Quá trình carb Đông vật

các thành phần của xơ được vi sinh vật ở ruột già phân giải

Glucose là nhiên liệu chủ yếu của hầu hết các động vật Đường phân (glycolysis) diễnra

ở tế bào chất, chuyển glucose thành 2 pyruvate, 2ATP và 2NADH Đường phân trong điều

kiện yếm khí gọi là sự lên men; ở cơ, pyruvate bị khử thành lactate (NADH lấy từ phản ứng

số 6) nhằm tái tạo lại NAD+ để đường phân được tiếp tục ngay cả khi thiếu oxy Lactate được

chuyển về gan để tân tạo glucose nhờ vòng Cori

Trong điều kiện hiếu khí, tại chất nền ty thể, pyruvate được khử carboxyl oxy hóa thành

acetyl2CoA Đây là cơ chất của nhiều đường hướng chuyển hóa khác nhau Acetyl2CoA có

thể được oxy hóa trong chu trình Krebs, là cơ chế hóa sinh đóng vai trò trung tâm trong trao

đổi chất và năng lượng ở các sinh vật hiếu khí nói chung Theo chu trình này, các sản phẩm

trung gian của quá trình phân giải saccharide, lipid và amino acid được oxy hóa hoàn toàn

thành CO2 Một acetyl2CoA oxy hóa trong chu trình Krebs sẽ tạo ra 4 cặp hydro cao năng

(3NADH, 1FADH2) và 1ATP (GTP) Chu trình đốt cháy hoàn toàn gốc acetyl (2C) vàcung

cấp năng lượng tương đương 10ATP Ngoài ý nghĩa phân giải để khai thác năng lượng, chu

trình Krebs còn đóng vai trò quan trọng cho các quá trình sinh tổng hợp Tại những mô bào

nơi diễn ra các quá trình sinh tổng hợp mạnh, glucose còn đi vào chu trình pentose phosphate

để tạo ra NADPH và ribose252phosphate

Sự tân tạo glucose (gluconeogenesis) là sự tổng hợp glucose từ các tiền chất không phải

là saccharide, diễn ra mạnh ở gan; có 4 phản ứng mới, không thuận nghịch với các phản ứng

tương ứng trong đường phân Các tế bào, đặc biệt là gan và cơ, có khả năng tổng hợp glycogen từ glucose Nhờ glycogen synthetase, C1 của glucose trong UDP2glucose tạoliên kết

α21,42glycoside với C4 trong gốc glucose tận cùng của một “lõi” glycogen có sẵn Khi glycogen được tổng hợp từ đầu (không có “lõi” glycogen), quá trình được bắt đầu từ glycogenin, có chức năng là chất mở đầu Sự tổng hợp mạch nhánh của glycogen là quá trình

tạo ra các liên kết α21,62glycoside nhờ enzyme rẽ nhánh Ở động vật cấp cao, disaccharide

duy nhất được tổng hợp là lactose

Sự phân giải và tổng hợp carbohydrate được điều hòa bởi 4 enzyme xúc tác cho 4 phản

ứng không thuận nghịch là glycogen phosphorylase, hexokinase, phosphofructose kinase21 và

pyruvate kinase Glycogen phosphorylase ở cơ được điều hòa bởi cơ chế dị lập thể và hormone; còn ở gan, enzyme này được điều hòa bởi hormone và nồng độ glucose trong máu

Hexokinase bị ức chế dị lập thể bởi các sản phẩm của mình, còn pyruvate kinase bị ứcchế bởi

ATP Phosphofructose kinase21 được điều hòa bởi một phức hợp dị lập thể Một số bệnh lý có thể gặp ở động vật như acid hóa dạ cỏ, ketone huyết hay không dung

nạp lactose.4

1.1 TIÊU HÓA VÀ HẤP THU CARBOHYDRATE

Carbohydrate trong thức ăn của động vật gồm: tinh bột, các oligosaccharide và các thành phần của chất xơ Các loài động vật khác nhau có cấu tạo bộ máy tiêu hóa và hệvi sinh

vật (VSV) ở đường tiêu hóa không giống nhau, nên khả năng tiêu hóa các loại carbohydrate

cũng khác nhau

1.1.1 Tiêu hóa carbohydrate ở động vật dạ dày đơn

Trong đường tiêu hóa, các polysaccharide và disaccharide của thức ăn được enzyme glycosidase thủy phân liên kết glycoside tạo ra các đường đơn Enzyme glycosidase có tính

đặc hiệu đối với dạng liên kết glycoside ( hay ) hoặc với số đơn vị đường cấu tạo trong

chuỗi Các đường đơn tạo ra được vận chuyển qua lớp tế bào niêm mạc ruột vào dịch gian

bào, rồi vào mạch quản Các loại carbohydrate không được tiêu hóa sẽ xuống ruột già,ở đây

chúng có thể bị lên men VSV

Hình 1-1 Amylose và amylopectin ở tinh bột

a Sự tiêu hóa tinh bột và các oligosaccharide

Tinh bột là polysaccharide dự trữ ở thực vật, có nhiều trong hạt ngũ cốc và các loại củnhư khoai, sắn, , là nguồn cung cấp năng lượng chính cho động vật dạ dày đơn Phântử tinh

bột được tạo thành từ các đơn vị cấu tạo là α2D2glucose, gồm 2 thành phần: amylose chiếm

20%, mạch thẳng, chỉ chứa liên kết α21,42glycoside; và amylopectin chiếm 80%, ngoài liên

kết α21,42glycoside còn có liên kết α21,62glycoside

Tinh bột bắt đầu được tiêu hóa tại xoang miệng, nhờ enzyme -amylase amylase của tuyến

nhất một liên kết 21,6 Hai gốc glucose nối với nhau nhờ liên kết 21,62glycoside là isomaltose; tuy nhiên, 2amylase không thủy phân được disaccharide có nhánh này Enzyme

2amylase chỉ đặc hiệu với liên kết 21,42glycoside, không thủy phân liên kết 21,62 glycoside và có ái lực thấp với liên kết 21,42glycoside ở đầu không khử của chuỗi Những sản phẩm tiêu hóa trung gian kể trên của tinh bột (cũng như các disaccharide của

thức ăn như lactose, sucrose) tiếp tục được biến đổi thành đường đơn nhờ các glycosidase

bám trên bề mặt màng tế bào niêm mạc ruột Hoạt tính glycosidase khác nhau được tìm thấy ở 5

4 loại glycoprotein: glucoamylase, phức hợp sucrase-amylase maltase, trehalase và lactase

glycosylracemidase Các glycosidase này được gọi chung là disaccharidase của ruột

non

Hình 1-2 Sự tiêu hóa tinh bột

Glucoamylase là một exoglucosidase, đặc hiệu cho liên kết 21,4 giữa các gốc

glucosyl

Enzyme này bắt đầu ở đầu không khử của một polysaccharide hay dextrin giới hạn và lần lượt

thủy phân các liên kết cho ra các đường đơn Nó sẽ tiêu hóa các dextrin giới hạn thành

isomaltose (có liên kết 21,6) và chất này được tổ hợp sucrase –isomaltase có hoạt

tính

isomaltase thủy phân thành hai đường đơn glucose

Hình 1-3 Hai loại oligosaccharide thường gặp trong thức ăn6

Lactose (đường sữa) là disaccharide, tạo thành từ glucose và galactose gắn với nhau

bằng liên kết 21,42glycoside Lactose được enzyme lactase thủy phân thành glucose và

galactose Sucrose được tạo thành từ một phân tử glucose và một phân tử fructose nhờ

liên kết

21,22glycoside Sucrose được enzyme sucrase thủy phân thành glucose và fructose Lactase

và sucrase đều là các disaccharidase của ruột non

b Các loại carbohydrate không được tiêu hóa sẽ xuống ruột già

Không phải tất cả tinh bột của khẩu phần ăn đều được tiêu hóa trong ruột non Bản

thân động vật không tiết ra các enzyme phân giải các thành phần của chất xơ có trong thức ăn

Các loại tinh bột giàu amylose, ít bị hydrate hóa hoặc ít trương nở thường không đượctiêu

hóa và sẽ vào kết tràng Chất xơ và các đường không được tiêu hóa khác cũng vào ruột già

Tại đây, chúng có thể được VSV lên men thành các acid béo bay hơi (ABBH), lactate và các

chất khí Các ABBH (có 2C25C) được các tế bào niêm mạc kết tràng hấp thu và trở thành

nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho mô bào này Các loại khí chính tạo thành là H2,

CO2 và CH4 được giải phóng khỏi ruột già Các sản phẩm không được tiêu hóa hoàn toàn

trong ruột thường làm tăng sự tích nước, có thể gây ỉa chảy

Hình 1-4 Một số carbohydrate không được tiêu hóa

Các hợp chất này là thành phần của chất xơ có trong khẩu phần

Ở các loài động vật ăn cỏ, quá trình lên men carbohydrate diễn ra mạnh trong đường

tiêu hóa Tuy nhiên, tùy theo loài mà quá trình lên men diễn ra chủ yếu ở dạ dày trướchay ở

ruột già Ở động vật nhai lại, quá trình lên men diễn ra chủ yếu ở các dạ dày trước, sẽ được đề

cập đến ở mục sau Ở các loài ăn cỏ khác, quá trình lên men chủ yếu diễn ra ở ruột già Ở

ngựa, voi và nhiều loài linh trưởng, sự lên men chủ yếu diễn ra ở trực tràng; còn ở thỏ, sự lên

men chủ yếu lại ở manh tràng Độ lớn của ruột già rất khác nhau giữa các loài Ở ngựa, khối

lượng ruột già và cả chất chứa trong ruột già chiếm tỷ lệ khá cao so với khối lượng cơthể, nên

dung tích lên men tương tự như ở dạ dày trước của động vật nhai lại Tuy dung tích lên men

tương tự, nhưng tỷ lệ tiêu hóa cellulose thấp hơn so với bò và cừu Nguyên nhân chủ yếu là

do thời gian lưu thức ăn trong ruột già ngắn Như vậy, những loài động vật có quá trình lên

men diễn ra chủ yếu ở các dạ dày trước sử dụng cellulose và hemicellulose tốt hơn nhiều so

với những loài động vật có quá trình lên men diễn ra chủ yếu ở ruột già 7

c Một số nét đặc biệt trong quá trình tiêu hóa ở gia cầm

Cấu trúc và chức năng từng bộ phận trong đường tiêu hóa của gia cầm khác rất nhiều so với các loài khác Trong xoang miệng, gia cầm không có răng để nghiền thức ăn, nhưng có

nhiều tuyến tiết dịch nhầy (có mucose) để tẩm ướt thức ăn Một số loài chim có amylase trong

nước bọt, song nước bọt của gà và vịt lại thiếu enzyme này Diều của gia cầm chỉ là nơi chứa

thức ăn và điều hòa lượng thức ăn trong dạ dày cơ Ruột non của gia cầm thường ngắnso với

chiều dài của cơ thể; thành phần của dịch tụy, dịch mật và quá trình tiêu hóa trong ruột non

tương tự như ở động vật có vú Dịch ruột non của gia cầm không có lactase Một số loài chim

(như bồ câu) không có túi mật, mà dịch mật được đổ trực tiếp từ gan vào ruột non Manh tràng của gà, vịt và ngỗng thường rất phát triển; khi ăn thức ăn giàu xơ, manh tràng lại càng lớn Hệ VSV ở đây khá phong phú, tương tự như ở dạ dày trước của động vật

nhai lại hay ruột già của động vật có vú, chúng cũng phân giải một lượng khá lớn chấtxơ

thành các ABBH Nồng độ ABBH trong manh tràng của gia cầm tương tự như trong các dạ

dày trước hay trong ruột già của động vật có vú Trực tràng của gia cầm và các loài chim nói

chung thường ngắn, nhưng của đà điểu lại rất dài, tại đây quá trình lên men cellulose và các

polysaccharide khác diễn ra rất mạnh và tạo ra một lượng lớn ABBH Các ABBH được hấp

thu trong manh tràng và trực tràng Quá trình hấp thu và các cơ chế hấp thu trong ruộtgià của

gia cầm và chim diễn ra tương tự trong ruột già của động vật có vú

d Tiêu hóa carbohydrate trong ruột non ở các loài không giống nhau

Ở các loài động vật khác nhau, sự tiêu hóa carbohydrate trong ruột non có sự khác nhau rõ rệt Ở những động vật ăn thịt điển hình, sự tiêu hóa tinh bột trong ruột non tương đối hạn chế

Ở ngựa, dịch tụy chứa ít amylase, nên sự tiêu hóa tinh bột trong ruột non rất kém; tuy nhiên, quá trình phân giải carbohydrate kể cả chất xơ thành các ABBH lại diễn ra rất mạnh

trong ruột già Ở động vật nhai lại, carbohydrate chủ yếu bị phân giải trong dạ cỏ bởi VSV,

nên hoạt lực của các enzyme tiêu hóa carbohydrate trong ruột non đều thấp Khác với loài

nhai lại, ở lợn và chó, quá trình tiêu hóa tinh bột trong ruột non lại diễn ra rất mạnh Nét đặc

biệt của các loài chim là không có lactase trong niêm mạc ruột non Trong một giới hạn nhất

định, trong vòng 3 ngày vật nuôi được ăn thức ăn giàu tinh bột, các enzyme tiêu hóa carbohydrate sẽ thay đổi để thích nghi với thức ăn

1.1.2 Tiêu hóa carbohydrate ở động vật nhai lại

Ở động vật nhai lại, sự tiêu hóa có dạ cỏ với nhiều chủng loại VSV tham gia nên có nhiều nét đặc trưng Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong các quá trình chuyển hóa của VSV

trong dạ dày trước Nhiều chủng loại VSV dạ cỏ có khả năng sản sinh các enzyme phân hủy

đường mà còn phân giải cả các loại carbohydrate mà cơ thể động vật không có enzyme để tiêu

hóa như cellulose, hemicellulose, fructosane, pectin,… Tuy nhiên, các đường đơn tạothành

không được hấp thu vào vách dạ cỏ mà bị lên men thành các acid béo mạch ngắn (225C), còn

gọi là ABBH Các sản phẩm cuối cùng quan trọng nhất của quá trình lên men dạ cỏ bao gồm

acetate, propionate, butyrate, methan và CO2 Ngoài ra, trong quá trình lên men một lượng

nhiệt lớn được giải phóng

Glucose tạo ra trong trong dạ cỏ từ các loại carbohydrate khác nhau trước hết được chuyển thành pyruvate, rồi theo những đường hướng khác nhau được chuyển hóa thành

propionate, acetate hoặc butyrate (Hình 125) Con đường tổng hợp propionate thông qua 8

lactate (con đường acrylate) diễn ra mạnh khi thức ăn giàu carbohydrate dễ tan và có tác dụng

làm giảm sự tích tụ lactic acid trong dạ cỏ Lignin được coi là thành phần không thể tiêu hóa

được; tuy vậy, một số nghiên cứu cho thấy rằng một phần lignin cũng bị phân giải

Hình 1-5 Sự chuyển hóa carbohydrate nhờ vi khuẩn trong dạ cỏ

Tỷ lệ lên men của các carbohydrate hòa tan là không giống nhau Sucrose, glucose và fructose bị lên men gần hết; còn galactose, xylose và arabinose chỉ bị lên men khoảng 50%

Tỷ lệ phân giải trong dạ cỏ phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như: lượng thức ăn thu nhận, tỷ

lệ giữa thức ăn thô và thức ăn giàu năng lượng, … Nồng độ các ABBH tổng số trong dạ cỏ

có thể dao động trong khoảng từ 602150mmol/lít; phụ thuộc vào loại thức ăn, lượng thức ăn

thu nhận và thời điểm sau khi ăn

Phần lớn các ABBH được hấp thu qua niêm mạc dạ cỏ, còn các loại khí được ợ hơi ra ngoài Trong số các loại khí tạo thành do lên men VSV dạ cỏ, nhiều nhất là CO2, rồi

đến CH4, ngoài ra còn có các loại khí khác như H2, H2S với số lượng rất ít CO2 được hình

thành chủ yếu từ sự khử carboxyl ôxy hóa của pyruvate, của các amino acid và từ sự phân

hủy urê Hydro cần thiết cho quá trình tổng hợp CH4 từ CO2 được cung cấp từ quá trình

đường phân, vòng pentose phosphate, khử carboxyl ôxy hóa pyruvate và quá trình phân

giải các amino acid 9

Sự hình thành methane ở động vật nhai lại bởi vi khuẩn methanobacteria làm thất

22,4 L)

Bảng 1-1 Các enzyme thủy phân cellulose, hemicellulose và pectin ở VSV

Cellulose Hemicellulose Pectin

2 Endo21242glucanase 2 Cellobiohydrolase 2 2glucosidase 2 L2arabinase 2 D2galactanase 2 D2mannase 2 D2xylanase 2 2xylosidase 2 2glucosidase

2 2L2arabinofuranosidase 2 Các loại eserase

2 Các loại hydrolase

Bảng 1-2 Ảnh hưởng của loại carbohydrate đến tỷ lệ các loại acid béo trong dạ cỏ

Khẩu phần chứa nhiều

Tỷ lệ (% trong tổng số mol ABBH) Acetic acid

Propionic acid Butyric acid Cellulose nhiều Ít Ít Tinh bột Ít

Trung bình  nhiều Trung bình  nhiều Đường dễ tan

Ít Nhiều Nhiều Cỏ khô 60270 15220 10215

Cỏ luzerne khô 70

18 10

Thức ăn bổ sung giàu năng lượng 40250

30240 10215 Hạt ngũ cốc 50

30 20

Quá trình tổng hợp polysaccharide của VSV diễn ra song song với quá trình phân giải.Phần lớn carbohydrate của VSV sau khi xuống ruột lại bị thủy phân và trở thành nguồn

carbohydrate cho cơ thể động vật

Lượng ABBH hình thành trong dạ cỏ và tỷ lệ từng loại trên lượng tổng số phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong đó, thành phần dinh dưỡng của khẩu phần và trạng thái của thức ăn là

những yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất Khi khẩu phần ăn giàu tinh bột và đường, tỷ lệ propionate và butyrate tăng; còn khi thức ăn giàu cellulose, tỷ lệ acetate tăng và lượngpropionate, butyrate giảm Thức ăn thô dạng viên hoặc nghiền mịn thường làm tăng nồng độ

acid béo trong dạ cỏ và đồng thời làm tăng tỷ lệ propionate trong tổng số acid béo Mối quan hệ giữa khẩu phần ăn với acid béo trong dạ cỏ ảnh hưởng rất lớn tới việc sửdụng năng lượng thức ăn cũng như sự tổng hợp các chất hữu cơ trong quá trình tiết sữa Ở bò

sữa và bò thịt, tỉ lệ thích hợp về nồng độ giữa acetate: propionate : butyrate tương ứnglà 67 :

15 : 12 và 50 : 30 : 15 (mol/100mol ABBH)

Các loại carbohydrate không bị lên men trong dạ dày trước khi xuống ruột non có thể được các enzyme tiêu hóa của chính cơ thể động vật phân giải thành các đường đơn theo cơ

chế giống như ở động vật dạ dày đơn Các loại carbohydrate không bị tiêu hóa ở miệng, dạ

dày và ruột non sẽ tiếp tục được lên men nhờ VSV trong ruột già Hai quá trình lên men 10

carbohydrate trong ruột già và trong dạ cỏ có nhiều đặc điểm giống nhau Các loại ABBH

cũng là những sản phẩm quan trọng của quá trình lên men trong ruột già Trong ruột già, quá

trình phân giải một số amino acid cũng tạo thành isobutyrate, isovalerate và 22methylbutyrate

Hình 1-6 Khái quát về chuyển hóa carbohydrate ở bò sữa

Quá trình lên men carbohydrate trong ruột già cũng giải phóng các loại khí như CO2 và

CH4 Lượng CH4 tạo ra trong ruột già ít hơn nhiều so với trong dạ cỏ Lượng H2 trong ruột già

được duy trì ở mức thấp vì được sử dụng để tổng hợp acetate theo một cơ chế mà cho đến nay

không thấy có ở các dạ dày trước Phương trình của phản ứng này như sau: 4H2 + 2CO2  CH3COOH + 2H2O

Sự tổng hợp acetate từ H2 không chỉ làm giảm lượng khí CH4 đào thải ra ngoài mà còncó lợi cho chính cơ thể động vật vì sự tái sử dụng các sản phẩm trao đổi chất nội sinh từ quá

trình thoái hóa các chất

1.1.3 Sự hấp thu các sản phẩm tiêu hóa carbohydrate11

a Sự hấp thu các acid béo bay hơi

Các ABBH được hình thành từ carbohydrate do lên men bởi VSV dạ cỏ Nồng độ ABBH trong dịch dạ cỏ thường đạt trên 100 mmol/lít và có thể lên đến 180 mmol/lít Sự tích

tụ quá nhiều ABBH trong dịch dạ cỏ sẽ làm cho pH giảm, đồng thời làm tăng áp suất thẩm

thấu Tuy nhiên, vấn đề này không gây hậu quả nghiêm trọng vì các ABBH được hấp thu

Tuy đã có nhiều công trình nghiên cứu về cơ chế hấp thu các ABBH, song chỉ một số khía

cạnh của cơ chế hấp thu ABBH qua vách dạ cỏ được khẳng định chắc chắn Các ABBH được

hấp thu trực tiếp qua vách dạ cỏ nhờ sự chênh lệch nồng độ giữa dịch dạ cỏ và máu ABBH dạng phân ly (anion) có thể được hấp thu nhờ hệ thống trao đổi anion (trao đổivới HCO3 2 ), còn các ABBH dạng tự do (không phân li) được khuếch tán đơn giản xuôi

gradient nồng độ (Hình 127) Có thể cả hai cơ chế vận chuyển này diễn ra song song với nhau

ABBH dạng không phân li được hấp thu nhanh hơn nhiều so với dạng anion

Hình 1-7 Cơ chế hấp thu ABBH

(Ac- : ABBH dạng phân ly hay anion, HAc: ABBH dạng không phân ly)

Khi pH giảm, nồng độ của ABBH dạng không phân li tăng Do đó, tốc độ hấp thu ABBH tăng khi pH dịch dạ cỏ giảm xuống Điều này đã chứng minh cơ chế đệm quantrọng

nhằm duy trì ổn định pH dịch dạ cỏ của quá trình tiết HCO3 2 vào xoang dạ cỏ Các ABBH

không phân li tan trong lipid nên dễ dàng khuếch tán qua màng Mạch carbon càng

dài thì tốc

độ hấp thu càng nhanh Ở nồng độ như nhau, tốc độ hấp thu của butyric acid nhanh hơn

propionic acid và càng nhanh hơn acetic acid

Sau khi được hấp thu vào tế bào vách dạ cỏ, các ABBH thường được chuyển hóa trước

khi qua màng đáy để vào máu Mức độ chuyển hóa của các loại acid béo khác nhau cũng

không giống nhau (butyrate >> propionate > acetate) Trên 90% butyrate bị chuyển thành các

thể ketone (acetoacetate và 2OH2butyrate) Khoảng 25% propionate sẽ được chuyển thành

lactate trong vách dạ cỏ, sau đó được vận chuyển về gan và tại đây chuyển thành glucose nhờ

quá trình tân tạo đường Chỉ một phần nhỏ acetate bị chuyển thành thể ketone Các ABBH

đều có thể bị phân giải (tới tận CO2) trong tế bào vách dạ cỏ để cung cấp năng lượng Nhờ các

quá trình chuyển hóa trên, nồng độ ABBH trong tế bào niêm mạc dạ cỏ được duy trì ởmức

thấp, luôn có sự chênh lệch nồng độ ABBH giữa dịch dạ cỏ và môi trường tế bào váchdạ cỏ;

tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp thu bị động qua màng đỉnh vào trong tế bào

b Sự hấp thu các đường đơn ở ruột non12

Sản phẩm tiêu hóa carbohydrate nhờ các enzyme do chính động vật (cả loài dạ dày đơn

và loài nhai lại) tiết ra là đường đơn (glucose, galactose và fructose) Chúng được vận chuyển

vào tế bào niêm mạc ruột non rồi vào mao mạch, tĩnh mạch cửa gan rồi về gan Trongquá

trình hấp thu, một lượng nhỏ glucose và fructose bị phân giải trong tế bào niêm mạc ruột để

tạo thành lactate, rồi sau đó lactate cũng vào tĩnh mạch để về gan

Hình 1-8 Cơ chế hấp thu đường đơn

Từ xoang ruột, các đường đơn trên đều có thể khuếch tán tăng cường qua màng đỉnh vào tế bào niêm mạc ruột (Hình 128) Tuy nhiên, glucose và galactose chủ yếu được hấp thu

theo cơ chế vận chuyển tích cực Quá trình hấp thu glucose qua màng đỉnh của tế bào niêm

mạc ruột được thực hiện nhờ protein vận chuyển, theo cơ chế vận chuyển tích cực thứcấp;

glucose được đồng chuyển vào trong tế bào cùng với ion Na+ Gradient điện hóa của Na+

giữa hai mặt màng là nguồn năng lượng để vận chuyển glucose ngược chiều nồng độ Nồng

độ Na+ ở dịch ngoại bào luôn cao hơn trong bào tương gấp nhiều lần là nhờ hoạt động của tổ

hợp Na+ , K + 2ATPase (xem Chương 6) Quá trình hấp thu glucose qua màng đỉnh tế bào niêm

mạc ruột có thể đạt tới mức bão hòa Khi nồng độ glucose tăng cao thì tốc độ hấp thu sẽ chậm

dần và đạt cực đại (Vmax) Hằng số Km (là hằng số Michaelis) của hệ thống đồng chuyển Na+ 2

glucose là tốc độ hấp thu glucose bằng 1/2 tốc độ cực đại Hằng số Km phụ thuộc trực tiếp vào

khả năng gắn glucose vào protein vận chuyển Giá trị Km đối với glucose tương đối thấp,

khoảng 0,3 mmol/l, do đó khả năng gắn với protein vận chuyển khá cao

Galactose được hấp thu chủ động theo cơ chế tương tự như glucose Sau khi vào tế bào

niêm mạc ruột, các đường đơn sẽ qua màng đáy để vào dịch gian bào và vào máu Quá trình

vận chuyển đường đơn qua màng đáy được thực hiện theo cơ chế khuếch tán tăng cường (nhờ

protein vận chuyển không phụ thuộc ion Na+ )

Fructose cũng được vận chuyển từ xoang ruột vào tế bào niêm mạc ruột cũng như từ tế

bào niêm mạc ruột vào máu nhờ protein vận chuyển có trên màng theo cơ chế khuếch tán tăng

cường So với galactose và glucose, tốc độ hấp thu fructose rất chậm Như vậy, khi động vật 13

ăn nhiều đường sucrose, một phần fructose không được hấp thu sẽ được đưa xuống ruột già

và có thể gây tiêu chảy

1.2 SỰ CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN CỦA GLUCOSE

Glucose là nhiên liệu chủ yếu và đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển hóa của

nhiều loài sinh vật, là tiền chất quan trọng cho nhiều phản ứng sinh tổng hợp Đối với động

vật, glucose có 3 con đường chuyển hóa chính:

2 Phân giải để khai thác năng lượng: nhờ quá trình đường phân, chu trình Krebs và quá

trình phosphoryl hóa oxy hóa

2 Chuyển hóa thành một số sản phẩm trung gian làm nguyên liệu xây dựng nên các thành phần của tế bào hay sử dụng cho các nhu cầu khác

2 Chuyển hóa thành glycogen dự trữ ở gan và cơ, khi cần polysaccharide này lại được huy động để cung cấp glucose làm nhiên liệu

1.2.1 Quá trình đường phân

Đường phân (Glycolysis) là sự phân giải glucose thành pyruvate nhờ các phản ứng

enzyme trong tế bào chất của tế bào; một phần năng lượng được giải phóng dưới dạngATP

và NADH Đây là đường hướng chuyển hóa vật chất đầu tiên được làm sáng tỏ Đường phân là đường hướng chung của hầu hết các loài sinh vật, là con đường trung tâm của sự chuyển hóa glucose và là đường hướng có dòng carbon lớn nhất trong hầu hết các

tế bào Đối với một số tế bào và mô bào như hồng cầu, tinh trùng, não và tủy thượng thận,

đường phân là nguồn cung cấp năng lượng duy nhất

Đường phân chuyển hóa các nhiên liệu để hình thành ATP khi có ôxy và ngay cả khi thiếu ôxy Lên men là sự phân giải glucose và các chất hữu cơ khác trong điều kiện yếm khí

để khai thác năng lượng

Sự ôxy hóa glucose thành pyruvate tạo ra ATP nhờ sự phosphoryl hóa ở bậc cơ chất (chuyển phosphate từ các sản phẩm trung gian chứa phosphate cao năng cho ADP) và NADH Sau đó, puruvate có thể tiếp tục được khử carboxyl hóa trong ty thể thành acetyl2CoA và chất này bị ôxy hóa hoàn toàn thành CO2 trong chu trình Krebs và tạo ATP trong quá trình vận chuyển điện tử tới ôxy nhờ quá trình phosphoryl hóa ôxy hóa Tuy nhiên, nếu pyruvate và NADH bị chuyển thành lactate (đường phân yếm khí), ATP có thể được tạo thành khi thiếu ôxy nhờ phosphoryl hóa ở bậc cơ chất

Glucose có thể được cung cấp từ thức ăn, glycogen dự trữ và máu Các loại đường khác

như fructose và galactose được ôxy hóa nhờ biến đổi thành các sản phẩm trung gian của quá

trình đường phân Glycogen, dạng trữ của glucose trong tế bào là nguồn cung cấp nhiên liệu

cho quá trình đường phân trong những tình huống khẩn cấp (sự cung cấp nhiên liệu giảm,

máu đến ít, …) Insulin, glucagon và các hormone khác duy trì lượng đường huyết ổn định,

đảm bảo cung cấp đều đặn glucose cho những mô bào phụ thuộc vào đường phân để khai

khác năng lượng

Ngoài vai trò là cơ chế sản sinh ATP trong cả điều kiện hiếu khí và yếm khí, đường phân còn là một đường hướng cung cấp tiền chất cho các quá trình sinh tổng hợp Ví dụ, trong

gan và mô mỡ đường hướng này cung cấp pyruvate là tiền chất để tạo acid béo Đường phân

cũng cung cấp tiền chất cho sự tổng hợp các amino acid và nucleotide

a Các phản ứng của quá trình đường phân14

Hình 1-9 Các phản ứng của quá trình đường phân trong điều kiện hiếu khí và yếm khí

Quá trình đường phân gồm 2 giai đoạn: chuẩn bị và sản sinh ATP Giai đoạn chuẩn bị(5 phản ứng đầu) có hai phản ứng phosphoryl hóa nhờ ATP và trong giai đoạn này glucose vỡ

thành 2 triose phosphate Trong giai đoạn sản sinh ATP (5 phản ứng tiếp theo), glyceraldehyde232phosphate bị ôxy hóa bởi NAD+ và phosphoryl hóa bằng cách sử dụng

phosphate vô cơ Liên kết phosphate cao năng tạo thành trong bước này được chuyển tới ADP 15

để tạo ATP Vì có 2 phân tử triose phosphate tạo thành, nên pha này tạo ra 4ATP và 2NADH

Kết quả là, trong điều kiện hiếu khí, từ 1glucose tạo ra 2pyruvate, 2ATP và 2NADH

+ Giai đoạn chuẩn bị của đường phân cần ATP:

Phản ứng 1: Biến đổi glucose thành glucose262phosphate Chuyển hóa glucose mở

đầu

bằng sự chuyển một phosphate từ ATP tới glucose tạo thành glucose262phosphate Sự phosphoryl hóa làm glucose được giữ bên trong tế bào, vì glucose262phosphate không thể

được vận chuyển qua màng

Glucose262phosphate là ngã ba đường trong chuyển hóa carbohydrate Đây là tiền chất

của nhiều đường hướng chuyển hóa như đường phân, pentose phosphate và tổng hợp glycogen Ngược lại nó cũng tạo thành từ nhiều quá trình chuyển hóa carbohydrate như phân

giải glycogen, đường hướng pentose phosphate, tân tạo đường (tổng hợp glucose từ những

chất không phải là carbohydrate)

Các hexokinase xúc tác phản ứng phosphoryl hóa glucose là những isozyme đặc hiệu của mô bào, khác nhau về tính chất động học Hexokinase tìm thấy trong gan và tế bào  của

tụy có hằng số Km cao hơn các hexokinase khác và được gọi là glucokinase Ở nhiều tế bào,

một số hexokinase bám vào màng ngoài ty thể

Trong các phản ứng tiếp theo của pha chuẩn bị, glucose262phosphate được đồng phân hóa thành fructose262phosphate, rồi chất này lại được phosphoryl hóa và chẻ ra thành hai

mảnh có 3C

Phản ứng 2: biến đổi glucose262phosphate thành fructose262phosphate, nhờ enzyme

phosphohexose isomerase xúc tác

Phản ứng 3: phosphoryl hoá fructose262phosphate thành fructose21,62bisphosphate

Phản ứng của phosphofructokinase có thể là phản ứng không thuận nghịch ở điều kiệnsinh lý và đóng vai trò chính trong việc điều khiển tốc độ của quá trình đường phân

Phản ứng 4: tách fructose21,62bisphosphate thành hai triose phosphate nhờ enzyme

aldolase

Phản ứng 5: biến đổi qua lại của các triose phosphate Chỉ có glyceraldehyde232

phosphate (GAP) đi tiếp vào quá trình đường phân Tuy nhiên, dihydroxyacetone phosphate

(DHAP) có thể được chuyển hóa thành GAP nhờ triose phosphate isomerase Như vậy, có hai

phân tử GAP tham gia trong các phản ứng tiếp theo

+ Giai đoạn ôxy hoá, phosphoryl hoá của đường phân sản sinh ATP:

Giai đoạn này chuyển hoá 2 phân tử GAP thành 2 pyruvate, 2NADH và tạo ra 4ATP Tuy nhiên, trong thực tế, từ một phân tử glucose đi vào đường phân chỉ tạo ra được 2ATP, bởi

vì 2ATP đã được sử dụng cho các bước hoạt hoá trong giai đoạn chuẩn bị

Phản ứng 6: ôxy hoá GAP thành 1,32bisphosphoglycerate Trong phản ứng này,

aldehyde còn được giải phóng ra dưới dạng NADH

Phản ứng 7: chuyển phosphoryl cao năng từ 1,32bisphosphoglycerate đến ADP tạo

ATP

và 32phosphoglycerate Đây là sự phosphoryl hoá ở bậc cơ chất, tạo ATP

Phản ứng 8: đồng phân hoá 32phosphoglycerate thành 22phosphoglycerate Phản ứng 9: Tách nước, chuyển 22phosphoglycerate thành phosphoenolpyruvate

Hình 1-10 Các loại carbohydrate khác đi vào đường phân

b Điều khiển quá trình đường phân

Ở mỗi tế bào, đường phân được điều khiển để đảm bảo cho sự cân bằng ATP được duy trì Ở phần lớn tế bào, hexokinase, enzyme đầu tiên của đường phân, bị ức chế bởi

glucose262phosphate Do đó, glucose sẽ không được thu nhận vào tế bào và được phosphoryl

hóa nếu glucose262phosphate không đi vào các con đường chuyển hóa như đường phân hay

tổng hợp glycogen Việc điều khiển glucose 62phosphate đi vào đường phân xảy ra nhờ

phosphofructose kinase21 (PFK21) – enzyme giới hạn tốc độ của đường phân PFK21 bị ức

chế dị lập thể bởi ATP và hoạt hóa bởi AMP Nồng độ AMP tăng lên trong tế bào chất khi

ATP bị thủy phân trong các phản ứng cần năng lượng.17

1.2.2 Chuyển hóa của pyruvate và NADH của bào tương

Pyruvate, sản phẩm của đường phân, là một điểm nối quan trọng trong sự chuyển hoá carbohydrate Pyruvate là mắt xích quan trọng trong sự chuyển hoá carbohydrate và protein;

có thể là tiền chất để tạo alanine Thông qua phản ứng chuyển amin, nhóm amin từ alanine có

thể hình thành nên các amino acid khác, rồi từ chúng thành protein

Từ pyruvate có thể tạo ra acetyl.CoA, là nguyên liệu để tổng hợp các acid béo và lipid

Đặc biệt, trong những điều kiện nhất định, pyruvate còn là nguyên liệu tổng hợp carbohydrate, trước hết là glucose Sự biến đổi pyruvate thành glucose là một đường hướng

tân tạo đường – gluconeogenesis (Hình 1225)

Tuỳ thuộc vào loài, điều kiện của cơ thể sinh vật và sự có mặt của các hệ enzyme khác

nhau, pyruvate có thể được chuyển hoá theo những đường hướng khác nhau (Hình 1211)

Hình 1-11 Sự chuyển hoá của pyruvate

Sự chuyển hoá glucose trong điều kiện yếm khí (lên men) và trong điều kiện hiếu khí giống nhau cho đến giai đoạn tạo thành pyruvate

* Trong điều kiện yếm khí, tùy loài sinh vật, từ pyruvate có thể cho ra các sản phẩm

khác nhau

-amylase Chuyển hóa thành lactate: Ở cơ vận động tích cực, ở tế bào hồng cầu (không có ty

thể) và ở vi khuẩn sinh lactate, NADH tạo thành (ở phản ứng ôxy hoá GAP) trong quátrình

đường phân không thể bị ôxy hoá trở lại bằng ôxy NAD+ được tái tạo từ NADH nhờ sự khử

pyruvate thành lactate (phản ứng 12, Hình 129) NADH là chất khử được cung cấp từ phản

ứng thứ 6 của quá trình đường phân NADH được ôxy hóa trở lại thành NAD+ , nhờ chất này

mà phản ứng thứ 6 mới xảy ra được và quá trình phân giải đường mới được tiếp tục trong điều

kiện yếm khí Như vậy, lên men lactate có phương trình tổng quát như sau: Glucose + 2ADP + 2Pi  2Lactate + 2ATP

Khi lactate được tạo ra nhiều do cơ hoạt động mạnh hoặc kéo dài, sẽ xảy ra sự acid hóa mô cơ và máu Lactate, hình thành ở các cơ vận động của động vật có xương sống, ở

hồng cầu có thể được máu vận chuyển về gan để biến đổi trở lại thành glucose nhờ vòng Cori

muối cà và ủ chua thức ăn cho gia súc

Hình 1-12 Vòng Cori

- Lên men rượu etylic xảy ra khi sản xuất rượu, bia, Glucose được biến thành

pyruvate nhờ đường phân, rồi pyruvate được biến thành ethanol và CO2 qua hai bước Ở bước

1, pyruvate bị khử carboxyl nhờ pyruvate decarboxylase tạo thành acetaldehyde Pyruvate

decarboxylase là enzyme cần có Mg++ và nhóm ghép thiamine pyrophosphate Ở bước2,

acetaldehyde bị khử thành ethanol nhờ NADH (từ phản ứng thứ 6 của đường phân) vàenzyme alcol dehydrogenase Alcol dehydrogenase có ở nhiều loài sinh vật kể cả ở người Ở

mô gan của người, alcol dehydrogenase xúc tác cho quá trình ôxy hóa ethanol (có thể có

nguồn gốc từ đồ uống hoặc từ sự lên men của VSV trong đường tiêu hóa) đồng thời tạo thành

NADH

Phương trình tổng quát của sự lên men rượu có thể được viết như sau: Glucose + 2ADP +2Pi  2 Ethanol + 2CO2 + 2ATP + 2H2O

* Trong điều kiện hiếu khí

-amylase NADH tạo thành ở bào tương (phản ứng 6 của đường phân) sẽ được vận chuyển vào

ty

thể và ôxy hóa trong chuỗi hô hấp

- Pyruvate được khử carboxyl hóa ôxy hóa thành acetyl-CoA

Khi mô bào được cung cấp đầy đủ ôxy, pyruvate sẽ bị khử carboxyl ôxy hoá thành acetyl.CoA (acetic acid hoạt động).19

Hình 1-13 Sự khử carboxyl hóa ôxy hoá của pyruvate thành acetyl.CoA

(1) Pyruvate bị tách mất CO2 và hydroxyethyl-TPP được tạo thành, (2) Nhóm hydroxyethyl được chuyển cho lipoate và bị ôxy hóa tạo thành acetyldihydrolipoamide, (3) Nhóm acetyl được chuyển cho CoASH, (4) Dihydrolipoamide bị oxy hóa, (5) Cặp hydro từ FADH2 được chuyển cho NAD+

Sự khử carboxyl hóa ôxy hoá của pyruvate thành acetyl.CoA xảy ra trong chất nền ty thể, là cầu nối giữa đường phân và chu trình Krebs Quá trình khử carboxyl hóa ôxy hoá của

pyruvate được tổ hợp pyruvate dehydrogenase (có 3 enzyme và 5 cofactor) xúc tác; chuỗi

chuỗi phản ứng gồm 5 bước (Hình 1213)

1.2.3 Chu trình Krebs và sự ôxy hóa acetyl-CoA

Quá trình đường phân chỉ là giai đoạn đầu tiên của sự phân giải hoàn toàn glucose Tạo

thành từ quá trình khử carboxyl ôxy hóa của pyruvate, acetyl2CoA có thể được ôxy hóa hoàn

toàn thành CO2 trong chu trình Krebs Điện tử từ quá trình ôxy hóa này sẽ được chuyển tới

ôxy qua chuỗi hô hấp trong ty thể để hình thành H2O Năng lượng từ quá trình vận chuyển

điện tử được sử dụng để tổng hợp ATP

Chu trình Krebs còn được gọi là chu trình citrate hay chu trình các tricarboxylate (Hình

1214) Đây là đường hướng chung cuối cùng không chỉ để ôxy hóa carbohydrate mà còn cả

lipid và protein; bởi vì glucose, các acid béo và nhiều amino acid đều được phân giải thành

acetyl.CoA và các sản phẩm trung gian khác của chu trình Chu trình Krebs cũng có vai trò

quan trọng đối với sự tân tạo đường, chuyển amin, khử amin và tổng hợp mỡ Hàng loạt các

quá trình được thực hiện trong nhiều mô bào, song gan là nơi duy nhất xảy ra tất cả các quá

trình với cường độ mạnh

Chu trình kết hợp phân tử acetyl2CoA (2C) với oxaloacetate (4C) thành một tricarboxylate (6C) là citrate Sau đó diễn ra một loạt phản ứng, trong tiến trình các phản ứng

giải phóng ra hai phân tử CO2 và tái tạo lại oxaloacetate Vì chỉ cần một lượng nhỏ oxaloacetate để chuyển hóa nhiều acetyl thành CO2, có thể coi oxaloacetate đóng vai trò xúc

tác Chu trình là điểm gặp gỡ của quá trình phân giải hoàn toàn các hợp chất carbohydrate,

lipid và cả protein để khai thác năng lượng Quá trình ôxy hóa acetyl.CoA trong chu trình tạo 20

ra các cặp hydro cao năng nhờ xúc tác của các dehydrogenase đặc hiệu Các cặp hydro này

được đưa vào chuỗi hô hấp và tạo ra nhiều ATP nhờ quá trình phosphoryl hóa oxy hóa Quá

trình này xảy ra trong điều kiện hiếu khí, cần ôxy làm chất nhận điện tử cuối cùng

Hình 1-14 Sơ đồ tổng quát của chu trình Krebs

Các enzyme của chu trình khu trú trong chất nền ty thể, ở dạng tự do hoặc neo bám vào

mặt trong của màng trong, để dễ dàng chuyển các cặp hydro vào chuỗi hô hấp

Các phản ứng của chu trình Krebs giải phóng các đương lượng khử và CO2:

(1) Acetyl2CoA ngưng tụ với oxaloacetate tạo thành citrate nhờ xúc tác của citrate synthetase; liên kết C2C hình thành giữa nhóm 2CH3 (methyl) của acetyl2CoA và nhóm CO2

(carbonyl) của oxaloacetate

(2a), (2b) Nhờ enzyme aconitase (aconitate hydratase), citrate chuyển thành isocitrate

Sự chuyển hóa này có hai bước: tách nước tạo cis2aconitate và lại hợp nước tạo isocitrate

(3) Isocitrate bị tách hydro nhờ xúc tác của isocitrate dehydrogenase, tạo thành oxalosuccinate, sau đó oxalosuccinate bị tách CO2 tạo thành 2ketoglutarate Có hai loại 21

isocitrate dehydrogenase: loại có coenzyme NAD+ có trong ty thể, loại có NADP+ có cả trong

ty thể và trong cytosol Sự ôxy hóa isocitrate gắn liền với chuỗi hô hấp, nên coenzymethường

là NAD+

(4) Phản ứng khử carboxyl hóa ôxy hóa biến 2ketoglutarate thành succinyl2CoA, nhờxúc tác của tổ hợp 2ketoglutarate dehydrogenase; cơ chế xảy ra tương tự như phản ứng khử

carboxyl hóa ôxy hóa chuyển pyruvate thành acetyl2CoA

(5) Succinyl2CoA được chuyển thành succinate; enzyme xúc tác là succinate thiokinase

hay còn gọi là succinyl2CoA synthetase

Đây là phản ứng duy nhất trong chu trình tạo ra phosphate cao năng ở bậc cơ chất Tế bào động vật có hai isoenzyme của succinyl2CoA synthetase, một enzyme đặc hiệu với GDP

và một enzyme đặc hiệu với ADP, do đó trong phản ứng này có thể hình thành ATP hoặc

GTP Nhờ xúc tác của nucleoside diphosphate kinase, GTP hình thành trong phản ứngnày có

thể chuyển nhóm phosphoryl cho ADP để hình thành ATP: GTP + ADP  GDP + ATP

(6) Succinate bị ôxy hóa nhờ xúc tác của enzyme succinate dehydrogenase bám ở mặttrong của màng trong ty thể, khác với các enzyme khác của chu trình có trong chất nền Đây

là enzyme dehydrogenase duy nhất của chu trình chuyển hydro trực tiếp từ cơ chất tớiflavoprotein mà không cần NAD+ tham gia Enzyme này có nhóm ghép FAD và protein chứa

Fe2S Sau khi bị tách hydro, succinate chuyển thành fumarate

(7) Enzyme fumarase (fumarate hydratase) xúc tác sự ghép nước vào fumarate, tạo thành malate

(8) Malate bị ôxy hóa thành oxaloacetate nhờ xúc tác của malate dehydrogenase có coenzyme là NAD+

Các vitamin đóng vai trò chủ chốt trong chu trình:

Bốn loại vitamin B đóng vai trò quyết định trong tiến trình các phản ứng của chu trìnhKrebs, đó là:

2 Riboflavin dưới dạng FAD (flavinadenindinucleotide): cofactor của tổ hợp 2 ketoglutarate dehydrogenase và của succinate dehydrogenase

2 Niacin dưới dạng NAD+ : coenzyme của ba dehydrogenase (isocitrate dehydrogenase,

2ketoglutarate dehydrogenase và malate dehydrogenase)

2 Pantothenic acid là thành phần của CoASH trong các cơ chất và sản phẩm trung giancủa chu trình (acetyl2CoA và succinyl2CoA)

Ý nghĩa của chu trình Krebs:

Ý nghĩa năng lượng:

Chu trình ôxy hoá hoàn toàn gốc CH3CO2 (acetyl) Trong chu trình có 2 phản ứng khửcarboxyl loại CO2 và 4 phản ứng ôxy hoá, tách ra được 4 cặp hydro cao năng

(3NAD.H và 1FADH2)

Acetyl2CoA + 3NAD+ + FAD + GDP (ADP) + Pi + 2H2O → CoA2SH + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP (ATP) + 2CO2

Các cặp hydro cao năng này sẽ bị ôxy hoá trong chuỗi hô hấp tế bào và giải phóng năng

lượng, tổng hợp ATP; từ 01 NADH tạo ra 2,5ATP và từ 01 FADH2 tạo ra 1,5ATP Năng

lượng giải phóng khi phân giải liên kết thioester của succinyl2CoA tạo 1GTP (1ATP) Như

vậy, một vòng của chu trình đốt cháy hoàn toàn gốc acetyl (2C) sẽ cung cấp năng lượng tương

đương 10ATP

Chu trình Krebs đóng vai trò trung tâm trong trao đổi chất:22

Một số đường hướng trao đổi chất kết thúc bởi một phần của chu trình, song có nhữngđường hướng đi qua cả chu trình Các đường hướng ít nhiều liên quan đến chu trình Krebs

gồm: tân tạo đường glucose, chuyển amin, khử amin và sinh tổng hợp acid béo Như vậy, chu

trình Krebs có ý nghĩa hai mặt: cả vai trò phân giải cũng như sinh tổng hợp

Hình 1-15 Chu trình Krebs tham gia tân tạo glucose và chuyển amin

Các mũi tên đậm chỉ sự tân tạo glucose

Tất cả các thành viên của chu trình, từ citrate đến oxaloacetate, đều có ý nghĩa tạo đường, bởi vì đều dẫn đến hình thành glucose trong gan hoặc thận, nơi có tất cả các enzyme

cần thiết Enzyme mấu chốt – giúp các thành viên của chu trình tham gia tạo glucose là

phosphoenolpyruvate carboxykinase – xúc tác sự khử carboxyl của oxaloacetate thànhphosphoenolpyruvate, trong đó chất cung cấp năng lượng (phosphate cao năng) là GTP

Oxaloacetate + GTP  Phosphoenolpyruvate + CO2 + GDP

Ngược lại, có nhiều cửa để đưa các sản phẩm trung gian của các quá trình chuyển hóađi vào chu trình Trong đó đáng chú ý nhất là hình thành oxaloacetate bởi carboxyl hóa

pyruvate nhờ xúc tác của pyruvate carboxylase:

Pyruvate + CO2 + ATP  Oxaloacetate + ADP + Pi23

Phản ứng trên có vai trò quan trọng trong việc duy trì nồng độ oxaloacetate để ngưng tụ với acetyl2CoA Nếu acetyl2CoA tích tụ, tác động như chất hoạt hóa dị lập thể đối với

pyruvate carboxylase, làm cho sự hình thành oxaloacetate tăng lên Lactate – cơ chất quan

trọng cho tân tạo đường – đi vào chu trình sau khi chuyển thành puruvate và oxaloacetate

Các transaminase xúc tác các phản ứng hình thành pyruvate từ alanine, oxaloacetate từ

aspartate và 2ketoglutarate từ glutamate Các phản ứng này thuận nghịch, nên chu trình là

nguồn cung cấp bộ khung carbon cho sự tổng hợp các amino acid không thiết yếu, ví dụ:

Aspartate + Pyruvate Oxaloacetate + Alanine Glutamate + Pyruvate 2Ketoglutarate + Alanine

Sự chuyển hóa propionate (sản phẩm tạo đường chính của quá trình lên men dạ cỏ) thành succinyl2CoA có ý nghĩa đặc biệt đối với động vật nhai lại

Chu trình Krebs tham gia sinh tổng hợp acid béo:

Acetyl2CoA tạo thành từ pyruvate nhờ tổ hợp pyruvate dehydrogenase là nguyên liệu chính để tổng hợp các acid béo có chuỗi các bon dài ở động vật không nhai lại Ở động vật

nhai lại, acetyl2CoA có thể tạo thành trực tiếp từ acetate Pyruvate dehydrogenase là enzyme

của ty thể, còn enzyme tổng hợp acid béo lại ở ngoài ty thể, nên tế bào cần chuyển acetyl

CoA qua màng ty thể, tự acetyl2CoA không thể qua màng Trước hết acetyl2CoA tham gia tạo

citrate trong chu trình Krebs Citrate được vận chuyển khỏi ty thể, rồi được phân giải thành

oxaloacetate và acetyl2CoA nhờ enzyme ATP2citrate lyase (Hình 1216) Citrate + ATP + CoASH  Acetyl2CoA + Oxaloacetate + ADP + Pi

Hình 1-16 Chu trình Krebs tham gia sinh tổng hợp acid béo Điều hòa chu trình Krebs:

Ở phần lớn các mô bào, chức năng hàng đầu của chu trình Krebs là khai thác năng lượng Điều hòa hô hấp nhờ chuỗi hô hấp và phosphoryl hóa ôxy hóa là cơ chế điều khiển

chính hoạt động của chu trình Sự hoạt động của chu trình phụ thuộc trực tiếp vào việc cung

cấp NAD+ , ADP và cuối cùng là tốc độ sử dụng ATP 24

Hình 1-17 Điều hòa chu trình Krebs

Vị trí điều hòa hay xảy ra nhất là các phản ứng được xúc tác bởi các enzyme pyruvate dehydrogenase (PDH), citrate synthetase, isocitrate dehydrogenase (IDH) và 2ketoglutarate

dehydrogenase (2KGLD) Các dehydrogenase này đều được hoạt hóa bởi ion Ca2+, nồng độ

ion này tăng trong quá trình co cơ (khi nhu cầu năng lượng tăng) Trong các mô bào như não,

sự cung cấp acetyl2CoA phụ thuộc chủ yếu vào carbohydrate, sự điều khiển chu trình Krebs

có thể được thực hiện ở bước phản ứng do PDH xúc tác

Một số enzyme của chu trình bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ ATP/ADP và NADH/NAD+

Citrate synthetase bị ức chế dị lập thể bởi ảnh hưởng của ATP và các acyl2CoA mạch dài Sự

hoạt hóa dị lập thể của IDH bởi ảnh hưởng của ADP được coi là tác động ngược lại với ATP

và NADH Tổ hợp 2KGLD, được điều hòa tương tự như PDH Succinate dehydrogenase bị

ức chế bởi oxaloacetate và lượng oxaloacetate được điều khiển bởi malate dehydrogenase

(phụ thuộc vào tỷ lệ NADH/NAD+ 

1.2.4 Chu trình Glyoxylate

Động vật có xương sống không thể biến đổi các acid béo và acetate hình thành từ chúng thành glucose Quá trình biến đổi PEP thành pyruvate và pyruvate thành acetyl2CoA là 25

những quá trình không đảo ngược, vì đều giải phóng năng lượng PEP có thể được tổng hợp

từ oxaloacetate (OAA) trong phản ứng thuận nghịch được carboxykinase xúc tác Oxaloacetate + GTP

Phosphoenolpyruvate + CO2 + GDP

Hình 1-18 Chu trình glyoxylate

Các nguyên tử C từ acetyl.CoA đi vào chu trình Krebs không thể biến đổi trực tiếp thành OAA vì chúng ra khỏi chu trình dưới dạng 2 phân tử CO2, nên pyruvate không thể biến

đổi ngược về PEP để tổng hợp glucose

Ở thực vật, một số động vật không xương sống và VSV như E.Coli và nấm men,

acetyl.CoA có cả 2 vai trò: cung cấp năng lượng và là nguồn carbon cho tổng hợp carbohydrate Ở những sinh vật này, enzyme của chu trình glyoxylate chuyển hóa acetyl.CoA

thành succinate và các sản phẩm trung gian có 4C khác của chu trình Krebs 2Acetyl.CoA + NAD+ +2H2O → Succinate + 2CoA.SH + NADH

Trong chu trình glyoxylate, acetyl.CoA ngưng tụ với oxaloacetate tạo ra citrate và citrate biến đổi thành isocitrate, tương tự như trong chu trình Krebs Tuy nhiên, sau đó

isocitrate không bị biến đổi bởi isocitrate dehydrogenase mà bị isocitrate lyase phân giải

thành glyoxylate và succinate Sau đó glyoxylate ngưng tụ với acetyl.CoA thứ hai tạo ra 26

malate, nhờ xúc tác của malate synthetase Malate lại bị ôxy hóa thành OAA, chất nàycó thể

ngưng tụ với acetyl.CoA tiếp theo để bắt đầu một chu trình mới

Mỗi vòng của chu trình cần 2 acetyl.CoA, tạo ra một phân tử succinate có thể được sửdụng cho mục đích tổng hợp Succinate có chuyển thành OAA (qua fumarate và malate), từ

đây tạo ra PEP, sau đó tân tạo thành glucose Động vật có xương sống thiếu enzyme đặc hiệu

của chu trình glyoxylate (isocitrate lyase và malate synthetase), nên không tổng hợp được

glucose từ lipid

Chú ý là chu trình glyoxylate không có 2 phản ứng khử carboxyl như chu trình Krebs.Ở thực vật, các enzyme của chu trình glyoxylate tạo thành cụm gắn ở mặt trong của glyoxysome Chu trình glyoxylate có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với các hạt đang nảy

mầm, khi chưa có quá trình quang hợp

1.2.5 Chu trình pentose phosphate (Hexose monophosphate)

Ở phần lớn các mô bào, glucose262phosphate được chuyển hoá theo đường phân, tạo pyruvate; và các chất này chủ yếu được ôxy hoá trong chu trình Krebs để khai thác năng

lượng Tuy nhiên, glucose262phosphate còn được chuyển hoá theo chu trình pentose phosphate (còn gọi là con đường hexose monophosphate)

Hình 1-19 Chu trình pentose phosphate và vai trò của đường hướng này

Trong quá trình ôxy hoá này, NADP+ là chất nhận điện tử và chuyển thành NADPH Những mô bào phát triển mạnh, như tuỷ xương, da và niêm mạc ruột sử dụng pentose để tổng

hợp RNA, DNA, các coenzyme như ATP, NADH, FADH2, và coenzyme A Ở một sốmô bào

khác, sản phẩm chủ yếu của đường hướng chuyển hoá này không phải là các pentose mà lại là

NADPH cần thiết cho sinh tổng hợp Các mô bào diễn ra sự tổng hợp các acid béo (gan, mô

mỡ, tuyến sữa) hay tổng hợp cholesterol, các hormone steroid (gan, tuyến thượng thận, tuyến 27

sinh dục) cần được cung cấp NADPH từ đường hướng này Ở các sinh vật quang hợp,chu

trình pentose phosphate là cơ chế để tái tạo lại chất nhận CO2 là ribulose21,52bisphosphate

trong chu trình Calvin

Chuỗi các phản ứng của chu trình pentose phosphate xảy ra ở tế bào chất, gồm hai pha:

pha ôxy hoá và pha không ôxy hoá

Pha ôxy hoá tạo ra các pentose phosphate và NADPH:

Trong phản ứng đầu tiên, nhờ enzyme glucose262phosphate dehydrogenase xúc tác, glucose262phosphate bị ôxy hoá thành 62phosphoglucono2δ2lactone; chất nhận điện tửlà