エネルギー保存の法則で、ダイエットの失敗を防ぐことができる(蛋白質の摂り過ぎや、やみくもな運動はエネルギー量を検討すればできなくなる)

前回は、
脂肪の合成速度を増減させるしくみを研究しても、肥満を減らすのに役立たない、
それは、エネルギー保存の法則で考えると分かる、
という話をしました。 

今回も、エネルギー保存の法則を使って、今まで曖昧だったことをくっきりさせ、
ダイエットの成功に役立つ話を2つします。 

エネルギー保存の法則について考えるときには、
物事を明確にするため、必ず「周囲と区別された空間」について考えます。
それには、2通りありますが、どちらも常識的な話で難しいものではありません。

密閉・断熱された空間で、化学反応が起きても、総エネルギーは同じ

1つ目の、周囲と区別されている空間は、
周囲と、物質やエネルギー(熱)の出入りがない空間です。
この空間を考えるのは、その中でエネルギーが保存されていることを考えるときです。
その中では、どんなことが起こってもエネルギーは保存されています。

例として、密閉・断熱された容器の中で、
ブドウ糖を酸素と化合させて、二酸化炭素や水と熱エネルギーが出るときの反応を考えます。この反応を式で書くと、(燃焼の熱化学方程式)

  ブドウ糖+酸素   = 二酸化炭素+水 + (熱)エネルギー …(1)
      ↑                      ↑
  反応前の物質(+E)  反応後の物質(+E)

 となります。

反応の前後で、空間内部の総エネルギーは変わらない、
にもかかわらず、反応の後で熱エネルギーが出ている。それは、
ブドウ糖と酸素が持っていたエネルギー(E)より、
二酸化炭素や水が持っているエネルギー(E)のほうが少ない分だけ、
エネルギーが熱として出てくるからだ
と考えます。

この時に出る熱が、ブドウ糖1g当たり4kcalであるとか、
脂肪なら1g当たり9kcal、
蛋白質は1g当たり4kcal
であるとかは、知っている人も多いでしょう。

また、反応に必要な酸素の量や、できる二酸化炭素の量も分かっているので、
これらを測定することで反対に、
体の中で燃えたブドウ糖の量や、出た熱エネルギーの量を計算で求めることもできます。

空間に、物質やエネルギーが出入りすると、その分だけエネルギーが増減する

2つ目の、周囲と区別されている空間は、周囲と物質やエネルギーが出入りする空間です。
人間の体は、周囲から明らかに区別されているので、これを空間の例としてみます。

この空間に、外からブドウ糖などの物質が加えられた後、空間の中で酸素と化合(酸化)するときにはエネルギーを出します。
ですから、加えられた時点で、空間内にエネルギーが貯えられたことになります(貯蔵エネルギーの増加)。

また、空間内の物質が酸化され、そのエネルギーが外に出たときには、空間内部に貯えられていたエネルギーはその分減ることになります(貯蔵エネルギーの減少)。

これらのエネルギーの出入りと、貯蔵エネルギーの関係を式に書くと、

  摂取エネルギー = 貯蔵エネルギーの増減 + 消費エネルギー …(2)

ということになります。

この式が表している、エネルギー保存の法則に対して矛盾のない主張をするためには、
(後で実際に考えますが)
体の物質全体で、
1日や1カ月など、一区切りとして十分な時間の後で、
状態がどう変わるかを見なければなりません。

蛋白質、脂肪、糖質の分解や合成は、体の中で絶えず行われています。
そのめまぐるしさに目を奪われて、
一部の物質について、不十分な時間しか観察・測定しないで、
エネルギー保存の法則に矛盾した主張をすることがあるかもしれません。

矛盾した主張は、全体を通してみると誤っていることになるので、
それにしたがって何か実行しても、(前回の記事のように)効果は出ないことになります。

もし、観察・測定結果がエネルギー保存の法則に矛盾しているときは、
(その前に、まず、
 矛盾していないかどうか検討してみようとすることが大切ですが…)
「この結果はエネルギー保存の法則に矛盾しているから、
 反対方向の別の反応が存在するはずだ」
と結論付けないと、前回の記事で述べたように、その研究は結局全部否定されることになります。

反応前と後の状態がどちらも同じなら、出入りするエネルギー量も同じ(ヘスの法則)

さて、人間の体の中では、ブドウ糖が二酸化炭素と水になるまでに、
いくつもの段階でエネルギーを出したり、もらったりしています。
出したエネルギーの合計から、もらったエネルギーの合計を引くと、
ブドウ糖を酸素中で燃焼させたとき

  ブドウ糖+酸素 = 二酸化炭素+水 + (熱)エネルギー …(1)

と同じ量のエネルギーが出ます。
エネルギーが外から入ったときは、その空間の内部エネルギーが増え、
エネルギーが出て行くと空間内部のエネルギーが減り、
それらは全て積み上がっていく(保存される)からです。

その他、どんな化学反応でも、
反応の前(ブドウ糖+酸素)と、後(二酸化炭素+水)の状態が同じであれば、
出入りするエネルギーの量は同じであることが分かっていて、
ヘスの法則(化学分野での保存の法則)と呼ばれています。

この法則から、体の中で
ブドウ糖をそのまま燃焼しても、
ブドウ糖を、脂肪に合成してから、燃焼しても、
その時に出るエネルギーは同じだということが分かります。

余分に摂った蛋白質のエネルギーは脂肪のエネルギーとして貯えられる

このように、多段階の反応の度にエネルギーの出入りがあっても、

  初めと終わりの状態だけ考えればよい

というのと同じ考え方で、

  体に糖質や蛋白質として貯えられているエネルギーは一定

であることも分かります。

体に糖質として貯えられるエネルギー:
糖質のうち、血液中のブドウ糖は、糖尿病がなければ一定の範囲に保たれています。
また、ブドウ糖から作られて筋肉や肝臓に含まれるグリコーゲンも糖質の仲間で
(ブドウ糖と同じ1g当たり4kcalの)エネルギーを貯えています。
多少の増減があっても、数日単位でみると、その質量は一定、
そして、糖質の形で体に貯えられたエネルギーも一定(貯蔵エネルギー変化は0)と見ることができます。 …図1-1)


ということは、
食物から摂り入れた糖質は、同じ量の注1糖質が燃えて、二酸化炭素と水ができ、
できた熱エネルギーが消費エネルギーとして体から出て行ったことになります。 …図1-2)

もし、糖質として摂取されたエネルギーが、消費されたエネルギーより多いときは、
脂肪の合成に使われて、体の中にエネルギーとして貯えられることになります。

貯えられる脂肪のエネルギー量は、
原料(燃料)として使った糖質のエネルギーと等しいので、
糖質9g(4×9=36kcal)から、4g(9×4=36kcal)の割合で、
脂肪が合成されることになります。

体に蛋白質として貯えられるエネルギー:
筋肉や内臓には大量の蛋白質が含まれています。(体蛋白:体重の20%)
もし、新たに無酸素運動を始めたり、増やしたりすれば、
筋肉量が増え、それに応じた分だけ蛋白質としてエネルギーを貯えることができます。
しかし、通常の生活を続けているときには、筋肉が増えて体蛋白の量が増える、ということはありません。

体蛋白の一部(1日当たり体重の0.1%)は、分解され、
エネルギーとして消費されています。
分解された蛋白質は、同じ量注2だけ、食事で摂った蛋白質から補充されるので、
体蛋白の総量に変化はありません。 …図2-1)
(私たちの体に出入りする物質も、
 「ゆく河の流れは絶えずして、しかももとの水にあらず」
 です)

蛋白質として摂取されたエネルギーのうち消費されずに余った分は、
脂肪の合成に使われて、体脂肪として貯えられることになります。
 …図2-2)  (え???と思った人は→

蛋白質から脂肪が合成されるときにも、
原料(燃料)にした蛋白質9g(4×9=36kcal)と等しいエネルギーの脂肪4g(9×4=36kcal)が合成されます。


   1) 体蛋白の一部(体重の0.1%)は、毎日エネルギーとして消費されるが、
     摂取した蛋白質で補充される。
   2) 蛋白質は、有効な無酸素運動で筋肉が増えない限りは、
     余分に貯えることはできないから、
     摂取されたエネルギーから消費されたエネルギーを引いた360kcal
     すなわち40gの体脂肪が貯えられる。
     これを1か月間続けると、40×30=1200g=1.2kgの体脂肪が増える。

結局、

  蛋白質に糖質と同じエネルギーがあり、肥満の原因になっている

ことが言いたかったわけですが、これまでの説明を振り返ると、

  ヘスの法則(エネルギー保存の法則)で、初めと終わりが同じ反応
  [ 糖質(1g)+酸素 = 二酸化炭素+水 + エネルギー(4kcal) ]
  なら、断熱容器の中でも人体でも同じエネルギーが出る、
  人体では糖質の燃え残りで脂肪を作る、
  これは、蛋白質(1g)の反応でも、全く同じ

というだけで、話の筋をひとつひとつ追っていけば難しい話ではありません。

にもかかわらず、これに気づかなかったのは、
「蛋白質=体を作っている材料」という知識が強固に(しぶとく、とも言います)
残っていて、検討してみようとしなかったことが原因でしょう。

注1、注2:
「同じ量の」というのは、
取り入れた蛋白質や糖質の分子がそのまま燃える(分解される)のではなく、
もともと体に含まれていた分子が燃えて体から出て行き、
その分だけ、取り入れた分子が体を作っている分子になる(合成される)
「入れ替わり」があることを意味しています。(…もとの水にあらず)
このように、「分解される量」、「合成される量」が分からなくても、
  一定時間の初めと終わりの状態を見て
  変化がなければ、「分解される量=合成される量」だということが分かり、
  変化があれば、その差が「差し引き」いくらであるかに注目する
という、ヘスの法則(エネルギー保存の法則)と共通の考え方は、
物事をくっきりと捉えるのに有効な方法です。

短時間の有酸素運動でも、体脂肪は減少する

運動を始めたときのエネルギーは、
血中のブドウ糖や、筋肉に貯蔵してあるグリコーゲン(上に書いたように糖質の仲間です)を燃焼させることによってまかなわれ、
脂肪が酸化されないことは、よく知られています。

これは、糖質が燃えるときは、吸った酸素と吐いた二酸化炭素の体積は等しいが、
脂肪が燃えるときは、酸素より二酸化炭素のほうが少ないという現象(呼吸商)を使って確かめられています。


30分だけ歩いたときの消費エネルギーが90kcalだとすると、
そのエネルギーは、体に貯えられた糖質を23g(≒90÷4)燃焼させることで得られます。 …図3-1)

燃焼された糖質は、そのあと食事から摂った糖質で補充されて  …図3-2)
元の量に戻ります。

摂取した糖質が今までと同じ量なら(増えると運動の効果は帳消しです)、
今まで糖質を燃焼して得ていた消費エネルギー量のうち、
グリコーゲンの補充に使われたエネルギー量が不足するので、
その分のエネルギーは、脂肪を燃焼して得るようになり、
結局は体脂肪が減ります。 …図3-3)

幸い、安静時に消費されるエネルギーは、
糖質を燃やすよりも、脂肪を燃やすほうから供給されやすいので、
エネルギーの供給源が、一部、糖質から脂質に移っても、支障は起きません。

もし、エネルギーが脂肪から供給されなければ、生命活動に支障をきたすでしょうし、
エネルギーが脂肪から供給されなくても、どこかから降ったり湧いたりする、のなら、
エネルギー保存の法則を犯して、科学とは別の世界の話になってしまいます。

にもかかわらず、短時間の運動では脂肪が燃えない、と長い間思われていたのは、
呼吸中の酸素消費量と二酸化炭素排泄量が同じでないという現象(呼吸商)
の発見が衝撃的で、検討してみようとしなかったことが原因でしょう。
(蛋白質のエネルギーが検討されてこなかったのと似ています。
 密閉された部屋で呼吸商を長時間計る装置がなかったこともありますが、
 初めから考えてみたこともない、ことのほうが原因としては大きいと思います)

さて、短時間の有酸素運動でも体脂肪が減ることが、
ダイエットの成功にどう役立つかです。

「30分以上歩かないと脂肪が燃えない」
だと、歩く時間と体脂肪減少量の関係が「よく」分からなくなる、
実際のところは、「体脂肪が減ること」が分かっているだけで、
体脂肪が何g減るかは「全く」分からない、
(運動後に減った体重は、ほとんどが水分によるもので、脂肪によるものはわずかです)

その結果、消費したエネルギー以上に食べ過ぎて、
体重が全く減らないことになっていました。

「歩いた分だけエネルギーを消費する」ことが分かると、
何分歩くと何kcal消費したか、それによって体脂肪が何g減るかも明らかになります。また反対に、目標の体重を維持するために、毎日歩き続ける時間も計算できます。
(現在あまり運動しない人が、今の体重から10%少ない体重になり、
 それを維持するためには、毎日1時間《すでに運動している人はさらに長時間》
 の歩行を、現在の運動に追加して
 《今1時間歩いている人は毎日2時間になります》
 生涯続けなければなりません)

それを(摂取エネルギーを一切増やさずに)実行できる人がいるかもしれませんが、
実行不可能という人は、食事のエネルギー減らせば目標体重を実現できます。
(幸い、運動で消費エネルギーを増やすよりも、摂取エネルギーを減らす方が
 寿命が延びる、という説もあります。ウェブ検索してみてください)

いずれにせよ、歩く時間と体脂肪減少量の関係が明らかになることにより、
「やみくもに有酸素運動して効果は運まかせ(食べる量まかせ)」
でなく、運動するにせよしないにせよ、選択のための判断材料が得られます。

もしあなたが生活習慣病で、生活習慣を変えて治したいと思っているなら、
そのために減らすべきエネルギーは分かっています。
運動を始めるのは、行おうと思っている運動で確実に治るかどうかを
調べてからでも遅くありません。

(このブログのほかの記事では、ブログの表題のこともあり、
 エネルギーのことを「カロリー」と書いてきましたが、
 この記事と前回の記事では内容に合わせて、
 学術的な「エネルギー」という用語を使いました)

コメント / トラックバック3件

  1. taijuuh より:

    管理人の自己レスです。
    この記事もじてトレ さんツイッター) からリンクをいただきました。ありがとうございます。

    このサイトはダイエット(食事)に特化した内容なので、
    速くなるために直接役立たないかもしれません。
    ただ、体重や体脂肪を調整すれば、ヒルクライムでは有利になるはずです。
    私のツイッターでの、自転車愛好家との会話はお役に立たないかな?

    ゆっくりしていってください。


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