ランニング

長距離競技におけるエネルギー源と血中乳酸濃度の意味を考える

投稿日:2019年7月16日 更新日:

*)NHKのEテレ、奇跡のレッスン「苦しみを楽しむ覚悟で走れ! 陸上 長距離(後編)」で、マラソンコーチのレナート・カノーバさんは、フルマラソンにおける速筋の寄与(スプリント能力の寄与)は3-4%とかたっていました。追記しました。また、本文中、 速筋から 乳酸を出す、遅筋で乳酸を利用するを追記しました。(2019年12月23日)

*)具体的に解糖系、TCA回路(クエン酸回路)を意識したスピード練習のメニューについては、以下をご覧ください。(2020年3月28日)

https://runkodaira.com/running/interval/

インターバルトレーニングの意義から効果的な設定メニューを考える

長距離の走力アップのための練習の一つにスピード練習ががあります。長距離だけに長い距離走ることはもちろん大切ですが、5㎞、10㎞の距離を速く走る能力を向上させるスピード練習も大変重要です。5kmのベストタイムが向上すると、フルマラソンもベスト更新出来る可能性高いです。競技距離とエネルギー源をグラフ化し、長距離ランナーの視点で、無酸素運動(解糖系)、有酸素運動(TCA回路=クエン酸回路)、両者の関係について説明、有効なトレーニングについて解説します。私は市民ランナーであり運動生理学を本格的に勉強したわけではないので、もし読まれた方で、間違った解釈をみつけましたら、是非ご指摘くださると有難いです。以下の流れでご説明します。

競技距離とエネルギー源について

図1. 運動強度(Kamihoo競技記録、一部想定)と競技距離と各競技のエネルギー供給源

私は冬のフルマラソンを目標の大会に日々練習を重ねていますが、毎週土曜日の17:00からあきるの市の秋留台公園の陸上トラックの練習会で、1㎞以上のインターバルトレーニングや、400mのインターバルトレーニングを行っています。フルマラソンのような42㎞を走る競技でも、400mのスピード練習がとても有効と考えています。

グラフの黄色い線は、100m走から、フルマラソンまでの各競技距離を横軸に、縦軸の私のベストタイム(400m以下は想定した数字)で、その1㎞あたりのラップタイムの秒数の逆数の1000倍した値で、運動強度を表しています。この運動強度に使われるエネルギー源として、無酸素運動であるクレアチンリン酸回路(ATP-CP)、解糖系回路、有酸素運動であるTCA回路(クエン酸回路)に割り振っています。割り振ったのは、私の感覚ですが大きくはずれていないと思います。青線の無酸素運動のクレアチンリン酸によるエネルギーは、10秒程度でなくなると言われており、100m走では、主要なエネルギーになりますので、割合高く、200m走、400m走までは寄与するとして、その後は0%にしています。赤い線が同じく無酸素運動の解糖系は全力で運動した場合3分程度が限界とされており、200m、400mの競技で解糖系の寄与を最大としてそれ以上の距離では減少してフルマラソンでは寄与が15%としました。この15%というのはあまり根拠はありません。私の感覚です。グレーの線が有酸素運動、長距離における主要なエネルギー源であることは言うまでもありません。 800mでは、無酸素運動(解糖系回路)と有酸素運動(TCA回路)の比を6:4として、1㎞で、1:1としました。スピード系ランナーと、持久系ランナーは、上記の全競技で、優劣が決まっているとは限りません。400mの練習では到底歯が立たない相手でも、3000m以上のレペでは勝てる場合もあります。10㎞レースまでは負けないが、ハーフ以上のレースでは勝てない相手もいます。個人が持っている解糖系能力と、有酸素運動能力のバランスでどこかで逆転することがよくあります。私の経験値で言うと小柄な人、とくに女性ほど、有酸素運動能力が優れていて距離が長くなると強くなる傾向があります。このような各競技で何をエネルギーにして走っているかを考え、ライバルに比べて何が劣っているかを考えることで有効な練習メニューが組めると考えています。400mなど解糖系のトレーニングもフルマラソンにも有効で、その寄与15%以上かもしれません。2019年12月に放送されたNHKのEテレの番組奇跡のレッスンでは、 マラソンコーチのレナート・カノーバさんは、フルマラソンにおけるスプリント能力の寄与は3-4%と語っていました。 私の感覚よりも少ないですが一流のコーチでも速筋(スプリント能力)の寄与について説明がありました。

解糖系回路とTCA回路(クエン酸回路)と血中乳酸濃度について

図2.解糖系とTCA回路(クエン酸回路)

無酸素運動のうち、中長距離以上の競技に影響する解糖系エネルギーとTCA回路(クエン酸回路)について図2をつかって解説します。筋肉や肝臓に蓄積されたグリコーゲン(糖質)を、乳酸に分解する際に得られるエネルギーが解糖系エネルギーです。解糖系は酸素は利用しません。解糖系は、瞬発力が必要な運動ではメインで使われます。 全力で運動した場合、3分程度でなくなると言われています。 解糖系では、乳酸が放出されます。放出された乳酸は、血液を介して全身をめぐります。心臓や遅筋で、乳酸からビルビン酸となってミトコンドリアに取り込まれてTCA回路 (クエン酸回路) でエネルギーとなり使用されます。400mや800mなど解糖系をメインに使用する運動でもハアハアと呼吸は苦しくなるのは何故でしょうか。TCA回路も同時に動いて有酸素運動で乳酸を使用する際に酸素が必要となるからです。

運動開始から解糖系とTCA回路と呼吸がどうなるかを見ていきます。運動開始した直後は、呼吸はハアハアしません。まずは酸素なしで使用できる解糖系が動き出すからです。継続して運動すると徐々に乳酸が出力されていくと、TCA回路も動き出し、乳酸利用のために酸素が必要となり忙しくなり心拍数があがっていきます。ウオームアップの状態です。血中乳酸濃度と心拍数は正の相関があります。

スピード練習する際、通常ウオームアップして心拍数をあげてからスピード練習に入るので解糖系(無酸素)メイン利用から、TCA回路(有酸素)がメインになる切替のタイミングがわかりづらいです。水泳でクロールをやってみると切り替わりのタイミングがよくわかります。私の場合は、クロールでの息継ぎは最初の25mは、左右合計6回息継ぎなしで泳げますが、次の25mでは、左右合計4回に1回息継ぎが必要で、50m以上連続して泳ぐと、左右合計2回に1回は息継ぎが必要になり、心拍数が120以上にあがって来ているのがわかります。2回に1回の息継ぎで、そのまま500mくらいは連続して泳ぐことができます。心拍数が120bpmくらいまであがり、酸素が必要となる頻度が高まる50mくらい泳いだところで、解糖系メインからTCA回路(有酸素)メインに切り替わっていることが実感出来ます。

かつて乳酸は、疲労物質と考えられて悪者扱いされてきましたが、近年はその考え方は間違っていることが証明されており乳酸はエネルギー物質と考えられています。但し、血中乳酸濃度が高い状態は、きつい状態であることは間違いなく、血中乳酸濃度は、運動強度の指標にすることができます。このあたりについては、「乳酸を活かしたスポーツトレーニング」(講談社、八田秀雄)にわかりやすく書かれているので参照ください。同書によると激しい運動をした後でも、1時間もあれば、血中の乳酸はなくなると解説されています。

TCA回路は、 解糖系経由 でグリコーゲン(糖質)を燃料にする以外に、脂肪を燃料として使う事もできますが、脂肪を利用するには経路が複雑であるため取り出しにくいエネルギーで運動強度が高くなるにつれてグリコーゲン(糖質)に対する脂肪の利用比率が低くなります。

図2でいうと、心臓、動脈、静脈を合せた循環器全体をイメージした血中乳酸とかかれた箱は血中の乳酸を持つことができる容量を表しており、この箱が相対的に大きいランナー乳酸を速筋から出力する能力が高い解糖系に優れているのが中距離ランナーで、血中乳酸を遅筋で消費する能力が高い、乳酸の出口のパイプが相対的に太いランナーが持久力がある長距離ランナーです。

血中乳酸濃度と運動強度の関係、スピードトレーニングの意味

図3.運動強度と血中乳酸濃度 

図3は、運動強度と血中乳酸濃度のグラフで乳酸カーブテストと呼ばれているものです。2019年2月16日の東大駒場キャンパスで行われた八田秀雄先生が主催の第15回乳酸研究会で東大の院生の竹井尚也先生が紹介した測定方法は、3分間疾走、1分間レストで走る距離を少しずつ長くスピードを上げていく方法で、1分間レスト中に乳酸値を測定。3分間走のスピードが上がらなくなるまで繰り返し、血中乳酸濃度をプロットしていくという方法が紹介されていました。運動強度が低いうちは、血中乳酸濃度はあがらない。あるスピード以上になると、乳酸値が上昇。最初に変化するポイントがおおよそ2mmol/Lあたりで、このあたりをLT値(Lactate Threshold) という。さらに、スピードをあげて、4mmol/Lに達する値をOBLA(Onset of Blood Lactate Accumulation)と呼ばれる運動強度がいっきに上がるポイントがあります。竹井尚也先生の記事によるとLT値が、フルマラソンペースで、OBLAのペースは、5000mのレースからハーフのレースくらいまでのペースで、競技レベルがあがるとOBLAの運動強度でハーフまでいけるようになるとい説明されています。LT値以下の運動強度を低強度、LT値以上OBLA以下の運動強度を中強度、OBLA以上の運動を高強度と分類されます。

  • LT値以下の運動強度:低強度

解糖系で出力される乳酸 < TCA回路で使用する乳酸量

最大心拍数(HRMax)の80%程度以下

—–LT値がフルマラソンの運動強度—–

 

  • LT値以上、OBLA以下の運動強度:中強度

解糖系で出力される乳酸 > TCA回路で使用する乳酸量

最大心拍数(HRMax)の80%程度以上88%~92%程度以下

—–OBLAが5㎞ ~ハーフマラソンの運動強度——

 

  • OBLA以上の運動強度:高強度

解糖系で出力される乳酸>>TCA回路で使用する乳酸

解糖系の比率が大きくなっていく。乳酸出力が最大化

最大心拍数(HRMax)の88-92%程度以上

—–5km以下の競技の運動強度 —–

しかし、LT値はいろんな意味で使われているようで、OBLAをLT値と解釈している人もいるようです。それは日本語にすると、どちらも乳酸性作業閾値となるからでしょう。有名なDaniels VDOT calculatorでは、フルマラソンやハーフマラソンの自分の記録を入力すると、Traingのタブに、1.6㎞(1マイル)から200mまでのEasyペース、フルマラソン、Threshold、Interval、Repetitionの各メニューが表示されます。ここでいうThresholdは、最大心拍数(HRmax)の88-92%程度で5-6㎞連続して走れるペースと定義されていますが、OBLAはこれに近い値です。

乳酸測定の器具としては、Lactate Pro2というアークレイという会社の商品がありますが、税抜き65,000円と敷居が高いです。私の周辺の市民ランナーでもっている人はいません。新横浜の日産スタジアムにあるでは、横浜市医科学センターで1回6,200円で計測してもらえるようです。

私は血中乳酸濃度を測定したことは実は一度もないのですが、心拍数の変化と自分の感覚で2018年のシーズンのLT値とOBLAの運動強度を図3に記載しました。いつか乳酸測定をして、本当の自分のLT値やOBLAの運動強度を知りたいところです。2018年の秋冬シーズンでの自分の競技レベルは、竹井先生の指標をあてはめると、LT値が、4’10-4’15/kmの運動レベルで、OBLAが、3’50-3’55/kmくらいではないかと想定して自分の練習メニューを組んでいます。なお、LT値測定は敷居が高いので、代わりに心拍計を使う事である程度代替できます。心拍計は、Garminなどのランニング用の時計に内蔵されている光電式は誤差が大きいので、ストラップ型の心電式を胸にまいて使うと正確です。私の2018年の冬の状態では、気温が8℃~12℃くらいで、平地でコンディションが良い条件ですとLT値の運動強度では心拍数140~145bpm、OBLAの運藤強度では、150~155bpmでした。

乳酸利用能力を高めるトレーニングとは?

乳酸利用能力を高めるためには、以下の項目を高めるとパフォーマンスがあがります。TCA回路は、有酸素運動で酸素が必要なので乳酸利用能力を高めるためには、TCA回路が働くミトコンドリアに酸素を送り込むために、心肺機能を強化する必要があります。以下のような要素があります。心肺機能強化といっても心臓と肺だけの強化ではありません。

  • 心臓の血液排出量:1回の伸縮での排出量 x 回数(心拍数) を増やす
  • 乳酸利用能力を高める酵素を増やす
  • 酸素をはこぶヘモグロビン濃度をあげる
  • 毛細血管を発達させる
  • 細胞における (TCA回路を行う) ミトコンドリアの量を増やす
  • 有限の糖質から体内に多くある脂肪を使用してTCA回路を動かす力をつける

LT値のペースより30秒から1分以上遅いペース(Daniels VDOTで言うEasyペースまたはそれ以下)で、20㎞ときには30㎞の長い距離を走る距離走など低強度の走りこみを行うことで、毛細血管が発達して、ヘモグロビンが増えて、ミトコンドリアが増えるとされています。長い距離を走ることで体内の糖質が枯渇した状態で運動を継続することで脂肪を使う能力が高まり、LT値の運動継続能力もあがっていきます。トレーニング方法は、リディアードのランニング・バイブル(大修館書店 アーサーリディアード)や、リディアードのトレーニングを日本式にアレンジしたeA式マラソン“新常識”トレーニング(ナツメ社 鈴木彰)などが主に距離走をベースにした練習方法を紹介しています。

しかし私の経験では、距離走をベースにした低強度・中強度の練習だけでは、あるレベルで競技記録が頭打ちになりました。さらにレベルをあげるためには、距離走に加えて、スピード練習とそれに耐えられる身体能力(筋力、柔軟性、バランス)が必要になっていきます。

距離走など持久力アップのトレーニングを乳酸カーブで見ると以下となります。

乳酸利用能力を高めると、LT値、OBLAが図3のグラフで言うと右側に移動してより強い運動強度でも乳酸値があがらずに楽に走れるようになる、つまりある程度速いペースでの運動の継続能力が高まります。

さらなるLT値での運動継続能力強化のためには、低強度・中強度の持久系トレーニングから、30㎞のフルマラソンレースペース走や、OBLAの運動強度では5㎞、10㎞などのスピード練習があります。しかし、とってもきついです。とくに 30㎞レースペース走 はもっともきつい練習です。例えばサブスリー狙うランナーは30㎞、4’10/kmのペース走が必要と理解しているランナーが多いです。私の場合は気温が8-12℃など環境が良い時期に、十分なトレーニングと、直前の十分な休養を経てようやく実現できる練習になってしまいます。しかも練習の後にしばらくきつい練習ができなくなります。成功するコンディションは1年のうち、3か月程度。春、夏にはとても同じ練習は出来ません。例えば秋の大会に向けて9月、10月では30㎞レースペース走、OBLAの5㎞、10㎞のスピード練習は、まだまだ暑くてなかなか実現できません。途中で折れて挫折してしまうリスクがあります。 しかも身体へのダメージも大きく怪我の可能性も高まり、回復に時間がかかるため練習頻度も調整が必要になります。 比較的暑くても無理なくできる練習としてインターバルトレーニングがあります。次回以降の記事で、インターバルトレーニングの意義、方法について記述したいと思います。

400mや1000mレペ、など短い距離の高強度の練習で、解糖系を鍛えるトレーニングでは乳酸カーブは以下となります。

乳酸出力を最大にする能力を高めることで、LT値、OBLAが図3のグラフで言うと、上側に引き上げられ、解糖系の運動能力が最大化することができます。400mや800mなどの解糖系メインの中距離で乳酸を出力する能力と相関があることはわかりますが、最近はマラソンのような長距離競技でも、乳酸出力最大にする運動が効果があるのか明らかになってきています。竹井先生のHIITについての記事にあるように、最近注目されているHIIT(High-intensity interval training)と呼ばれている30秒スプリント、4-5分休憩を4~6回繰り返すトレーニングや、20秒-10秒でハードトレーニングと休憩を6~8本繰り替えすタバタ式トレーニングなど、乳酸出力を高める解糖系中心のトレーニングもミトコンドリアを増やし 乳酸使用能力を高める効果がある事が明らかになってきています。最大酸素摂取量VO2Max170%の運動強度と記載がありますが、単位時間あたりに吸い込める最大の酸素量を100%として、相対的に170%の運動強度という意味なのですが、TCA回路の有酸素運動における乳酸利用能力が酸素供給力が律速となり最大酸素摂取量100%の状態になった上で、無酸素の解糖系も同時にフル稼働させて170%の強度になりうるという意味です。当然、乳酸利用が追いつかずに血中乳酸値があがっていき長くは続けられません。 170%のうちの残りの70%は酸素借と呼ばれ未来に吸う酸素を借りるという意味で、運動後にハァハァして取り戻すことになります。 それで30秒スプリントなどのように極端に短い強度の高いトレーニングになっているのでしょう。 このような高強度トレーニングは、トップアスリートのみならず市民ランナーでも有効と記事には書かれていますが、アスファルトの道路でレペなどを行うと怪我のリスクもあります。坂道ダッシュやトレッドミルや、エアロバイクなどで、怪我のリスクを少なく高強度トレーニングするのが良いでしょう。

まとめ

  • 100mからフルマラソンまでのランニング競技の各競技において使用するエネルギー源は、無酸素運動のクレアチンリン酸回路、解糖系、有酸素運動のTCA回路があり、距離がながくなると有酸素運動が支配的になります。
  • 無酸素運動の解糖系回路と有酸素運動はTCA回路は、乳酸を介してつながっています。血中乳酸濃度と、運動強度の関係を示す乳酸カーブで、運動強度を低強度、中強度、高強度に分類することが出来ます。
  • 乳酸を出力する能力が高いランナースピードがあり中距離に相対的に 強いランナーで、乳酸を利用する能力が 相対的に高い持久力のあるランナーが長距離に強いランナーです。
  • 乳酸利用能力を高めるトレーニングは、低強度から中強度の距離走に加えて、インターバルトレーニングが有効です。さらに、高強度の運動を短時間、十分な休憩時間をはさんで行う HIIT(High-intensity interval training) も有効であることが明らかになってきています。

以上(2019年7月16日)

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