 그럼 뭐가 중요하냐고요?

그럼 많은 분들이 알고 계시는 훈련을 할때 중요하다고 알고 있는 것에 대하여 하나 이야기 해 볼까요? 바로 훈련을 하기 전에 각자 개인의 것을 만들기 위해 각종 Test를 하는 바로 Sports Zone입니다.

예전에 포스팅 하였던 http://cyclinglab.tistory.com/2 를 참고 하셔도 됩니다.

아래는 TrainingPeaks.com에 있는 Andrew Coggan 박사가 작성한 글에서 따온 내용입니다.

Table 1 - Power Based Training Levels (Coggan Power Zones)

Level	Name	Average Power	Average HR	Perceived Exertion	Description
1	Active Recovery	<55%	<68	<2	"Easy spinning" or "light pedal pressure", i.e., very low level exercise, too low in and of itself to induce significant physiological adaptations. Minimal sensation of leg effort/fatigue. Requires no concentration to maintain pace, and continuous conversation possible. Typically used for active recovery after strenuous training days (or races), between interval efforts, or for socializing.
2	Endurance	56-75%	69-83%	2-3	"All day" pace, or classic long slow distance (LSD) training. Sensation of leg effort/fatigue generally low, but may rise periodically to higher levels (e.g., when climbing). Concentration generally required to maintain effort only at highest end of range and/or during longer training sessions. Breathing is more regular than at level 1, but continuous conversation still possible. Frequent (daily) training sessions of moderate duration (e.g., 2 h) at level 2 possible (provided dietary carbohydrate intake is adequate), but complete recovery from very long workouts may take more than 24 hs.
3	Tempo	76-90%	84-94%	3-4	Typical intensity of fartlek workout, 'spirited' group ride, or briskly moving paceline. More frequent/greater sensation of leg effort/fatigue than at level 2. Requires concentration to maintain alone, especially at upper end of range, to prevent effort from falling back to level 2. Breathing deeper and more rhythmic than level 2, such that any conversation must be somewhat halting, but not as difficult as at level 4. Recovery from level 3 training sessions more difficult than after level 2 workouts, but consecutive days of level 3 training still possible if duration is not excessive and dietary carbohydrate intake is adequate.
4	Lactate Threshold	91-105%	95-105%(may not be achieved during initial phases of effort(s))	4-5	Just below to just above TT effort, taking into account duration, current fitness, environmental conditions, etc. Essentially continuous sensation of moderate or even greater leg effort/fatigue. Continuous conversation difficult at best, due to depth/frequency of breathing. Effort sufficiently high that sustained exercise at this level is mentally very taxing - therefore typically performed in training as multiple 'repeats', 'modules', or 'blocks' of 10-30 min duration. Consecutive days of training at level 4 possible, but such workouts generally only performed when sufficiently rested/recovered from prior training so as to be able to maintain intensity.
5	VO2 Max	106-120%	>106%	6-7	Typical intensity of longer (3-8 min) intervals intended to increase VO2max. Strong to severe sensations of leg effort/fatigue, such that completion of more than 30-40 min total training time is difficult at best. Conversation not possible due to often 'ragged' breathing. Should generally be attempted only when adequately recovered from prior training - consecutive days of level 5 work not necessarily desirable even if possible. Note: At this level, the average heart rate may not be due to slowness of heart rate response and/or ceiling imposed by maximum heart rate)
6	Anaerobic Capacity	>121%	N/A	>7	Short (30 s to 3 min), high intensity intervals designed to increase anaerobic capacity. Heart rate generally not useful as guide to intensity due to non-steady-state nature of effort. Severe sensation of leg effort/fatigue, and conversation impossible. Consecutive days of extended level 6 training usually not attempted.
7	Neuromuscular Power	N/A	N/A	*  (Maximal)	Very short, very high intensity efforts (e.g., jumps, standing starts, short sprints) that generally place greater stress on musculoskeletal rather than metabolic systems. Power useful as guide, but only in reference to prior similar efforts, not TT pace.

Table 2 - Expected physiological/performance adaptations resulting from training at levels 1-7:

	1	2	3	4	5	6	7
Increased plasma volume
Increased muscle mitochondrial enzymes
Increased lactate threshold
Increased muscle glycogen storage
Hypertrophy of slow twitch muscle fibers
Increased muscle capillarization
Interconversion of fast twitch muscle fibers (type IIb -> type IIa)
Increased stroke volume/maximal cardiac output
Increased VO2 Max
Increased muscle high engergy phosphate (ATP/PCr) Stores
Increased anaerobic capacity ("lactate tolerance")
Hypertrophy of fast twitch fibers
Increased neuromuscular power

출처 : http://home.trainingpeaks.com/articles/cycling/power-training-levels,-by-andrew-coggan.aspx

Table 1에서는 흔히 많이 보셨던 Sports Zone 을 나눠논 표입니다.

Table 2는 각각의 운동 대역에서 운동할 경우 얻을 수 있는 효과에 대하여 기술한 것입니다.

이렇게 Sport Zone이 나뉘는 가장 큰 기준은 바로 에너지 시스템이 변화되는 것에 따라 나누어 놓은 것입니다. 그렇다면, 구체적으로 우리 몸속의 에너지 시스템으로는 어떠한 것들이 있는지 살펴 볼까요?

일단 모든 에너지 시스템의 목표는 결국 ATP(아데노신3인산)를 만들어서 에너지화 하는 것입니다.

ATP를 만들어 내는 에너지 시스템으로 우리 몸에는 크게 4가지 에너지 시스템이 존재합니다. ATP-PC, Glycolysis, 탄수화물(CHO), Fat/Protein(지방/단백질) 입니다. 이러한 시스템은 아래의 그림과 같은 상호 작용을 통하여 ATP 에너지를 생성해 냅니다.

1. ATP-PC

아쉽지만 바로 에너지화 가능한 ATP 자체는 세포에 아주 극소량만 저장되어 있습니다. 그러다 보니 스프린트 같은 순간적으로 높은 파워를 발휘할때 근육이 빠르게 에너지가 필요하게 되고 이때 가장 먼저 사용되는 것이 ATP입니다. 

ATP-PC 시스템은 PC(포스포크레아틴)에 저장되어 있는 에너지를 활용하는 것으로 이루어집니다. ATP가 에너지로 소진되면서 ADP(아데노신2인산) 형태가 되는데 이때 PC가 분해되면서 발생하는 에너지 방출됩니다. 그리고 이 에너지를 이용하여 ADP는 다시 ATP로 합성을 이루게 됩니다. 이 ATP-PC 시스템의 최고 강점은 PC가 분해되는 화학적 단계가 매우 간단하여 빠르게 진행된다는 것입니다. 그렇기 때문에 급작스럽게 에너지가 필요로 하게 되는 스프린트 및 급 가속 초기에 이러한 에너지 시스템이 주로 사용되게 됩니다.

2. Anaerobic Glycolysis(무산소적 당분해 과정)

ATP-PC 시스템이 급작스런 ATP요구에 부응하고 있을때, 몸은 재빠르게 그 다음 크고 빠른 에너지 시스템을 구동 시킵니다. 이 것은 몸에 탄수화물 형태로 저장되어 있는 Glycogen(글리코겐)을 ATP 에너지화 시킵니다. 처음에는 근육속에 저장되어 있는 하나의 Glycogen 또는 Glucose가 무산소적으로 고작 2개의 ATP를 생성하게 만드는 과정이 발생합니다. Glycolysis과정은 굉장히 속도가 빠른 편입니다. 그로 인해 30초에서 2분 정도의 힐 스프린트를 할 경우에 가장 중요한 에너지 시스템이 바로 이 Anaerobic Glycolysis 시스템입니다. 그러나 이러한 과정에는 하나의 부산물이 하나 있는데요. 그게 바로 가장 유명한 Lactic acid 또는 Lactate(젖산)입니다.

3. CHO (탄수화물)

여기서 부터 산소가 에너지 생성 반응에 참가하게 되면 에너지 생성 효율은 크게 향상되게 됩니다. 여기서 가장 키 포인트가 되는 것은 산소를 활용하여 에너지를 생성하는 공장인 Mitochondria(미토콘드리아) 세포가 얼마나 많으냐가 큰 요소로 작용하게 됩니다. 이 미토콘드리아 세포는 매우 효율적인 에너지 생성 공장인데요. 마치 하이브리드 엔진 처럼 탄수화물, 지방, 단백질 모두를 에너지원으로 사용하여 산소를 이용하여 한번에 상당히 많은 ATP를 만들어 내게 됩니다. 단지 산소를 이용하는 것만으로도 한번에 2개의 ATP 밖에 못 만들던 것을 한번에 34개나 더 많은 ATP를 만들어 낼 수 있게 됩니다.

4. Fat/Protein

미토콘드리아는 탄수화물만 에너지화 할 수 있는게 아니라 게다가 지방과 약간의 단백질까지 에너지화 할 수 있습니다. 지방은 가장 효율이 좋은 농축 에너지원입니다. 지방의 경우 탄수화물의 몇배에 해당하는 에너지를 만들어 낼 수 있습니다. 간단하게 흔히 먹는 초코바의 영양성분 표를 보면 그램 수만으로 보면 탄수화물(당류)가 대부분인 것 같지만, 칼로리량으로 보면 사실 얼마 되지 않습니다. 진짜 대다수의 칼로리를 공급하는 것은 지방입니다. 탄수화물 1그램에 약 4Kcal의 에너지를 낸다고 생각하고 칼로리가 적혀 있지만 지방의 경우에는 약 9Kcal의 에너지를 발생시킨다고 되어 있죠.

체내에는 아무리 적어도 4% 혹은 그 이상의 체지방이 존재합니다. 70kg의 남자에게 4%의 지방이라하면 에너지로 계산하면 무려 31,500Kcal 나 되는 어마어마한 에너지원을 가지고 있는 것입니다.(저는 훨씬 더 많겠네요. ㅎㅎ) 물론 저걸 다 쓰지는 못합니다. 그럴려고 시도가 일어난다면, 몸의 면역체계에 비상이 걸릴테니까요. 하지만 기본적으로 신체에는 충분히 무한하다고 할 정도의 에너지원이 있는 것이 사실입니다.

그럼 이러한 에너지들은 어떻게 이용이 되는 것일까요? 다른 글에서도 누차 강조하지만, 사람은 절대 디지털 똑딱이 스위치 처럼 모드가 전환되지 않습니다. 단지 그 비율이 변할 뿐이죠. 이걸 좀 더 이해하기 쉽게 표현한 그래프가 없을까 해서 좀 더 찾아 보았습니다.

Base endurance: move forwards with reverse periodisation!

링크의 첫번째 페이지의 Figure 1 참조 

위의 그래프는 주어진 시간동안 ITT를 할때 그에 따른 에너지 사용 비율을 보여 주고 있습니다.

용어가 좀 혼동 될 수 있는데, Anaerobic이라고 되어 있는 부분이 Anaerobic Glycolytic이고 Aerobic(glycolytic)이 탄수화물을 미토콘드리아에서 유산소적으로 에너지를 만드는 경우입니다.

여기서 살펴 보면, 1시간 이상의 시간 동안 달리게 되면, 점점 지방 소모 비율이 증가하여 대략 50% 정도까지 지방 에너지로 운영 되는 것을 확인할 수 있습니다. 사실 이거보다 시간이 길어져도 비율이 크게 변하지 않는다고 합니다. 그리고 시간이 짧아 질수록 Anaerobic Glycolytic 에너지 시스템이 차지하는 비율이 커지게 됩니다. 흔히 이야기 하는 스프린트와 짧은 VO2max 인터벌 프로그램 들이 여기에 해당합니다. 그리고 정말 순간적인 반응에서는 ATP-CP 시스템과 Anaerobic Glycolytic 시스템이 함께 이용됩니다.

예전에 이런 질문을 받은 적이 몇 번 있습니다.

심폐 기능을 강화하기 위해서는 VO2max 인터벌 같이 강한 인터벌로 유산소 능력이 키워진다고 읽었다고, 그래서 시간이 없으니 VO2max 인터벌 위주로 연습을 하고 시즌 중에 랜도너스 이벤트에 나가려고 한다고요. 이래도 괜찮을까 하는 것이었습니다. 즉, 짧은 시간의 인터벌이 장거리 라이딩 이벤트에도 도움이 될까 하는 것이었습니다.

저의 생각은 이러합니다. 훈련은 여러가지 측면으로 바라볼 수 있지만, 기본적으로 각 운동 시간에 필요한 에너지 시스템을 개발하는 것이다라고요. 각 에너지 시스템은 그 에너지 시스템을 많이 자극함으로서 그 시스템을 발달 시킬 수 있다고 생각합니다.

자 그럼 그럼 다시 원점으로 돌아와서 한번 생각해 보시죠.

VO2max 인터벌은 확실히 심폐 기능을 강화 시켜 줍니다. 이건 수 많은 연구를 통해서 어느 정도 증명된 사실입니다. 그런데도 많은 이들이 여전히 전통적으로 많은 량의 운동을 통해서 장거리 지구력 훈련을 합니다. 왜 일까요? 여기에는 아직도 연구가 이루어지고 있고 아직도 더 진행되어야 할 부분입니다만, 저는 이렇게 생각합니다. 실제 그 상황에서 필요한 에너지 시스템을 이용하려면 지방을 많이 소모 하던 패턴을 익혀 놔야 한다고, 가능한 탄수화물을 아껴서 나중을 위하여 아껴두고 말이죠.

그런데 여전히 탄수화물 또는 글리코겐은 지구성 장시간의 운동에도 중요한 에너지원입니다. 위의 그래프에서 보듯이 4시간 이상의 장시간 운동에서도 여전히 50%의 에너지는 탄수화물 또는 글리코겐에서 나오고 있습니다. 이러한 관점에서 신체에 글리코겐 축적량을 늘릴 수 있다면, 이는 체력 증진에 있어 중요한 포인트가 될 것입니다. 그럼 유산소적으로 탄수화물을 소비하는 능력을 연습한다면, 미토콘드리아의 밀도를 높이고, 탄수화물 축적량 등 여러가지 측면의 발전을 가져 올 수 있을 것입니다. 그럼 다시 위의 그래프로 돌아 가서 탄수화물 또는 글리코겐이 유산소적으로 소비되는 대역의 시간이 어디서 부터 어디까지인지 잘 살펴 보시기 바랍니다. 그게 어디서 부터 어디까지인가요?

바로 몇 해전 부터 꽤 유행했던 SST(Sweet Spot Training) 대역입니다. 바로 SST 또는 Tempo 영역 또는 Zone 3 훈련은 이러한 관점에서 에너지 시스템의 발전을 가져오기 위한 훈련입니다.

http://www.fascatcoaching.com/sweetspottraining.html

SST 설명을 위한 그래프입니다. 여기서 보더라도 Aerobic Glycolytic 에너지 시스템이 가장 영향을 많이 주던 1시간(FTP 영역) 근방에서 가장 운동 효과(Training Effect)가 좋다고 나와 있습니다. 여기에서는 피로 누적을 고려해서 유산소적으로 글리코겐 에너지 시스템을 발달시킬 수 있는 부분이 Zone 2 상위에서 Zone 4 중간, 즉 FTP 근방까지로 표현하고 있습니다. 위에 나열한 그래프들과 일맥 상통한 결과를 보여주고 있습니다.

추가로 앞서 인용한 Coggan의 운동 효과 표를 참고해 볼까요?

Zone 3에서 운동함으로서 얻을 수 있는 것들은 근육 속의 미토콘드리아 효소의 증가(Increased muscle mitochondrial enzymes, 많이 사용하니까 몸이 그에 대응하기 위해 적응을 하는 겁니다.), 젖산 역치 증가(Increased Lactate Threshold, 당분해 과정에서 Lactate는 생성되고 처리 됩니다. 그 과정을 반복하다 보니 적응하여 보다 잘 처리할 수 있게 변합니다.), 글리코겐 저장량 증가(Increased muscle glycogen storage, 당연히 많이 사용하다 보니 적응하여 늘게 되죠) 등등의 효과가 발생하게 되는 겁니다. 조금 연결이 되시나요?

이렇게 이야기하면 마치 새로운 트랜드는 Zone 3에서 훈련을 많이 하는 것이 답인 것 처럼 느껴질 수 있습니다. 하지만 그래도 결국은 싸이클링은 유산소 스포츠입니다.

그 종목이 장거리 로드 레이스일 경우는 당연하고 스프린트가 되더라도 여전히 유산소 에너지 시스템은 의미를 가집니다. 종목이 무엇이 되었던 간에 결국은 비율의 문제이지 유산소 에너지 시스템 개발은 필수적입니다. 스프린트 을 하더라도 바로 ATP-PC 시스템으로 넘어 가는 것도 아닙니다. 그렇다고 Anaerobic Glycolytic 시스템만 있어도 충분한 것도 아닙니다. 아주 극소량이더라도 유산소적인 에너지 시스템은 여전히 필요하게 됩니다. 실제 마지막 스프린트를 하기전에 아주 작은 에너지라도 에너지를 만들어야 하는데, 이때 글리코겐을 미리 써버리느냐 지방을 조금이라도 더 쓰느냐의 차이는 분명히 존재합니다.

다시 이야기 하지만, On/Off의 문제가 아니라 비율의 문제입니다. 인간은 디지털이 아니라 아날로그이기 때문이죠. 그러니 어떤 목표를 가지고 계시더라도 결국은 두루 두루 준비하셔야 합니다. 다만, 그 비율이 달라질 뿐입니다.

오늘 하고자 했던 이야기는 에너지 시스템 관점에서 바라 보았을때, 내가 해야 하는 훈련이 어떤 것이 있는지에 대하여 생각해 보기 위해서 였습니다. 여러분이 준비 하고자하는 이벤트에 필요한 에너지 시스템이 어떠한 것인지를 생각해보고, 그것을 대비 하기 위해서는 어떤 비율로 어떤 에너지 시스템을 준비하는 것이 좋을까 고민하여 스스로의 운동 프로그램을 작성할 수 있게 되었으면 합니다. 잘 이해가 가지 않으신다면, 위의 그래프만 잘 살펴 보시는 것만으로도 무언가 감이 잡히지 않으실까 합니다.

그냥 그런 것은 없습니다. 원리를 이해한다면, 그 보다 깊숙한 것을 보다 잘 이해할 수 있습니다. 

뭐 한계는 존재하지만요. ㅎㅎ

오늘도 긴 글 읽느라 수고하셨습니다.

P.S. 참고로 이 글은 Scrivner에 의해 작성 되었습니다. 구입하고 제대로 써보기는 처음인데, 잘 쓰고 있는건지 모르겠네요. 원래부터 긴 글을 편하게 쓰기 위해 구입한 S/W 다 보니, 글이 또 장문이 되어 버렸군요. ㅎㅎ