Trao đổi chất và năng lượng 5

Trao đổi chất và năng lượng

CHƯƠNG 5 : TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I Ý NGHĨA SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

II SỰ TRAO ĐỔI CHẤT

III TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG

IV NGUYÊN TẮC LẬP KHẨU PHẦN

1 Khái niệm:

Trao đổi chất và năng lượng là một qúa trình mà kết qủa cung cấp cho cơ thể những chất dinh dưỡng cần thiết cơ thể cần hấp thu và kèm theo là sự biến đổi năng lượng dưới nhiều dạng: nhiệt năng, hóa năng, động năng, điện năng

Ý nghĩa: Trao đổi chất và năng lượng là đặc điểm của cơ thể sống khác nhau cơ bản giữa sinh vật

và không phải sinh vật

2 Qúa trình trao đổi chất và năng lượng:

Gồm 2 qúa trình đồng hóa và dị hóa

- Ðồng hóa là tổng hợp những chất sống đặc trưng từ những chất dinh dưỡng được hấp thu, hoặc từ các sản phẩm phân hủy của các chất sống Quá trình này tích lũy năng lượng

- Dị hóa là qúa trình phân hủy một phần chất sống, nhằm thu hồi năng lượng hóa học chứa trong đó để sản xuất công hoặc để tổng hợp chất mới

Ðồng hóa và dị hóa có quan hệ mật thiết Chúng thay đổi trong các điều kiện: tuổi, đói, no,bệnh và không bệnh

3 Chức năng của trao đổi chất và năng lượng:

Hai chức năng: kiến tạo và cung cấp năng lượng

Kiến tạo: là qúa trình xây dựng và đổi mới chất sống

- Khi cơ thể đang lớn hoặc đang phục hồi sau khi bệnh, khi đói, lúc này đồng hóa vượt dị hóa, trao đổi có lãi, cơ thể lên cân

này chỉ đổi mới chất sống

- Khi cơ thể về già hoặc đang sút cân, lúc này dị hóa vượt đồng hóa, trao đổi bị lỗ, cơ thể xuống cân

Cung cấp năng lượng:

Chất sống bị phân hủy sẽ giải phóng năng lượng để tiêu dùng trong việc tạo chất sống mới hoặc sản xuất công cho các hoạt động sống

Có 2 loại chất cơ thể trao đổi với môi trường:

- Chất kiến tạo và cho năng lượng: protid, glucid, lipid

- Chất chỉ dùng để kiến tạo: nước, muối khoáng, vitamin

1 Sự trao đổi protid:

Protid chứa: C, H, O, N, S, P Ðơn vị cấu trúc là acid- amin (aa) Cơ thể người và động vật bậc cao có 20 aa đều chứa nhóm amin (-NH2) và nhóm cacboxyl (- COOH), các aa chỉ khác nhau ở mạch bên Trong phân tử protid các aa nối với nhau bằng liên kết peptid

1.1 Giá trị sinh học của protein:

Trong số 20 loại aa có 15 loại aa có thể thay thế lẫn nhau hoăc do cơ thể tự tổng hợp Các

aa còn lại lấy từ thức ăn hàng ngày, cơ thể không tự tổng hợp gọi là aa không thay thế, gồm: lơxin, izolơxin, valin, methionin, lizin, treonin, phenilalanin, histamin, acginin, triptophan

Mỗi aa có một tác dụng đặc trưng VD: khi chuột có thai không nhận được triptophan sau

14 ngày thai sẽ tiêu biến Heo thiếu valin, mất thăng bằng Tất cả động vật thiếu lizin thì ngừng lớn và sút cân Methionin tăng khả năng bảo vệ của gan

Protein quí có chứa đủ 10 loại aa không thay thế, thường protein động vật thuộc loại này (Trừ lòng trắng trứng và keo da, thiếu triptophan và tirozin) Protein không chứa đủ 10 loại aa

là protein không qúi, các protein thực vật thuộc nhóm này (trừ khoai tây và một vài loại đậu) Tuy nhiên, nếu trong khẩu phần ăn biết kết hợp 2 loại protein không qúi thì có thể thay được 1 protein qúi VD bột mì nghèo lizin ăn với đậu tương giàu lizin

Giá trị của protein còn được tính bằng % hấp thu và sử dụng của cơ thể Protein động vật hấp thu 95%, trong khi đó protein của ngô 60%, protein men bánh mì 67%

Giá trị chung của protein:

- Tham gia xây dựng tổ chức mới;

- Giữ cân bằng về đạm cho cơ thể;

- Là thành phần sinh năng lượng: 1gram protein cho 4,1 Kcalo;

- Là nguyên liệu tạo Hb, chất đường và mỡ

1.2 Thăng bằng chi thu protein:

Chỉ có protein chứa nitơ, con đường sa thải sản phẩm phân hủy của protein là nước tiểu, nên người ta thường đánh giá cường độ trao đổi protein của cơ thể bằng lượng nitơ chứa trong nước tiểu Cứ 6,25 g protein có 1g nitơ, vì vậy chỉ cần nhân lượng nitơ trong nước tiểu mỗi ngày với 6,25 sẽ có được lượng protein trao đổi trong ngày đó

Ở người trưởng thành bình thường, không có sự tích lũy protein, protein thừa không được dự trữ mà bị phân hủy thành glucid hay lipid, một lượng nhỏ bị phân hủy ở gan, vì vậy thăng bằng thu chi protein có các dạng: trao đổi tương đương- N lấy vào và thải ra như nhau, trao đổi dương- N lấy vào nhiều hơn thải ra, trao đổi âm- N lấy vào ít hơn thải ra

1.3 Sự trao đổi protein:

Lượng protein tối thiểu với mỗi kg cơ thể trong 24 của người, heo, cừu là 1g; của trâu ,

bò là 0,8 g, của ngựa là 0,7- 0,8 g

Protein được tổng hợp từ các tế bào, ở gan, sau đó được thu nhận vào máu Cơ thể không

có kho thu nhận protein, nên protein ở tế bào chất vừa được coi là protein chức năng và protein

dự trữ

Tổng hợp protein:

Phân hủy protein: Xảy ra ở gan

1.4 Ðiều hòa trao đổi protein:

Chụi sự tác động của hormone tuyến nội tiết

- GH của tuyến yên gây tích lũy protein trong các tổ chức

- Cortisol và ACTH của tuyến thượng thận, phân hủy aa , tích lũy đường

- Insulin của tuyến tụy nội tiết, ngăn cản qúa trình tách amin, tích lũy protein trong tế bào

- Thyroxin của tuyến giáp tăng chuyển hóa aa

2 Sự trao đổi glucid

2.1 Giá trị sinh học của glucid:

- Nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho cơ thể: 1g glucid cho 4,1 Kcal

- Ðược dự trữ với khối lượng lớn trong cơ thể dưới dạng glycogen trong gan và cơ

- Tham gia vào một số thành phần cấu tạo cơ thể như: glycolipid tham gia cấu tạo tổ chức thần kinh và chất cốt giao của xương, tổng hợp mucoprotein, glucoprotein

2.2 Trao đổi đường:

Ðường được thu nhận vào máu dưới dạng glucoz, trong máu glucoz chiếm 0,08- 0,12%, còn lại sẽ bị biến đổi thành glycogen Thức ăn đường được biến đổi thành đường đơn (đa số động vật( và acid béo (động vật nhai lại( , sau đó được mao mạch ruột non hấp thu đưa vào tĩnh mạch cửa gan vào gan, 2/3 dự trữ trong gan, 1/3 dự trữ trong cơ dưới dạng glycogen

Tại gan:

Nếu chúng ta ăn qúa nhiều đường ( 100 - 200 g/24 giờ) thì gan sẽ không kịp biến đổi

glucoz thừa thành glycogen , máu sẽ tăng tỉ lệ đường gọi là hiện tượng thừa đường do ăn uống

Tỷ lệ đường trong máu lên đến 0,15- 0,18% thì phần glucoz thừa sẽ được thải theo đường thận

ra ngoài gọi là tiểu đường do ăn uống

Sự phân hủy glucid trong cơ thể tiến hành bằng chu trình Kreps, giải phóng năng lượng

và cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O

2.3 Ðiều hòa trao đổi glucid:

- Insulin làm tăng tính thấm với glucoz, gây hạ đường huyết

- Cortisol làm giảm sử dụng glucoz, gây tăng đường huyết

3 Sự trao đổi lipid:

3.1 Gíá trị sinh học của lipid: C, H, O

- Là thành phần quan trọng trong cấu trúc màng tế bào và tế bào chất, có nhiều trong mô thần kinh và tuyến thượng thận

- Là nguồn cung cấp năng lượng khá lớn, khi cơ thể thiếu đường: 1g lipid cho 9,3 Kcal

- Lớp mỡ dưới da có tác dụng chống lạnh, mỡ quanh ruột và thận có tác dụng chống va chạm

- Hòa tan một số vitamin như A, D, E

3.2 Trao đổi lipid:

Lipid được biến đổi qua đường tiêu hóa thành Glycerin và acid béo Nhung mao ruột hấp thu và tổng hợp thành mỡ trung tính

Mỡ đã được tổng hợp, phần lớn được đưa vào hệ bạch huyết và đưa vào kho dự trữ ở lớp

mỡ dưới da hay màng bụng Một phần nhỏ, dưới dạng acid béo được đưa vào máu đến gan, tại gan sẽ có cả 2 con đường : đồng hóa để tạo triglycerid và photpholipid, tham gia vào chức năng các tế bào gan hoặc được vận chuyển ra khỏi gan; dị hóa acid béo chủ yếu bằng phản ứng (- oxyt hóa, những mẩu acetyl CoA bị thiêu đốt trong chu trình acid citric cung cấp năng lượng cho hoạt động của tế bào gan

Các tế bào sử dụng mỡ do máu đem đến hoặc tự tổng hợp chất mỡ cho mình, nhưng có một số acid béo cơ thể cần mà không tự tổng hợp được như linoleic, vì vậy động vật không ăn

mỡ lâu ngày sinh bệnh: chậm lớn, đẻ khó và lở loét dạ dày

3.3 Ðiều hòa chuyển hóa lipid:

- Insulin: bình thường gây tích mỡ, khi chuyển hóa đường phân hủy mỡ

- Cortisol: tăng huy động mỡ

4 Trao đổi nước, muối khoáng và vitamin:

Vai trị của nước:

- Là dung mơi hịa tan của nhiều chất dưới dạng keo, phân tử va ìion

- Tham gia phản ứng thủy phân trong cơ thể

- Vận chuyển các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trung gian trong qúa trình trao đổi chất

- Ðiều hịa nhiệt độ cơ thể

Nước trong cơ thể: Dưới dạng hịa tan các chất khác hoặc dạng kết hợp Trong cơ thể người mỗi cơ quan cĩ tỷ lệ nước khác nhau: men răng- 3%, xương- 20%, tụy - 78%, não-86%, huyết tương- 92%

Cơ thể nhận nước từ thức ăn và phản ứng oxyt hĩa chất sống, nguồn nước chủ yếu do ăn uống 100g glucid cĩ 55 ml nước, 10g lipid cĩ 107 ml nước

4.2 Trao đổi muối khống:

Vai trị của khống:

- Kiến tạo một số chất: Fe cho sự tạo Hb, Ca cần cho tạo xương

- Ơøn định nội mơi, cân bằng áp xuất thẩm thấu của máu và nội mơi

- Là chất xúc tác cho các phản ứng hĩa học

- Cĩ ảnh hưởng đến qúa trình hưng phấn của hệ thần kinh

Khống trong cơ thể:

-Yếu tố đại lượng: Na+,K+, Ca++, Mg++, Cl-, SO42-, HCO3-, HPO42-

- Yếu tố vi lượng: Cu, Fe, Zn, I, Br, Cb

Vài ví dụ về trao đổi khống:

- Trao đổi Na+: Na+ vào cơ thể chủ yếu dưới dạng NaCl, Na cĩ nhiều trong thức ăn động vật Mỗi ngày 1 người cần 10- 15g Na; heo - 5- 10g; bị 5- 7g; cừu 7- 15g

Khi ăn nhiều muối, Na tích lũy dưới da, lượng muối qúa dư gây chứng sốt do muối Muối cịn làm tăng tính hưng phấn của cơ và thần kinh (Cơ sở của biện pháp uống nước mắm trước khi làm việc ở chỗ lạnh(

- Trao đổi K+: Làm tăng hưng tính của hệ thần kinh và hoạt tính của nhiều loại men, nĩ cũng cần cho hoạt động của tim,nhưng nếu nhiều qúa lại kìm hãm

- Ca và P cần cho sự tạo xương và hoạt động của hệ thần kinh và cơ Mỗi lít sữa động vật

có khoảng 1,6g Ca Thai người vào tháng thứ 3 mỗi ngày lấy của cơ thể mẹ 30g Ca Người lớn

1 ngày cần 0,6- 0,8g Ca; 1- 2g P

- Fe: Ở người có chừng 3g Fe thường ở dạng hóa trị 2 trong cơ thể, Fe chứa chủ yếu trong huyết cầu tố, trong enzym hô hấp và globin của cơ

Ở gan: Fe từ hồng cầu chết được chất chuyên chở Tranferin đưa đến tủy đỏ của xương để tổng hợp Hb mới

4.3 Trao đổi vitamin:

Vai trò của vitamin: Một người 1 ngày cần vài mg vitamin

- Không thể thiếu trong enzym tiêu hóa và hormone;

- Có vai trò quan trọng trong điều tiết trao đổi chất

Loại vitamin: Người và động vật cần khoảng 16- 18 loại vitamin và được chia thành 2 nhóm chính:

- Nhóm hòa tan trong dầu: A, D, E, K

- Nhóm hòa tan trong nước: B1, B2, B3, B4, B5, B6, B12, C, PP

Một số ví dụ trao đổi vitamin:

Hầu hết vitamin lấy từ nguồn thức ăn thực vật, chỉ có vài loại được tổng hợp trong cơ thể người và động vật như VTM A và VTM C

- Vitamin A: VTM tăng trưởng

Ðộng vật thiếu VTM A sẽ ngừng lớn và hỏng màng cứng của mắt Người thiếu VTM A đầu tiên khô giác mạc, sau đó mô bì và màng nhầy các đường hô hấp,bàng quang và ruột sẽ bị hủy hoại

Bệnh thiếu VTM A rõ nhất là chứng quáng gà do sắc tố Rhodopsin của tế bào que không được tạo thành đầy đủ vì thiếu nguyên liệu là VTM A

VTM A có trong mỡ động vật, sữa, lòng đỏ trứng, gan, thận, các rau qủa có màu vàng hoặc đỏ như: cà rốt, cà chua, rau dền, ớt, bắp vàng Mỗi ngày một người cần khoảng 1- 2 mg VTM A (3- 5 mg carotin(

- Vitamin D: VTM chống còi xương

VTM D hình thành từ ergosterin của lúa mạch và từ cholesterin chứa trong da người dưới

Thiếu VTM D, trao đổi Ca bị biến loạn, Ca bị đào thải khỏi xương, gây chứng còi xương Xương trở nên mềm và dễ uốn

Nhu cầu VTM D: ngày trẻ em đang bú cần 0,01- 0,02 mg, trẻ trên 10 tuổi cần 0,015-0,025 mg, người lớn 0,015-0,025

- Vitamin E: VTM sinh đẻ

Ðộng vật cái thiếu nhiều VTM E trong lúc mang thai thì thai chết lưu

Ðộng vật đực thiếu VTM E thì tinh hoàn thoái hóa, ting trùng không có khả năng vận động và chết sớm

Thiếu VTM E trầm trọng sẽ mất khả năng sinh đẻ và thoái hóa cơ, do sự phân hủy các tơ

cơ

VTM E có nhiều trong: xà lách, thóc đang nảy mầm, giá và dầu thực vật

- Vitamin K: VTM chống chảy máu

VTM K cần cho việc tổng hợp prothrombin ở gan, vì vậy cần cho sự đông máu

VTM K có nhiều trong: xà lách, cà, đậu tương, rau dền, gan heo vi khuẩn sống trong ruột già cũng có khả năng tổng hợp VTM K

- Vitamin B1: Chống bệnh tê phù

Thiếu VTM B1 người mệt mỏi, ăn mất ngon, tim đập nhanh, chân tay mất khả năng nhận cảm và vận động, người bệnh gầy rạc và chết do tê liệt

Nhu cầu VTM B1: 1 ngày người lớn cần 2- 3 mg, trẻ đang bú cần 0,2 mg, trẻ em 7- 14 tuổi cần 1,5 mg

VTM B1 có nhiều trong: men rượu, phôi các loại lúa mì, lúa mạch, đậu tương, cám gạo, gan, tim, óc động vật VTM B1 là thành phần của Co- carboxidase có tác dụng phân hủy glucid ở não, vì vậy khi thiếu B1 sản phẩm trao đổi trung gian tích tụ nhiều trong tế bào thần kinh gây rối loạn ở não

- Vitamin B12: chống thiếu máu

VTM B12 tham gia trao đổi nhiều chất, đặc biệt là acid nucleic và nó cũng cần cho sự tạo máu

Thiếu VTM B12 việc sản sinh hồng cầu bị biến loạn, thiếu máu và chức năng thần kinh

bị biến loạn

VTM B12 có nhiều trong gan, thận của động vật và chỉ được hấp thu trong dạ dày, khi có mặt mucoprotein do tuyến dạ dày tiết ra

- Vitamin C: Chống hoại huyết

VTM C làm tăng tính miễn dịch và khả năng chống bệnh truyền nhiễm VTM C cũng cần cho sự hình thành các chất hữu cơ trong xương, giữ cho răng lợi khỏi bị chảy máu và hư hỏng, giúp cho sự hấp thu của đường ruột

1 ngày người lớn cần 50- 65 mg VTM C

VTM C có nhiều trong trái cây vùng nhiệt đới: chanh, cam, quít, bưởi, bắp cải, cà chua, hành

1 Các dạng năng lượng chủ yếu:

- Hóa năng: chứa trong những chất kiến tạo như protein, chất dự trữ như glycogen, chất giàu năng lượng như GTP, UTP, ATP

- Ðộng năng: là năng lượng của sự chuyển động như co cơ, chuyển vận khí trong đường

hô hấp, vận chuyển thức ăn trong ống tiêu hóa, vận chuyển vật chất qua màng tế bào

- Ðiện năng: năng lượng phát sinh dòng điện sinh học

- Nhiệt năng: phản ứng sinh nhiệt

2 Chuyển hóa năng lượng:

Năng lượng vào cơ thể dưới dạng hóa năng được chứa trong thức ăn Chuyển hóa năng lượng kèm theo chuyển hóa các chất hấp thu diễn theo 3 bước và ở 3 khu vực tế bào: tế bào chất, ty thể và các bào quan khác

Hóa năng chứa trong thức ăn, phần lớn được biến đổi thành hóa năng chứa trong các chất chuyển hóa trung gian, phần ít hơn chuyển thành năng lượng ATP cùng với quá trình oxyt hóa hoàn toàn tạo CO2 và H2O

3 Các phương pháp đo tính trị số trao đổi năng lượng:

3.1 Ðo tính trực tiếp: là cách tính giá trị calo của thức ăn được hấp thụ

Ðể tính nhiệt lượng chứa trong mỗi loại thức ăn, người ta đốt chúng trong thiết bị calo kế hay Bom- Berthelot (hình 5.1) Tuy nhiên, vì sản phẩm cuối cùng sau khi chuyển hóa thức ăn trong cơ thể động vật không giống hoàn toàn như sự đốt thức ăn trong calo kế, đưa đến sai số lớn trong trị số tính được

Nhiệt năng được tính Kcal, 1Kcal= nhiệt lượng để nâng nhiệt độ của 1 lít nước lên 1oC hoặc tính bằng Kilojun (1 Kcal= 4,185 kj) Trị số tính bằng Kcal của 1g thức ăn: glucid- 4,1, protein- 4,1, lipid- 9,5

Ðể tính trực tiếp lượng nhiệt cơ thể giải phóng, người ta để người thí nghiệm trong phòng calo kế và tính toán dựa trên: Q là năng lượng được giải phóng, V là khối lượng nước đưa qua

Q = V (t2 - t1)

Hình 5.1 Sơ đồ phòng Calo kế

3.2 Ðo tính gián tiếp:

Tính bằng tương đương nhiệt của oxy:

Ðối tương thí nghiệm thở vào một cái túi (túi Haldane- Douglass) hoặc phòng thở (phòng saternicov), sau đó phân tích khí thở ra

Sự oxyt hóa khác nhau ở mỗi loại thức ăn cần những lượng oxy khác nhau và phóng thích nhiệt cũng khác nhau

Ví dụ oxyt hóa glucoz:

C6H12O6 + 6O2 = 6 CO2 + 6H2O + 677 Kcal

Theo qui luật Avogadro, thể tích 1 phân tử khí là 22,4 lít, 1 lít oxy tiêu dùng để oxyt hóa glucoz sẽ giải phóng năng lượng là: 677/6 x 22,4 = 5,05 Kcal- Ðây là đương lượng nhiệt của oxy (giá trị sinh nhiệt của oxy(

Theo cách tính trên, protein là 4,46 Kcal; lipid là 4,74 Kcal

Ðể dễ tính toán người ta thường lấy trị số 4,825 Kcal làm đương lượng nhiệt của oxy cho một bữa ăn hỗn hợp, lúc đó:

Trao đổi năng lượng = Số lít oxy đã tiêu dùng x 4,825 Kcal

Tính gián tiếp qua thương số hô hấp:

Ðó là thể tích khí CO2 bị thải và O2 lấy vào Thương số hô hấp phụ thuộc loại thức ăn được oxyt hóa