The Energetic Cost of Building Human Skeletal Muscle

수십 년 동안 운동선수, 코치, 그리고 인간의 신체 능력에 관심이 있는 모든 이들은 근육을 만들려면 소비하는 것보다 더 많이 먹어야 한다는 단순하고 직관적인 믿음에 따라 움직여 왔습니다. 그 논리는 타당합니다. 신체가 새로운 조직을 구축하려면 원료와 연료가 필요하기 때문입니다. 그러나 이 일반적인 원칙은 받아들여지고 있음에도 불구하고, 그 프로젝트의 구체적인 비용은 미스터리로 남아 있었습니다. 누구도 1킬로그램의 인간 골격근을 무에서부터 만드는 데 실제로 얼마나 많은 에너지가 필요한지 명시적으로 계산해 본 적이 없습니다. 이러한 공백이 존재하는 이유는 그 과정이 인체의 복잡한 기계 장치 내부에 숨겨져 있기 때문입니다. 이는 단순히 벽돌을 쌓는 문제가 아닙니다. 단백질의 화학적 조립, 지방과 당의 저장, 신체 자체의 작업 중에 발생하는 열, 그리고 그 조직이 구축되는 동안 생존을 유지하는 데 필요한 에너지 등이 포함됩니다. 명확한 수치가 없다면, 근육 성장을 위해 흔히 권장되는 막대한 음식 잉여분이 생물학적으로 필수적인 것인지, 아니면 신체의 필요량을 과소평가하는 것에 대한 안전장치인지 알기 어렵습니다.

그리스의 한 연구팀은 상세한 회계 모델을 구축함으로써 이 질문에 도전했습니다. 단일 근육 형성 세션의 에너지를 측정하는 것은 거의 불가능하므로, 그들은 이를 분리하려고 시도하는 대신 밑바닥부터 계산했습니다. 그들은 1킬로그램의 젖은(wet) 인간 근육의 알려진 화학적 구성을 바탕으로, 단백질, 지방, 그리고 근육에 저장된 당의 형태인 글리코겐이라는 주요 성분으로 나누어 분석하며 시작했습니다. 그런 다음 이 성분들을 조립하는 데 필요한 에너지, 성분들을 배치하는 작업 중에 신체가 소모하는 추가 에너지, 성장 기간 동안 새로운 조직을 유지하는 데 드는 비용, 그리고 마지막으로 이 과정을 뒷받침할 추가 음식을 소화할 때 발생하는 열 에너지를 더했습니다. 이 다섯 가지 뚜렷한 층위를 모두 합산함으로써, 그들은 근육을 만드는 데 드는 총 대사 비용에 대한 정밀한 추정치에 도달했습니다.

계산은 조직 내부에 저장된 에너지로부터 시작됩니다. 1킬로그램의 젖은 골격근은 대략 177그램의 단백질, 30그램의 지방, 20그램의 글리코겐을 포함합니다. 이 분자들 안에 잠겨 있는 화학적 에너지는 약 5,670킬로줄입니다. 이것은 만약 당신이 근육 조직을 연료처럼 태울 수 있다면 얻게 될 에너지이지만, 그것을 만드는 비용은 아닙니다. 이 분자들을 조립하기 위해 신체는 에너지를 써야 합니다. 연구진은 아미노산을 단백질로 연결하고 지방과 당을 조립하는 생화학적 작업이 또 다른 670킬로줄을 추가한다고 계산했습니다. 저장된 에너지와 조립 비용을 합치면 총량은 약 6,340킬로줄로 늘어납니다. 이 수치는 신체가 완벽하게 효율적인 기계라는 가정하에 필요한 절대적인 최소 에너지입니다.

실제로 신체는 결코 완벽하지 않습니다. 새로운 근육 단백질을 유지하는 과정은 비효율적이어서, 신체는 최종 생성물이 포함하는 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 소모합니다. 연구진은 성장과 단백질 유지에 관한 연구 데이터를 사용하여 이 효율성을 추정했습니다. 그들은 신체가 새로운 근육 단백질을 유지하기 위해 쏟는 에너지 단위당 약 46퍼센트만이 실제로 조직에 유지된다는 것을 결정했습니다. 나머지는 아미노산 운반, 단백질의 올바른 형태를 위한 접힘(folding), 손상된 구조의 수리 등과 같은 생물학적 과정의 열로 손실됩니다. 이러한 비효율성을 고려하면 에너지 요구량은 급격히 증가합니다. 이러한 생물학적 손실을 고려한 조직 배치 비용은 약 10,830킬로줄로 상승합니다. 이것이 바로 건설 작업 자체의 생리학적 비용입니다.

이야기는 건설에서 끝나지 않습니다. 근육이 성장함에 따라 신체는 구축되는 동안에도 새로운 조직을 유지해야 합니다. 연구진은 1킬로그램의 근육이 약 84일에 걸쳐 얻어진다는 현실적인 성장 타임라인을 가정했습니다. 이 기간 동안 신체는 지속적으로 평균 0.5킬로그램의 새로운 근육 질량을 지원합니다. 이 유지 과정에는 기본적인 세포 기능을 위한 꾸준한 에너지 흐름이 필요합니다. 이 휴식기 비용을 더하면 총 에너지 요구량은 약 13,110킬로줄이 됩니다. 마지막으로, 연구진은 섭취의 비용을 고려했습니다. 음식을 소화하고 처리하는 과정은 열을 발생시키는데, 이는 식이 유발 열 발생(diet-induced thermogenesis)이라는 현상으로 알려져 있습니다. 이 열 손실 후에 충분한 가용 에너지가 근육에 도달하도록 하기 위해 신체는 훨씬 더 많은 음식을 섭취해야 합니다. 이 마지막 층위까지 더하면, 1킬로그램의 젖은 골격근을 만드는 데 필요한 총 추가 에너지 섭취량은 약 14,570킬로줄, 즉 약 3,481칼로리가 됩니다.

이 숫자는 근육 성장을 이해하는 데 중요한 기준점을 제공합니다. 이는 근육 자체에 저장된 에너지보다 상당히 높으며, 조직을 만드는 것이 비용이 많이 드는 생물학적 과정임을 확인시켜 줍니다. 그러나 이는 스포츠 영양학에서 흔히 권장되는 일일 에너지 잉여분(하루 1,260~2,090킬로줄 범위)보다는 훨씬 낮습니다. 만약 운동선수가 84일 동안 표준적인 고잉여 식단을 따른다면, 그들은 단 1킬로그램의 근육을 만드는 데 필요한 14,570킬로줄을 훨씬 초과하는 엄청난 양의 에너지를 섭취하게 될 것입니다. 이는 근육 성장을 위해 흔히 권장되는 대량의 잉여분이 반드시 근육 자체를 위해 필요한 것은 아님을 시사합니다. 대신, 그것들은 훈련, 회복 및 개인이 실제로 얻게 될 근육량에 대한 추정의 불확실성을 보완하기 위한 완충제 역할을 하며, 동시에 약간의 체지방 증가를 허용하기 위한 것으로 보입니다.

연구진은 자신들의 수치가 직접적인 인간 대상 측정이 아니라 모델에 기반한 추정치라는 점을 주의 깊게 명시하고 있습니다. 이 계산은 성인 인간보다는 영유아 및 동물의 연구에서 유래한 근육 구성과 단백질 유지 효율성에 대한 가정을 바탕으로 합니다. 단백질 배치의 효율성은 성인 근육 성장이 아동의 급속한 성장과는 다른 생물학적 메커니즘을 포함하기 때문에 가장 불확실한 부분입니다. 이러한 한계에도 불구하고, 이 모델은 인간의 골격근을 구축하는 데 드는 에너지 비용에 대한 최초의 통합적이고 정량적인 추정치를 제공합니다. 이는 근육 성장이 에너지 집약적이라는 점을 명확히 하면서도, 근육을 얻기 위해 흔히 처방되는 엄청난 일일 에너지 잉여분이 반드시 필요하지는 않다는 점을 밝혀줍니다. 진정한 비용은 조직에 저장된 에너지와 전통적인 식단 계획의 막대한 칼로리 과잉 사이 어딘가에 위치하는, 구체적이고 계산 가능한 양입니다.