筋肉とエネルギー供給について

ロードバイクの楽しさの一つに、エネルギーマネジメントという要素がある。

身体や神経の動かし方や、補給プラン、呼吸法のレベルに応じて、とにかく体からfeedbackががんがん返ってくる。あるいはlog？ message？　




例えるなら自分をATPの生産と消費のメカニズムのように見立て、
身体とダイレクトに対話する。そこが面白かったりする。
(もう一つの巨大な楽しさは、やはり自然だろうか...。)

そんなわけで手元にある生理学の教科書から
エネルギーマネジメント面について
参考のため、ちょっと要点をメモ。

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アデノシン3リン酸 / adenosine triphosphate (ATP)

ATPは筋収縮のための直接的な化学エネルギー。
だが、筋細胞はフルパワーで数秒のATP量を含んでいるに過ぎない。

そのため細胞内ATP濃度を一定に保つため、
消費されたATPは連続的に再合成されている。

ATP再合成 / ATP regeneration

1. クレアチンリン酸の脱リン酸化
2. 無酸素性解糖
3. 有酸素性酸化 (グルコースと脂肪酸から)

急激なATP再合成に必要な化学エネルギーは
クレアチニンリン酸 creatine phosphate (CrP) から得られる。
2と3は比較的ゆっくりとした反応である。

クレアチンリン酸の脱リン酸化

ミトコンドリアクレアチンキナーゼが、

代謝されたATPであるADPを、すぐさまATPに変換する。

このときCrPがクレアチン (Cr) に分解される。

筋肉細胞のCrP貯蔵量は10〜20秒と考える。

無酸素性解糖 / anaerobic glycolysis

CrP脱リン酸の後 (最大約30秒後) に起こる。

無酸素性解糖では、筋グリコーゲンが、
グルコース-6-リン酸を経て、
乳酸 (→乳酸イオン + H⁺) へ変換される。

このとき1つのグルコース分子あたり3 ATPが生じる

軽い運動であれば、乳酸イオンは心臓と肝臓で分解される。
その際にH⁺も処理される。

また、有酸素性酸化によって十分なATPが
供給されないときに、無酸素性解糖も行われる。
この場合グルコースが肝臓から供給されなければならない。
肝臓ではグリコーゲン分解とグルコース新生によって
グルコースが形成されている。

グルコースの6-リン酸化には1 ATPが必要。

従って供給されたグルコースは
1分子あたり2 ATPのみを産生することになる。

有酸素性酸化 / aerobic oxidation

あまり効率の良くない無酸素性のATP合成の約1分後に、

グルコースと脂肪酸の有酸素性酸化が起こる。(= 持久的な運動)

すなわち、グルコースや脂肪酸からの、有酸素性のATP再合成。

このとき筋肉細胞で増加した代謝所要量に対処するために、

心拍出量と全換気量を増加する必要がある。
上昇した心拍はやがて一定になる。

この定常状態に達するまでの数分間は、

無酸素性エネルギー産生と血中O₂の取り込みを増して、

筋の短期的なO₂貯蔵 (ミオグロビン) を利用することでまかなわれる。
(この2つの位相の間の期間は身体パフォーマンスとしては低い段階。)

ミオグロビン myoglobin のO₂親和性は

ヘモグロビンよりも高いが、呼吸鎖 (チェーン) 酵素よりは低い。

そこでミオグロビンは通常O₂で飽和されており、

短時間の動脈による酸素供給不足の間、

ミトコンドリアに酸素を供給することができる。

持久力の限界

持久力の限界 (トップアスリートの場合 apx. 370 W, ≈ 0.5 HP) は、

主に、O₂が供給されるスピードと、有酸素性酸化の速さに依存する。

持久力の限界を上回ると、定常状態を保つことができずに

心拍は連続的に上昇する。

筋は一時的にエネルギー不足を補正することができるが、

H⁺を発生する乳酸は無酸素性ATP再合成に対応できず、

乳酸イオンとH⁺がどんどん超過していく。

(ラクトアシドーシス / lactacidosis)

持久力の限界を約60% (= 最大O₂摂取量にほぼ一致する) 超えると、

血漿乳酸値 plasma lactate 濃度は激しく上昇し、4 mmol/L で、

いわゆる無酸素性作業閾値 anaerobic threshold (AT) に到達する。

この点に達するとそれ以上の有意なパフォーマンス上昇は期待できない。

pHの全身的低下は筋収縮に必要な化学反応を抑制してしまう。

これは最終的にはATP不足、つまり急激な筋の疲労をもたらす。

O₂負債量 / O₂ debt

約40秒の間だけが、CrP代謝と無酸素性解糖によって、
有酸素性のATP再合成に比べ3倍のパフォーマンスが可能。

でもこのプロセスはO₂不足量をもたらし、

それは回復期に補正されなければならない。(O₂負債量)

また、激しい運動後のO₂負債量では、
O₂不足量よりもはるかに大きくなる。(20 L まで)