解糖系と酸化系のメカニズム
1.ATPの生産方法 |
ATPの生産方法には、無酸素過程と有酸素過程 がある。 |
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<図表の補足> |
(1)解糖系 |
@ 一般に ”解糖系” という場合は、無酸素過程における嫌気的解糖を指す。 |
この過程では、乳酸(糖1分子あたり2分子)を生じるため、”乳酸系” ともいう。 |
A ATPは糖1分子あたり4分子生産されるが、反応過程で2分子のATPを消費するので、 |
差引き2分子の生産となる。 |
B 筋肉内に乳酸と同時にプロトン(H+イオン)が発生する。このプロトンが直接の疲労物質である。 |
プロトンは筋のpHを酸性にし(H+イオン濃度上昇)、以下の a) b) を引起し運動の継続を阻害する。 |
a) ATP再合成酵素(ホスホフルクトキナーゼ)の働きを阻害する。 |
b) 筋繊維(正確にはフィラメント)へのCa2+イオンの結合を阻害し、筋収縮力を低下させる。 |
・補足 : Ca2+イオンは筋収縮のトリガーである。 |
したがって、筋収縮にとってカルシウムは必須の栄養素である。 |
c) プロトンの処理の仕方 |
最も効果的なのは、炭酸イオンバッファー(HCO3-)により H+ を中和することである。 |
HCO3- + H+ → H2CO3 → CO2 + H2O (HCO3- の出所は腎臓) |
d) 乳酸の処理の仕方(プロトン発生のもとである乳酸も処理をする必要がある) |
肝臓にてグルコースに変えられ( ”糖新生” という)、筋肉に戻って燃料として使用される。 |
e) クールダウンは、炭酸イオンバッファーを筋肉中に送り込んだり、乳酸の溜まった血液を筋肉外 |
に出し肝臓に送るための有効な手段である。 |
(2)酸化系 |
@ 糖質(グルコース)と脂肪(遊離脂肪酸)を燃焼(酸化)することにより、ATPを合成する。 |
A ATPの合成は、細胞内のミトコンドリアで、クエン酸回路+酸化的リン酸化 により行われる。 |
・ クエン酸回路は、Krebs回路 または TCA回路 とも呼ばれる。 → 【生化学的解説】 |
B クエン酸回路に投入される ATPの ”直接の材料” は、アセチルCoA である。 |
アセチルCoA を得る方法は、2通りある。 |
a) 糖質を有酸素的に解糖することにより合成する。 |
・糖質からピルビン酸を得る過程で、筋肉内ではATPは糖1分子あたり6分子生産される。 |
・なお、この時得られるピルビン酸は2分子で、ここからアセチルCoAは2分子得られる。 |
(補足1) 前述のように、無酸素の場合、このピルビン酸は乳酸になってしまう。 |
(補足2) ピルビン酸からアセチルCoAを得る過程で、ビタミンB1が必要である。 |
・1分子のアセチルCoAがクエン酸回路で代謝されると、得られるATPは15分子なので、 |
最終的に糖質1分子から、 6分子 + 15分子 × 2 = 36分子 のATPを得る。 |
・この過程では、乳酸は発生しない。 |
b) 脂肪をβ酸化することにより合成する。 |
・β酸化は、細胞内のミトコンドリアにおいて、有酸素環境下で行われる。 |
余談になるが、アルカリ性食品による疲労回復法(例えば、レモンや酢を食すこと)は、乳酸を除去したり、 |
クエン酸回路の働きを活性化させる という意味で、理にかなっていると言える。 |
また、酢を飲むと身体が柔らかくなるというが、乳酸が除去されて筋肉のコリがとれた結果と考えられる。 |
(補足1) レモンの酸味のもとはクエン酸である。 また、酢(酢酸)は体内で分解されてクエン酸になる。 |
(補足2) クエン酸や酢酸は、それ自体は酸性だか、体内で代謝されてアルカリ性になる。 |
2.糖質と脂肪の貯蔵 |
(1)糖質 |
@ 糖質食を摂ると血中グルコース濃度が高まり、インシュリンの作用により、筋肉や肝臓にグリコーゲン |
として貯蔵される。 筋肉や肝臓に貯蔵しきれない分は、中性脂肪として脂肪組織に貯蔵される。 |
A 中枢神経系にエネルギーを供給するため、血中グルコース濃度を一定に保つ必要がある。、 |
そのための糖質源として、主に肝臓グリコーゲンが使用される。 |
一方、筋グリコーゲンは、筋の運動エネルギーとして使用される。 |
(2)脂肪 |
@ 筋肉内や皮下や内臓の脂肪組織に中性脂肪の形で貯蔵される。 |
皮下に貯蔵されやすいか内臓に貯蔵されやすいかは、個人の遺伝子による。 |
A 血中グルコース濃度が下がると、濃度を一定保つためにインシュリン濃度がさがる。 |
これに刺激されアドレナリン濃度が上昇すると、体脂肪は遊離脂肪酸に分解する。 |
脂肪酸は水溶液にはほとんど溶けないが、血清アルブミンと結合して血中を移動する。 |
3.有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移 |
STEP1 |
筋肉内のグリコーゲンの代謝によりATPを合成する。 |
STEP2 |
@ 筋グリコーゲンの減少に伴い、血中グルコースの利用が始まる。 |
A 脂肪組織の脂肪が遊離脂肪酸として血中に遊離する。 |
B 両者を燃料とし、酸化系の代謝によりATPを合成する。 |
(脂肪の燃焼が活発になるのは、運動開始後20分以降である) |
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<図表の補足> |
(1)運動のエネルギーは、脂肪と糖質の混合燃料から得られる。 |
(2)運動の継続のために必要な糖質は筋グリコーゲンであり、枯渇すると運動は停止する。 |
したがって、筋グリコーゲン貯蔵のため、糖質の摂取(ご飯を食べる)ことが必要である。 |