Hoa sinh

Chương 7
CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN
Hồ Trung Thông
 
7.1 Mối quan hệ giữa đồng hóa và dị hóa
Trao đổi chất là tổng hợp tất cả các quá trình hóa học diễn ra trong tế bào hoặc trong cơ thể động vật vốn được xúc tác bởi nhiều enzyme để tạo thành các đại phân tử: protein, nucleic acid, polysaccharide, tổng hợp và phân giải các phân tử sinh học cần thiết cho các chức năng của tế bào như lipid màng, enzyme, hormone, … . Trao đổi chất bao gồm hàng loạt phản ứng khác nhau được xúc tác bởi enzyme. Sinh vật sống có thể được chia thành hai nhóm lớn khác nhau dựa trên nguồn carbon mà chúng thu nhận: sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng. Sinh vật tự dưỡng như vi khuẩn quang tổng hợp và thực vật có thể sử dụng carbon dioxide từ không khí làm nguồn carbon cho tế bào và cơ thể, từ nguồn carbon này chúng có thể kiến tạo nên các phân tử sinh học chứa carbon. Một số sinh vật tự dưỡng khác như cyanobacteria còn có thể sử dụng nitơ không khí để chuyển thành nitơ của chính tế bào. Sinh vật dị dưỡng không thể sử dụng carbon dioxide từ không khí và phải lấy carbon từ môi trường xung quanh dưới dạng các hợp chất hữu cơ phức tạp như glucose. Động vật đa bào thuộc nhóm sinh vật dị dưỡng. Trong tự nhiên, sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng cùng chung sống và có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau.  
Bảng 7.1: Mối quan hệ giữa con đường đồng hóa và dị hóa
 
Chất ban đầu
Sản phẩm

Đồng hóa
Các phân tử tiền chất
 - Amino acid
 - Đường
 - Acid béo
 - Base nitơ
 - ATP, NADH, NADPH, FADH2 
Các đại phân tử của tế bào
 - Protein
 - Polysaccharide
 - Lipid
 - Nucleic acid
 - ADP, NAD+, NADP+, FAD, H3PO4 

Dị hóa
Các chất dinh dưỡng 
 - Carbohydrate
 - Lipid
 - Protein
 - ADP, NAD+, NADP+, FAD, H3PO4 
Các sản phẩm cuối cùng
 - CO2 
 - H2O
 - NH3
 - ATP, NADH, NADPH, FADH2 

Mỗi một bước của các con đường trao đổi chất sẽ có sự thay đổi nhỏ và đặc thù về mặt hóa học, những sự thay đổi này thường là cắt bỏ, chuyển vị trí hoặc gắn thêm vào một nhóm khác và do các enzyme khác nhau xúc tác tạo thành các con đường trao đổi chất nhằm (1) khai thác năng lượng từ các chất dinh dưỡng, (2) chuyển các chất dinh dưỡng thành các chất đặc trưng của tế bào, polymer hóa các chất. Tiền chất để chuyển thành một sản phẩm nào đó thông qua một chuỗi các phản ứng và các chất chuyển hóa trung gian được gọi là chất chuyển hóa hoặc chất trao đổi (metabolite). Chuyển hóa trung gian hay trao đổi trung gian (intermediary metabolism) là khái niệm nhằm chỉ rõ các hoạt động nối kết tất cả các con đường trao đổi chất. Dị hóa là pha thoái hóa của sự trao đổi chất, trong đó các chất hữu cơ (carbohydrate, lipid, protein) được chuyển thành các sản phẩm đơn giản hơn (như lactic acid, CO2, NH3). Các con đường dị hóa đều giải phóng năng lượng. Một phần năng lượng giải phóng được chuyển thành ATP và các chất mang điện tử ở dạng khử (NADH, NADPH, FADH2) và phần còn lại bị mất đi dưới dạng nhiệt. Ngược lại, đồng hóa hay còn gọi là sinh tổng hợp là quá trình biến các chất đơn giản thành các chất phức tạp hơn bao gồm lipid, polysaccharide, protein và nucleic acid. Các phản ứng đồng hóa cần được cung cấp năng lượng dưới dạng ATP hoặc cần được cung cấp NADH, NADPH và FADH2 (bảng 7.1). Một số đường hướng trao đổi chất đi theo con đường thẳng, tuy vậy một số đường hướng khác lại không đi theo con đường thẳng mà được phân thành nhiều nhánh khác nhau, kết quả là tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau từ một tiền chất ban đầu hoặc chuyển nhiều tiền chất thành một sản phẩm. Một số đường hướng lại tạo thành chu trình kép kín, ví dụ chu trình Krebs.  
7.2 Trao đổi năng lượng
Nhiều nghiên cứu của các nhà vật lý và hóa học ở thế kỷ 19 về việc chuyển hóa năng lượng đã dẫn đến sự ra đời của các định luật cơ bản của nhiệt động học. Định luật thứ nhất về nguyên lý của nhiệt động học: tất cả mọi sự thay đổi vật lý và hóa học, tổng năng lượng của vạn vật không thay đổi, năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc có thể được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác nhưng không thể tăng lên hoặc mất đi. Định luật thứ hai của nhiệt động học: trong tất cả các quá trình tự nhiên, entropy