Trao đổi chất và năng lượng

TRAO ĐỔI CHẤT
VÀ NĂNG LƯỢNG
2
NỘI DUNG
ĐẠI CƯƠNG VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
TRAO ĐỔI CHẤT Ở CÁ
2.1. TRAO ĐỔI PROTEIN
2.2. TRAO ĐỔI LIPID
2.3. TRAO ĐỔI GLUXIT
3. TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG
3
1. ĐẠI CƯƠNG VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
4
TRAO ĐỔI CHẤT
Trao đổi chất là sự sử dụng sinh học các chất dinh dưỡng hấp thu được cho quá trình tổng hợp (chẳng hạn cho sinh trưởng) và tiêu phí năng lượng, gồm 2 quá trình:
Đồng hóa: biến đổi những vật chất hữu cơ đơn giản thành những vật chất phức tạp để xây dựng cơ thể và dự trữ năng lượng.
Dị hóa: biến đổi những vật chất cấu tạo cơ thể và nguồn năng lượng dự trữ có cấu tạo phức tạp thành những vật chất đơn giản và phóng thích năng lượng mà cơ thể có thể lợi dụng được
Nội dung
(1) sự trao đổi vật chất và trao đổi năng lượng giữa cơ thể với môi trường
Sự lấy vào các chất (thức ăn)
Thải ra các sản phẩm thải
(2) Sự chuyển hóa vật chất và năng lượng bên trong cơ thể.
5
2. TRAO ĐỔI CHẤT Ở CÁ
TRAO ĐỔI CHẤT CHUNG
TĐC TIÊU HAO
(Trao đổi năng lượng)
TĐC
XÂY DỰNG
TĐC THAY THẾ
TĐC SINH TRƯỞNG
TĐC TÍCH LŨY
Duy trì cơ thể cá
Tăng trưởng
cơ thể cá
6
2.1. TRAO ĐỔI PROTEIN
Vai trò của protein
Sự chuyển hóa protein
Vai trò của protein và nhu cầu protein trong cơ thể
7
Vai trò của protein
Vai trò cấu trúc: cấu trúc nên các thành phần cơ bản của tế bào và mô, cấu trúc của các hợp chất sinh học quan trọng như: enzyme, hormone, hemoglobin.
Vai trò năng lượng: mỗi gam protein được oxy hóa tạo ra một nhiệt lượng 4,1kcal
Chất lượng của protein trong thức ăn:
Giá trị sinh học
Số gam protein trong cơ thể được tạo thành khi sử dụng hết 100g protein thức ăn (sự tăng trưởng về khối lượng của cá đối với mỗi gam thức ăn được sử dụng)
Hàm lượng các amino acid thiết yếu và không thiết yếu
8
… 2 loại Amino Acids cần để tạo proteins
~50%
THIẾT YẾU (9)
(Không thể thiếu )

Cơ thể không thể tổng hợp chúng để tạo proteins

Hoàn toàn phụ thuộc vào chế độ ăn.





~50%
KHÔNG THIẾT YẾU (11)
(có thể thiếu)

Co thể có thể tổng hợp chúng với số lượng đầy đủ từ các phân tử khác trong cơ thể .

Không cần hiện diện trong chế độ ăn .

Nhưng, tốc độ tổng hợp có thể không đầy đủ trong quá trình phát triển do đó chúng trở nên bán-cần thiết
9
Ví dụ về các amino acids thiết yếu, không thiết yếu ở cá hồi Atlantic, cá hồi vân và cá tra
Không thiết yếu
Alanine
Aspartic acid
Cystine
Glutamic acid
Tyrosine
Glycine
Proline
Serine
Thiết yếu
Arginine
Histidine
Isoleucine
Leucine
Lysine
Methionine
Phenylalanine
Threonine
Tryptophan
Valine
10
Ảnh hưởng của các amino acid lên sinh trưởng của cá
Ảnh hưởng của sự thiếu hụt cystein lên sinh trưởng của cá
Ảnh hưởng của sự thiếu hụt arginine lên sinh trưởng ở cá
11
Chuyển hóa protein trong cơ thể
Protein thức ăn qua quá trình tiêu hóa tạo thành amino acid và được hấp thu tại ruột đi vào máu, qua gan trước khi đi đến các thành phần khác nhau của cơ thể.
Các con đường chuyển hóa amino axit
Tổng hợp thành protein mới trong cơ thể bao gồm cả protein huyết tương và hemoglobin..
Tạo thành những chất đặc biệt có bản chất protein như các hormone, các nucleic acid, các enzyme.
Tạo thành nguồn dự trữ: glycogen, sau đó là lipid dự trữ
Phân giải, giải phóng năng lượng.
12
Sự chuyển hóa amino acid
Quá trình khử amin
Quá trình chuyển amin
Quá trình khử carboxyl
-> tạo ra cetonic acid, và NH3
Cetonic acid chuyển hóa thành các amino acid khác và tạo thành glucose -> glycogen dự trữ trong gan hoặc chuyển hóa thành acid béo, bị phân giải tạo ra năng lượng
NH3 tham gia vào các phản ứng amin, tạo thành glutamat, asparagin, tạo ure, muối amoni
13
Sự cân bằng Nitrogen
Biểu thị bằng sự cung cấp đầy đủ & khả năng sử dụng của cơ thể & duy trì khẩu phần ăn protein.
Trung bình, hàm lượng nitơ (N) có trong protein là 16% (100g protein có 16g N hay, 1g N tương ứng với 6,25g protein), nên người ta có thể tính toán lượng protein dựa trên lượng N xác định được nhân với 6,25)
N thu được trong khẩu phần ăn có
CHON so với N do cơ thể bài xuất
= Sự cân bằng N
14
Cân bằng Nitrogen dương tính
Khi cơ thể nhận nitrogen vào nhiều hơn là đào thải
Gặp ở các cơ thể trong thời kì sinh trưởng, luyện tập, thai nghén và ở thời khi hòi phục sức khỏe sau khi ốm nặng hoặc sau khi đói
15
Cân bằng Nitrogen
Xảy ra khi lượng N thải ra = lượng N tiêu thụ.

Chỉ ra rằng protein ăn vào đáp ứng nhu cầu cơ thể

Trong trường hợp cơ thể không tiếp tục tăng trưởng nữa
16
Cân bằng Nitrogen âm tính
Khi lượng nitrogen đào thải cao hơn lượng ăn vào.

Khi thiếu dinh dưỡng, bị đói lâu ngày hoặc ở các cơ thể già cỗi, hoặc đau ốm hoặc sau khi bị thương hoặc nhiễm trùng nặng
17
Vai trò của gan trong chuyển hóa protein
Giải độc các sản phẩm phân giải protein
Tổng hợp nên các protein của cơ thể
Hình thành ure, giảm hàm lượng NH3 trong cơ thể
Sản sinh và phân giải axit uric
18
2.2. TRAO ĐỔI LYPID
Vai trò lipid trong cơ thể
Sự chuyển hóa lipid
19
Vai trò của lipid
Vai trò năng lượng: có giá trị năng lượng cao nhất (9,3kcal) và là nguồn năng lượng dự trữ của cơ thể
Vai trò cấu trúc: cấu trúc màng tế bào
Vai trò khác: dung môi hòa tan một số vitamin như A, E, K.
Giá trị của lipid trong thức ăn:
Các acid béo không no: PUFA (poly unsaturated fatty acid)
Các acid béo thiết yếu: EFA (essential fatty acid) ω3/ ω6 (AA, DHA, ARA)
20
Classification of polyunsaturated
fatty acids

O
C
OH
CH2
CH2
CH
CH2 CH3
Carboxyl group
Double bond
Methyl group
18: 3 (n-3)
Number of carbons
Number of double bonds
First double bond from methyl group
CH
….
21
Essential Fatty Acids
essential function in cellular membranes

required for good growth

retinal function and improved vision
not essential in membranes

precursor for prostaglandins

cellular regulation

22
THE DHA CONTENT IN HALIBUT LARVAE IS REFLECTED BY THE DHA CONTENT IN THE LIVE FOOD ORGANISMS
DHA (docosahexaenoic acid (22:6n-3) effect on pigmentation and metamorphosis
Evjemo et al., 2003
23
Sự chuyển hóa lipid
Các con đường chuyển hóa lipid
Tồn tại dưới dạng mô mỡ (dự trữ)
Tham gia cấu trúc tế bào và mô cơ thể, tham gia tạo thành các hợp chất có hoạt tính (steroid)
chuyển hóa thành glycogen dự trữ ở gan hoặc bị oxy hóa tạo thành năng lượng
24
Kho dự trữ lipid của cá
Mô liên kết dưới da (cá ngừ, trình, chép, một số loài họ cá trích)
Cơ vận động và giữa các vách cơ (cá nục, một số loài thuộc họ cá trình, họ cá hồi, họ cá tầm,…)
Xoang bụng, màng treo ruột (họ cá chép, họ cá cơm, họ cá vược)
Gan (họ cá moru, cá nhám, cá đuối)
Mô gian xương (họ cá hồi)
Trong xương và gốc mang (họ cá bơn)
25
Dạng lipid tích lũy
Chủ yếu là triglyceride:
Tồn tại trong dịch nội bào của cơ
Tồn tại trong gan
Nguồn năng lượng cơ bản trong cơ thể cá bơi khỏe (cơ đỏ).
Hàm lượng lipid trong cơ đỏ nhiều hơn trong cơ trắng 1,5 – 2 lần
Phospholipid
Thành phần cấu trúc nên tế bào.
80% lượng lipid có trong cơ trắng là phospholipid
Sterol: cấu trúc nên các hợp chất hoormone
Etesterol. Cera
Axit béo tự do: tồn tại trong dịch nội bào hoặc ngoại bào.
26
Phân bố của toàn bộ chất béo tại các phần và cơ quan trong cơ thể cá thu vùng Bắc Atlantic
Tổng hàm lượng chất béo có trong cơ trắng nhiều hơn trong cơ đỏ, tuy nhiên tỉ lệ lượng chất béo trên một đơn vị khối lượng cơ, trong cơ đỏ lại nhiều hơn trong cơ trắng.
27
Vách cơ
Cơ đỏ có vách cơ
Cơ trắng
Cơ trắng có vách cơ
Mỡ dưới da
Cơ đỏ
28
Sự biến động lipid
Tập tính sinh sản:
Nhiều loài cá, hàm lượng lipid dự trữ trong cơ thể giảm xuống khi tuyến sinh dục phát triển.
Ở nhiều loài, lượng lipid tăng khi tuyến sinh dục chuyển từ giai đoạn III – IV.
Tập tính di cư
Trước mùa di cư, hàm lượng lipid trong cơ thể cá tăng lên.
Cá sống ở những điều kiện khắc nghiệt, lipid dự trữ càng nhiều.
Sự sử dụng lipid: Gan, màng treo ruột, mô liên kết, cơ


29
Vai trò của gan trong chuyển hóa lipid
Làm cho axit béo bão hòa thành không bão hòa
Tạo thành các hợp chất phospholipid để tham gia xây dựng các mô hoặc bị oxy hóa tạo ra năng lượng
Tạo thành các kêtoon, sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi mỡ. Sau khi được tạo thành ở gan, các thể keto này được chuyển đến mô.
Gan là nơi dự trữ lipid (chủ yếu phospholipid và glyxerist)
Gan cá Atlantic cod chứa 50% lượng lipid của cơ thể
30
2.3. TRAO ĐỔI CÁC HỢP CHẤT CARBONHYDRATE
Vai trò của các hợp chất COH
Sự chuyển hóa các hợp chất COH trong cơ thể
Dự trữ dưới dạng glycogen
31
Vai trò các hợp chất COH
COH là nguồn năng lượng chủ yếu cho mọi hoạt động sống của cơ thể.
Mỗi gr glucose khi oxi hóa hoàn toàn sản sinh ra 4,25 Kcal.
Khi thức ăn chứa COH tăng lên thì sự phân giải lipid và protid trong cơ thể giảm đi, vì năng lượng chủ yếu do glucose cung cấp.
COH là một trong những thành phần không thể thiếu được trong cấu tạo của tổ chức cơ thể như các chất glucoprotein ở màng tế bào.
32
Chuyển hóa hợp chất COH
Sản phẩm tiêu hóa các hợp chất COH là các đường đơn, trong đó đáng chú ý là glucose. Sau khi được tạo thành và hấp thu qua thành ruột, glucose theo máu đi đến các phần khác nhau trong cơ thể và được chuyển hóa theo các con đường chủ yếu:
Bị oxy hóa giải phóng năng lượng
Được tổng hợp từ sản phẩm tiêu hóa của protein và lipid thức ăn
Một phần được tổng hợp thành năng lượng dự trữ tạm thời glycogen, chủ yếu ở gan và cơ. Tỉ lệ hàm lượng glycogen của gan và cơ là 1:7.
Glycogen được chuyển hóa tạo thành glucose.
Một phần lớn glucose chuyển hóa thành lipid như nguồn năng lượng tương lai.
33
Sự điều chỉnh glucose trong máu
Khi glucose trong máu thấp, glycogen trong gan sẽ được chuyển hóa thành glucose
Khi glucose cao, một phần sẽ được chuyển thành glycogen dự trữ trong gan và cơ, một phần chuyến hóa thành mỡ.
Sự biến động glucose
Phụ thuộc vào nhiệt độ
Mức độ hoạt động của cơ thể
Nhịn đói lâu ngày làm hàm lượng glucose trong máu giảm
Trong điều kiện đầy đủ oxy, glucose bị oxy hóa hoàn toàn tạo thành CO2 và H2O. Khi thiếu oxy, sự oxy hóa glucose tạo ra axit lắctic. Axit lắctic này lại được chuyển hóa thành glycogen ở gan.
Vai trò điều chỉnh hàm lượng glucose trong máu do hoormon insulin, glucagon (do tuyến tụy nội tiết tiết ra), adrenalin (do tuyến thượng thận tiết ra) và hoormone sinh trưởng (do tuyến yên tiết ra).
34
Glycogen dự trữ
Hàm lượng tích lũy không vượt quá 0,5 – 1,5% khối lượng cơ thể.
Dự trữ ở gan (0,8 – 10% khối lượng gan) , (0,01 – 1% khối lượng cơ), tim ( 1- 2% khối lượng tim) và não (0,1 – 0,5%)
Glycogen tập trung chủ yếu ở gan, và cơ (những cá bơi khỏe)
Glycogen được xem là nguồn năng lượng trực tiếp cho bơi lội
35
Vai trò của gan
Gan tổng hợp glycogen từ glucose hoặc từ các sản phẩm phân giải gluxit (axit lactic) khi các chất này có nhiều trong máu.
Gan tổng hợp glycogen từ sản phẩm phân giải của protein và lipid
Gan phân giải glycogen tạo thành glucose khi hàm lượng đường trong máu giảm
36
Các con đường trao đổi chất chính của các protein, carbohydrate và lipid ở cá
37
3. TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG
Năng lượng trong thức ăn không thể sử dụng được cho đến khi các phân tử phức tạp bị bẻ gẫy, tạo thành các phân tử đơn giản thông qua tiêu hóa. Sản phẩm của tiêu hóa, sau đó được hấp thụ vào cơ thể động vật, nơi quá trình oxy hóa xảy ra, giải phóng năng lượng.
Sự trao đổi năng lượng ở cá tương tự như ở động vật có vú và chim với hai ngoại lệ đáng chú ý. Đó là:
(a) Cá không tiêu tốn năng lượng trong việc duy trì thân nhiệt khác với môi trường của nó; và
(b) Sự bài tiết các sản phẩm thải của nitơ ở cá tốn ít năng lượng hơn ở động vật đẳng nhiệt trên cạn.
38
39
Hình thức tích lũy năng lượng ở cá
Tích lũy dưới dạng vật chất: lipid, glycogen và protein
Các phương pháp xác định :
dùng phòng nhiệt lượng kế
tính toán dựa vào lượng oxy tiêu hoa và CO2 thải ra qua quá trình hô hấp, và dựa vào hệ số thở (RQ)
RQ = VCO2/VO2
RQ (gluxit) = 1; RQ (protein) = 0,8; RQ (lipid) = 0,7
Nói chung, 0,7 ≤ RQ ≤ 1
Dựa vào tốc độ hao hụt của chất đánh dấu (thường là C14) từ các chất dự trữ trong cơ thể
40
Các yếu tố ảnh hưởng đến trao đổi chất và năng lượng của cá
Giống loài
So sánh giữa các loài cá có tính ăn tương tự nhau, cá nào có cường độ trao đổi chất lớn hơn thì tốc độ sinh trưởng lớn hơn.
Kích thước
Cá chép cỡ 12g có cường độ trao đổi chất 24,48Kcal/kg.ngày và cá chép cỡ 100g có cường độ trao đổi chất 7,97Kcal/kg.ngày
Mức độ hoạt động của cơ
Dinh dưỡng
Khi cá ăn no cường độ trao đổi chất tăng lên và khi bị đói thì cường độ trao đổi chất giảm xuống.
Cá ăn các loại thức ăn khác nhau thì cường độ trao đổi chất khác nhau.
Khi đói năng lượng cần thiết để duy trì sự sống của động vật hoàn toàn nhờ vào vật chất của cơ thể. Thứ tự chất trao đổi là lipid, glycogen và protein.
Nhiệt độ nước
Yếu tố hóa học của môi trường
cá sống trong môi trường có nồng độ CO2 cao hay pH thấp thì có cường độ trao đổi chất thấp hơn cá sống trong môi trường có nồng độ CO2 thấp và pH cao.
41
BiẾN ĐỘNG NĂNG LƯỢNG
NĂNG LƯỢNG VÀ SINH SẢN
NĂNG LƯỢNG VÀ DI CƯ
NĂNG LƯỢNG VÀ TRÚ ĐÔNG
42
NĂNG LƯỢNG VÀ SINH SẢN
Hiệu suất của sự sinh sản phụ thuộc vào mức độ tích lipid trong cơ thể cá và cường độ sử dụng lipid trong quá trình chín sinh dục
Các chỉ số chuẩn bị cho sinh sản
Cường độ và quy mô phân giải lipid trong thời kì trước sinh sản (chuẩn bị sinh sản)
Lượng lipid dự trữ ban đầu vào lúc bắt đầu thời kì trước sinh sản (chuẩn bị cho chín và đẻ trứng)
43
NĂNG LƯỢNG VÀ DI CƯ
Tín hiệu cho di cư: độ dài chiếu sáng trong ngày, nhiệt độ, và độ tích lũy lipid (!)
Tích lũy lipid là mục đích cơ bản của thời kì trước khi trú đông
Nhiều loài cá cơm (cá cơm biển Azov) khi chưa tích lũy được một lượng lipid cần thiết chưa di cư được
Độ lipid càng cao, cá càng nhạy cảm với tín hiệu nhiệt độ và độ tập trung của đàn càng cao
Theo mức tích lũy lipid, nhu cầu dinh dưỡng của cá giảm dần
44
NĂNG LƯỢNG VÀ TRÚ ĐÔNG
Nguồn lipid là nhân tố cơ bản:
Giữ cân bằng năng lượng cần thiết,
Giữ thân nhiệt
Tăng khả năng chống bệnh
Khi nhiệt độ hạ thấp, trao đổi chất và tiêu hao năng lượng giảm
Khi hàm lượng lipid được tích lũy nhiều, số lượng bầy đàn đông hơn, khả năng xâm nhập vào vùng nhiệt độ thấp tốt hơn
ví dụ, cá chép trưởng thành, lượng lipid vào đầu thời kì trú đông tăng lên , sau đó, thường mất đi 1/3 nguồn lipid, khi lượng lipid chỉ còn 0,2 – 0,4%, cá bắt đầu chết hàng loạt