Title 持久的走行トレーニング初期段階における骨格筋の脂質代謝関連

Title
持久的走行トレーニング初期段階における骨格筋の脂質代謝関連酵素活
性の変化過程
Author(s)
鈴木, 淳一; 平塚, 勇介; 東浦, 拓郎
Citation
冬季スポーツ研究, 7(1): 9-14
Issue Date
2004-10
URL
http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6775
Rights
Hokkaido University of Education
冬季スポーツ研究 第 7 巻 1 号 9-14, 2004
（北海道教育大学冬季スポーツ教育研究センター紀要）
持久的走行トレーニング初期段階における骨格筋の脂質代謝関連酵素活性の
変化過程
鈴木淳一 1)、平塚勇介 2)、東浦拓郎 3)
北海道教育大学冬季スポーツ教育研究センター1)、北海道教育大学教育学研究科 2)、筑波大
学大学院博士課程人間総合科学研究科 3)
Time-course changes in citrate synthase and 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase activities in soleus
muscle of young treadmill-trained rats
Research and Education Center for Winter Sports1), Graduate School of Education2) Hokkaido University of Education, 5-3 Ainosato, Kita-ku, Sapporo, Hokkido 002-8502, Japan. Graduate School
of Comprehensive Human Sciences, University of Tsukuba, Tennodai, Ibaraki 305-8577, Japan
Abstract
This study was designed to examine the time-course changes in citrate synthase (CS) and 3hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (HAD) activities during endurance training by running in
young female Wistar rats. Exercise training by running started at the age of 5 weeks and
lasted for 5 weeks at 25 m/min on a 25% grade, 10-60 min/day. Enzyme activities were observed in the soleus muscle. The soleus muscle weight and its weight-to-body weight ratio
were significantly greater in the training group than in the sedentary control group at Week 5
and Weeks 3 and 5, respectively. Training significantly increased the HAD activity by 30%,
29% and 37%, respectively, at Weeks 3, 4, 5. The CS activity was significantly increased in
training groups by 35%, 47% and 47%, respectively, at Weeks 3, 4, 5. The HAD-to-CS ratio (HAD/CS) remained unchanged throughout the experimental period. These results suggest that it takes at least 3 weeks of intensive training to cause adaptive changes in fatty acid
utilization in slow twitch muscle. Similar time-course changes in CS and HAD may contribute to effective fatty acid utilization in muscle cells.
Key words: citrate synthase; endurance training; 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase;
skeletal muscle
緒言
有酸素運動時では、エネルギー基質として
主に血中グルコース、筋グリコーゲン及び脂肪
酸が利用される。近年、その優れた効率性や有
用性の高さから、脂質代謝能力が持久力の指標
としてが注目されている。ヒトの研究では、脂
肪酸のエネルギー貢献率は低強度運動時では約
90 ％、中等度運動時では約 65 ％であること
が知られている。また、長期間の持久的トレー
ニング後に、エネルギー基質として脂肪酸の動
員が増大することが知られている [3,6,9-11]。
脂肪酸のβ酸化はミトコンドリア内で行われ、
その後有酸素的に ATP が生成される。この脂
肪酸β酸化系の律速酵素である 3-ヒドロキシア
シル-CoA 脱水素酵素（HAD）の活性は、長期
間の持久的トレーニング後に増大することがこ
れまで多くの研究で報告されている [3,6,9-11]。
しかし、トレーニング初期段階における
HAD 活性の変化過程に関してはほとんど研究
されていない。Cheng ら[4]は、Long-Evans 系雄
ラットを用いて高脂肪食摂取と自発走運動を 6
週間行い、ヒラメ筋の HAD 活性の変化過程を
観察した。その結果、高脂肪食摂取群では HAD
活性が漸増したが、通常食摂取群では HAD 活
性にほとんど変化がみられなかったと報告して
いる。Henriksson ら [7]は、New Zealand White
9
鈴木淳一、平塚勇介、東浦拓郎
Rabbit を用いて速筋である前脛骨筋に 10Hz、
24h/day の条件で電気刺激を 10 週間行い、HAD
活性の変化過程を観察した。電気刺激開始 1、
2、3、5、8、10 週後、それぞれ HAD 活性の値
を測定した結果、いずれも 0 週時（電気刺激開
始前）より高い値を示し、3 週後が最高値であ
ったと報告している。
しかしながら、高強度の持久的走行トレー
ニングを行うと、その初期段階でどのように脂
質代謝能力が改善されていくのか、その変化過
程を観察した研究はこれまで報告されていない。
そこで本研究では、ラットに高強度の持久
的走行トレーニングを 5 週間負荷し、1 週間毎
の骨格筋 HAD 活性の変化過程について明らか
にすることを目的とした。
実験方法
1.実験動物
実験には 3 週齢の Wistar 系雌ラット 54 匹
を用いた。2 週間飼育室の環境に慣らした後、
5 週齢時に安静コントロール（Cnt）群 25 匹、
トレーニング（Tr）群 29 匹の 2 グループに分
けた。すべてのラットは室温 24±1 ℃、相対
湿度約 50 ％、12 時間の明暗周期の環境下で飼
育し、飼料（日本クレア／CE-2）と水道水を共
に自由摂取させた。
2.運動負荷
Tr 群のラットには、ラット用トレッドミ
ル（KN-73／夏目製作所）による持久的走運動
を負荷した。トレーニングは 5 週齢時に 25
m/min、10 min、勾配 25 ％の条件で開始し、60
min になるまで 3 min/day の割合で運動時間を
漸増させ、週 5 日の頻度で 5 週間負荷した。
3.筋標本
トレーニング開始 1、2、3、4、5 週後、そ
れぞれペントバルビタール麻酔下（50 mg/kg）
のラットからヒラメ筋を摘出し、湿重量を秤量
した。筋のサンプルは、液体窒素で瞬間凍結後、
−80 ℃で冷凍保存した。
4.酵素溶液の調製
筋のサンプルは−25 ℃下で微粉状にし、5
mM β-mercaptoethanol、0.5 mM EDTA、0.02 ％
bovine serum albumin（BSA）を含む 20 mM phos-
10
phate buffer（pH7.4）を用い、ポリトロン型ホ
モジナイザーで氷冷下でホモジネート（15,000
rpm、15 sec×2）した。そして、0 ℃、13,000 g
で 15 分間遠心分離した後、その上澄み液を酵
素溶液として、酵素活性の測定まで−80 ℃で
冷凍保存した。
5.酵素活性の測定
3-ヒドロキシアシル-CoA脱水素酵素
（HAD,
EC 1.1.1.35）活性の測定には Bass ら[1]の方法
を用いた。酵素溶液に、5 mM EDTA、0.45 mM
NADH を含む 100 mM triethanolamine-HCl buffer
（pH 7.0）を加え、25 ℃の温水中に 10 分間静
置し温度平衡に達した後、0.1 mM acetoacetylCoA を添加して反応を開始させた。反応開始後
5 分間にわたり分光光度計を用いて 340 nm に
て吸光度の変化を測定した。
Citrate Synthase（CS, EC 4.1.3.7）活性の測
定には Srere [13]の方法を用いた。酵素溶液に 1
mM DTNB、10 mM acetyl-CoA を含む 0.1 M
Tris-HCl buffer（pH8.1）を加え、25 ℃の温水
中に 10 分間静置し温度平衡に達した後、10 mM
oxaloacetate を添加して反応を開始させた。反
応開始後 5 分間にわたり分光光度計を用いて
412 nm にて吸光度の変化を測定した。
6.統計処理
すべての値は平均値±標準誤差で示した。
すべてのデータはまず、Kormogorov-Smirnov 検
定によって正規性の検定を行ない、正規分布し
ていることを確認した。2 群間の比較にはStudent の t 検定を用いた。また、各群の経時変化
の 検 定 に は 一 元 配 置 分 散 分 析 及 び Fisher の
post-hoc テストを用いた。
検定結果は危険率 5 ％
未満を有意水準とした。
実験結果
表 1 にトレーニング期間中の体重、ヒラメ
筋重量及びヒラメ筋重量/体重比の値を示した。
体重は、第 3 週において Tr 群の値が Cnt 群よ
り有意に低い値を示したが（P<0.05）、他の週
では変化がみられなかった。経時変化では、両
群ともに週毎に増加が認められた。ヒラメ筋重
量は、第 5 週において Tr 群の値が Cnt 群より
有意に高い値を示した（P<0.05）。経時変化で
トレーニングによる HAD 活性の変化過程
高い値を示した（P<0.05）
。
考察
は、両群ともに漸増していた。ヒラメ筋重量/
体重比は、第 3、5 週において TR 群は Cnt 群
より有意に高い値を示した（P<0.05）。経時変
化では、両群ともに 5 週間通してほぼ一定の値
を示した。
図 1 に、HAD 活性（U/g tissue）の変化過
程を示した。HAD 活性は、第 3、第 4、第 5 週
において、
Tr 群が Cnt 群よりもそれぞれ約 30 ％、
29 ％、37 ％有意に高い値を示した（P<0.05）
。
TR 群の経時変化では、第 1 週に対して第 3 週
以降有意に高い値を示した（P<0.05）。Cnt 群で
は、第 1 週から第 5 週まで緩やかに漸増したが、
有意差は認められなかった。
CS 活性は Tr 群が Cnt 群より第 3 週で約
35 ％、第 4 週で 47 ％、第 5 週で 47 ％有意に
高い値を示した（P<0.05；図 2）。Tr 群の経時
変化では、第 1 週に対して第 3、4、5 週、第 2
週に対して第 3 週が有意に高い値を示した
（P<0.05）。Cnt 群では、5 週間通して変化がみ
られなかった。
図 3 に HAD/CS 比の変化過程を示した。
HAD/CS 比は脂肪酸のエネルギー貢献率を示す
ものである。すべての週において、両群間に有
意差は認められなかった。Tr 群の経時変化では、
5 週間通してほぼ一定の値を示した。Cnt 群で
は、第 1 週に対して第 2、3、4、5 週が有意に
本研究では、5 週齢の Wistar 系雌ラットを
用いて、5 週間の持久的走行トレーニング期間
中、ヒラメ筋における HAD 活性がどのように
変化していくのか、その適応過程を観察した。
トレーニング期間中、HAD 活性は第 3 週
目以降に有意に増加していた（P<0.05；図 1）
。
これは、第 3 週目以降に脂肪酸のβ酸化が亢進
され、脂質からのエネルギー供給量が増大した
ことを示唆している。エネルギー基質として脂
肪酸の利用が増大すると、筋や肝臓のグリコー
ゲンが節約されるものと考えられている
[8,11,12] 。Geor ら[5] は、持久的走行トレーニ
ングを負荷した馬に高強度の持久的走運動を実
施させたところ、筋グリコーゲン代謝率が減少
し、トレーニング開始前よりも運動終了時の血
中や筋中乳酸濃度が減少することを観察した。
その結果、VO2max が増加し、疲労困憊に至る
までの時間が延長したことを報告している。こ
11
鈴木淳一、平塚勇介、東浦拓郎
の時間が延長したことを報告している。これら
のことから、有酸素的運動能力が向上する際に、
脂質代謝系の適応が密接に関与しているものと
考えられる。
本研究において、Tr 群の CS 活性は、HAD
活性と同様に第 3 週目以降に有意に増加してい
た（P<0.05；図 2）
。この結果は、クエン酸回路
の活発化と脂肪酸のβ酸化亢進が同時に起こっ
たことを示唆している。β酸化によって生成さ
れたアセチル-CoA は、クエン酸回路に入り、
その後有酸素的にエネルギーが産生される。β
酸化だけが過剰に進行すると、アセチル-CoA
の蓄積が生じ、細胞質からミトコンドリア内へ
の脂肪酸の輸送が抑制されることから、脂質代
謝の亢進には、クエン酸回路の活性化が不可欠
であると考えられる。また、多くの先行研究で、
持久的トレーニング後、HAD 活性と CS 活性が
共に有意に増加していたことが観察されている
[3,6,9-11]。
12
Suzuki ら[14]は、持久的走行トレーニン
グを行うと、組織の酸素需要増大に対する適応
として、まず毛細血管密度や C：F 比（筋線維
1 本当たりの毛細血管数）の増加が起こり、そ
の後、酸化酵素活性（コハク酸脱水素酵素）が
増加すると報告している。本研究においても、
持久的走行トレーニングによって、第 1、第 2
週目に微小循環系の適応が起こり、その後第 3
週目以降に酸化酵素活性（HAD、CS）が増加
したものと推察される。このことから、脂質代
謝系の適応は、微小循環系の改善後に起こるも
のと考えられる。運動時には、血中から取り込
まれた脂肪酸が内因性のものよりもより酸化さ
れることから、毛細血管網の増加が脂質代謝の
亢進に深く関与していると考えられる。
Tremblay [15]らは、ヒトを対象に、持続的
走行トレーニングを負荷した群と高強度の間欠
的走行トレーニングを負荷した群に分け、トレ
ーニングが脂質代謝系に及ぼす効果を比較した
ところ、持続走群の運動中の総エネルギー消費
量は間欠走群の約 2 倍であったにも関わらず、
間欠走群の方が HAD 活性が増加し、皮下脂肪
が顕著に減少していたことを観察した。この結
トレーニングによる HAD 活性の変化過程
果から、持久的トレーニングでは、運動強度が
高いほど脂質代謝系の適応を促進すると報告し
ている。5 週齢の Wistar 系雄ラットに約 60 ％
VO2max 強度の持久的走行トレーニングを 6 週
間負荷した先行研究では、ラスト 2 週間の運動
時間は 120 分にも及んだが、トレーニング後、
HAD 活性の有意な増加は観察されなかった[16]。
本研究では、第 1 週から第 3 週までの 1 日当た
りの運動時間は 10∼52 分であった。また、本
研究とほぼ同週齢で同系統のラットを用いた
Brooks ら[2]の研究から、本研究の運動強度を
推測すると、最大酸素摂取量の約 82 ％以上、
最大心拍数の約 90 ％以上になるものと考えら
れる。これらのことから、運動時間は短くても
高い運動強度であれば脂質代謝系の適応を引き
起こすと考えられる。
本研究の安静対象群では、有意差は認めら
れなかったが、5 週間の実験期間中 HAD 活性
は緩やかに漸増していた（図 1）
。しかし、CS 活
性にはほとんど変化はみられなかった（図 2）
。
また、HAD/CS 比は第２週目以降、第 1 週目に
対して有意に高い値を示していた（P<0.05；図
3）。これらの結果は、通常の成長過程では、有
酸素的エネルギー代謝量はほとんど変化しない
が、脂質のエネルギー貢献率は成長とともに増
大することを示唆するものである。
本研究と同週齢で同系統のラットを用いた
先行研究で、持久的トレーニング後、type IIa
fiber の横断面積が増大することが観察されてい
る[14]。この研究では、本研究と同じ運動強度
のトレーニングを負荷したことから、高強度の
持久的トレーニングが type IIa fiber の肥大を促
進したものと考えられる。本研究では、Tr 群の
ヒラメ筋重量が第 5 週目に有意に増加していた。
（P<0.05；表 1）また、ヒラメ筋重量/体重比も
第 3、第 5 週目に有意に増加していた（P<0.05；
表 1）。この結果は、本研究の持久的走行トレ
ーニングによって、type IIa fiber 組成が約 20 ％
であるヒラメ筋が肥大したことを示しており、
上述した報告を支持するものと考えられる。一
方、安静対象群では、5 週間通してヒラメ筋重
量は緩やかに漸増していたが、ヒラメ筋重量/
体重比には変化がみられなかった（表 1）。こ
の結果から、対象群のヒラメ筋重量の増加は、
成長過程に伴う体重の増加に比例して起こった
ものと考えられる。
本研究では、持久的走行トレーニングの初
期段階において、HAD 活性がどのように変化
するのか、その適応過程を明らかにすることを
目的とした。その結果、第 3 週目以降に HAD
活性が有意に増加したことを観察した。このこ
とから、本研究で用いた高強度の持久的トレー
ニングでは、第 3 週目以降に脂質からのエネル
ギー供給量が増大することが示唆された。また、
β酸化の亢進とクエン酸回路の活発化が同時に
観察され、これはエネルギー基質としてより多
くの脂肪酸を動員するために不可欠な適応性変
化と考えられる。
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