젖산역치란 무엇인가?

What is Lactate and Lactate Threshold 

Thursday, July 17, 2014 | By Iñigo San Millán, PhD

젖산 역치는 여러 스포츠 분야의 훈련에서 선수들과 코치들에게 오랫동안 사용되고 중요하게 여겨졌던 개념이다. 하지만 우리는 얼마나 정확하게 젖산역치에 대해 알고 있을까? 나아가서, 젖산이 신진대사와 퍼포먼스에 미치는 영향과 그 역할은 얼마나 알고 있을까? 사실 아직 젖산역치와 젖산에 대해서 혼동하고 있는 부분이 적지 않다. 

젖산이란 무엇인가?

젖산은 신진대사에서의 비중에 비해 알려진것이 적은 물질이다. 여러 해 동안 젖산은 단지 무산소 운동에서 발생한 노폐물이며, 결정화 되어 근육통을 유발하는 물질로 알려져 왔다. 하지만 노벨상 수상자를 포함한 여러 과학자들이 젖산을 연구 주제로 삼아 왔다. 젖산에 대한 연구는 19세기 부터로 거슬러 올라갈 수 있으며 1863년 노벨상 수상자인 Louis Pasteru는 젖산이 산소가 부족한 상태에서 근육이 수축할 때 발생한다고 제안했다. 또 다른 노벨상 수상자인 Otto Meyerhof는 1920년 glycogen이 젖산의 전구물질이라고 설명하였다. 그는 또한 근육이 수축하면서 젖산을 생성하며 활성도를 잃는 사실을 관찰하였다.  1923년 또 다른 노벨상 수상자인 AV Hill과 그의 동료 Lupton은 “O2 Debt”이라는 개념을 제시하며 무산소 젖산 생성 과정을 설명하였다.

하지만 20세기 말이 되어서야 신진대사에서 젖산의 중요성을 이해하기 시작하였다. UC Berkeley의 George Brooks 박사는 신진대사 연구의 권위자로 젖산에 대해서 40년 넘게 집중적으로 연구해왔으며, 오늘날 우리가 알고 있는 젖산에 대한 모든 것은 그의 연구결과에 기초를 두고 있다. 그의 연구로 부터 알려진 한 가지 사실은 젖산 생성은 충분한 유산소 환경에서도 이루어 지며, 젖산 생성은 근세포가 유산소 환경에서 포도당(glucose)을 이용한 결과물 이라는 것이다. Brooks의 연구결과에 의해 알려진 바에 따르면 젖산은 노폐물이 아니며 실은 포도당을 생성하기 위한 가장 중요한 전구물질이라는 것이다.

“젖산은 단순한 노폐물이 아니며, 인체의 포도당 재생성 과정에서 가장 중요한 전구물질이다.”

사실 운동 중에 사용하는 포도당의 30% 가량은 젖산으로부터 재생성 과정을 거쳐 생성된 포도당이다. 또한 젖산은 신진대사의 중요한 조절물질이며, 효소 사용을 조절한다(regulating substrate utilization). 젖산은 심지어 지방 분해 속도를 늦추거나 억제하며, 세포의 포도당 분해 속도를 늦출 수 있다. 또한 믿거나 말거나 젖산은 장기 기억에 사용되는 뇌세포의 주요 연료이며, 알츠하이머병과도 연관되어 있다. 몇몇 연구결과에 의하면 뇌세포의 젖산 소비가 억제된다면 장기기억력 또한 나빠질 수 있다고 한다. 젖산은 또한 type-2 당뇨와 같은 장기적인 신진대사 질병과도 연관되어 있으며, 이와같은 환자들의 혈중 젖산 농도는 건강하고 활동적인 사람보다 2~3배에 이르며 이와같은 질병에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 암세포 유산소 포도당 대사가 지나치게 활발한데(Warburg effect) 과량의 젖산은 종양의 성장과 전이에도 기여한다. 이리하여 젖산은 단지 유산소 활동의 노폐물이 아니라 신진대사의 중요한 연료이자 조절물질이며, 여러 만성 질환에도 영향을 미치고 있어 그에대한 연구가 진행되고 있다.

젖산과 운동능력

젖산은 근육 세포가 포도당을 이용하는 과정에서 발생하는 부산물이다. 산소 공급량과는 무관하게 세포로 유입되는 포도당이 증가할 수록 젖산 생성량도 증가한다. 고강도 운동 중에는, 골격근의 수축량 요구에 따라 Type II 속근은 에너지(ATP) 생성을 위하여 총 동원된다. Type II 근섬유는 당분해능이 높아 결과적으로, 산소가 충분히 공급될 때, 골격근의 포도당사용에 따른 자연적인 부산물인 젖산을 충분히 생성한다. 격렬한 운동 중에는 휴식때 보다 몇 배의 젖산 생성이 이루어지며, 이와 관계된 수소 이온 (H+) 배출은 근육을 산성화 하여(acidosis) 골격근의 수축량을 줄이는데 중요한 역할을 한다. 젖산 뿐 만이 아니라 근수축을 위한 ATP 분해 과정(ATP hydrolysis)에서 발생한 수소 이온의 과도한 축적은 근수축을 억제하는데, Troponin C(근 수축에 관여하는 단백질 중 한)와 칼슘 이온간의 결합에 끼어드는 등 여러 과정에서 일어난다. 또한 수소 이온은 근수축에 관계된 칼슘 이온의 근형질막?(sarcoplasmic reticulum)에서의 배출 및 재흡수 과정도 방해한다. 이런 모든 결과들에 의해 근수축 용량?은 감소하게 되고 최대 근수축력과 근수축 속도 감소 및 운동능력 감소로 이어지게 된다.

잘 알려진 바와 같이 운동선수의 수준이 높고 훈련이 잘되어 있을수록, 혈중 젖산 농도는 낮게 관찰된다. Table-1에서 다양한 사이클 선수의 category와 운동 강도(W/kg)에 따른 혈중 젖산 농도를 볼 수 있다. 표에서 볼 수 있듯 수준이 높은 선수일 수록 혈중 젖산 농도는 낮고, 파워 출력은 높다는 것을 알 수 있다.

Workload	Junior Cyclist	Top Amateurs	Avg. Pro‐Tour	World Class
w/kg	Blood La (mmol/L)	Blood La (mmol/L)	Blood La (mmol/L)	Blood La (mmol/L)
3	1.3	1.1	1.1	0.8
3.5	1.8	1.3	1.2	0.8
4	3	2.3	2	0.96
4.5	6.6	3.5	3.2	1.8
5	10	7.6	5.8	3.1
5.5		9.2	8.2	5.2
6				8.9

Table 1. Differences in Blood Lactate levels (mmol/L)between competitive cyclists of different levels. Table Modified from San Millán et al, 2009

정상급 선수들의 낮은 젖산 농도는 젖산 제거 능력이 좋기 때문이다. 젖산은 에너지 활용과 제거를 위해 신체의 거의 모든 장기에서 혈액으로 배출된다. 하지만 운동으로 인해 지속적으로 젖산이 생성되는 동안이런 과정은 수 분가량의 시간의 걸리는데, 잘 훈련된 선수는 근육 내에서 수 초에서 수 밀리초 만에 젖산을 처리하기 때문에 혈액으로 방출되는 젖산 양이 적고, 젖산 사용도 효율적이다. 이는 근육내에서 빠른 젖산 재활용으로 ATP를 생성하는 동시에 수소 이온도 빠르게 제거하여 많은 이점을 가져온다. 운동중에 젖산은 주로 많은 양의 포도당을 에너지원으로 사용하는 속근에서 생성되며, 주로 지근에서 처리된다. 이 과정은 젖산 처리를 담당하는 여러 효소들의 복잡한 작용으로 이루어져있다. 속근은 MCT-4(Monocarboxylate-4)라고 불리는 수송 효소를 많이 함유하고 있고, 이는 젖산을 속근으로부터 제거하는 역할을 한다. 그리고 지근은 MCT-1 효소를 가지고 있어 젖산을 지근 내로 이동시키며, 근섬유 내의 미토콘드리아에서 mLDH라는 효소의 작용으로 피브루산염으로 바뀌며 결국은 ATP로 합성된다. Zone2에서의 유산소 훈련은 주로 지근 내의 미토콘드리아 수를 늘여 젖산 제거 능력을 향상시크는 목적이 있으며 동시에 MCT-1과 mLDH의 양도 증가시킨다. 고강도 훈련과 지구력 훈련은 모두 MCT-4의 양을 증가시켜, 속근 내의 젖산을 제거하는 능력을 향상시킨다.

표 1에서 볼 수 있듯이 젖산은 선수의 능력을 나누는 잣대가 될 수 있다. 젖산 분석을 통해 우리는 근육내 대사와 미토콘드리아 밀도, 근섬유의 산화/환원 처리 패턴에 대해 간접적으로 많은 정보를 얻을 수 있다. 젖산 테스트는 특히 지구성 운동 선수들의 운동 및 대사 능력을 파악할 수 있는 가장 좋은 방법일 수 있다. 또한 개별 운동선수의 훈련 대역을 결정하고 중요한 경기에서의 결과를 예측할 수 있는 좋은 지표가 된다. 여러 훈련 대역들 중에 "젖산 역치" 훈련 대역은 우리 모두 훈련하고 향상시키길 원하는 대역이며 젖산 역치를 아는 직접적이고 유일한 방법은 젖산 test이다.

젖산역치란 무엇인가?

운동선수와 코치 사이에서 훈련 관련하여 가장 많이 쓰이는 개념중의 하나가 젖산 역치다. 하지만 젖산역치의 정확한 의미와 젖산역치 운동강도에 대해서는 많은 이견이 있다. 젖산역치는 통상 특정 기간동안만 유지할수 있는 높은 운동강에서의 혈액 내 젖산농도로 알려져있다. 하지만 그 기간 및 어떤 혈중 젖산 농도의 기준에 따라 여러 의견이 엇갈리고 있다. (우리가 퍼질때 까지 지속할 수 있는 운동기간은 얼마란 말인가?)

많은 연구자와 코치들이 이에 대한 답을 얻기 위하여 오랫동안 노력해 왔다. 젖산역치에 대한 최초의 연구는 1930년대 까지 거슬러 올라가며 W Harding Owles는 “Owles Point”라는 것을 제시하였다. 1964년 Waserman과 Mcilroy는 "무산소 역치"라는 개념을 제시하며 젖산 축적은 근육이 필요한 산소량을 공급받지 못해 근수축이 무산소 대사 과정에서 이루어지기 때문이라고 주장하였다. Mader와 동료들은 1976년 혈중 젖산 농도가 4mmol/L에 이르렀을 때가 무산소 역치라고 하였고 1981년 Sjödin 과 Jacobs는 이에 대해 "Onset of Blood Lactate Accumulation" (OBLA)가 4mmol/L에서 발생한다고 했다. Farrel과 그 연구팀은 1979년 Onset of Plasma Lactate Accumulation (OPLA)라는 개념을 제시하며 혈중 젖산 농도가 휴식때 보다 1mmol/L 높은 상태의 운동강도라고 정의하였다. 또다른 개념은 LaFontaine과 그의 연구팀이 1981년 제안했는데 "Maximal Steady State"에서 젖산 농도는 2.2mmol/L라고 하였으며. 1983년 Coyle과 그 연구팀은 "Lactate Treshold"를 최소 1 mmol/L이상의 비 선형적인 젖산 농도 증가가 일어나는 시점이라고 하였다. “Maximal Steady-State Workload” (MSSW)라는 개념은 Borch의 연구진에 의해 1993년 혈중 젖산 농도 3mmol/L정립되었다. Veronique Billat는 2003년 Maximal Lactat Steady State (MLSS)를 제안했고, 혈중 젖산 농도를 유지할 수 있는 운동강도로 설명했다.

참 복잡하지 않은가? 여러 이론과 가설이 돌고 있지만 젖산 역치에 대한 합의는 학계에서 아직 이루어지지 않은 것 같다. 젖산역치의 의미에 대한 기본은 근육은 대사 과정에서 젖산과 수소이론이 축적될 수록 많은 스트레스를 받는다는 것이다. 근섬유의 미토콘드리아는 지속적인 운동 부하 중에 젖산을 시간 내에 빨리 처리하려고 하는데 어느 시점이 지나면 한계에 도달하여 젖산을 혈류로 배출하게 되며 이때 우리는 혈중 젖산 농도가 올라가는걸 알 수 있게 되고 이 바탕으로 현재 운동 강도를 지속할 수 있는지 판단하는 것이다.

저자의 의견으로는 젖산역치에 대해서 여러 관점으로 볼 필요가 있다고 한다. 불행히도 많은 운동선수와 코치는 젖산 측정을 할 수 없으며, 그로 인해 젖산역치에 대해 계속 말하면서도 정확한 젖산 대사 과정에 대해서는 모르고 있다는 것이다.

더욱이 우리는 보통 젖산역치 운동 강도를 “blowing up”되지 않는 한도 내에서 최대한으로 이정기간 낼 수 있는 운동 강도라고 하는데 이는 좀 혼란스럽다. 우리가 지속할 수 있는 운동 강도와 시간을 얼마로 잡아야 하는 것일까? 5분? 10분? 30분? 또는 300분? 혈중 젖산 농도는 3, 4 또는 6 mmol/L? 한 예를 들자면 5km의 1등급 오르막 25분 안에 펠로톤과 함께 오르려면 그에 걸맞는 젖산 역치가 필요하며 4~6mmol/L의 젖산 농도와 적절한 FTP 대비 파워가 필요할 것이다. 하지만 10km의 2등급 오르막에서 뒤쳐지지 않고 약 40분 안에 올라야 3~5mmol/L의 젖산 농도에서 약간 더 낮은 파워를 지속해야 할 것이다. 그리고 40km TT를 준비하고 있다면 역시 다른 기준의 파워 목표를 잡아야 할 것이다. 마라톤에서도 유지 가능한 최대 속도를 찾는 것이 중요하며 풀코스라면 약 2~2.5mmol/L의 젖산 농도를 유지해야 할 것이다. 하프마라톤 또는 10km, 5km 경기라면 좀 더 높은 목표를 잡아야 할 것이다. 아무래도 지구성 운동에을 성공적으로 수행하기 위해서는 각기 다른 젖산 역치가 필요한 것 같아 보인다.

젖산 역치의 진화

이런 이유들로 인해서 저자는 젖산 역치에 대해서 좀 더 실용적인 접근을 하려고 한다. 이를 위해서 주어진 시간에서 유지할 수 있는 최대 대사 부하 (“maximal metabolic steady state”/MMSS) 같은 새로운 개념을 도입하고자 한다. 운동과 시합의 종류가 마라톤, 1500m 육상, 10km 마라톤, 또는 5km 1등급 산악, 40km TT냐에 따라 MMSS는 달라질 수 있다. MMSS는 혈중 젖산 농도나 심박, 파워나 pace등으로 표현될 수 있다. 이는 퍼포먼스를 예측하는 방법 뿐 아니라 훈련 성과를 측정할 수 있는 수단도 될 수 있다. 이런 방법은 FTP나 pace 등과 같은 방법으로 많은 코치와 선수들 사이에서 이용되고 있다.

젖산 역치 훈련에 대한 오해.

흔히들 하는 잘못된 훈련 방법으로는 젖산 처리 능력을 향상시키기 위하여 젖산역치대에서 훈련하는 것이다. 운동시에 젖산은 대부분 속근에서 생성되는데 반해 젖산의 제거는 높은 미토콘드리아 밀도와 mLDH효소, MCT-1 수송자를 보유하고 있는 인접한 지근에서 이루어진다. 그렇기 때문에 직관에는 반하는 듯 하지만 젖산 처리 능력을 향상시키기 위해서는 미토콘드리아 성장과 mLDH효소, MCT-1 생성을 촉진하기 위해서 지근을 훈련해야 한다. 젖산역치대에서의 훈련은 속근에서 젖산을 배출시키는 MCT-4의 수를 늘이고 포도당 처리 능력을 향상시킨다. 젖산역치대에서의 과도한 훈련은 오버트레이닝 위험성을 증가시킬 뿐이다.

저자는 실험을 통하여 코치와 선수들이 위와 같은 오해 속에서 오버트레이닝에 빠지고 젖산 처리 능력을 향상시키지 못하는 것을 보아왔다.  정해진 실험방법을 다양한 운동강도에서의 젖산 측정을 통하여 지방, 탄수화물 대사 능력을 알 수 있고, 대사 과정과 생리역학적 연구를 통하여 운동능력을 예측하고 훈련 영역을 정의한 결과, Zone 2에서의 훈련이 젖산 제거 능력을 가장 향상시킬 수 있는 것으로 들어났다.

"Zone 2 (Z2)가 젖산 처리 능력을 향상시키는데 가장 효과있는 훈련 영역이다."

많은 선수들이 이러한 개념을 모르고 젖산역치 영역에서 과도하게 훈련을 한 상태로 저자의 연구실로와서 훈련 영역을 새로 조정 받고 훈련 프로그램을 뒤바꾼 결과, 오버트레이닝은 줄이고 젖산 처리 능력은 크게 향상시키는 결과를 얻을 수 있었다.

결론적으로 말하자면, 젖산 역치는 여전히 널리 알려진 훈련 용어임에도 불구하고 그 정확한 의미에 대해서는 공감대가 형성되지 않았다. 젖산 역치의 의미 뿐만 아니라 젖산의 대사 과정에서의 역할과 훈련에서의 중요성 또한 명확하지 않은 상태이다. 이제는 수십년 간의 토론과 반론을 거친 만큼, "젖산 역치"라는 개념이 발전하고 새롭게 정의되어 운동선수와 코치들이 좀 더 의미있고 이해하기 쉬워져서 운동능력 향상을 위한 정확한 강도와 시간을 제시하는 마법의 운동강도가 되었으면 한다.

출처: http://home.trainingpeaks.com/blog/article/what-is-lactate-and-lactate-threshold