ATPエネルギー発生の仕組み リン酸系 解糖系 有酸素系

ATPは骨格筋の動作に必要不可欠なエネルギー源です。そのため、ATPが枯渇しないように体にはATPを作り出す仕組みがいくつも用意してあります。

この記事では、ATP合成の仕組みとして、リン酸系(クレアチンリン酸系)、解糖系、有酸素系の3つの仕組みについて紹介します。

骨格筋のエネルギーにはATPが必須

骨格筋の運動にはエネルギー源が必要で、そのエネルギーがATPということになります。

ATP (アデノシン -3- リン酸)は高エネルギーのリン酸結合してを含み、ATP→ADPと分解される時にエネルギーを発生します。このエネルギーを筋肉が使います。詳しい説明は省きますが、筋肉のミオシンというタンパク質がアクチンというタンパク質にくっつく際にATPが使われます。これが筋収縮のメカニズムです(詳しくは以下の記事を参考)

筋肉におけるATP産生の仕組み

筋肉はすぐにでも動けるようにATPが貯蔵されています。しかし、このATPは強度の高い運動によって約1秒程度で使い果たしてしまいます。

この時にATPが枯渇しないようにすぐにATPを作り出す仕組みが備わっています。それが「リン酸系」です。リン酸系の後に「解糖系」、後に「有酸素系」と続きます。下にその図を示します。リン酸系は素早く大量のエネルギーを供給できますが、持続時間は短くなります。解糖系はエネルギー量は中程度で持続時間も中程度です。有酸素系はエネルギー供給量は小さいですが、長時間エネルギーを供給し続けます。つまり、リン酸系は瞬発力に、有酸素系は持久力に関わるATP供給システムなのです。

リン酸系

リン酸系は「筋肉に貯蔵されるクレアチンリン酸の分解によってATPを作り出す仕組み」です。リン酸系はクレアチンリン酸(Creatine Phosphate)の頭文字をとってCP系ともよばれます。

この反応は運動後2~7秒程度で始まり、約10秒持続します。瞬発力が試される競技や運動などではリン酸系のエネルギー供給が重要となります。例えば、アームレスリング、短距離走、ウェイトリフティング、投擲などがあります。

この持続時間はクレアチンリン酸のローディング量によって長くなるといわれています。

消費されたクレアチンリン酸は筋肉中で解糖系及び有酸素系から合成されたATPによって、再度クレアチンからクレアチンリン酸が再合成されますが、完全回復には3～5分程度を要するといわれています。

つまり、リン酸系を使う瞬発力のある運動を行ったあとは、目に見える疲労がなくても、クレアチンリン酸が復活するまで、インターバル間隔時間を最低3分程度はとったほうがよいと言われる根拠の一つになっています。

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解糖系 (乳酸系)

解糖系は「グルコースから解糖系によって1分子あたり2分子のATPを産生する」経路です。

解糖系は運動後1分～2分程度持続します。

この短期間のエネルギー産生は酸素を消費せずに行われるため「無酸素運動」とも呼ばれます。解糖系も「嫌気解糖系」といって、酸素が無いためピルビン酸までではなく、乳酸が産生されます。

解糖系では、筋肉中に蓄えられているグルコースの多糖である「筋グリコーゲン」を分解してグルコースを作り、それを解糖系で分解してATPを作ります。

有酸素系

有酸素系は「エネルギー産生に酸素を必要とする経路」のことです。

有酸素系では、グリコーゲンや乳酸、脂肪から酸素を使用してATPを作り出します。

有酸素系ではエネルギー産生はクエン酸回路(TCA)や電子伝達系などでエネルギー産生を行います。TCA回路からはグルコース1分子から38分子ものATPを産生できるため高効率です。有酸素系では脂肪からもエネルギーをとりだせます。

これが有酸素運動は脂肪燃焼に効果があると言われる理由です。脂肪燃焼するには有酸素運動が必要ということです。(β酸化は酸素がなくても進行するが代謝物であるアセチルCoAはTCA回路(好気的)で消費されるため)

カーボハイドレート・ローディング

超瞬発力の要は「リン酸系」でこれを高めるにはクレアチンリン酸の量を増やします。

一方で、瞬発力に重要な解糖系をパワーアップするには筋肉中のグリコーゲン量をアップさせる方法があります。しかし、筋肉のグリコーゲンは一度消費されるとそれを貯蔵するのに時間がかかります。

筋グリコーゲン量を早く復活させるには運動後すぐに高炭水化物食を取ることが重要だと言われています。高炭水化物食は2～3日程度で筋グリコーゲン量を元の高いレベルに戻せます。

更に筋グリコーゲン量を増やすには、筋グリコーゲンを枯渇させた状態で、3日間高脂肪・高タンパク質食をとった後に高炭水化物食を取る方法があります。これにより元の筋グリコーゲン量よりも高いレベルで筋グリコーゲン量を筋肉に蓄えることができます。これをカーボハイドレート・ローディングと言います。