SINH HÓA ĐỘNG P3

CHƯƠNG XII:
CHUYỂN HOÁ GLUXIT
12.1 SƠ LƯỢC VỀ CHUYỂN HOÁ GLUXIT

12.2. QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP GLYCOGEN TỪ GLUCOZA

12.3. SỰ PHÂN HUỶ HYDRATCACBON BÊN TRONG TẾ BÀO

12.4. TÁI TỔNG HỢP GLUCOZA
12.1 SƠ LƯỢC VỀ CHUYỂN HOÁ GLUXIT
- Chuyển hoá hydratcacbon có vai trò quan trọng trong hoạt động sống của cơ thể. Khi phân huỷ hydratcacbon, năng lượng giải phóng ra được tích luỹ trong các phân tử ATP và được sử dụng để tạo ra công sinh học.
- Dự trữ hydratcacbon trong cơ thể người không vượt quá 2-3% khối lượng cơ thể. Nhờ vậy, người bình thường không hoạt động thể thao có thể đáp ứng nhu cầu hydratcacbon trong 12 giờ, còn với các vận động viên thì ngắn hơn. Để đáp ứng nhu cầu của tế bào thì hydratcacbon cần được bổ sung thường xuyên theo thức ăn. Thức ăn có nhiều hydratcacbon là tinh bột (bánh mỳ, khoa tây, ngũ cốc..) , các loại đường ( hoa quả, rau, mật ong..) và sữa.
Các hydratcacbon của thức ăn sẽ bị thuỷ phân trong quá trình tiêu hoá thành đường đơn, chủ yếu là glucoza. Các đường đơn khác ( fructoza, galactoza) tạo ra trong quá trình tiêu hoá cũng biến đổi thành glucoza. Glucoza được hấp thu vào máu và chuyển đến gan. Lượng glucoza dư thừa sẽ được chuyển thành glucogen và tích luỹ lại ở gan, phần còn lại sẽ đi vào vòng tuần hoàn lớn và cung cấp cho các tế bào, mô sử dụng. Nếu lượng glucoza chuyển đến gan vượt quá khả năng chuyển đổi thành glycogen thì lượng đường huyết sẽ tăng. Sau khi ăn đường huyết thường tăng lên nhưng sau đó 1-1,5 giờ trở lại bình thường. Nếu đường huyết vượt quá giới hạn hấp thụ ở thận sẽ xuất hiện glucoza trong nước tiểu
Glycolysis in Detail
Trong trạng thái nghỉ ngơi, lượng glucoza được sử dụng nhiều nhất ở não, còn khi hoạt động thể thao là ở cơ. Glucoza đi tới tế bào có thể được sử dụng ngay để tạo năng lượng hoặc được tổng hợp thành glycogen hay các phân tử khác để cấu tạo tế bào hoặc hoàn thiện chức năng sinh học đặc trưng. Glycogen có thể phân huỷ để tạo thành glucoza, ngoài gan cơ vân có khả năng tích luỹ một lượng lớn glycogen.
Quá trình phân huỷ hydratcacbon trong tế bào được phân thành 2 pha : đầu tiên là pha gluco phân, có thể xảy ra không có sự tham gia của oxy (yếm khí). Kết quả tạo ra axit piruvic hay axit lactic. Pha tiếp theo chuyển hoá sản phẩm yếm khí thành axetyl-coenzym A với sự có mặt của oxy. Sau đó axetyl- coenzym A được đưa vào chu trình Crep (chu trình axit tricacbonic) để được phân huỷ đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Trong pha này giải phóng một lượng lớn năng lượng.
Ngoài con đường phân huỷ hydratcacbon này ra, trong một số mô còn có con đường phân huỷ khác là oxy hoá hydratcacbon trực tiếp hay còn gọi là chu trình pentoza. Con đường phân giải này không chỉ cung cấp năng lượng mà còn tạo ra phân tử pentoza cho quá trình tổng hợp nucleotit.
12.2. QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP GLYCOGEN TỪ GLUCOZA

Quá trình tổng hợp glycogen từ glucoza theo một cơ chế chung cho tất cả các tế bào. Gan có khả năng tích luỹ glycogen lớn nhất ( 5%), sau đó là cơ vân (1%). Glycogen trong gan là lượng dự trữ chung của cơ thể
Để tham gia vào quá trình tổng hợp glycogen thì glucoza phải được hoạt hoá bởi ATP. Quá trình này được hoạt hoá bởi enzym hexokinaza hoặc glucokinaza và tạo thành gluco-6-photphat. Gluco-6-photphat chuyển hoá thành gluco-1-photphat dưới tác động của enzym photphoglucomutaza. Gluco-1-photphat được chuyển thành uridindiphotphat glucoza ( UDP- glucoza ) và từ đó hình thành gắn vào phân tử glycogen đã có sẵn.
Quá trình tổng hợp glycogen được đẩy nhanh khi có hoocmon inzulin. Khi hàm lượng glucoza trong máu tăng sẽ kích thích tuyến tuỵ tăng tiết inzulin. Quá trình tạo glycogen ở gan từ glucoza có tốc độ lớn nhất sau khi ăn 30-40 phút. Điều này cần tính đến khi tiếp nhận bổ sung hydratcacbon trong thời gian thi đấu sao cho sự tăng tổng hợp glycogen không ức chế sự huy động chúng.

12.3. SỰ PHÂN HUỶ HYDRATCACBON BÊN TRONG TẾ BÀO
12.3.1. Phân huỷ glycogen ( glycogen phân )
Khi cơ thể hoạt động mạnh, lạnh, đói, thiếu oxy...các mô sẽ đòi hỏi nhu cầu glucoza cao trong máu. Do mức glucoza trong máu luôn luôn ổn định nên lúc này quá trình phân huỷ glycogen sẽ tăng cường tại các cơ quan để tạo ra glucoza. Trong tế bào có chứa các enzym xúc tác hai dạng phản ứng phân huỷ glycogen : thuỷ phân và photpho phân, tuy nhiên quá trình thuỷ phân diễn ra chậm hơn rất nhiều so với quá trình photpho phân. Photpho phân là hình thức phân huỷ glycogen chính, nó diễn ra dưới tác động của men photphorylaza. Khi có axit photphoric tham gia, men này sẽ tách gốc glucozit tận cùng khỏi glycogen dưới dạng các phân tử gluco-6-photphat. Trong gan, gluco-6-photphat bị phân huỷ bởi men photphataza thành glucoza tự do và axit photphoric, còn trong các mô khác nó sẽ đi vào các phản ứng phân huỷ tiếp theo.
Tốc độ photpho phân phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong gan quá trình này được thúc đẩy dưới tác động của các xung động thần kinh từ các trung khu trao đổi cao cấp ở vùng dưới đồi thị. Các trung khu này được kích thích khi hàm lượng glucoza huyết giảm dưới 70mg%. Các xung động thần kinh từ hệ thần kinh trung ương cũng được chuyển tới tuyến thượng thận để tăng tiết ađrenalin, cũng như hocmon tuyến tuỵ glucagon, chúng thúc đẩy quá trình gluco phân trong gan, đồng thời kích thích sự tạo thành AMP-là chất hoạt hoá của photphorylaza. Ađrenalin cũng gây nên tác động tương tự tới quá trình photpho phân ở trong cơ, trong khi đó glucagon không có tác động tới quá trình này ở cơ. Quá trình photpho phân cũng được thúc đẩy bởi thyroxin. Hoạt tính của photphorylaza cơ được tăng cường khi có mặt AMP, ion Ca2+, Na+, axetylcolin, số lượng của chúng tăng lên khi bắt đầu hoạt động cơ.

Tốc độ photpho phân giảm khi nồng độ gluco-6-photphat tăng, cũng như khi cơ thể mệt mỏi sẽ tăng quá trình ức chế ở thần kinh trung ương. Các cơ chế làm giảm tốc độ photpho phân có tác dụng ngăn ngừa cơ thể mất đi một lượng lớn nguồn dự trữ hydrat cacbon

12.3. SỰ PHÂN HUỶ HYDRATCACBON BÊN TRONG TẾ BÀO
12.3.2.Phân huỷ hyđrat cacbon yếm khí ( gluco phân )
Khi nhu cầu năng lượng của tế bào tăng thì trong tế bào các quá trình phân huỷ oxy hoá hyđrat cacbon tăng lên. Pha đầu tiên của quá trình phân huỷ này là gluco phân - bao gồm hơn một chục phản ứng khác nhau. Quá trình gluco phân có thể được chia thành 3 giai đoạn :
1) Giai đoạn chuẩn bị - hoạt hoá hyđrat cacbon và tạo ra cơ chất oxy hoá sinh học từ hyđrat cacbon
2) Oxy hoá sinh học và tích luỹ năng lượng của quá trình oxy hoá trong các liên kết giàu năng lượng của cơ chất với axit photpho
3) Tích luỹ năng lượng oxy hoá trong các liên kết giàu năng lượng ATP và hình thành các sản phẩm cuối cùng của quá trình gluco phân.
Quá trình gluco phân có thể được biểu diễn bằng phương trình tổng hợp.
Nếu là phân huỷ glucoza thì phương trình có dạng sau :
C6H12O6 + 2ATP + 2NAD + 2ADP + 2H3PO4
CH3COCOOH + 4ATP + 2 NAD.H2

Nếu quá trình bắt đầu từ glycogen thì không tiêu hao thêm một phân tử ATP để hoạt hoá :
(C6H10O5)n + ATP + 2NAD + 2ADP + 3H3PO4

(C6H10O5)n-1 + 2CH3COCOOH + 4ATP + 2 NAD.H2
Từ các phương trình trên cho thấy, năng lượng giải phóng khi oxy hoá yếm khí hyđrat cacbon được tích luỹ ở hai phân tử ATP nếu quá trình bắt đầu từ glucoza, và tích luỹ ở ba phân tử ATP nếu quá trình bắt đầu từ glycogen.
Axit lactic được tạo thành trong quá trình gluco phân là axit mạnh sẽ phân ly để giải phóng một lượng lớn ion H+ :

CH3CHOHCOOH CH3CHOHCOO- + H+

Khi nồng độ axit lactic tăng cao có thể làm mất dự trữ kiềm của hệ thống đệm, và khi đó xảy ra sự chuyển dịch môi trường sang hướng axit. Sự axit hoá môi trường sẽ làm giảm hoạt tính của men photphofructokinaza, do đó tốc độ gluco phân sẽ giảm.
Axit lactic được tạo ra trong cơ với số lượng lớn. Một phần được chuyển vào máu, tới gan và ở đó được sử dụng trong các quá trình tái tạo glucoza; một số được đưa ra ngoài cơ thể theo mồ hôi và nước tiểu. Trong điều kiện ưa khí axit lactic bị oxy đến sản phẩm trao đổi cuối cùng. Phản ứng tạo axit lactic là phản ứng thuận nghịch, vì thế bị oxy hoá nó lại chuyển thành axit piruvic.
12.3.3. Phân huỷ hyđrat cacbon ưa khí

Bằng con đường nào cũng tạo ra axit piruvic (từ axit photphoenol piruvic hay axit lactic), trong điều kiện ưa khí nó bị oxy hoá tiếp tục với sự tham gia của men đặc hiệu dehyđrogenaza. Men này tác dụng tới axit piruvic trong tổ hợp với bốn coenzym khác nhau. Do tác động theo một trình tự của các coenzym này đã tạo nên sự chuyển hoá axit piruvic sang dạng hoạt hoá, sau đó bị khử cacboxin và khử hyđro. Năng lượng oxy hoá được tích luỹ trong liên kết giàu năng lượng của sản phẩm phản ứng -axetyl-coenzym A (CoA). Đó là dạng hoạt hoá của axit axetic. Quá trình chuyển hoá axit piđuvic có tên là oxy hoá- khử cacboxin.
Axetyl-coenzym A sau đó đi vào chu trình chuyển hoá chung nhất cho quá trình trao đổi chất của tất cả các loại hợp chất- chu trình axit tricacbonic. (Chu trình Creb). Tham gia vào chu trình này không chỉ có các sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá hyđrat cacbon, mà còn của sản phẩm chuyển hoá lipit và protit. Chúng bị phân huỷ thành khí cacbonic và nước. Sự tạo thành nước không phải xảy ra ngay trong chu trình, mà ở các phản ứng có liên quan đến sự trao đổi hyđro theo chuỗi các men hô hấp để đến oxy. Trong các phản ứng này cũng có sự tích luỹ năng lượng oxy hoá sinh học trong các phân tử ATP.

Tổng hợp chu trình axit tricacbonic có thể biểu diễn dưới dạng phương trình :
CH3CO : CoA + AOA + 3NAD + FAD + 2H2O + ADP + H3PO4
2CO2 + 3NAD.H2 + FAD.H2 + ATP + HS.CoA + AOA
Từ phương trình trên có thể nhận thấy rằng, trong chu trình axit tricacbonic thì gốc cacbon của axetyl được chuyển hoá thành hai phân tử CO2 (trong đó nguồn oxy cho CO2 là các phân tử nước), còn 4 cặp nguyên tử hyđro (hai từ axetyl và hai từ nước) sẽ liên kết với coezym oxy hoá sinh học. Theo hệ thống các men hô hấp, hyđro được chuyển tới oxy và tạo thành H2O, năng lượng được giải phóng ( gần 235KJ/g-mol hyđro). Một nửa năng lượng được chuyển thành nhiệt năng, còn nửa kia tích luỹ trong các liên kết giàu năng lượng ATP.

Quá trình oxy hoá khử cacboxin của axit piruvic, chu trình axit tricacbonic và quá trình vận chuyển hyđro tới oxy diễn ra trong ti lạp thể, tại đó có tất cả các men cần thiết cho các quá trình trên. Tính thấm của màng ti lạp thể đối với các cơ chất của các quá trình oxy hoá và với oxy thay đổi phụ thuộc vào trạng thái chức năng của tế bào , đồng thời thay đổi cả tốc độ diễn ra các phản ứng oxy hoá. Mức dẫn truyền điện tử và proton tới oxy cùng với sự photphoryl hoá ADP cũng khác nhau, vì rằng quá trình tạo ATP cực đại trong rất nhiều trường hợp (ví dụ, trong khi bắt đầu hoạt động cơ căng thẳng) không đạt được, đồng thời sự toả nhiệt tăng có thể dẫn tới đốt nóng cơ thể.

12.3.4. Chu trình pento oxy hoá hyđrat cacbon
Các con đường chuyển hoá hyđrat cacbon ở phần trên là cơ bản, song đối với hoạt động chức năng của các tế bào gan, mô mỡ, hạch limpho, tế bào thần kinh, hồng cầu thì còn quá trình oxy hoá trực tiếp hyđat cacbon hay chu trình pento. Chu trình này diễn ra ở bào tương của tế bào trong điều kiện ưa khí. Sản phẩm ban đầu là gluco -6-photphat. Quá trình oxy hoá sinh học trong chu trình này được xúc tác bởi men đehyđrogenaza, mà coenzym của chúng là NADP. NADP.H2 có thể được đưa vào chuỗi hô hấp và trở thành nguồn cung cấp năng lượng ( nhờ năng lượng này có thể tổng hợp tới 36 phân tử ATP). Các sản phẩm trung gian của chu trình pento là những ete photphoric của các monosacarit : hexoza, pentoza, tetroza, trioza, heptoza. Quan trọng nhất đối với cơ thể là sự tạo thành pentoza, trong đó có ribozo-5-photphat- là chất được sử dụng để tổng hợp nucleotit và các axit nucleic.

12.4. TÁI TỔNG HỢP GLUCOZA

Các chất ban đầu để tái tạo glucoza, nghĩa là tái tạo hyđrat cacbon từ các sản phẩm phân huỷ của chúng hay các chất phi hyđrat cacbon là axit lactic và axit piruvic, glixerin, aminoaxit, axetyl-CoA. Sự chuyển hoá các chất này (trừ glixerin) thành hyđrat cacbon diễn ra thông qua giai đoạn các axit piruvic và oxaloaxetic. Đại đa số các phản ứng tái tổng hợp glucoza là sự biến dạng quá trình gluco phân và được xúc tác bởi chính các men tương ứng của các phản ứng trực tiếp. Tuy nhiên, trong quá trình gluco phân có 3 giai đoạn một chiều : sự tạo thành gluco -6-photphat, fructo -1,6 điphotphat và axit piruvic từ axit photphoenolpiruvic. Quá trình sinh tổng hợp hyđrat cacbon diễn ra ở ti lạp thể, một phần ở bào tương. Sự biến đổi axit piruvic thành axit photphoenolpiruvic xảy ra qua giai đoạn tạo thành axit oxaloaxetic bằng con đường liên kết CO2 có sử dụng năng lượng ATP. Axit oxaloaxetic sau đó lại tác dụng với guanozin triphotphat và chuyển hoá thành axit photphoenolpiruvic.
Trong tiến trình các phản ứng biến dạng của gluco - phân, axit photphoenolpiruvic chuyển hoá thành photphotrioza và tiếp đó thành fructo -1,6-điphotphat. Tại giai đoạn tạo thành photphotrioza, glixerin có thể tham gia vào quá trình tái tạo glucoza. Trước đó glixerin đã được oxy hoá thành photphođioxiaxeton. Fructo -1,6-điphotphat bị phân huỷ bởi photphataza đặc hiệu đến fructo -6- photphat và đồng phân hoá thành gluco -6-photphat. Gluco -6-photphat có thể được đưa vào ngay quá trình tổng hợp glycogen, hoặc nhờ men photphataza phân huỷ để tạo thành glucoza tự do.