1922年ノーベル生理学・医学賞(2)
受賞理由
筋肉における乳酸生成と酸素消費の固定的関連の発見
受賞者
ドイツ国
解説
わたしたちの筋肉は走るときに「乳酸」という物質を作り、あとで消すために酸素をたくさん使います。マイヤーホフ博士はカエルの筋肉を調べて、乳酸と酸素を使う量がいつも決まった関係にあることを見つけました。つまり、乳酸をどれだけ作ったかを知れば、運動のあとに必要な酸素の量もわかるのです。この発見のおかげで、運動で筋肉が疲れる仕組みがよく説明できるようになりました。だから、運動のあと深呼吸をすると筋肉が楽になる理由がわかるようになったんだよ。
関連キーワード
乳酸
乳酸は解糖系の終産物で、嫌気条件下でピルビン酸が乳酸脱水素酵素によって還元されて生じます。筋肉が激しく働くと酸素供給が追いつかず、ATPを素早く作るために乳酸生成が促進されます。産生された乳酸は筋細胞内pHを低下させ、疲労感や灼熱感の一因と考えられてきました。一方、乳酸は血流に乗って肝臓や心筋で再利用され、代謝フレキシビリティを高める重要な燃料でもあります。乳酸濃度の測定は運動強度管理や臨床的な組織低酸素の評価に欠かせない指標です。
嫌気性代謝
嫌気性代謝は酸素を使用せずにATPを生成する経路で、解糖系や発酵が代表例です。筋肉では急激なエネルギー需要を満たすために嫌気性代謝が一時的に優勢になります。乳酸生成は嫌気性代謝の指標で、酸素負債の発生と密接に関連します。エネルギー効率は好気性代謝に比べ低いものの、反応速度が速いという利点があります。トレーニングによるミトコンドリア増量は嫌気性依存を減らし、持久力を向上させます。
好気性代謝
好気性代謝は酸素を利用し、ミトコンドリアでピルビン酸と脂肪酸を完全に酸化し大量のATPを生成します。マイヤーホフの研究は嫌気性でできた乳酸が好気的プロセスで処理されることを示唆しました。呼吸商や酸素消費量は好気性代謝の活動度を評価する重要な生理指標です。有酸素トレーニングはミトコンドリア密度と酸化酵素活性を高め、エネルギー効率を向上させます。病態では好気性能力の低下が慢性疲労や心不全の発症因子となります。
解糖系
解糖系はグルコースをピルビン酸に分解し、ATPとNADHを得る10ステップの代謝経路です。ミトコンドリアが使えない状況では、ピルビン酸は乳酸に変換されてNAD+が再生されます。Meyerhofは解糖系の速度論的解析に大きく貢献し、Embden–Meyerhof経路と呼ばれる理由になりました。解糖系は赤血球や腫瘍細胞など酸素の乏しい組織でも主なエネルギー源として機能します。近年、解糖系酵素の阻害剤はがんの代謝治療ターゲットとして注目されています。
コリ回路
コリ回路は筋肉で生成された乳酸が血流を通して肝臓に送られ、糖新生でグルコースへ再変換される代謝循環です。生成したグルコースは再び筋肉に供給され、エネルギー基質として利用されます。この回路は運動中に血糖を維持し、激しい運動後の乳酸クリアランスを加速します。マイヤーホフの「乳酸と酸素の固定的関係」は、コリ回路による乳酸酸化の定量的理解につながりました。肝疾患や糖尿病ではコリ回路の機能低下が代謝合併症を引き起こす可能性があります。
酸素消費率
酸素消費率は組織が単位時間に利用する酸素量を示し、エネルギー代謝の代表的指標です。マイヤーホフは乳酸代謝の酸素要求量を計算するためにこの指標を用いました。VO2測定は運動生理学で最大酸素摂取量の評価やトレーニング効果判定に用いられます。医療現場では心肺機能の指標として心肺運動負荷試験が行われ、重症度の判定に役立っています。新興の高分解能レゾフィルター法は細胞・ミトコンドリアレベルでの酸素消費率解析を可能にしました。