Physical fitness는 우리말 그대로 번역하면 '인체적성', '몸 컨디션' 정도의 의미가 된다. 의역하면 '운동 능력' 정도? 가 된다. physical fitness는 long-lasting과 short-lasting으로 구분하며 short-lasting은 근력군, long-lasting은 지구력군에 해당된다. 이들 두 타입은 ATP 재합성을 위한 자원이 다르다.
Short-lasting 은 무산소 운동 시 ATP 자원의 활성화가 중요하며, statistic exercises (역도 등)와 dynamic exercises (단거리 육상 등)이 있으며, type II fast-twitch fibers 근섬유에 의해서 운동한다.
근육의 종류는 크게 Fast-twitch fiber와 Slow-twitch fiber로 구분된다. slow-twitch fiber는 type I으로 분류되며 우리말로는 지근(지구력근)이라 한다. fast-twitch fiber는 type II으로 분류되며 우리말로는 속근 또는 급속경련섬유 라고도 한다. II-a와 II-b로 다시 구분할 수 있다.
Long-lasting 은 수분에서 수시간동안 운동할 경우에 해당되며, 글리코겐(glycogen)과 자유 지방산(free fatty acid)의 산화에 의해 생성되는 ATP의 양, 그리고 당이 부족하여 다른 물질로부터 당인 글루코즈(glucose)를 다시 생산하는 글루코즈신생성(gluconeogenesis) 과정에 의한 글루코즈(glucose) 복원율에 의존된다. 유산소 에너지 생산과정(산화적 인산화)는 기질의 존재와 근육 세포의 산소량에 의해서 정해지며, 산소 운반과 활용능력이 좋은 사람은 ATP를 더 잘 재합성하여 long-lasting 운동에 더 유리하다.
운동 능력은 성별, 나이, 육체 활동 수준, 생활양식, 식습관, 기후, 운동 훈련여부 등 다양한 원인에 의해 차이가 날 수 있기 때문에 복합적인 특성을 갖는다. 일반적으로 개인의 운동능력을 특정할 때에는 최대 산소 섭취량 (maximal oxygen uptake, VO2max)에 의해서 정해진다. 이는 개인의 운동강도를 높여 달성할 수 있는 최대한의 산소섭취능력을 의미하며, 보통 18~20세까지 증가하다가 25세까지는 정체되고 30세 이후 감소하기 시작한다.
최대산소섭취량은 다양한 인자들에 의해서 영향을 받는다. 대표적으로는 (1)호흡계, (2)혈액순환계, (3)근육 혈액량, (4)근육 대사에 의해서 영향을 받으며, (1)~(3)은 미토콘드리아로의 산소운반과 연관되어 있고, (4)는 미토콘드리아 내부의 산화 과정과 연관되어 있다. 가장 결정적인 인자로는 심장의 출력, 헤모글로빈의 양, 근육의 모세관 밀도, 미토콘드리아의 양, 산화 효소의 활성과 연관된다.
Physical fitness는 많은 요소들과 큰 표현형적 변이의 특징에 의해 영향을 받는 qualitative trait (질적 형질)이다.
질적형질(qualitative traits)은 하나의 종에서 형질의 발현이 불연속으로 나타나 서로의 구별이 분명한 형질을 의미힌다.
양적형질(quantitative traits)은 수량, 면적, 길이 등의 수치로 양적으로 표시되는 형질. 통상 연속적인 변이를 나타낸다.
- 자료 출처: [네이버 지식백과] 생명과학대사전, 2008.2.5
앞의 기본적인 내용에 이어서, 이 논문에서는 유전율이 높고 최대산소섭취량에 많은 영향을 끼치는 것으로 알려진 6종류의 유전자에 대해서 살펴보았다.
1. Angiotensin I-converting enzyme (ACE)
유전자 위치는 17q23 (17번 염색체의 q arm 의 23번 segment)
ACE는 Renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS)의 중요한 요소이다. RAAS는 혈압이나 체액량의 조절에서 중심적인 역할을 하는 내분비계 제어기구이다. ACE는 두 가지 방식으로 혈압을 증가시키는데, 첫째는 체내 물-미네랄 균형과 관련된 aldosterone을 활성화시키며, 둘째는 혈압을 감소시키는 역할을 하는 bradykinin을 분해한다.
ACE 유전자에는 insertion/deletion (I/D) 다형성이 존재하며, 1992년 Rigat 등에 의해 처음 발견되었다. Insertion genotype (II)은 조직에서 ACE의 활성이 낮아 격렬한 지구력 운동 시 에너지 균형을 유지하도록 도와준다고 하며, deletion genotype (DD)는 혈액에서의 ACE 활성이 II 유전자형을 가진 사람보다 2배 더 높다고 한다. 따라서 insertion genotype은 지구력 운동군에서 유리하고, deletion type은 근력 운동군에서 유리한 것으로 알려져 있다.
논문에 따라서 상관성 여부가 다르게 나타나기도 하여 ACE 유전자의 대립인자가 최대 산소 섭취량에 미치는 영향은 모호하지만, ACE 유전자의 기능이 심장-호흡 용량에 영향을 준다는 것은 확실한 것으로 보인다.
우리 연구실에서 국내의 국가대표 운동선수와 일반인을 대상으로 ACE 유전자형을 비교했을 때는 차이가 나타나지 않았다. 전체 한국인 집단에서는 II 타입이 35%정도, ID 타입이 45%정도, DD 타입이 20% 정도였다.
ACTN은 세포골격 단백질로, ACTN1, 2, 3, 4 네 종류가 있다. ACTN1과 ACTN4는 근세포 외에서 발견되는 동형단백질(isoform)이다. ACTN2와 ACNT3는 근세포의 Z-disc에 존재하며, myofibrillar actin filament의 지지를 돕는 역할을 한다.
1999년 North 등이 nonsense mutation을 발견하였다. C1747T 치환(유전자의 1747번째 염기 C가 T로 돌연변이)에 의해 유전자의 16번째 exon의 arginine(R) 이 stop codon(X)으로 치환된다. 이러한 변이에 의해 577XX (단백질의 577번째 코돈이 stop codon으로 바뀌어 정상적인 단백질이 생산되지 못함) 유전자형을 갖는 사람은 fast-twitch fiber에 actinin-3가 없다. 전 세계인의 16% 정도가 577XX 유전자형을 지니고 있다(아시아인의 25%, 유럽인의 18%, 아프리카인의 1%).
여러 관련 연구에서 운동선수에서는 577RR 유전자형이 단거리 (근력운동군) 운동선수에서 더 높은 빈도로 나타나고, 577XX 유전자형은 지구력 운동선수군에서 더 많이 분포하는 것으로 타나났다. 그러나 남성의 경우 androgen 호르몬의 역할로 인해서 actinin-3의 영향이 감소하여 577RR과 577XX 유전자형간에 차이가 잘 나타나지 않는다.
우리 연구실에서 최근 국내의 국가대표 운동선수와 일반인을 대상으로 ACTN3 유전자형을 비교했을 때, 위 설명과 마찬가지로 남자에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 그러나 여자 운동선수에서는 근력 운동선수군에서 577XX 유전자형이 더 많이 존재하는 것으로 조사되었다.
Creatine N-phosphotranspherase는 Creatine kinase (CK)또는 Creatine phosphokinase (CPK)라고도 한다. Creatine의 전환을 촉매하고 ATP를 사용하여 phosphocreatine과 ADP를 만들면서 세포 내 ATP의 항상성에 중요한 역할을 한다. 세포 내에 creatine kinase가 높으면 더 많은 에너지를 요구하게 된다.
Creatine(크레아틴)은 아미노기 대신 구아니딘기를 가진 아미노산 유사물질로, 척추동물의 근육 속에 다량으로 존재한다. 인산과 결합하여 크레아틴인산으로 존재하다가 산소 결핍시 근육에서 ADP를 ATP로 인산화시키면서 크레아틴과 인산으로 분해된다.
인간의 몸에는 4개의 유전자가 5종류의 CK isoenzymes의 subunit을 암호화하고 있다. 근육 타입인 CK-M과 뇌 타입인 CK-B subunit이 있으며, 이들이 결합하여 CKMM, CKMB, CKBB를 형성할 수 있다. CKMM은 근육에 주로 존재하고, CKMB는 심장 근육에서, CKBB는 뇌와 근육 일부에서 활성되어 있다. 또한 mitochondrial CK (mt-CK)는 미토콘드리아의 막간공간에서 발견되며 산화적 인산화에서 phosphocreatine으로부터 ATP를 공급하는 역할을 한다.
일부 연구에서 CKMM이 type II fast-twitch fiber에서 slow-twitch fiber 보다 2배 더 활성이 높은 것을 발견하여, 이 효소의 활성이 낮으면 지구력 타입 운동선수의 형질에 영향을 미칠 것으로 생각하였다. (이 효소의 활성이 높으면 더 많은 에너지를 사용하게 된다고 합니다. 또한 산소 결핍시 ATP를 생산하는 역할을 하기 때문에 근력 운동군에서는 유리할 수 있으나 반대로 지구력 운동군에서는 불리하게 작용할 것으로 생각한 듯 합니다.)
이 유전자에서 제한효소 NcoI에 의해 작용하는 변이를 발견하였는데, 이는 A에서 G로 치환되어 있으며, G 염기를 가지는 사람은 지구력 운동시 다른 타입을 가진 사람보다 운동 효과가 적은 것으로 나타났다.
따라서 폐활량의 변화를 통해 CKM 다형성이 지구력 운동능력의 발달에 기여할 수 있다는 것이 확인되었다.
유전자 위치는 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 Heavy chain 12337-14148 미토콘드리아의 다형성은 산화적 인산화의 조화에 영향을 미친다. 조화가 잘 되면 많은 양의 ATP를 생산하면서 적은 열을 발산하여 근육이 최대 능력을 발휘할 수 있도록 도와준다. 반면에 조화가 잘 되지 않으면 적은 양의 ATP와 많은 열을 발산하게 된다. 따라서 이러한 타입은 추운 지방에서 유리하다고 한다.
1991년 Dionne 등은 22개의 제한효소를 이용해서 mtDNA 변이를 분석했고, 최대산소섭취량에 유의한 변화를 나타내는 개인에서 NADH dehydrogenase NADH subunit 5 변이를 발견하였다. 이 유전자는 호흡작용의 복합체I(complex I)의 41개 아미노산 복합체(단백질)을 포함하고 있으며 complex I은 호흡 사슬의 첫 단계에 해당한다.
2000년에 Chen 등은 중국인 지구력군 운동선수에서 D-loop 변이 부위의 다형성 빈도에서 대조군과의 차이를 발견하였으며, Ma 등은 위 논문에서 연구된 다형성에 대해 최대 산소 섭취량의 차이를 발표하였다.
그러나 연구 대상의 인종에 따라서 다른 결과가 나타나며, 이는 mtDNA haplogroup의 차이 때문으로 생각된다.
mtDNA의 다형성은 호흡 과정에서 중요한 역할을 하기 때문에, 최대산소섭취량과 지구력 운동의 반응에 대한 차이를 결정하는데 작용할 수 있다.
우리 연구실에서도 국내의 국가대표 운동선수와 일반인을 대상으로 mtDNA 하플로그룹 빈도분포의 차이를 비교하였다. 지구력 운동선수군이 N9 그룹은 유리하고 B 그룹은 지구력 운동에 불리한 것으로 나왔다.
Insulin-like growth factor 1 (IGF-1)은 다양한 생리적 기능을 갖는 성장호르몬의 일종인 단백질이며, 분자 구조가 인슐린 전구물질과 유사하다. 70개 아미노산으로 구성되고 간에서 생성되며 성장호르몬의 활성 매개자중 하나이다. 혈액을 순환하는 IGF-1의 수준은 나이가 들면서 감소하게 되는데, 이와 함께 body mass와 muscle strength도 감소한다.
IFG-1의 양에 따른 운동의 영향에 관한 연구는 다양한 결과로 나타났다. 어쨋든 운동 강도와 체질량은 순환하는 IGF-1 양의 변화에 영향을 주는 것으로 보인다.
IGF-1 유전자의 다형성에 관한 연구는 많지 않다. 주로 IGF-1의 낮은 농도에 의해 야기되는 장애와 연관되어 있다.
Rosen 등은 IGF-1 전사개시부위의 상류로 1kb가량 떨어진 지역에서 microsatellite를 발견하였다. 이를 조사한 결과 특정 대립인자를 가지면 혈액 내 IGF-1의 양이 적고, 허혈성 심장병, 제2형 당뇨에 민감하다는 결과도 있다. 이는 운동하는 동안 에너지 공급에 영향을 미치며, 간접적으로는 최대산소섭취량 수치에도 영향을 줄 수 있다.
6. Insulin-like growth factor-binding protein 3 (IGFBP3)
유전자 위치는 7p14-p12
Insulin-like growth factor의 수용체이며 세포분열과 자살의 조절에서 중요한 역할을 한다. IGFBP3는 혈액 내 IGF-1과 IGF-2의 유지에 중요한 역할을 하는 것 중 하나이며, 많은 기능을 수행하는 것으로 알려져 있다. IGF1과 IGF2는 6개의 IGF binding protein중 하나와 결합하여 복합체를 형성한다.
IGFBP3 유전자는 8.9kb의 거리에 걸쳐 있는 5개의 exon으로 구성되며, 264개의 아미노산 사슬로 이루어져 있다. 2001년에는 promoter region에서 SNP가 발견되었다.
Promoter region의 202번째 염기가 A에서 C로 치환된 변이가 발견되었으며, 이는 IGFBP3의 양과 강하게 연관되어 있다고 한다. A 변이를 가지는 경우 더 큰 활성을 갖는 것으로 조사되었다.
여러 민족을 대상으로 연구한 결과, 5개의 SNP가 혈액 내 IGFBP3의 양과 연관되어 있는 것으로 조사되었으며, 성장호르몬 결핍 아동의 성장호르몬 치료에 대한 반응을 조사했을 때, AA 유전자형을 갖는 아이가 AC, CC 유전자형을 갖는 아이에 비해 IGFBP3의 양이 많고 키가 더 빠르가 컷다고 한다.
