TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN HÓA VÀ SỰ DỰ TRỮ CÁC NGUYÊN LIÊU CHUYỂN HÓA
MỤC TIÊU:
Sau khi nghiên cứu về chương này thì bạn phải có thể:
– Giải thích ý nghĩa của các con đường đồng hóa, dị hóa và con đường đồng-dị hóa (amphibolic pathway).
– Mô tả được sơ lược về chuyển hóa carbohydrates, lipids và amino acids ở mức độ mô cơ quan và mức độ dưới tế bào và sự chuyển đổi giữa các nguyên liệu chuyển hóa.
– Mô tả cách dòng các chất chuyển hóa qua con đường chuyển hóa được điều hòa.
– Mô tả các nguyên liệu chuyển hóa được cung cấp như thế nào trong trạng thái đói và trạng thái no; sự dự trữ các nguyên liệu chuyển hóa trong trong trạng thái no và sự chuyển hóa của chúng trong trạng thái đói.
TẦM QUAN TRỌNG CỦA Y SINH
Chuyển hóa là thuật ngữ được dùng để mô tả sự chuyển đổi qua lại giữa các hợp chất hóa học trong cơ thể, các con đường được thực hiện đối với mỗi chất, mối liên quan giữa chúng và cơ chế điều hòa dòng chất chuyển hóa trong các con đường. Các con đường chuyển hóa chia thành 3 loại: (1) Con đường đồng hóa, liên quan đến sự tổng hợp các hợp chất lớn hơn và phức tạp hơn từ các tiền chất nhỏ – ví dụ: sự tổng hợp protein từ các amino acids và sự tổng hợp cho dự trữ triacylglycerol và glycogen. Con đường đồng hóa thì thu nhiệt. (2) Con đường dị hóa, liên quan đến sự thoái giáng các phân tử lớn, thường liên quan đến các phản ứng oxi hóa; chúng là quá trình sinh nhiệt, làm giảm đi đương lượng chất và chủ yếu thông qua chuỗi hô hấp (xem chương 31), sinh ATP. (3) Con đường đồng-dị hóa, xảy ra ở nơi giao nhau của quá trình chuyển hóa, đóng vai trò như mắt xích giữa quá trình đồng hóa và dị hóa, ví dụ: chu trình acid citric (xem chương 16).
Hiểu biết về chuyển hóa bình thường thì rất cần thiết để hiểu được những bất thường trong bệnh lí. Chuyển hóa bình thường bao gồm sự thích nghi với quá trình đói, khát và vận động, cũng như mang thai và cho con bú. Chuyển hóa bất thường có thể do suy dinh dưỡng, suy các enzym, bất thường bài tiết hormones hoặc hoạt động của các thuốc và chất độc.
Một người trưởng thành nặng 70 kg cần khoảng 8 đến 12 MJ (1920 đến 2900 kcal) từ nguyên liệu chuyển hóa mỗi ngày, phụ thuộc vào hoạt động thể lực. Những động vật lớn hơn thì cần ít năng lượng trên mỗi kilogram cơ thể hơn và những động vật nhỏ hơn thì cần nhiều hơn. Trẻ em và động vật đang phát triển thì có nhu cầu năng lượng cao hơn cho phát triển. Đối với con người, nhu cầu năng lượng này từ carbohydrates (40-60%), lipids (chủ yếu là triacylglycerol, 30-40%) và protein (10-15%) cũng như rượu. Hỗn hợp carbohydrate,lipid và protein sẽ được oxy hóa khác nhau, phụ thuộc vào đối tượng đó đang no hay đang đói và thời gian, cường độ hoạt động thể lực.
Có nhu cầu hằng định đối với các nguyên liệu chuyển hóa trong cả ngày; các hoạt động thể lực trung bình làm tăng tốc độ chuyển hóa chỉ khoảng 40 đến 50% hơn mức nền hay lúc nghỉ ngơi. Tuy nhiên, hầu hết mọi người tiêu tốn các nguyên liệu chuyển hóa ăn vào hằng ngày trong hai hoặc ba bữa ăn, vì vậy cần phải dự trữ carbohydrate (glycogen trong gan và cơ), lipid (triacylglycerol trong mô mỡ) và tích trữ protein dễ hủy sau khi ăn, để sử dụng trong những khoảng thời gian không có thức ăn.
Nếu ăn vào các nguyên liệu chuyển hóa lớn hơn năng lượng tiêu tốn thì nó sẽ được dự trữ lại, như triacylglycerol trong mô mỡ dẫn đến béo phì và các vấn đề sức khỏe liên quan. Ngược lại, ăn vào nguyên liệu chuyển hóa thấp hơn năng lượng tiêu tốn thì có một lượng không đáng kể chất béo, carbohydrate và amno acids từ protein được sử dụng để sinh năng lượng nhiều hơn lượng protein tổng hợp thay thế, dẫn đến gầy mòn cuối cùng là chết (xem chương 43)
Trong trạng thái no, sau bữa ăn, có nhiều carbohyrate cung cấp và nguyên liệu chuyển hóa cho hầu hết mô là glucose. Trong trạng thái đói, glucose phải được tiết kiệm để dùng cho hệ thần kinh trung ương (phụ thuộc rất lớn vào glucose) và tế bào hồng cầu (hoàn toàn phụ thuộc vào glucose). Vì vậy, các mô có thể sử dụng nguyên liệu khác glucose; cơ và gan oxy hóa acids béo và gan tổng hợp thể cetone từ acids béo để đưa đến cơ và các mô khác. Khi dự trữ glycogen trở nên cạn kiệt, amino acids từ chuyển hóa protein được dùng để tạo đường (xem chương 19).
Sự hình thành và sử dụng triacylglycerol tích trữ và glycogen và mức độ mô tiêu thụ và oxi hóa glucose thì phụ thuộc nhiều vào hormone insulin và glucagon. Trong đái tháo đường, có giảm tổng hợp và bài tiết insulin (đái tháo đường type 1, đôi khi gọi là đái tháo đường khởi phát vị thành niên hay đái tháo đường phụ thuộc insulin) hoặc giảm nhạy cảm của mô với hoạt động của insulin (đái tháo đường type 2, đôi khi gọi là đái tháo đường khởi phát lúc trưởng thành hoặc đái tháo đường không phụ thuộc insulin), dẫn đến rối loạn chuyển hóa quan trọng. Ở gia súc, nhu cầu sữa quá mạnh có thể dẫn đến nhiễm toan cetone.
QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NÊN NHỮNG SẢN PHẨM CHÍNH CỦA CHUYỂN HÓA
Bản chất của chế độ ăn uống là thiết lập nền tảng cơ bản cho chuyển hóa. Cần phải xử lí những sản phẩm của quá trình quá trình tiêu hóa các thực phẩm ăn vào, đó là carbohydrate, lipid và protein. Sản phẩm cuối cùng của chúng chủ yếu lần lượt là glucose, acids béo và glycerol, amino acids. Ở động vật nhai lại (nói rõ hơn là động vật ăn cỏ), chế độ ăn cellulose được lên men bởi các vi sinh vật cộng sinh thành các acids béo chuỗi ngắn (acetic, propionic, butyric) và chuyển hóa ở những động vật này được thích nghi để sử dụng những acids béo như là một chất chính. Tất cả sản phẩm của tiêu hóa được chuyển hóa thành một sản phẩm chung, là acetyl-CoA, sau đó bị oxy hóa bởi chu trình acid citric (xem chương 16) (Hình 14-1).
CHUYỂN HÓA CARBOHYDRATE TẬP TRUNG CHO DỰ TRỮ VÀ SỐ PHẬN CỦA GLUCOSE
Glucose là nguyên liệu chính của hầu hết các mô (xem hình 14-2). Nó được chuyển hóa thành pyruvate bởi con đường đường phân (xem chương 17). Ở mô hiếu khí thì sẽ chuyển hóa pyruvate thành acetyl-CoA, chúng có thể đi vào chu trình acid citric để hoàn thành quá trình oxy hóa thành CO2 và H2O, cùng với sự hình thành ATP trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa (Hình 13-2). Đường phân cũng có thể xảy ra trong điều kiện yếm khí (không có oxy) khi sản phẩm cuối cùng là lactate.
Glucose và các sản phẩm chuyển hóa cũng tham gia vào những quá trình khác, ví dụ: tổng hợp glycogen dự trữ trong cơ xương và gan (xem chương 18) và con đường pentose phosphate, thay thế cho một phần con đường đường phân (xem chương 20). Nó là nguồn giúp tổng hợp acid béo (xem chương 23) và là nguồn ribose cho tổng hợp acid nucleotide và acid nucleic (xem chương 33). Triose phosphate trong quá trình đường phân làm tăng phần glycerol của triacylglycerol. Pyruvate và các chất trung gian của chu trình acid citric cung cấp một hệ khung carbon cho tổng hợp các amino acid không thiết yếu (xem chương 27) và acetyl-CoA là tiền thân của acid béo (xem chương 23) và cholesterol (xem chương 26) và vì vậy là tất cả của các hormone steroid tổng hợp trong cơ thể. Tạo đường (xem chương 19) là quá trình tổng hợp glucose từ các chất tiền thân không phải là carbohydrate như lactate, amino acids và glycerol.
CHUYỂN HÓA LIPID ĐƯỢC QUAN TÂM CHỦ YẾU LÀ ACID BÉO VÀ CHOLESTEROL
Nguồn các acids béo chuỗi dài có từ cả lipid trong chế độ ăn hoặc tổng hợp từ acetyl-CoA nguồn gốc từ carbohydrate hoặc amoni acid. Acids béo có thể bị oxy hóa thành acetyl-CoA () hoặc este hóa với glycerol, hình thành nên triacylglycerol như một nguyên liệu dự trữ chính của cơ thể.
Acetyl-CoA hình thành bởi β-oxy hóa có thể trải qua 3 số phận (Hình 14-3):
- Như với acetyl-CoA từ đường phân, nó được oxy hóa thành CO2 và H2O thông qua chu trình acid citric.
- Nó lá tiền thân cho tổng hợp cholesterol và các steroids khác.
- Trong gan, nó được dùng để hình thành thể cetone, acetoacetate và 3-hydroxybutyrate (xem chương 22), nó là nguyên liệu quan trọng trong quá trình đói và khát kéo dài.
NHIỀU CHUYỂN HÓA AMINO ACID LIÊN QUAN ĐẾN CHUYỂN GỐC AMIN
Amino acid cần cho tổng hợp protein (Hình 14-4). Một ít được cung cấp bởi chế độ ăn (các amino acids thiết yếu), bởi vì chúng không thể được tổng hợp trong cơ thể. Phần còn lại là các amino acids không thiết yếu, được cung cấp bởi chế độ ăn, nhưng cũng có thể hình thành qua trung gian chuyển hóa nhờ sự chuyển gốc amin sử dụng nhóm amin từ những amino acids khác. Sau khi mất gốc amin, amino nitrogen được bài tiết dạng urea và khung carbon vẫn còn sau khi chuyển gốc amin có thể (1) bị oxy hóa thành CO2 thông qua chu trình acid citric, (2) được dùng để tổng hợp glucose (tạo đường) hoặc (3) hình thành thể ceton hoặc acetyl CoA, có thể bị oxy hóa hoặc sử dụng tổng hợp acid béo (xem chương 28).
Một vài amino acids cũng là tiền thân cho các hợp chất khác, ví dụ: purines, pyrimidines, hormone như epinephrine và thyroxine và chất trung gian dẫn truyền thần kinh.
Ý nghĩa sinh học của các con đường chuyển hóa
Trong cơ thể sinh vật, các phản ứng hóa sinh diễn ra không ngừng nghỉ và được phân chia thành ba nhóm con đường chính nhằm đảm bảo cân bằng năng lượng:
- Con đường đồng hóa (Anabolism): Là quá trình tổng hợp các đại phân tử phức tạp từ các tiền chất nhỏ hơn (ví dụ: tổng hợp protein từ axit amin, glycogen từ glucose, triacylglycerol từ axit béo). Đây là các phản ứng thu nhiệt và tiêu tốn năng lượng.
- Con đường dị hóa (Catabolism): Liên quan đến sự thoái giáng các chất dinh dưỡng phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn, thường đi kèm với phản ứng oxy hóa sinh nhiệt và tạo ra ATP để cung cấp cho các hoạt động sống.
- Con đường đồng-dị hóa (Amphibolic pathway): Đóng vai trò là cầu nối nằm ở điểm giao nhau giữa đồng hóa và dị hóa, ví dụ điển hình là chu trình axit citric.
Vai trò của chuyển hóa glucose trong trạng thái no và đói
Glucose đóng vai trò là nguồn năng lượng ưu tiên và cốt lõi của hầu hết các mô trong cơ thể, đặc biệt là hệ thần kinh trung ương và hồng cầu. Sự điều hòa nồng độ glucose máu và các chất chuyển hóa phụ thuộc lớn vào hai hormone chính là insulin (tiết ra sau bữa ăn trong trạng thái no) và glucagon (tiết ra trong trạng thái đói).
- Trong trạng thái no: Nồng độ glucose tăng cao, phần lớn được sử dụng để cung cấp năng lượng ngay lập tức hoặc được dự trữ dưới dạng glycogen ở gan và cơ xương, hoặc chuyển hóa thành triacylglycerol tại mô mỡ.
- Trong trạng thái đói: Cơ thể kích hoạt quá trình ly giải glycogen và tân tạo đường (gluconeogenesis) từ các tiền chất phi carbohydrate như glycerol, lactate và axit amin để duy trì đường huyết ổn định, bảo vệ chức năng não bộ.
Để tìm hiểu sâu hơn về các cơ chế sinh hóa lâm sàng, bạn đọc có thể tham khảo thêm tài liệu Hóa sinh y học – Đại học Y Dược TP.HCM hoặc cập nhật kiến thức chuyên sâu từ Sách Hóa Sinh Minh Họa Harper.