【なんかそういうデータ】ロイシンと筋肥大に関する論文紹介

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こんにちはチャールズ(Twitter)です。

 

前回、ソイプロテインよりもホエイプロテインの方が筋肥大に効果的。この差は一回当たり1.2g程度の必須アミノ酸の「ロイシン」の含有量の差によるものなのではないかという研究をご紹介しました。

 

ここでこのように思った方もいるのではないでしょうか

 

なんか当たり前みたいにロイシンがあったら筋肥大が促進する。と書かれていましたが、前回見た論文では、その辺のことは詳しく説明されていませんでした。私もこの辺に関しては、疑問に思ったところなので調べてみました。

 

それでは「なんかそういうデータ」をご覧ください。

このページを読むとわかること

ロイシンで筋肥大が促進すると言える根拠(データ)

ロイシンの摂取目安

ロイシンの摂取タイミング

 

予備知識

早速論文をご紹介といきたいところですが、少し予備知識の説明をさせてください。

筋トレを行うと細胞の中の「リボソーム」という器官が活性化します。ここではDNAから写し取られた様々なタンパク質の設計図(メッセンジャーRNA)に基づいて、アミノ酸を鎖状に配列しています。言わば「タンパク質合成工場」といった感じでしょう。このタンパク質合成工場(リボソーム)を稼働状態にしてくれるのが、mTORシグナル伝達系と呼ばれる反応の数々です。この伝達系は、筋トレした時に筋線維から分泌されるIGF-1という物質により活性化されます。また、このmTORシグナル伝達系を活性化させる物質としてアミノ酸の「ロイシン」が知られています。お待たせいたしました、ここで今回の主役ロイシンのご登場です。このmTORは「リン酸化」することで活性化するのがわかっています。ここは後ほど紹介する論文で重要になってくるところなので、覚えておいてください。

参考図書

余談:HMBとは何だったのか

mTORは、エムトールとかエムトアと呼ばれていますね。ちなみにわたくしは何となくかっこいいのでエムトール派ですが、Wikipediaさんによると、エムトアかエムトーと読むのが正解のようです。この言葉は見たり聞いたことがある人がいるかもしれません。一時期のHMBブームの時に、HMBがmTORを活性化させるということで喧伝されていました。しかし、HMBもあまり効果的とは言えないようです。これから解説します。

本題

それでは少し長くなりますが、

①ロイシンがmTORを活性化したとする論文

②具体的なロイシン摂取量の目安を示した論文

③ロイシンの摂取タイミングについて書かれた論文

の3本建てでお送りいたします。さすがにすべて紹介すると長くなりますので、「要旨」のところだけご紹介いたします。元のURLも貼っておきますので、気になる人はぜひ全部読んでみてください。

さっそく最初の論文をご覧ください。

 

①ロイシンがmTORを活性化したとする論文

The essential amino acids (EAA) activate anabolic signalling through mechanisms, which are unclear in detail but include increased signalling through the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1). Of all the EAA, the branched chain amino acid (BCAA) leucine has been suggested as the most potent in stimulating protein synthesis, although there have been no studies investigating the effects of each EAA on anabolic signalling pathways. We therefore undertook a systematic analysis of the effect of each EAA on mTORC1 signalling in C2C12 myotubes whereby cells were serum (4 h) and amino acid (1 h) starved before stimulation with 2 mM of each amino acid. Immunoblotting was used to detect phosphorylated forms of protein kinase B (Akt)/mTORC1 signalling enzymes. The phosphorylation of Akt was unchanged by incubation with EAA. Phosphorylation of mTOR and 4E binding protein-1 (4EBP1) were increased 1.67 +/- 0.1-fold and 2.5 +/- 0.1-fold, respectively, in response to leucine stimulation but not in response to any other EAA. The phosphorylation of ribosomal s6 kinase (p70S6K1) was increased by stimulation with all EAA with the exceptions of isoleucine and valine. However, the increase with leucine was significantly greater, 5.9 +/- 0.3-fold compared to 1.6-2.0-fold for the non-BCAA EAA. This pattern of activation was identical in ribosomal protein s6 (RPS6) with the additional effect of leucine being 3.8 +/- 0.3-fold versus 1.5-2.0-fold. Phosphorylation of eukaryotic initiation/elongation factors eIF2alpha and eEF2 were unaffected by EAA. We conclude that leucine is unique amongst the amino acids in its capacity to stimulate both mTOR and 4EBP1 phosphorylation and to enhance p70S6K1 signaling

 

必須アミノ酸(EAA)は、詳細なメカニズムは不明ですが、mTORC1(mammalian target of rapamycin complex 1)を介したシグナル伝達の増加などにより、同化シグナルを活性化させることが知られています。EAAの中でも分岐鎖アミノ酸(BCAA)のロイシンが最もタンパク質合成を促進することが示唆されていますが、それぞれのEAAの同化シグナル伝達経路への影響について検討した研究はこれまでありませんでした。そこで、C2C12筋管において、各EAAのmTORC1シグナルへの影響を系統的に解析した。細胞を血清(4時間)およびアミノ酸(1時間)飢餓状態にし、各アミノ酸2mMで刺激した。プロテインキナーゼB(Akt)/mTORC1シグナル伝達酵素のリン酸化体を検出するためにイムノブロット法を使用した。EAAとのインキュベーションにより、Aktのリン酸化は変化しなかった。mTOR および 4E binding protein-1 (4EBP1) のリン酸化は、ロイシン刺激でそれぞれ 1.67 +/- 0.1 倍および 2.5 +/- 0.1 倍増加したが、他の EAA には反応しなかった。リボソームs6キナーゼ(p70S6K1)のリン酸化は、イソロイシンとバリンを除くすべてのEAAで刺激すると増加した。しかし、ロイシンでの増加は、非BCAA EAAの1.6-2.0倍に比べ、5.9±0.3倍と有意に大きかった。この活性化パターンはリボソームタンパク質s6(RPS6)でも同じであり、ロイシンの追加効果は1.5-2.0倍に対して3.8±0.3倍であった。真核生物開始/伸長因子eIF2αとeEF2のリン酸化は、EAAの影響を受けなかった。ロイシンは、mTORと4EBP1の両方のリン酸化を刺激し、p70S6K1シグナルを増強するというアミノ酸の中でユニークな存在であると結論づけた。

 

Distinct anabolic signalling responses to amino acids in C2C12 skeletal muscle cells – PubMed (nih.gov) より「Abstract」を引用

予備知識のところで少し説明しましたように、リン酸化するということは「活性化する」ということです。「ロイシンはmTORのリン酸化を刺激する」ということが書かれていますね。mTORが活性化するということは、リボソームもしっかり働いてくれて筋合成が加速すると言えそうです。

 

②具体的なロイシンの摂取量の目安を示した論文

Leucine, isoleucine and valine, the branched-chain amino acids (BCAA), make up about one-third of muscle protein. Of these, leucine has been the most thoroughly investigated because its oxidation rate is higher than that of isoleucine or valine. Leucine also stimulates protein synthesis in muscle and is closely associated with the release of gluconeogenic precursors, such as alanine, from muscle. Significant decreases in plasma or serum levels of leucine occur following aerobic (11 to 33%), anaerobic lactic (5 to 8%) and strength exercise (30%) sessions. In skeletal muscle, there is a decrease in leucine level and a reduction in glycogen stores during exhaustive aerobic exercise. Basal fasting serum leucine levels decrease by 20% during 5 weeks of speed and strength training in power-trained athletes on a daily protein intake of 1.26 g/kg bodyweight. The leucine content of protein is assumed to vary between 5 and 10%. There are suggestions that the current recommended dietary intake of leucine be increased from 14 mg/kg bodyweight/day to a minimum of 45 mg/kg bodyweight/day for sedentary individuals, and more for those participating in intensive training in order to optimise rates of whole body protein synthesis. Consumption of BCAA (30 to 35% leucine) before or during endurance exercise may prevent or decrease the net rate of protein degradation, may improve both mental and physical performance and may have a sparing effect on muscle glycogen degradation and depletion of muscle glycogen stores. However, leucine supplementation (200 mg/kg bodyweight) 50 minutes before anaerobic running exercise had no effect on performance. During 5 weeks of strength and speed training, leucine supplementation of 50 mg/kg bodyweight/day, supplementary to a daily protein intake of 1.26 g/kg bodyweight/day, appeared to prevent the decrease in the serum leucine levels in power-trained athletes. According to 1 study, dietary supplementation of the leucine metabolite beta-hydroxy-beta-methylbutyrate (HMB) 3 g/day to humans undertaking intensive resistance training exercise resulted in an increased deposition of fat-free mass and an accompanying increase in strength. Muscle proteolysis was also decreased with HMB, accompanied by lower plasma levels of enzymes indicating muscle damage and an average 50% decrease in plasma essential amino acid levels. Furthermore, BCAA supplementation (76% leucine) in combination with moderate energy restriction has been shown to induce significant and preferential losses of visceral adipose tissue and to allow maintenance of a high level of performance. Caution must be paid when interpreting the limited number of studies in this area since, in many studies, leucine has been supplemented as part of a mixture of BCAA. Consequently, further research into the effects of leucine supplementation alone is needed.

 

分岐鎖アミノ酸(BCAA)のロイシン、イソロイシン、バリンは、筋タンパク質の約3分の1を構成しています。このうち、ロイシンはイソロイシンやバリンに比べて酸化速度が速いため、最も研究が進んでいます。ロイシンはまた、筋肉のタンパク質合成を刺激し、アラニンなどの糖新生前駆体の筋肉からの放出と密接に関連している。ロイシンの血漿または血清レベルは、有酸素運動(11~33%)、無酸素乳酸運動(5~8%)および筋力運動(30%)の後に著しく低下します。骨格筋では、激しい有酸素運動により、ロイシンレベルの低下とグリコーゲン貯蔵量の減少が起こります。基礎空腹時血清ロイシンレベルは、1日1.26g/kg体重のタンパク質摂取でパワートレーニングを受けたアスリートの5週間のスピードおよび筋力トレーニング中に20%減少する。タンパク質中のロイシン含量は5~10%の間で変化すると仮定している。全身のタンパク質合成率を最適化するために、現在推奨されているロイシンの食事摂取量を、座りがちな人は14mg/kg体重/日から最低45mg/kg体重/日に、集中トレーニングに参加している人はそれ以上に増やすことが提案されています。持久的運動の前または最中にBCAA(ロイシン30~35%)を摂取すると、タンパク質分解の正味速度を防止または減少させ、精神的および肉体的パフォーマンスを向上させ、筋グリコーゲンの分解および筋グリコーゲン貯蔵量の枯渇を回避する効果があると考えられます。しかし、無酸素性ランニング運動の50分前にロイシンを補給(200mg/kg体重)しても、パフォーマンスには影響がなかった。5週間の筋力およびスピードトレーニング中、1日1.26 g/kg体重/日のタンパク質摂取を補足する50 mg/kg体重/日のロイシン補給は、パワートレーニングを受けたアスリートの血清ロイシンレベルの低下を防ぐようであった。ロイシン代謝物であるβ-ヒドロキシβ-メチルブチレート(HMB)3g/日を集中的にレジスタンストレーニングを行っているヒトに補給したところ、無脂肪体重の蓄積とそれに伴う筋力の向上がみられたという研究結果がある。また、HMBを摂取すると、筋肉の損傷を示す酵素の血漿レベルが低下し、血漿中の必須アミノ酸レベルが平均で50%低下したことから、筋肉のタンパク質分解も減少しました。さらに、BCAA(ロイシン76%)の補給と適度なエネルギー制限を併用すると、内臓脂肪組織の著しい優先的な減少を誘発し、高いレベルのパフォーマンスを維持できることが示されている。この分野の研究は限られており、多くの研究でロイシンはBCAAの混合物の一部として補給されているため、その解釈には注意が必要です。したがって、ロイシン単独での補給の効果については、さらなる研究が必要です。

 

Leucine supplementation and intensive training – PubMed (nih.gov) より「Abstract」を引用

「1日1.26 g/kg体重/日のタンパク質摂取を補足するロイシン」と書いてあることから、日頃のタンパク質摂取の補足としてロイシンが使われていることがわかります。1日1.26 g/kgのタンパク質とのことなので、体重70キロの人なら88gといったところでしょう。普段筋トレをしているわたくしからすると、この辺はちょっと物足りない数字と思いましたが、皆さんはいかがでしょうか。この物足りなさを補うために「50 mg/kg体重/日のロイシン補給」とあります。体重70キロの人なら3500mg(3.5g)です。前回紹介したBCAA(2:1:1)が一回分ロイシン2gであったことから、この辺も意識すれば摂取できそうな量ですね。しかし最後に「多くの研究でロイシンはBCAAの化合物の一部として補給されている」「その解釈には注意が必要」と書かれているようにBCAAの一部としてロイシンを摂取しているため、これらの効果が必ずしもロイシン単体のものとは思わないほうがよさそうです。

 

③ロイシンの摂取タイミングについて書かれた論文

During ageing, there is a lack of recovery of muscle mass following immobilization.

We showed, in old rats, an ‘anabolic resistance’ of muscle protein synthesis to food intake during immobilization and only a slight increase of protein synthesis during the recovery, which explain a poor muscle nitrogen balance that is insufficient to induce a muscle mass gain.

A supplementation with free leucine, an essential amino acid known to stimulate muscle protein metabolism, was efficient in inducing a greater anabolism but failed to induce muscle mass recovery.

This discrepancy was explained by a ‘desynchronization’ between the leucine signal and amino acids coming from dietary protein digestion.

An induction of a larger increase and a longer availability of amino acids in the postprandial state with rich-protein leucine (i.e. whey) and high protein diets were efficient in inducing a muscle mass recovery after immobilization.

 

加齢に伴い、固定化した後の筋肉量の回復が不足します。

我々は、老齢ラットにおいて、固定化中の食物摂取に対する筋タンパク質合成の「同化抵抗」を示し、回復中のタンパク質合成はわずかに増加するだけであることを示した。これは、筋肉量の増加を誘導するには不十分な筋窒素バランスであることを説明するものである。

筋タンパク質の代謝を促進することが知られている必須アミノ酸である遊離ロイシンの補給は、より大きな同化作用を誘導するのに有効であったが、筋肉量の回復を誘導することはできなかった。

この矛盾は、ロイシンのシグナルと食事性タンパク質の消化によるアミノ酸との間の「非同期性」によって説明された。

食後状態におけるアミノ酸の増加量と利用可能時間の延長は、高タンパク質食とロイシンを多く含む食餌によって誘導され、固定化後の筋肉量の回復を効率的に誘導することができた。

 

Contrarily to whey and high protein diets, dietary free leucine supplementation cannot reverse the lack of recovery of muscle mass after prolonged immobilization during ageing – PubMed (nih.gov) より「Abstract」を引用

「非同期性」についての補足

Our measures of muscle protein synthesis were done at a single time point postprandially and confirmed that our free leucine supplementation was efficient 150–180 min after food intake. As muscle mass gain was absent, we hypothesized that the stimulation of protein synthesis was nevertheless not sustained enough to translate into a significant muscle protein accretion. We postulated that free leucine, as it is absorbed rapidly, induced an anabolic ‘leucine signal’ for protein synthesis before there was sufficient availability of amino acids coming from dietary protein digestion. Therefore, the duration or the intensity of the protein synthesis could have been insufficient. This desynchronization between the ‘leucine signal’ and the availability of substrates for protein synthesis could explain the insufficient positive nitrogen balance and the lack of protein accretion when free leucine is used.

 

筋タンパク質合成の測定は食後1回で行い、食事摂取後150-180分で遊離ロイシンの補給が効果的であることを確認した。筋肉量の増加が見られないことから、タンパク質合成の促進が十分持続せず、筋タンパク質の大幅な増量に結びつかなかったと推測された。遊離ロイシンは吸収が速いため、食事性タンパク質の消化によるアミノ酸が十分に利用可能になる前に、タンパク質合成のための同化的な「ロイシン・シグナル」を誘導すると仮定した。そのため、タンパク質合成の期間または強度が不十分であった可能性がある。この「ロイシン・シグナル」とタンパク質合成のための基質の利用可能性との間の非同期性は、遊離ロイシンを使用した場合の不十分な正の窒素バランスおよびタンパク質付加の欠如を説明することができる。

 

Contrarily to whey and high protein diets, dietary free leucine supplementation cannot reverse the lack of recovery of muscle mass after prolonged immobilization during ageing – Magne – 2012 – The Journal of Physiology – Wiley Online Library より

ロイシン単体は吸収が速いため、ロイシン・シグナル(mTORの活性化など)と体内でアミノ酸が利用可能になるまでの間にタイムラグがあるようです。これを本文では「非同期性」と表現されていました。「ロイシンの補給はより大きな同化作用を誘導するのに有効であったが、筋肉量の回復を誘導することはできなかった」とある事からもロイシン単体の摂取では筋肥大には不十分であるということがわかります。

 

三つの論文のまとめ。

・ロイシンはmTORを活性化し、タンパク質合成工場とも言えるリボソームを稼働状態にする。

・50 mg/kg体重/日のロイシン補給は血清ロイシンレベルの低下を防いだ。

・ロイシン単体の摂取では筋合成に不十分。また、ロイシン単体は吸収が速いためアミノ酸とのタイムラグがある。

 

以上、私なりに三つの論文をまとめてみました。

 

最後の論文で、ロイシン単体ではタンパク質合成のシグナルは誘導されるが、筋肉量の回復を誘導することはできなかった。と書かれていることからも「ロイシンのみではなく、普段から充分なタンパク質の摂取が大事」だということがわかります。

 

最初に出した工場の例え話を再度持ち出すと、ロイシンは工場のスイッチをONにはするけども材料(アミノ酸)の調達まではしてくれない。だから常に材料(アミノ酸)は体内に満たしておこう。というクッソ当たり前の結論となります。

 

ロイシン単体が気になる人は

もし、ロイシン単体の摂取に興味がある人は、食事をした3時間後くらいがいいかもしれません。(③の論文で食事摂取後150-180分と書かれていることから)

また、ホエイプロテインの血中ロイシン濃度の上昇は30分後がピークと下記の論文には書かれていますので、プロテインを飲んだ10分後位に単体のロイシンを摂取すれば、ロイシンのmTOR活性化をさらにブーストできるかもしれませんね。

(PDF) Fast whey protein and the leucine trigger (researchgate.net)

 

いろいろ論文を読んでみて思ったことは、ロイシン単体では筋肥大には効果がない。結局は体内のアミノ酸濃度が問題。じゃあHMBとかもっとks…!です。

 

まとめ

・ロイシンはmTORを活性化させるが、単体では筋肥大には効果がない。

・mTORの活性化と十分なアミノ酸濃度。この二つがタイミングよく合わさった時に筋肥大が促進する。

・摂取量の目安は、体重1kg当たり50mgくらい(もうちょっと少なくてもいいかも)

 

長くなりましたが、ここまで読んで頂いてありがとうございました。

 

 

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