生体内のおけるエネルギーの流れをあつかう学問である生体エネルギー論。エネルギー代謝やエネルギー供給機構・供給システム等とも呼ばれますが、なかなかわかりにくい学問です。
前回までに無酸素性代謝についてまとめました。今回からは、有酸素性代謝について整理しましょう。
生体エネルギー論の基礎に関する記事はこちらを参照してください。
ATP-CP系に関する記事はこちらを参照してください。
生体エネルギー論(bioenegetics)・エネルギー代謝論とは何か？
復習になりますが(以下の「酸化系とは」まで飛ばしても問題ありません)、
主に糖質、脂肪、タンパク質などの化学エネルギーを持つ主要(3大)栄養素から、生体内で利用可能なエネルギー形態(ATP：アデノシン三リン酸)への変換について学ぶのがエネルギー代謝論です。
人間(細胞)が運動、ひいては生命活動をするためにはエネルギーが必要です。ほぼすべての細胞において直接の動力源(エネルギー)はATPですが、体内にATPは少量しかないので、代謝して作り出すことになります。その基になるのが、糖質、脂肪、タンパク質等エネルギー基質です(3大栄養素は、直接のエネルギー源(筋肉を動かすもの)では無い)。
エネルギー代謝の分類
エネルギー代謝は、無酸素性と有酸素性に分けられます。
さらに無酸素性は「ATP-CP系」と「解糖系」に分類され、有酸素系は「酸化系」と「電子伝達系」に分けられます。
- 無酸素性エネルギー代謝
- ATP-CP系
- 解糖系
- 有酸素性エネルギー代謝
- 酸化系
- 電子伝達系
無酸素性エネルギー代謝は、無呼吸での運動を意味するのではなく、ATPを合成する際に酸素を必要としない代謝経路のことです。ある程度強度の高い運動時にしか発動しません。
今回は、すべての生物が恩恵を受けている有酸素性代謝の中の酸化系に焦点を充てたいと思います。
酸化系とは
酸化とは、生化学的には、電子を他の物質に渡すことです(逆は還元(電子を受け取る)。
また、酸化反応とは酸素と結合する反応または糖や脂肪が酸素を使って、ミトコンドリア内で水と二酸化炭素にまで完全に分解される反応のことです。
三大栄養素すべてからATPを産生できる
生物の行動は、有酸素系代謝に支配されています。極論になりますが、運動を全くしない人の場合、無酸素過程が発動しない可能性もありますが、有酸素過程は安静時や日常生活で常に行われているいます。
無酸素系代謝は、エネルギー気質である三大栄養素(糖質・脂肪・タンパク質)の中で唯一糖質(炭水化物)からしかATPを産生することができませんが、有酸素系代謝は、そのほかの脂肪やタンパク質からもATPも再合成することができます。言い換えると、三大栄養素すべてからATPを産生することができるのが有酸素代謝です。
- 糖質
- 脂肪
- タンパク質
糖質からの有酸素代謝
血中グルコースまたは筋グリコーゲンからピルビン酸までの過程は解糖系になります(無酸素代謝)。
ピルビン酸は、解糖系の最終形態(代謝物)ですが、非常に不安定でピルビン酸の状態を維持できません。酸素の有無で、乳酸やアセチルCoAにすぐに変換されるので、解糖系の最終代謝物ではありますが、実際には中間代謝物的な物質です。
解糖系では、一時的な酸素不足からピルビン酸は乳酸に代謝されましたが、酸化系では酸素を利用できるので、ピルビン酸は乳酸には変換されず、ミトコンドリアに輸送されてアセチルCoAに変換され、クレブス回路に入ります。
解糖系に関する記事はこちらを参照してください。
糖質から有酸素代謝経路は、
(血中)グルコース(または筋グリコーゲン)→グルコース-6-リン酸→フルクトース-6-リン酸→中略→ホスフォエノールピルビン酸→ピルビン酸→アセチルCoA→クレブス回路
ズバリ、覚えるのは赤字部分で大丈夫です(特に初期は)。
ピルビン酸までは解糖系なので、無酸素・有酸素ともに同じ過程になりますが、その後の酸素の有無で、無酸素の場合(一時的に)乳酸に、有酸素であればミトコンドリア内でアセチルCoAからクレブス回路に入ります。
クレブス回路
クレブス回路とは、熱量素である三大栄養素の代謝経路のことで、ATPを有酸素の状態で生成し、供給するエネルギー獲得回路のことです(トレーニング用語辞典@ウィダー)。
発見者のハンス・クレブス博士から命名されています。また「TriCarboxylic Acid Cycle」からTCA回路、さらにクエン酸から始まりクエン酸に戻るので「クエン酸回路」とも呼ばれています。
- クレブス回路
- TCA回路
- クエン酸回路
出典：Wikimedia Commons
アセチルCoAからクエン酸に変換し、その後、酸素と栄養素がある限り
クエン酸→シスアコニチン酸→イソクエン酸→オキザロコハク酸→α-ケトグルタール酸→コハク酸→フマール酸→リンゴ酸→オキザロ酢酸→クエン酸
と半永久的に回り続けます。クレブス回路一週で2ATPを生成することができます(実はそんなに多くなく、ATP生成にメインは電子伝達系となります)。
クエン酸回路内の物質をすべて覚える必要は無いと思いますが、オキサロ酢酸からクエン酸に戻る過程では、糖質が必要ということは知っておいた方がいいと思います。
脂質代謝であっても糖質は必要ということです(飢餓状態でケトン体が産生すると糖質は必要でなくなるとのことですが、これはかなり特殊な状況です。下手をすると低血糖で死を招く可能性があるので、ケトジェニックダイエットには十分注意しなければなりません。栄養の専門家の指導が無い場合は、お勧めしません)。以下(脂肪からの有酸素代謝)に理由を説明しています。
ATPの産生数に関する記事はこちらを参照してください。
脂肪からの有酸素代謝
出典：ストレングストレーニング&コンディショニング第4版@NSCA Japan
有酸素代謝は、糖質だけでなく脂肪からもATPを産生することができますが、すべてクレブス回路からの生成となります。
脂肪は脂肪酸に分解され、その後アセチルCoAに変化されてから、クレブス回路に入ります。
クレブス回路ではアセチルCoAがオキサロ酢酸と結合し、クエン酸に代謝されます。
脂肪酸からアセチルCoAが供給されると、それに応じてオキサロ酢酸も増やさなくてはならず、解糖系で産生されたピルビン酸からオキサロ酢酸を産生し補充することになります。
つまり、脂質だけではATPを産生することはできず、適量の糖質が必要となります。
タンパク質からの有酸素代謝
出典：ストレングストレーニング&コンディショニング第4版@NSCA Japan
有酸素代謝は、タンパク質からもATPを産生することができますが、飢餓状態での特殊な状況下での代謝となります(糖新生)。
筋肉合成にも悪影響が出るので、この状況になるのは防がなくてはなりませんが、
タンパク質はアミノ酸に分解され、その後クレブス回路に入り、ATPを産生することになります。
アミノ酸は、
- ピルビン酸
- フマル酸
- オキサロ酢酸
に代謝され、クレブス回路に入ります。
酸化系の特徴
上記にも記載しましたが、栄養素と酸素があれば半永久的に酸化系はATPを生成し続けます。
その特徴として
- 酸素が必要
- 強度の低い運動で使用される
- 長時間で使用できる
- クレブス回路一周で、2つのATPを産生する
等の特徴を持ちます。
強度の低い運動。長時間の運動で使用される。半永久的。
理論上は8秒のATP-CP系、33秒の解糖系(計41秒)後のエネルギー代謝となりますが、強度の低い運動以下、日常生活や安静時さらには睡眠時にも有酸素代謝の恩恵を受けています、言い換えれば、生きている限り、強制的に有酸素代謝からエネルギーを生成しているわけです。
エネルギー比率は、
安静時(睡眠含む)→糖質：脂肪 = 1：2
歩行程度→1：1
以降、運動強度が上がると糖質利用が増加します。
例えば、500m走を行うと、さすがに最初から全力ではないはずです。ある程度の強度から入り、スピードが落ち、ジョギングレベル、歩行、さらには止まる。といった現象は、最初はATP-CP(スタート時は使用される)が使われているが、解糖系からさらに有酸素レベルにまで強度が下がっていることになります。止まってもしばらくして動けるのは有酸素系代謝でATPが産生されるからです。
マラソンは非常に過酷な競技ですが、言い換えれば、運動時間が長いからきついわけです。長く動けるということは、強度自体は低いことを示します。強度という観点から観ると、マラソンの強度は最も低いレベルということになります。
速い解糖？遅い解糖？なんのこっちゃ！！
これも解糖系の記事に記載しましたが、再掲載します。
NSCAでは、解糖系を「速い解糖」と「遅い解糖」に分けていますが、混乱のもとです。受験する人は、覚えなくてはなりませんが、合格後は忘れてもいい問題です。
「速い解糖」は、この記事のテーマである「(無酸素的)解糖系」のことで、グルコース(グリコーゲン)からピルビン酸、そして乳酸産生までの過程を指しています。
一方、「遅い解糖」は、ピルビン酸からアセチルCoAと経てクエン酸回路に入る過程のことを言っています。有酸素過程であるクエン酸回路が関わっているので「有酸素的解糖」とも記載しています。
そもそも、解糖は、グルコースまたはグリコーゲンからピルビン酸までの過程なので、速いも遅いもなく、全く同じ過程です。NSCAのテキストにもこのことは書いているので、この記載はやめた方がいいのではないかと個人的には強く思います。
実際、このせいで受験時は混乱していたものです😡
基本的には、「速い解糖」は「解糖系」で無酸素過程、
一方「遅い解糖」は「酸化系」で有酸素過程と押さえておいた方がいいと思います。
有酸素系(酸化系+電子伝達系)の運動
今回は酸化系の記事ですが、有酸素系は次回の記事の電子伝達系も同時に発動するので、酸化系のみの運動をいうものは存在しません。
低強度の運動(Low Power、有酸素系代謝)は、高強度の運動でもレスト中(ウエイトトレーニングのインターバル等)やつなぎ系(球技のジョグや格闘技で様子を見ている状態等)でも起こります。
このことからも低強度での持久力は、すべての競技に重要です。
もちろん、ウォーキング等日常生活も有酸素系代謝となります。
以下に、ローパワー(Low Power)メインの競技を記載します。
表. ローパワー競技の有酸素系の比率(依存度)
| 競技スポーツ | 有酸素系の関与率(%) |
| マラソン | 95 |
| 1000m走 | 80 |
| 5000m走 | 70 |
| 3000m走 | 40 |
| 1500m走 | 25 |
| 1500mスイム | 70 |
| 400mスイム | 40 |
| *ウォーキング | 99~100 |
| ゴルフ(ショット以外) | 95~100 |
| 野球(守備で止まる、攻撃時のベンチ内) | 99~100 |
出典：ストレングス&コンディショニングⅠ(理論編)@NSCAジャパン(大修館) *ウォーキング以降は長澤の予測数値
上記の表は、競技スポーツの有酸素系の割合の高いローパワー競技です。この数値は大変良い目安にはなりますが、すべてを鵜呑みにしてはなりません。実際、この割合を数値化することは難しく、最近のテキストでは、「高い」「中程度」「低い」等やや抽象的な記載をします。
陸上や水泳等の決まった距離をある程度同ペースで走る(泳ぐ)場合は、この比率は非常に参考になると思いますが、あくまでもアスリートレベルです。
一般の方では、上記スポーツでは、ほぼ有酸素過程からATPを産生していると思います。1500m走は、有酸素系だけではなく、解糖系の関与(55%)も高い競技ですが、一般の方が1500m走を行うと、すぐにペースは落ち、有酸素運動となっていることが多いのではないでしょうか。私の場合は、1500m走るのに9分程度かかるので、完全な有酸素運動です(^^♪
まずは、低強度の有酸素レベルの運動をすることでフィットネスレベルを上げていきましょう。
まとめ
酸化系の反応は、
- 糖質→解糖系からクレブス回路
- 脂肪→クレブス回路
- タンパク質→クレブス回路
特徴として
- 酸素が必要
- 低強度の運動
- 長時間の運動(日常生活含む)
例として
- マラソン
- 1,500m～10,000走
- 1,500mスイム等遠泳(ゆっくり泳げば距離は短くても有酸素系代謝)
出典、引用、参考
・ストレングストレーニング&コンディショニング第4版@NSCA Japan(BookHouseHD)
・トレーニング用語辞典@ウィダー
・ストレングス&コンディショニングⅠ(理論編)@NSCA Japan(大修館)
・トレーニング指導者テキスト(理論編)@JATI(大修館)
・究極のトレーニング@石井直方(講談社)
・エネルギー代謝を活かしたスポーツトレーニング@八田秀雄(講談社)
・新版 乳酸を活かしたスポーツトレーニング@八田秀雄(講談社)
フィジックスコンディショニングジム
より詳細を知りたければフィジックスコンディショニングジムの超入門セミナーをご検討ください。
