3. 運動と骨格筋・代謝システム

3. 運動と骨格筋・代謝システム 

３次元CGおよび映像で見る人体のしくみ

生物のエネルギー生産 呼吸

筋肉・骨格系

（１week）

【10．骨格系】

28話 骨格の基本 ４分

29話 骨格(脳と背骨) ５分

30話 骨格(胸と手足) 6分

31話 関節 6分

【１１．筋系】

32話 骨格筋 6分

33話 筋肉の名称めぐり ５分

生物基礎

３話「生きるエネルギー」 6分

33話 筋肉の名称めぐり ５分

生物のしくみ

６話「筋肉のしくみ」 6分

生物の基本知識

７話「ＡＴＰ」4分

８話「ＡＴＰを作る呼吸」 10分

肥満度（BMI）＝体重（kg）÷身長（m）÷身長（m）

体脂肪率は、皮下脂肪厚（部位2点、3点、7点）の合計値からを推定します。[Nagamine & Suzuki, 1964 (2カ所）Jackson & Pollock, 1985 (3,7カ所）Brozek,1963]

記録表の無料配布ダウンロードサイトの紹介

血圧測定 記録表

体重体組成管理表

エクセル2007でダイエット記録表を作成しよう

体格指数(BMI; Body Mass Index)の求め方

体格指数 (BMI kg/m2) = 体重 （kg）÷身長 （m）÷身長 （m）

BMI≧25の割合は、男性28.6％。女性20.6％。

BMI≧18.5の割合は、男性4.3%、女性10.8%。

日本人のデータは以下を参照。

   平成２０年 国民健康・栄養調査結果の概要 厚生労働省生活習慣病対策室

★体重、血圧、心拍数記録表(「朝夕」１ヵ月間)。Excel Fileを公開しています。

★体脂肪率推定する（皮脂厚計測値を用いた推定法）。Excel Fileを公開しています。

上記の算出プログラムファイルをダウンロードする場合はユーザー名、パスワードが必要です。

morinomiya.univ.lecture.1@gmail.com

社団法人 人間生活工学研究センター（HQL）

人間生活工学研究センターでは経済産業省からの委託を受け、2004年度から2006年度まで、首都圏や近畿圏を中心に、約6,700人の日本人の身長や手足の長さなど1人あたり217項目の寸法計測事業（size-JPN）を行った結果を以下のHPに掲載しています。

「日本人の人体寸法データベース2004-2006」

http://www.hql.jp/database/size2004/

［栄養評価と治療，19suppl., p.50 〜60，メディカルレビュー社（2002）］

体力の測定と評価

無酸素性能力の測定

有酸素性能力の測定

最大酸素摂取量の測定

無酸素性作業閾値（AT）

• 有酸素性および無酸素性体力を表す指標とその測定法を理解し、それらのフィールド・テストについての測定ができるようにする。

階段駆け上がり法

Wingate Anaerobic Test

走/歩テスト

• 最大酸素摂取量の測定方法(直接法、間接法）を理解する。

無酸素性代謝閾値（AT）を判定する方法（乳酸閾値（LT）、換気閾値（VT））ｊを理解する。

最大酸素摂取量とは

最大酸素摂取量の測定方法

ガス分析によるAT測定

血中乳酸によるAT測定体脂肪量の測定

新体力テスト

健康づくりのための運動指針

体力テストの評価

• 体脂肪量の測定原理及び測定方法（皮脂厚法、生体電気インピーダンス法など）を理解し、測定ができるようになる。

体密度法

二重エネルギーX線吸収法（DXA法）

生体電位抵抗法（BI法、インピーダンス法）

• 新体力テストの各項目と体力要素との関連を理解し、実際に測定・評価ができるようにする。

健康関連体力を評価する新体力テストの成り立ち

年齢に伴う体力水準の変化と性差

体力測定項目

• エクササイズガイドの体力測定を理解する。

体力測定

• 体力テストの結果を評価する方法（基本的な統計量（統計値）、体力プロフィールのさくせいほうほうなど）を理解し、健康・体力づくりやトレーニングに活用できるようになる。

得点（スコア）化による評価

体力年齢による評価

適正な体力測定の条件

3. 運動と骨格筋・代謝システム

1. 運動の発現 

2. 骨格筋収縮の仕組みとエネルギー供給機構

3. 筋線維タイプと収縮特性

4. 運動と筋線維タイプ

5. 筋収縮の様式と筋力

6. トレーニングと骨格筋

• 筋線維のタイプを収縮特性と代謝特性に基づいて分類し、それぞれの特性と運動の関係を理解する。

1. 不随意運動

2. 随意運動

3. 運動単位と力の発揮

• 筋収縮のエネルギー供給機構を理解する。

  1. 骨格筋の構造

  2. 骨格筋が収縮するメカニズム

  3. 収縮のためのエネルギー

  4. エネルギー産生と運動の持続

• 筋力発揮に対する筋の形態学的特性や筋の収縮様式と筋力との関係を理解する。 

1. 赤筋と白筋、遅筋と速筋

2. 筋線維タイプの分類方法

3. ﾀｲﾌﾟⅠとﾀｲﾌﾟⅡ線維

4. SO線維、FOG線維、FG線維

• トレーニングによる筋出力増加を、筋肥大、神経・筋の関係から理解する。 

1. 短距離選手とマラソン選手の筋線維

2. 筋線維タイプの決定

• 運動の発現する仕組みを神経系から説明し、運動が調節されるメカニズムを理解する。

  1. 筋収縮の３様式

  2. 筋力を決める要因

• 随意運動と反射の違いを理解する。

  1. 筋力トレーニング

xxx３次元CGおよび映像で見る人体のしくみ

代謝の概念、基礎/安静時エネルギー代謝

運動時エネルギー代謝（ＭＥＴＳ） （実測、原理）

① エネルギー代謝機構について（骨格筋代謝） （4～6月）

解剖と生理（筋収縮のしくみとエネルギー供給機構）

演習（作業効率、最大酸素摂取量、無酸素性作業閾値の測定・実習）

データ解析手法

• エネルギー供給の仕組み

エネルギーについて詳しく学びたい人は以下を参照してください。

「代謝と生態系エネルギーフローから考える地球環境と生物の授業」ココをクリック

（平成15年科学技術・理科教育のための革新的なデジタル教材の開発）

• エネルギー代謝経路について

地球上のどんな生物も細胞の中ではＡＴＰ（アデノシン3リン酸）という分子からエネルギーを取り出している。

ＡＴＰ（充電状態）⇔ＡＤＰ（放電状態）

• 生体内のATPの合成と利用のしくみ

                            （ＡＴＰ→ＡＤＰ→リン酸）

ＡＴＰ合成酵素の制御機構（科学技術振興機構 ICORP ATP 合成制御プロジェクト）

ヒトのＡＴＰ合成酵素は1400回転/秒の超高速で回転していることが判明した。

今後エネルギー代謝異常などの病気の原因の解明と治療法の開発に期待されている。

細胞呼吸（解説ムービ）

ATP合成酵素の制御機構

アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）

クレアチン・リン酸系

解糖系

[グルコース]

★細胞室基質

嫌気呼吸 （無酸素性[嫌気的]）代謝系）

→ ピルビン酸

→★乳酸の産生（蓄積）

★ミトコンドリア

→ ピルビン酸

好気呼吸 （有酸素性[好気的]代謝系）

→★クエン酸回路 ★電子伝達系

ミトコンドリアは、数マイクロメートル程の大きさの主につぶ状の細胞小器官で、２重の膜につつまれている。何重にも折りたたまれた内膜の表面で細胞呼吸を行い、エネルギー貯蔵物質であるＡＴＰを合成している。

ミトコンドリアがダイナミックに動いている様子を見ることができます。

ミトコンドリア動画１

YouTube 動画

ミトコンドリア動画2

YouTube 動画

ミトコンドリアの新常識

ミトコンドリアで生化学（石川県立大学）

ミトコンドリアの謎を一つ解明(大阪大学大学院医学系研究科・生命機能研究科医化学講座）

★クエン酸回路 　　　　　　　　　　★電子伝達系

ミトコンドリアはすべての真核生物の細胞質中に見られる幅約0.5μm前後の糸状、顆粒状の細胞小器官であり、好気呼吸を主要な機能としている。内膜、外膜の二重の膜に包まれている。内部は内膜がひだになってのび出し、ひだをクリステ、ひだ以外をマトリックスと呼ぶ。

ミトコンドリアはクエン酸回路と電子伝達系及び両者に共役する酸化的リン酸化系の主要酵素をもっていて、好気的条件における細胞のエネルギー生産の場となっている。

マトリックスにはクエン酸回路に関与する諸酵素と脂肪酸のβ酸化に関与する諸酵素がある。クリステ及び内膜には電子伝達系に関与する諸酵素とそれに共役するリン酸化の酵素がある。 このような呼吸的酸化作用によって生じたエネルギーは、リン酸化反応によって高エネルギーリン酸塩であるATP(アデノシン三リン酸)として蓄積される。ATPは細胞のミトコンドリア以外の部分に出ていって、いろいろなエネルギーを必要とする仕事に関与する。

ミトコンドリアは酸素を利用しながら糖や脂肪からＡＴＰを生み出す工場のようなものである。

●エネルギー源

炭水化物（Carbohydlate）

脂肪（Ｆat）

タンパク質（Protein）

※体脂肪1kg分は約7200kcalに相当！

脂肪1kgの燃焼カロリーは約9000kcal

体脂肪に含まれる脂肪は約80%、水分などが20％。

したがって、体脂肪の燃焼カロリーは 9000 kcal × 0.8 = 7200kcalとなる。

• エネルギー所要量 （一日の総エネルギー量）

１日に消費するエネルギー量を補給するために摂取すべき１日の総エネルギー量のこと。

すなわち、以下の値の総和で表すことができる。

尚、ＳＤＡとは、食物の特異動的作用のこと。１日のエネルギー所要量の１／10と考えられている。特に動物性の食品を多く食べると、食後安静にしていても代謝量は増加します。

1. 生命維持に必要な基礎代謝量

2. 生活活動に必要な活動代謝

3. ＳＤＡ（specific dynamic action）

• 基礎代謝量

生物が呼吸・体温維持・心拍など生命活動を維持するため生理的に消費しているエネルギー量のこと。すなわち、目覚めている状態で生命を維持する（心臓、呼吸、腎臓の働き、体温や筋緊張の維持など）ために必要な最小限のエネルギー消費量のことをいいます。約1／3は心臓などの諸臓器の活動に、2／3が筋肉その他の組織の生活および体温維持などに使われます。基礎代謝量は人それぞれで異なり、具体的には、風土、人種、性別、年齢、体格などによって異なり、食事や運動などの日常生活の状態によっても違ってきます。一方、同性・同年齢ならば、その体表面積に比例することが知られています。

☆国立健康･栄養研究所 基礎代謝量の推定式

男性

((0.1238+(0.0481×体重kg)+(0.0234×身長cm)-(0.0138×年齢)-0.5473×1))×1000/4.186

女性

((0.1238+(0.0481×体重kg)+(0.0234×身長cm)-(0.0138×年齢)-0.5473×2))×1000/4.186

基礎代謝量の推定式はここ

※上記の推定式は、20～70歳代の日本人男女（男性71名、女性66名)を対象に、国立健康･栄養研究所で測定した基礎代謝量のデータから得られたもの。 

真の値は、この推定値を中心に分布し、100kcal/日以上異なることもありえます。

"Ganpule AA, Tanaka S, Ishikawa-Takata K, Tabata I. Interindividual variability in sleeping metabolic rate in Japanese subjects. Eur J Clin Nutr 61(11): 1256-1261, 2007."

カロリー計算（運動・基礎代謝)

• 呼吸・代謝機能の測定評価実習

代謝とは

私たち生物の体内に入った物質は、化学反応によって新しい物質に変えられ、体を作る材料となったり、化学反応の結果生きていくために必要なエネルギーを生み出す。このような現象を代謝と呼ぶ。

生命の様子 代謝を行う

エネルギー代謝率

エネルギー代謝率＝（活動時代謝量ー座位安静時代謝量）÷基礎代謝量

座位安静時代謝

基礎代謝量から座位安静時代謝量を推定する場合は以下の式を用いる。

座位安静時代謝量≒基礎代謝量×1.2 （座位10％＋ＤＩＴ10％）

基礎代謝量

逆に、座位安静時代謝量から基礎代謝量を推定する場合は以下の式を用いる。

基礎代謝量≒座位安静時代謝量×0.8

• 座位安静時代謝量の測定方法

呼吸・代謝 

エネルギー代謝の測定(呼気ガス採取、分析）

ダグラスバッグ法を用いたエネルギー代謝測定とその評価法の実際

酸素1リットル当たりのエネルギー消費量 ＝ 5 kcal相当

安静時や運動時の呼気ガス連続測定 (breath by breath法)

分時換気量 [VＥ]

酸素摂取量 [VO2]

二酸化炭素排泄量 [VCO2]

呼吸商 [RQ] の求め方 

呼気ガス分析装置を用いたエネルギー代謝量の測定・記録・推定値算出プログラム。

Excel Fileを公開しています。

以下のプログラムをダウンロードする場合はユーザー名、パスワードの入力が必要です。

morinomiya.univ.lecture.1@gmail.com

●呼吸・代謝測定の基礎

• ATPS；ambient temperature, pressure, saturated with water vapor

測定環境温（？℃） 大気圧（mmHｇ） 飽和水蒸気圧（？mmHg）

• BTPS; body temperature, ambient pressure, saturated with water vapoｒ

体温（37℃） 大気圧（mmHｇ） 飽和水蒸気圧 47mmHg

• STPD; standard temperature, pressure , dry

0℃ 1気圧（760mmHｇ） 乾燥状態 0mmHg

• 測定データ（ATPS）を生体内の状態（BTPS）や標準状態（STPD)のデータへと変換するには係数（BTPS/STPDファクター）が必要。

分時換気量VEはBTPS表記。

したがって、VE (BTPS) = BTPSファクター x VE (ATPS)

酸素摂取量VO2、二酸化炭素排泄量VCO2はSTPD表記

したがって、VO2 (STPD) = STPDファクター x VE (ATPS)

VO2 (STPD) の求め方

VCO2 (STPD) の求め方

VE (BTPS) の求め方

VO2 = (VI * FIO2) - (VE * FEO2)

VCO2 = (VE * FECO2)-(VI * FIO2)

VI * FIN2 = VE * FEN2

VI = (VE * FEN2) / FIN2

FIN2 = 1 - (FIO2 + FICO2)

FEN2 = 1- (FEO2 + FECO2)

VI = (VE * [1 - (FEO2 + FECO2)]) / [1 - (FIO2 + FICO2)]

呼吸測定データの処理法について

測定データ（ATPS）を生体内の状態（BTPS）のデータへと変換するには係数（BTPSファクター）が必要。

ATPS

742.6 mmHg (760mmHg [大気圧] - 22.2mmHg [飽和水蒸気圧]), 24℃ [環境温], 

297℃ （ 273℃＋24℃）

P/T＝742.6/297＝2.48

BTPS

P = 713 mmHg （760mmHg [大気圧] - 47ｍｍＨｇ [飽和水蒸気圧]）, 37℃ [体温],

T =  310℃ （ 273℃＋37℃）

P/T＝713/310＝2.30

BTPSファクターの求め方

PV/T= PV/T

2.48 x Volume (ATPS) = 2.30 x volume (BTPS)

BTPSファクター = 2.48 / 2.30 =Volume [BTPS]/volume[ATPS] = 1.08 [BTPS]/[ATPS]

STPD

P = 760 mmHg （760mmHg [大気圧] - 0ｍｍＨｇ [飽和水蒸気圧]）, 0℃ [環境温],  T = 273℃ （ 273℃＋0℃）

P/T＝760/273＝2.78

STPDファクターの求め方

PV/T= PV/T

2.48 x Volume (ATPS) = 2.78 x volume (STPD)

STPDファクター= 2.48 / 2.78 =Volume [STPD]/volume[ATPS] = 0.89 [STPD]/[ATPS]

分時換気量VEはBTPS表記。

したがって、VE (BTPS) = BTPSファクター x VE (ATPS)

酸素摂取量VO2、二酸化炭素排泄量VCO2はSTPD表記

したがって、VO2 (STPD) = STPDファクター x VE (ATPS)

速い筋線維（Fast-twitch fibers FT）と遅い筋線維（Slow-twich fibers ST）

速筋型ミオシンは遅筋型ミオシンの2倍の運動速度を持つ。

細胞の中には、筋肉細胞のように、運動により形態変化を起こすものがある。例えば、心筋は内臓筋であるが、平滑筋ではなく横紋筋である。横紋筋は筋繊維(筋細胞)の束からなり、筋繊維は筋原繊維でできている。筋原繊維の主な成分はアクチンとミオシンというタンパク質で、これらは繊維状のフィラメントを構成する。 筋収縮は、ミオシンフィラメントの間にアクチンフィラメントが滑り込んで起こる。これを滑り説(スライド説)という。(1)運動神経からの刺激で、筋繊維(筋細胞)の細胞膜が興奮する。(2)膜系の興奮が、筋原繊維を包む筋小胞体に達し、筋小胞体からCa2+(カルシウムイオン)が放出される。(3)Ca2+はアクチンフィラメントに結合し、これによりアクチンが活性化すると、ミオシン(ATP分解酵素の作用をもつ)が活性化され、ATPが分解される。(4)このエネルギーによりミオシンフィラメントがアクチンフィラメントをたぐりよせ、筋肉が収縮する。(5)筋小胞体にCa2+が吸収されるとミオシンフィラメントはアクチンフィラメントと結合できなくなり、収縮が止む(弛緩)