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운동도 약처럼 전문가의 처방이 필요하다 Ⅰ

우리는 움직일 수 있을 때 건강하며 행복하다고 느낄 수 있으며 움직임은 생존에 필수적인 요소이다. 왜냐하면 현생 인류가 사냥과 채집을 하면서 원시생활을 할 때는 필연적으로 부지런히 움직여야 먹을 것을 구할 수 있었고, 위험에 처해 있을 때는 현장을 빠져나가기 위하여 빠른 움직임이 필요하였다는 것은 자명한 사실이다. 걷는 것은 유산소 운동이므로 낮은 강도의 운동이라고 할 수 있다. 원시시대에 현생인류는 하루에 약 20km이상을 걸었을 것이라고 추정되며, 위험에서 탈출하기 위하여 짧은 시간동안의 빠른 이동은 무산소 상태의 고강도 운동에 해당된다고 할 수 있다. 인간이 사냥과 채집을 하면서 하루에 약 20km 가까이 걸으면서 살아가던 시절에는 요즈음에 흔히 볼 수 있는 만성 퇴행성 질환은 거의 보기 힘들었다고 한다. 운동은 의학의 매우 중요한 부분을 차지하였지만 약물치료가 주된 현대의학에 밀려서 의사들에 대한 교육이 뒷전에 처진 것도 사실이다. 스트레스를 많이 받으며, 인스턴트 음식과 탄수화물의 섭취가 늘어나고, 자동차로 이동하면서 운동량이 적어짐으로서 비만인구의 비율이 지속적으로 증가되면서 염증, 심혈관계 질환, 암, 우울증 및 치매 같은 질병의 유병률과 사망률이 지속적으로 증가되고 있다.

과거에는 운동에 대한 개념은 많은 시간을 투자하는 것이 더 추천 되었으나, 요즈음은 관절 운동범위의 균형을 잘 유지하고 안정성을 유지하는데 더 초점을 맞추고 있다. 인체는 각 부분이 서로가 반응하면서 긴밀하게 연결된 완벽한 구조를 가지고 있기 때문이다. 근골격계와 신경계는 항상 서로 긴밀하게 통합되어 움직임이 일어나야 한다. 그러므로 운동처방은 약물을 처방하듯이 의학의 한부분이 되어야 한다. Gray Cook은 운동의학(exercise medicine)을 운동과학(exercise science)이라고 하였다. 신경근육의 긴밀한 움직임은 컴퓨터의 소프트웨어 역할을 하고 근육과 관절은 하드웨어 역할을 한다. 운동처방에서 가장 먼저 신경 써야 할 부분은 운동하면서 손상을 받지 않아야 한다.

운동과 움직임에 대한 표준화된 측정방법과 평가방법에는 functional movement screen(FMS)과 selective functional movement assessment(SFMA)의 두 가지 방법이 있다. FMS는 움직임의 패턴을 계층적 서열과 등급화의 방법으로 구성하여 정상적인 기능을 유지하는데 핵심이 있다. 각 동작을 점수화함으로서 임상적으로 스크리닝 효과가 있지만 진단적인 가치보다는 예후를 판정하는데 도움이 된다. 이것은 반복할 수 있는 스크리닝 방법이고 손상을 받을 가능성에 대한 것을 예측할 수 있다. FMS 점수가 경계치에 있으면 손상이 증가할 수 있다는 것을 예측할 수 있다. 예를 들면, 소방관들이 FMS에 근거한 기능적 운동치료 프로그램을 받으면서 1년 동안을 관찰하였을 때, 일을 중단하게 될 확률이 62% 감소했고 손상의 가능성도 42% 줄일 수 있었다. SFMA는 기능적 움직임에 대한 진단적 가치가 있으며 문제점을 정확히 찾아내어 치료에 우선할 수 있게 해준다.

체중 감소를 위한 운동의 새로운 개념
단거리 달리기 선수는 짧은 시간동안에 격렬한 무산소 운동을 하지만 마라톤선수는 유산소 운동을 여러 시간 동안하며 많은 양의 칼로리를 소모한다. 과거에는 체중감량을 위하여 주로 오랜 시간 동안 하는 유산소 운동을 추천하였지만, 최근의 추세는 무산소 운동이 단시간에 많은 에너지 소비를 위하여 운동처방으로 추천되고 있다. 일반적으로 지방을 태우는 단계의 운동에 대하여 잘못 알고 있는 부분이 있다. 최대심장박동수의 65~80%까지 올라가는 유산소 운동을 하면 단위시간당 가장 많은 지방을 에너지원으로 소모하는 것으로 알고 있었다. 그러나 실제는 그렇지 않다. 상대적으로인 관점에서 보면 저강도 운동은 탄수화물보다는 지방을 더 많이 소모한다. 그러나 유산소 운동의 범위를 능가하는 운동을 하면 운동자체가 고강도가 되기 때문에 에너지 총량은 증가되고 지방의 사용비율은 줄어든다. 예를 들어서 A라는 사람이 최대심장박동수의 60% 강도로 조깅을 하면 시간당 약 200Kcal를 소모하는데, 이때 에너지로는 60%의 지방과 40%의 탄수화물을 소모한다(지방소모량 : 200Kcal×0.6 = 120Kcal). B사람의 경우에 최대심장박동수의 60%강도로 조깅을 하면서 사이사이에 짧은 시간 동안 최대심장박동수의 90%이상 강도로 단거리 달리기를 수분동안 한다면 지방의 소모량의 비율은 50%로 줄어든다. 즉 지방과 탄수화물을 각각 50% 씩 사용하나, 전체적인 에너지 소모량은 100Kcal를 더 소모하여 300Kcal를 사용하게 된다(지방소모량 : 300Kcal×0.5 = 150Kcal). 즉 지방의 소모를 비교해보면 유산소 운동보다는 무산소 운동이 더 많이 소모한다는 것을 알 수 있다(표 1 참조).


 


소모된 총 칼로리
 

지방 소모량

포도당 소모량


A. 최대심장박동수(MHR)의 60%
 

200Kcal

60%(=120Kcal)

40%(=80Kcal)

B. 최대심장박동수의 60%의 조깅을 하다가 중간 중간에 MHR의 90%이상 되는 전력질주 운동

300Kcal

50%(=150Kcal)

50%(150Kcal)


표1. 운동 강도에 따른 칼로리의 소모량 및 체지방, 포도당의 소모량의 비교 정리


2009년에 Melanson박사가 운동이 대사의 활성화에 미치는 영향에 대한 연구를 발표하였다. 조깅, 자전거타기 및 수영 같은 중간정도 강도의 유산소 운동은 운동하는 중에만 칼로리를 소모하는 것 이외에는 장기적으로 대사적인 이득이 없다고 하였다. 지난 25년간 논문들은 분석한 메타분석에서도 비슷한 결론을 제시했다. 체중변화에 있어서 식이제한만을 한 경우, 유산소 운동만을 한 경우와 식이제한과 유산소운동을 같이한 경우를 비교한 논문 400편 이상을 분석 연구하였는데, 그 결과는 유산소 운동은 단독으로 식이제한을 한 경우와 비교해서 체중을 줄이는데 우월성이 없었다. 비록 유산소 운동이 체중감소를 유지하는 데는 의미가 있지만 체지방을 줄이는 것에 대해서는 통계적으로 유의하지 않았다. 그러나 무산소 운동을 더 많이 하는 경우에는 체지방 감소에 있어서 좀 더 기대되는 결과를 얻을 수 있었다. 간헐적 고강도운동(HIIT, High Intensity Interval Training)이란 고강도의 무산소 운동과 유산소 운동을 교대로 섞어서 하는 것을 말한다. 근력강화운동은 무산소 운동을 주로 하는 것이다. 이렇게 무산소운동이 주가 된 운동방법은 유산소 운동에서 얻어지는 칼로리 소모효과에 부가하여 특별한 이득이 있다.

유산소 운동을 하면 주로 산소를 미토콘드리아가 이용하는 대사가 일어나지만 무산소 운동은 미토콘드리아가 산소를 이용하지 못하는 상태가 된다. 잘 아는 것처럼 운동강도가 증가되면 무산소 대사가 주로 일어난다. 안타깝게도 무산소 운동에 대한 효과의 정도를 측정하는 것은 쉽지가 않다. 운동하는 중에 칼로리 소모와 기질의 소모량의 측정은 호흡한 공기의 성분을 측정하는 방법을 사용한다. 산소소모량에 대한 이산화탄소의 배출의 비율은 에너지 이용의 정도를 측정하는데 주로 포도당과 지방의 사용량을 비교하게 된다. 그러나 이 방법은 저강도의 운동에서만 유효하다. 강한 근력운동과 짧은 시간의 휴식을 반복하는 순환저항운동(circuit resistance training)을 31분 정도하면, 운동을 중단한 이후에도 운동 후 초과산소 소비량(EPOC, Excess Postexercise Oxygen Consumption)은 48시간까지 계속되고, 대사는 24시간까지는 21% 지속되고 48시간에도 19%까지 지속되었다.

Scott박사는 운동 후 초과산소 소비(EPOC)는 무산소 운동시에 에너지 사용을 완전하게 설명하지 못한다고 지적했다. Scott박사는 무산소 운동을 하면 젖산이 생성되는 것을 강조하였다. 그래서 운동을 하면 3가지 요소를 측정해야 하는데, 첫 번째는 유산소 운동 시에 소모되는 칼로리(유산소 운동 대사), 두 번째는 운동 후 유산소 상태로 소모되는 칼로리(운동 후 초과산소 소비, EPOC) 및 세 번째는 운동 후 무산소로 소모되는 칼로리(무산소 운동 기여도)로 구분한다. 2005년에 Scott박사는 무산소 운동의 잠재적인 영향을 분석하여 다음과 같이 발표하였다. 3.5분 동안 유산소 운동을 한 경우와 15초씩 전력질주 운동을 3회를 한 경우와 비교하였다. 3.5분 유산소 운동을 한 경우는 유산소 대사가 29Kcal이었으나 전력질주 운동을 3회한 경우는 4Kcal를 소모하였고, EPOC는 각각 36Kcal와 39Kcal로 비슷하였으나 무산소 운동 기여도는 39Kcal와 65Kcal로 전력질주 운동을 15초씩 3회한 경우가 월등히 높았다. 즉 전력질주 운동한 경우가 유산소 운동을 한 경우보다 칼로리 소모가 월등히 많았다. 즉 운동한 시간만을 비교하면 유산소 운동은 210초(3.5분)를 하였기 때문에 무산소 운동을 한 45초보다 4배정도 운동시간이 길었다(표 2 참조).

 

유산소 대사

운동 후 초과산소 소비 (EPOC)

무산소 운동 기여도

3.5분간 유산소 운동(210초)

29Kcal

36Kcal

39Kcal

15초씩 전력질주 운동 3회(45초)

4Kcal

39Kcal

65Kcal


표2. 운동의 강도와 시간에 따른 칼로리 소모 및 산소소모량의 비교 정리


운동을 하게 되면 호르몬의 대사에 변화가 오게 된다. 호르몬이란 인체 내에서 신호를 전달하는 분자를 말하는데, 스테로이드 호르몬, 근육에서 만들어진 사이토카인(myokine) 및 다른 여러 가지 신호를 전달하는 분자들을 말한다. 호르몬같은 신호전달자는 운동을 하면 직접적으로 지방을 소모하는데 관여하기도 하고 운동한 다음에 운동 후 초과산소 소비(EPOC)에도 영향을 줄 것으로 추정하고 있다. 무산소 운동을 하면 짧은 시간동안에 운동중이나 운동 후에 더 많은 칼로리를 소모하기 위하여 호르몬의 변화가 일어난다. 이러한 현상은 운동 후 초과산소 소비(EPOC)에 의하여 에너지 소모량이 증가하는 것을 설명할 수 있게 해준다. 이것은 운동을 하고 수 시간에서 수 일후에도 인체가 얼마만큼의 산소를 소모하는지를 측정한다. 예를 들어 긴 계단을 올라간 후에 운동 후 초과산소 소비(EPOC)를 측정하는 것이다. 계단을 올라가면 숨이 차게 되는데, 호흡은 정상에 도달한 후에 더 힘들게 된다. 이러한 인체의 반응은 활동 중에 부족했던 산소를 공급받아야하기 때문이다. 충분한 강도의 운동은 아드레날린, 노르아드레날린 및 코티솔 같은 스트레스호르몬을 증가시킨다. 이러한 호르몬들은 포도당 대사도 활성화 시킨다.

보통 운동 후 근육통과 피로감이 오는 것은 부산물로 만들어 지는 젖산 때문인데, 과거에는 운동 후 생기는 노폐물정도로 알려져 있었다. 그러나 젖산은 생리적으로 버퍼(buffer)역할을 하고 신호전달물질의 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 젖산은 동화작용을 하는 테스토스테론과 성장호르몬을 만들게 한다. 운동의 결과로 분비가 증가된 카테콜아민은 코티솔, 성장호르몬 및 테스토스테론과 함께 작용하여 체지방을 감소시키고 근육의 양을 증가시킨다. 유산소 운동과 무산소 운동은 호르몬의 변화에 있어서 서로 다르게 영향을 준다. 이러한 호르몬들은 단독으로 작용하지 않는다. 흥미롭게도 코티솔은 단독으로 작용하면 인슐린에 대한 반응을 둔하게 하여 근육을 분해하여 지방의 양을 늘어나게 하는 호르몬으로 알려져 있다. 그러나 코티솔이 테스토스테론과 성장호르몬과 함께 작용하면 근육에 대한 이화작용을 차단하고 복부지방의 증가를 억제하며 지방을 에너지원으로 사용하게 하여 체지방을 감소시킨다. 유산소 운동을 하면 코티솔이 증가되는 위험성이 있어서 성장을 촉진하는 호르몬의 작용을 억제할 수도 있다. 즉 저강도의 유산소 운동은 렙틴(Leptin)의 농도를 낮추고 그렐린(Ghrelin)의 농도를 증가시켜서 보상적으로 식욕이 증가하며 지방이 많이 들어간 음식과 짠음식을 선호하게 만들 수 있다. 짧은 시간동안에 고강도의 운동을 하면 그렐린의 농도를 감소시킴으로서, 식욕을 감소시키고 이화작용에 대한 동화작용의 비율에 있어서 좀 더 균형을 잡게 해 준다. 이러한 결과를 종합해 볼 때 표준적인 유산소 운동만으로 이상적인 체형의 균형을 유지하는 것이 쉽지 않다.

앞에서도 여러 실험을 통해서 나왔지만 유산소 운동만으로는 체지방을 줄이는 것은 쉽지 않다. 예를 들어 최대 심박동수의 70%까지 올라가는 중간정도 강도의 유산소 운동을 하면 시간당 약 300Kcal를 소모하지만 최대심장박동수의 97% 정도의 강도로 2분간 운동을 하고 저강도의 운동을 3분정도하면서 휴식을 취하면 총 칼로리 소모는 300Kcal로 동일하지만 체지방의 소모량은 훨씬 많다. 그뿐만 아니라 운동이 끝나고 24시간까지 지방이 계속 소모되면서 체지방의 감소가 일어나는 장점이 있다. 이러한 현상을 과학적으로 입증하기 위하여 지방산의 산화작용의 표지자인 3-hydroxyacyl coenzyme A dehydrogenase를 측정하여 비교하였다(그림 1 참조).


그림 1. 지방산의 산화작용의 표지자인 3-hydroxyacyl coenzyme A dehydro-genase가 지방산 대사에 있어서 작용하는 경로. 미토콘드리아 기질(matrix)내에서 beta-hydroxyacyl coenzyme A가 beta-ketoacyl coenzyme A가 될 때 필요한 효소이다.

유산소 운동을 20주간 한 경우에 칼로리 소모는 간헐적 고강도운동보다 약48% 더 증가되었지만, 피하지방이 없어진 것을 1로 보았을 때 15주간 간헐적 고강도운동(HIIT, High Intensity Interval Training)을 한 경우에는 유산소운동보다 피하지방은 9배나 많이 감소되었다. 그리고 근육생검을 통해서 측정한 지방산의 산화의 표지자인 3-hydroxyacyl coenzyme A dehydrogenase는 유산소 운동에서는 거의 변화가 없었으나 간헐적 고강도운동에서는 매우 의미 있게 증가하였다. 2008년에 시행된 또 다른 연구에서 18세에서 30세 사이에 있는 45명의 건강한 여자에서 세군으로 나누어 15주간 연구관찰을 하였다. 첫 번째 군은 간헐적 고강도 운동으로 자전거에서 전력 운동을 8초간하고 12초간 휴식하는 운동을 20분간 지속했다. 두 번째 군은 중간 정도의 강도의 유산소 운동으로 자전거를 40분간 지속적으로 운동을 시키고 마지막 군은 운동을 시키지 않았다. 15주의 운동이 끝나고 나서 간헐적 고강도 운동을 한 경우는 2.5파운드의 체지방이 감소하였으나 유산소운동만 시행한 두 번째 군은 0.6 파운드의 체지방이 감소하였다. 체지방과 관련된 렙틴 및 인슐린의 농도를 측정한 결과 간헐적 고강도 운동 군에서 좋은 반응을 보였다.

이러한 것들을 근거로 보면 저항운동이 체지방의 감소와 신체단련에 특별한 이득이 있음을 알 수 있다. 그래서 최근의 연구에 의하면 저항순환운동(circuit training)이 심혈관계에 대한 효과뿐만 아니라 근력 강화운동의 효과를 동시에 얻을 수 있다고 보고하고 있다. 저항운동이 체력단련과 체지방감소 뿐만 아니라 인슐린 저항성에 영향을 받는 질환들에서도 효과가 있었다. 이러한 운동방법은 유산소 운동보다는 노화나 식이요법에 의한 자연스런 근육양의 감소를 막는데 유리하다. 그 이유는 저항운동이 운동 후 초과산소 소비량(EPOC)에 미치는 영향이 크기 때문이다. 최근의 Osterberg등의 연구에서는 간헐적 고강도 운동을 한 후에 대사의 증가상태는 운동이 종료된 후에도 남자에서는 48시간 지속되고 여자에서는 16시간까지 지속되는 결과를 보였다. 저항운동이 심혈관계를 강화시키는데 더 도움이 되었다. 저항운동은 운동시간을 줄여도 효과적인 결과를 얻을 수 있었다. 동시에 시행하는 운동(concurrent exercise)으로는 두 가지가 있는데 한 가지는 serial concurrent exercise(SCE)이며 다른 한 가지는 integrated concurrent exercise(ICE)가 있다. SCE는 유산소 운동과 저항운동을 이어서 바로 이어서 하는 것이고, ICE는 유산소 운동과 저항운동을 교대로 하는 것이다. 두 가지 운동방법을 비교해 보면 ICE방법이 좀 더 운동효과가 증폭되는 결과를 보였다. 2008년에 Davis등의 연구에 따르면 ICE 방법이 운동효과에서 더 좋은 결과를 얻었다. 체지방을 줄이는 데에 있어서 1주에 4시간씩 11주간 운동을 시행한 결과 ICE방법이 SCE방법보다 10배 더 효과가 있었다. 이러한 결과는 잘 훈련된 운동선수에서도 심장호흡 및 심혈관계 효과에 대한 지표들에서 ICE방법이 SCE방법보다 우수하게 나왔다. 또한 ICE운동을 한경우가 운동 후 24시간에서 48시간 사이에 발생하는 근육통(DOMS, delayed-onset muscle soreness)도 감소되었다(J strength conditioning res. 2008;22:212-225).

간헐적 고강도 운동(HIIT)은 심장박동, 운동자각도(per-ceived exertion rate, PER) 및 운동과 휴식의 간격을 잘 이용하면 효과적이고 안정적으로 사용할 수 있는 운동이다. 이러한 운동을 적절히 조절해서 잘하면 만성 폐쇄성 폐질환(COPD), 울혈성 심부전 및 심장이식 등을 받은 환자에서도 도움이 될 수 있다. 심장질환 환자에 있어서도 이러한 운동은 심전도상 ST-분절의 변화와 심박변이(HRV, heart rate variability)에 좋은 효과를 보였다. 심장박동수는 매우 중요한 지표이다. 나이만을 고려한 심장박동수의 변화를 기준으로 운동의 강도를 정하는 것은 매우 비과학적이다. 예를 들어 고전적으로 사용된 운동에 따른 적정한 최대심장박동수(MHR)의 기준을 잡는데 있어서 220에서 나이를 빼는 공식은 고령에서는 저평가 되고 젊은 나이에서는 고평가 될 수 있다. Gulati등에 의한 최근의 연구에 따르면 남자와 여자가 구분되어야 한다. 남자에서 최대 심박동수는 208-나이(0.7)이고 여자의 경우는 206-나이(0.88)로 하는 것이 합당하다고 주장하였다(circulation. 2010;122:130-137).

여러 가지 약물을 사용하고 있는 환자나 기저질환이 있는 경우에는 심장박동수로만 운동의 강도를 판단하여 임상적으로 적용하기에는 어려운 점이 있다. 그래서 Borg scale은 16점까지로 나누어서 평가하였으나 간단하게하기 위하여 1에서 10까지로 구분하여서 전통적인 유산소 운동은 6~8점으로 표기하고 간헐적 고강도 운동(HIIT)은 8~10점으로 표기하고 휴식상태는 1~4점 정도로 표기하였다. 심장박동수의 관찰, 운동자각도(perceived exertion rate, PER) 및 심장 박동수 회복(heart rate recovery, HRR)등을 잘 관찰하면 운동에 따른 안정성에 대하여 철저한 통제를 할 수 있다고 하였다.

임상적으로 운동의 강도를 쉽게 측정할 수 있는 방법은 운동하면서 말하기 검사(talk test)와 심장 박동수 회복(heart rate recovery, HRR)이라고 할 수 있다. 운동과 호흡은 밀접한 관계에 있다. 운동하면서 말을 할 수 있다는 것은 무산소 운동 영역의 경계점을 가늠할 수 있다. 최대산소요구량(VO2 max)의 55%는 최대심박동수의 72%에 해당되고, 최대산소요구량의 85%는 최대심장박동수의 91%에 해당된다. 건강한 사람에서 무산소 운동은 최대심장박동수의 80%에 해당된다. 이쯤 되면 운동하면서 말하기가 힘들어 진다. 심장 박동수 회복(heart rate recovery, HRR)은 운동 후에 심장박동수가 회복되는 정도를 말하는데 교감신경과 부교감신경의 강도의 정도를 표시한다. 건강한 사람에서는 운동을 멈추면 분당 적어도 25회씩 심장박동수가 감소해야하나, 분당 10회 이하로 감소하는 사람은 심장전문의의 진찰이 필요하다.
 

<다음 호에 계속>

최세환  emd@mdjournal.net

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