FIT IN 10:忙しい人のための迅速かつ効果的なエビデンスベースの筋肉成長トレーニング【第３回目】

イントロダクション

こんにちは！

KEN’s muscle&diet magazineです。

このマガジンは、健康や、ダイエット、トレーニング、ウェルネス、フィットネスの色々な疑問を解決するために、僕が自分の勉強用に作成したものを、ただ自分の勉強だけのために作りためるのはもったいないかもしれない。有益な情報になるかはわからないけど、発信もする事で少しでも役に立てたらいいなと思って発信しています。　　

今回のコラムテーマは「Fit in 10：忙しい人々のための迅速かつ効果的なエビデンスベースに基づく筋肉成長トレーニング」というテーマで作っています。

現代は何かと忙しく、なかなかジムに通えない人も多いです。しかし、運動をしたい。体も鍛えたいし、引き締まったままでいたい。そのようなジレンマを抱えている方も多いです。もし、1回の運動時間が10分や20分だけで、筋肉の成長やフィットネスレベルの向上がはかれたらどうだろう？それは可能なのだろうか？

およそ可能である事はわかっていたのですが、具体的にどうすれば、どのような機序でわずか10分や20分で筋肉を成長させて、フィットネスレベルも向上するのか？そのサイエンスを解き明かしたかったのです。

前回、前々回はこの10分間の運動(HIIT)についての概要と筋肉が成長、肥大するための科学を探求してきました。

筋肉が成長するための、根本的なシステムは

①筋肉肥大の概要
②主要な筋肥大の種類
③サテライト細胞
④シグナル伝達経路
⑤ホルモンとサイトカイン
⑥細胞浮腫
⑦ 運動誘発性筋肥大の肥大誘発要素
⑧筋肉肥大を誘発するトレーニング変数

以上の8項目にターゲットを絞って説明しています。前回は、①②③まで説明したので、今回は、④⑤⑥について掘り下げていきます。

では、筋肉成長のサイエンスに迫っていきましょう！

④シグナル伝達経路

運動誘発性筋肥大は、複数のシグナル伝達経路によって促進されます。これらの経路は、メカノ刺激(物理的な力や振動などの機械的な刺激によって生じる感覚のことを指す)の効果を分解するのではなく、合成を促進するために筋肉タンパク質のバランスをシフトする下流のターゲットに分子的に変換されます。
以下は、いくつかの主要な同化シグナル伝達経路の概要です。

・ラパマイシン経路のAkt/Mammalian Target

：Akt/mTOR経路は、骨格筋の成長を制御する重要なシグナル伝達経路です。この経路では、Akt（プロテインキナーゼB）が中心的な役割を果たしており、成長促進シグナルの伝達や異化（分解）シグナルの抑制など、複数の機能を持っています。
具体的なメカニズムは完全には解明されていませんが、Aktは細胞内のシグナル伝達経路における重要な要素であり、細胞成長や生存、代謝などのプロセスに関与しています。Aktは、外部からの刺激や成長因子の結合によって活性化され、活性化されたAktはさまざまな下流ターゲットにシグナルを送ります。
AktはmTOR（マンマリアン・ターゲット・オブ・ラパマイシン）というタンパク質複合体にシグナルを伝える重要な役割を果たしています。mTORは細胞増殖、タンパク質合成、エネルギーホメオスタシスなどの調節に関与しており、Aktによって活性化されることでこれらのプロセスを促進します。
Akt/mTOR経路は骨格筋の成長に特に重要な役割を果たしており、筋肉組織の肥大を促進します。

・ミトゲン活性化プロテインキナーゼ(MAPK)経路

：ミトゲン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）は、遺伝子発現、酸化還元状態、代謝などの重要なプロセスを制御するマスターレギュレーターと考えられています。特に、運動誘発性骨格筋肥大において、MAPKは細胞ストレスと筋肉の適応応答を結びつけ、成長と分化を調節することが示されています。
MAPKには3つの主要なシグナル伝達モジュールがあります：細胞外シグナル調節キナーゼ（ERK1/2）、p38 MAPK、およびc-Jun NH2-末端キナーゼ（JNK）。これらのモジュールは運動誘発性筋肥大に関連しており、それぞれ異なる役割を果たしています。
特にJNKは、機械的なストレスや筋肉の損傷に対して最も反応性が高く、特にエキセントリック・コントラクションに敏感です。JNKの活性化は、細胞増殖やDNA修復を調節する転写因子のmRNAの急速な増加と関連しています。
これらの研究結果から、MAPKは運動によって誘発される筋肉の成長や適応応答に関与していることが示唆されています。運動によるストレスや機械的な刺激がMAPKを活性化させ、細胞内のシグナル伝達経路を介して成長や分化を促進する可能性があります。

・カルシウム依存経路：

Ca2+依存性経路は、筋肉肥大の調節に重要な役割を果たしています。その中でも、Ca2+調節ホスファターゼであるカルシニューリン（Cn）は、特に重要なレギュレーターと考えられています。CnはCa2+シグナル伝達カスケード(小さな動きが連続して起こり、だんだん大きな動きに統合される様)において活性化され、Ca2+経路で下流に作用することでさまざまな肥大エフェクターの調節を行います。
Cnは、筋細胞増強因子2やGATA転写因子、活性化T細胞の核因子などの肥大に関与するタンパク質を媒介します。これらの肥大エフェクターは、筋肉の成長や適応応答に関与しています。
Cn依存性シグナル伝達は、すべての筋繊維タイプの肥大に関連しており、筋肉の成長を制御する上で重要な役割を果たしています。また、研究では、筋肉の過負荷状態でのCnの阻害は筋肉の成長を止める事が示されています。
これらの知見から、Ca2+依存性経路と特にCnは、筋肉の成長と適応応答において重要な役割を果たしていることがわかります。

※ GATA転写因子：GATA転写因子は、GATA配列と呼ばれる特定のDNA配列に結合し、遺伝子発現を制御するタンパク質ファミリーです。このファミリーには、GATA-1、GATA-2、GATA-3、GATA-4、GATA-5、およびGATA-6など、複数のメンバーが存在します。
GATA転写因子は、胚発生、造血、心臓発生、筋肉発生など、さまざまな発生プロセスおよび組織特異的な機能に関与しています。これらの因子は、細胞の分化や特異的な遺伝子発現を調節し、組織や器官の形成および機能を制御します。
例えば、GATA-1は造血系において特に重要な役割を果たしており、赤血球の分化や血液細胞の成熟を調節します。GATA-4とGATA-6は心臓の発生と機能に関与し、心筋細胞の分化や心臓の形成を制御します。また、GATA-3は免疫系において重要な役割を果たし、T細胞の分化や免疫応答の制御に関与します。
GATA転写因子は、発生、分化、および組織の機能において重要な役割を果たすため、さまざまな疾患や病態の研究にも関連しています。異常なGATA転写因子の発現や機能は、血液疾患、心血管疾患、免疫疾患などの病態の発生に関与する可能性があります。

⑤ホルモンとサイトカイン

ホルモンとサイトカインは筋肉の肥大化において重要な役割を果たし、アナボリック（組織を構築する）ホルモンの増加はタンパク質代謝と筋肉の成長を促進します。また、これらは衛星胞（筋肉修復に重要な細胞）の増殖と分化に関与し、筋肉の修復を支援します。
肥大化におけるホルモン調節は複雑で、肝成長因子、インターロイキン-5(IL-5)、インターロイキン-6(IL-6)、線維芽細胞成長因子、白血病抑制因子など、多くのホルモンとサイトカインが反応に関与します。インスリンもアナボリック効果を持つが、それは主にタンパク質分解の抑制に寄与し、さらに、衛星細胞の分裂と分化を誘発すると考えられています。
運動は、アナボリックシグナル伝達システムを仲介するホルモンの変化を引き起こすことが示されています。この中で最もよく研究されているホルモンは、インスリン様成長因子（IGF-1）、テストステロン、成長ホルモン(GH)です。運動に対する急性ホルモン反応が筋肉組織の同化をどの程度促進するかは疑問視されることもありますが、ホルモンシグナル伝達が抵抗運動による生理学的適応に重要であるという考えは広く支持されています。

・インスリン様成長因子(IGF-1)

：インスリン様成長因子（IGF-1）は、筋肥大（筋肉の大きさの増大）において重要な役割を果たすと広く認識されています。IGF-1は、身体全体の成長を調節し、特に骨や筋肉の成長を促進するホルモンです。
筋肥大は、筋繊維が大きくなり、結果として筋肉の体積が増加するプロセスを指します。これは、筋トレや重量挙げなどの筋力トレーニングによって引き起こされるストレスに対する体の反応で、この反応はIGF-1の役割によってさらに強化されます。
筋肥大のプロセス中、IGF-1は筋細胞の中に存在するIGF-1受容体と結合します。インスリン様成長因子受容体は、活性化衛星細胞、成体筋繊維、およびシュワン細胞に見られ、運動中、筋肉は肝臓よりも多くの全身性IGF-1を生成するだけでなく、より多くの循環IGF-1を使用します。この結合は、細胞内のシグナル伝達経路を活性化し、筋細胞のタンパク質合成を促進します。これは、筋繊維が大きくなるために必要なタンパク質をさらに追加します。
さらに、IGF-1は衛星細胞の活性化も促進します。衛星細胞は成熟した筋細胞の周りに存在し、筋肉が損傷またはストレスを受けた時に活性化されます。これらの細胞は分裂し、新たな筋細胞を形成するか、既存の筋細胞に結合してその大きさや容量を増加させます。IGF-1は、この衛星細胞の活性化と分裂を促進し、結果として筋肥大をさらに促進します。
したがって、IGF-1は筋肥大プロセスの両方の主要な部分、つまりタンパク質合成の増加と衛星細胞の活性化を促進するため、筋肥大における重要な調節因子と考えられています。

・テストステロン

：テストステロンはコレステロール由来のホルモンで、筋肉組織に対して強い同化効果を持ちます。また、ニューロンの受容体とも相互作用し、神経伝達物質の放出を増やすとともに神経の再生や細胞体のサイズ増大を促します。
テストステロンの大部分は精巣のライディグ細胞で合成・分泌され、一部は卵巣や副腎から来ます。血液中では、テストステロンはアルブミンやステロイドホルモン結合グロブリンに結合していますが、そのうち2%だけが非結合状態で循環しており、これが生物学的に活性な形態です。この非結合テストステロンは、細胞質内のアンドロゲン受容体に結合し、細胞核へのテストステロンの輸送と染色体DNAとの直接的な相互作用を促すことで、生物学的効果を発揮します。

テストステロンは筋肉に対して様々な効果を持ちます。その効果は運動をしていない時にも見られますが、メカニカルストレスがかかるとその効果は増大します。具体的には、タンパク質の合成率を高め、タンパク質の分解を阻害することでアナボリズム（組織・細胞の成長や再生を促す代謝反応）を促進します。
また、テストステロンは筋肉の再生や成長に関与する衛星細胞の複製と活性化を促進し、その結果、筋原性にコミットされた衛星細胞の数が増加します。テストステロンが抑制されると、レジスタンストレーニングへの反応が大幅に低下することが示されています。レジスタンストレーニングは、ヒトのアンドロゲン受容体の含有量を増加させることが示されており、これによりテストステロンの結合能力が高まり、標的組織への取り込みが促進されます。げっ歯類においては、これらの受容体の含有量は特に速筋線維において増加します。
レジスタンストレーニングはテストステロンの分泌に大きな急性的効果をもたらし、研究によれば、テストステロンの運動誘発性上昇と筋肉の断面積との間には有意な関連性があり、これが筋肉肥大に重要な役割を果たす可能性が示唆されています。ただし、女性や高齢者におけるこの急性反応は限定的であり、これらの人々においては、筋肉肥大の可能性を停滞させる可能性があります。

・成長ホルモン

：レジスタンストレーニングによる運動誘発ストレスは成長ホルモン(GH)とインスリン様成長因子-I(IGF-I)の反応を強化し、最終的に筋肉肥大を促進します。
筋肉へのメカニカルストレスを負荷するレジスタンストレーニングは、筋肉の成長に寄与する、GHおよびIGF-Iシグナル伝達経路の活性化などの一連の生理学的反応を引き起こします。
運動誘発性ストレスが脳の下垂体前葉からのGHの放出を刺激します。GHは、順番に、骨格筋を含む様々な組織におけるIGF-Iの産生を促進する。IGF-Iレベルの上昇は筋肉肥大に寄与する。

レジスタンストレーニングがGHおよびIGF-I反応を強化するメカニズムを順に概説します。

1.GH分泌:レジスタンストレーニングは、下垂体からのGHの放出を刺激します。運動の大きさと期間、および筋肉収縮の強度は、GH分泌の程度に影響を与える可能性があります。

↓

2.IGF-I産生:GHは、骨格筋および他の組織におけるIGF-Iの産生を刺激する。運動によるGHレベルの増加は、筋肉の成長と肥大に不可欠なIGF-I産生レベルの上昇につながります。

↓

3.シグナル伝達経路:GHとIGF-Iは、筋肉細胞内のPI3K/Akt/mTOR経路などのシグナル伝達経路を活性化。これらの経路はタンパク質合成を促進し、タンパク質の分解を抑制し、筋肉量の全体的な増加をもたらします。

↓

4.衛星細胞の活性化:運動誘発性ストレスは、筋肉の再生と成長に関与する筋肉幹細胞である衛星細胞にも影響します。GHとIGF-Iは、衛星細胞の活性化と分化に影響を与え、筋肉肥大を促進します。

要約：運動誘発性ストレスがGHおよびIGF-I反応を刺激することによって筋肉肥大を促進することを強調しています。レジスタンストレーニングのメカニカルストレスはGHの放出を引き起こし、筋肉におけるIGF-I産生の増加につながります。これらのホルモンは、順番に、シグナル伝達経路と衛星細胞を活性化し、最終的に筋肉の成長と肥大を促進します。

⑥細胞の浮腫

細胞の浮腫(腫れ)は、細胞の機能調節に重要な役割を果たします。具体的にはタンパク質の合成を促進させ、分解を抑制させることで細胞内のアナボリック（組織を構築する）プロセスを加速します。この現象の具体的なメカニズムは完全には解明されていませんが、細胞膜の圧力増加がシグナル伝達応答を引き起こし、細胞の構造を強化する可能性が考えられています。
水和された細胞は筋肉のプロテインキナーゼシグナル伝達経路を活性化し、細胞膜のストレッチに反応して成長因子のオートクリン（自己刺激）効果を媒介すると考えられています。このプロセスは、アミノ酸輸送システムやPI3K(ホスファチジルイノシトール3-キナーゼ)などのシグナル伝達成分に影響を与えます。
レジスタンストレーニングは細胞内外の水分バランスを変化させ、細胞の腫れを引き起こすと考えられています。これは
運動の種類と強度に依存し、解糖によるエネルギー産生に依存する運動が細胞の浮腫を最大化するようです。この過程では、乳酸の蓄積が筋肉の浸透性を変化させ、アクアポリン-4と呼ばれる水輸送チャネルを介して液体の流入を促進します。これは特に速筋線維に影響し、細胞の浮腫を通じて筋肉の肥大反応を増強するようです。
さらに、グリコーゲン貯蔵量を増加させる運動(高強度かつ長時間の持久的運動や、HIIT)も細胞の腫れを増強する可能性があります。これは、グリコーゲンが水分を保持する能力（1gのグリコーゲンが約3gの水を保持）に基づいています。したがって、筋肉内のグリコーゲン貯蔵量が多い人々は、細胞の水分取り込みによるタンパク質合成能力が高い事を反映しています。

長い文章を読んでいただきありがとうございました！そしてお疲れ様でした。今回は神経の伝達経路や、ホルモンの役割、そして細胞が水分を含んだ時の浮腫について掘り下げてきました。とても繊細な世界ですが、どれもが筋肉の成長には不可欠であり、それぞれがクロスオーバーして、筋肉の成長が促進されるため、押さえておきたいポイントです。

今回はここまでです。また、次回ご一緒しましょう！

KEN kotaki

【参考文献、データベース、ウェブサイト】
参考文献、データベース、ウェブサイト

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