PHẦN 3: CHYỂN HÓA CHƯƠNG 16: TÍCH HỢP CHUYỂN HÓA 1.1 Giới thiệu Sự chuyển hóa năng lượng nói lên: Các chất chuyển hóa carbohydrate, chất béo, protein tích hợp; Các tế bào, mô và cơ quan
Trang 1PHẦN 3: CHYỂN HÓA CHƯƠNG 16: TÍCH HỢP CHUYỂN HÓA 1.1 Giới thiệu
Sự chuyển hóa năng lượng nói lên:
Các chất chuyển hóa carbohydrate, chất béo, protein tích hợp;
Các tế bào, mô và cơ quan phối hợp;
Để đáp ứng nhu cầu nhiên liệu của cơ thể;
Những điều cần thiết cho sự tồn tại
Chuyển hóa là một quá trình liên tục, với hàng ngàn phản ứng, đồng thời xảy ra trong tế bào sống Tuy nhiên, nhà hóa sinh thích trình bày sự trao đổi chất trong hình thức phản ứng và con đường chuyển hóa Điều này được thực hiện vì mục đích thuận tiện trong việc trình bày và hiểu
Trong ba chương trước (13-15), chúng ta đã học được sự chuyển hóa của carbohydrate, lipit và axit amin Bây giờ chúng ta sẽ xem xét toàn bộ cơ quan và tích hợp chuyển hóa với sự tham khảo đặc biệt đến nhu cầu năng lượng của cơ thể
Cung cấp và nhu cầu năng lượng
Các sinh vật có nhu cầu năng lượng thay đổi, do đó nguồn cung (đầu vào) cũng thay đổi như nhau Nhiên liệu trao đổi chất tiêu thụ có thể bị đốt cháy (oxy hóa thành CO2 và H 2 O) hoặc được lưu trữ để đáp ứng các yêu cầu năng lượng theo nhu cầu của cơ thể ATP đóng vai trò là tiền tệ năng lượng của tế bào trong quá trình này (Hình.16.1)
Con người sở hữu năng suất khổng lồ để tiêu thụ thực phẩm Người ta ước tính rằng 1 người có thể tiêu thụ gấp 100 lần yêu cầu cơ bản của chính họ! Béo phì, một rối loạn của tình trạng thừa dinh dưỡng chủ yếu phổ biến trong các xã hội giàu có, chủ yếu là hậu quả của việc tiêu thụ quá mức
Trang 2Hình 16.1: Một bản tóm tắt về cung và cầu năng lượng cơ thể (Lưu ý: ATP đóng vai trò là tiền
tệ năng lượng)
Tích hợp các con đường chuyển hóa chính của chuyển hóa năng lượng
Tổng quan về mối tương quan giữa các con đường trao đổi chất quan trọng, liên quan đến chuyển hóa nhiên liệu được mô tả trong hình.16.2, được mô tả ngắn gọn ở đây Để biết thông tin chi tiết về các con đường trao đổi chất này, người đọc phải tham khảo các chương tương ứng
1 Glycolysis: Sự phân hủy glucose thành pyruvate (lactate trong điều kiện yếm khí) tạo ra 8
ATP Pyruvate được chuyển đổi thành acetyl CoA
2 Fatty acid oxidation Quá trình oxy hóa axit béo: Các axit béo trải qua quá trình phân hủy
liên tiếp với sự giải phóng các mảnh 2 carbon, cụ thể là acetyl CoA Năng lượng bị giữ lại dưới dạng NADH và FADH2
3 Degradation of amino acids Phân hủy axit amin: Các axit amin, đặc biệt là khi tiêu thụ
vượt quá mức cần thiết cho quá trình tổng hợp protein, bị biến chất và sử dụng để đáp ứng nhu cầu nhiên liệu của cơ thể Các axit amin glucogen có thể đóng vai trò là tiền chất
để tổng hợp glucose thông qua việc hình thành pyruvate hoặc các chất trung gian của chu trình axit citric Các axit amin ketogen là tiền chất của acetyl CoA
4 Citric acid cycle Chu trình axit citric: Acetyl CoA là chất chuyển hóa chính và phổ biến,
được sản xuất từ các nguồn nhiên liệu khác nhau (carbohydrate, lipid, axit amin) Acetyl CoA đi vào chu trình axit citric (Krebs) và bị oxy hóa thành CO2 Do đó, chu trình axit citric
là con đường trao đổi chất phổ biến cuối cùng cho quá trình oxy hóa của tất cả các loại thực phẩm Hầu hết năng lượng bị giữ lại dưới dạng NADH và FADH2
5 Oxidative phosphorylation Phosphoryl hóa oxy hóa: NADH và FADH2, được tạo ra trong
các quá trình trao đổi chất khác nhau, cuối cùng bị oxy hóa trong chuỗi vận chuyển điện
tử (ETC) ETC được kết hợp với quá trình phosphoryl oxy hóa để tạo ATP
Trang 36 Hexose monophosphate shunt: Con đường này chủ yếu liên quan đến việc giải phóng
NADPH và đường ribose NADPH được sử dụng để sinh tổng hợp một số hợp chất, bao gồm cả axit béo Ribose là thành phần thiết yếu của nucleotide và axit nucleic (Lưu ý: DNA có chứa deoxyribose)
7 Gluconeogenesis: Sự tổng hợp glucose từ các nguồn không carbohydrate tạo thành
gluconeogenesis Một số hợp chất (ví dụ: pyruvate, glycerol, axit amin) có thể đóng vai trò là tiền chất cho quá trình tạo glucone
8 Glycogen metabolism Chuyển hóa glycogen: Glycogen là dạng dự trữ glucose, chủ yếu
được tìm thấy trong gan và cơ bắp Nó bị phân giải (glycogenolysis) và tổng hợp
(glycogenesis) theo con đường độc lập Glycogen phục vụ hiệu quả như một nguồn dự trữ nhiên liệu để đáp ứng nhu cầu cơ thể, trong một thời gian ngắn (giữa các bữa ăn) Điều tiết quá trình trao đổi chất
Các con đường trao đổi chất, nói chung, được kiểm soát bởi bốn cơ chế khác nhau
1 Sự sẵn có của cơ chất
2 Biến đổi cộng hóa trị của enzyme
3 Quy định phân bổ
4 Điều hòa tổng hợp enzyme
Trang 4Các chi tiết của các quá trình điều tiết này được thảo luận theo các lộ trình trao đổi chất riêng lẻ, trong các chương tương ứng
ORGAN SPECIALIZATION AND METABOLIC INTEGRATION
Cơ quan chuyên biệt và tích hợp chuyển hóa
Gan
Gan là chuyên ngành để phục vụ như là cơ quan thanh lọc trao đổi chất trung tâm Nó xử lý
và phân phối các chất dinh dưỡng cho các mô khác nhau để sử dụng Sau bữa ăn, gan sẽ hấp thụ carbohydrate, lipid và hầu hết các axit amin, xử lý chúng và chuyển đến các mô khác Các chức năng trao đổi chất chính của gan, ở trạng thái hấp thụ, được liệt kê
1 Chuyển hóa carbohydrate: Tăng glycolysis, glycogenesis và hexose monophosphate shunt
và giảm gluconeogenesis
2 Chuyển hóa lipid: Tăng tổng hợp axit béo và triacylglycerol
3 Chuyển hóa protein: Tăng phân giải axit amin và tổng hợp protein
Mô mỡ
Mô mỡ được coi là mô lưu trữ năng lượng 15 kg của triacylglycerol (tương đương 135.000 Cal) được lưu trữ ở một người đàn ông trưởng thành bình thường Các chức năng trao đổi chất chính của mô mỡ ở trạng thái hấp thụ được liệt kê ở đây
1 Chuyển hóa carbohydrate: Sự hấp thu glucose được tăng lên Điều này theo sau sự gia tăng của shunt glycolysis và hexose monophosphate
2 Chuyển hóa lipid: Sự tổng hợp axit béo và triacylglycerol được tăng lên Sự phân giải của triacylglycerol bị ức chế
Cơ xương
Sự chuyển hóa của cơ xương khá thay đổi tùy thuộc vào nhu cầu của nó Ví dụ, cơ bắp nghỉ ngơi của cơ thể sử dụng khoảng 30% lượng oxy tiêu thụ của cơ thể Tuy nhiên, trong quá trình tập luyện vất vả, con số này có thể lên tới 90% Các chức năng trao đổi chất quan trọng của cơ xương ở trạng thái hấp thụ được liệt kê
1 Chuyển hóa carbohydrate: Sự hấp thu glucose cao hơn và tổng hợp glycogen được tăng lên
2 Chuyển hóa lipid: Các axit béo được hấp thụ từ tuần hoàn cũng là nguồn nhiên liệu quan trọng cho cơ xương
Trang 53 Chuyển hóa protein: Kết hợp axit amin thành protein cao hơn.
Não
Bộ não con người chiếm khoảng 2% trọng lượng cơ thể Nhưng nó sử dụng tới 20% lượng oxy mà cơ thể tiêu thụ Là một cơ quan quan trọng, ưu tiên đặc biệt được dành cho nhu cầu trao đổi chất của não
1 Chuyển hóa carbohydrate: Ở trạng thái hấp thụ, glucose là nguồn nhiên liệu duy nhất cho não Khoảng 120 g glucose được sử dụng mỗi ngày bởi một bộ não trưởng thành Điều này cấu thành khoảng 60% glucose được cơ thể tiêu thụ khi nghỉ ngơi Người ta ước tính rằng khoảng 50% năng lượng tiêu thụ của não được sử dụng bởi màng huyết tương Na+ -K+ -ATPase để duy trì tiềm năng màng cần thiết cho việc truyền xung thần kinh
2 Chuyển hóa lipid: Các axit béo tự do không thể vượt qua blood-brain barrier, do đó đóng góp của chúng trong việc cung cấp năng lượng cho não là không đáng kể Hơn nữa, trong trạng thái cho ăn, ketone body hầu như không đáng kể làm nguồn nhiên liệu cho não Tuy nhiên, não chủ yếu phụ thuộc vào ketone body trong thời gian đói kéo dài (chi tiết được đưa ra sau)
Mối tương quan trao đổi chất giữa các mô quan trọng ở trạng thái hấp thụ được đưa ra trong hình.16.3 Các nguồn nhiên liệu tốt nhất được sử dụng bởi các cơ quan quan trọng và các hợp chất xuất ra từ chúng được liệt kê trong Bảng 16.1
Chuyển hóa trong cơn đói
Đói có thể là do khan hiếm thực phẩm hoặc mong muốn giảm cân nhanh chóng hoặc một số điều kiện lâm sàng (ví dụ: phẫu thuật, bỏng, v.v.) Đói là một căng thẳng chuyển hóa trong đó áp đặt một số sự ép buộc chuyển hóa trên sinh vật Sự chuyển hóa được tổ chức lại để đáp ứng nhu cầu mới của cơn đói
Trang 6Glucose là nhiên liệu của sự lựa chọn cho não và cơ bắp Thật không may, dự trữ carbohydrate của cơ thể thấp đến mức nó không thể đáp ứng các yêu cầu năng lượng ngay cả trong một ngày Các kho dự trữ nhiên liệu (hoặc dự trữ năng lượng) của một người đàn ông bình thường
70 kg được đưa ra trong Bảng 16.2 Triacylglycerol (chất béo) của mô mỡ là nguồn dự trữ năng lượng chiếm ưu thế của cơ thể Thời gian sống sót của một cá nhân bị đói hầu hết phụ thuộc vào các chất béo dự trữ của anh ấy / cô ấy Và vì lý do này, những người béo phì có thể tồn tại lâu hơn những người gầy mà không cần tiêu thụ thực phẩm
Protein về cơ bản là một thành phần cấu trúc, chủ yếu hiện diện trong cơ bắp Tuy nhiên, trong quá trình đói, protein cũng có thể đáp ứng nhu cầu nhiên liệu của cơ thể Người ta ước tính rằng khoảng 1/3 protein cơ thể có thể được sử dụng cho nhu cầu năng lượng mà không ảnh hưởng đến các chức năng quan trọng
Đói có liên quan đến việc giảm mức độ insulin và tăng glucagon Những thay đổi chuyển hóa trong quá trình đói được thảo luận với tham chiếu đến các cơ quan / mô quan trọng
Tóm tắt
1 Sự chuyển hóa carbohydrate, lipid và protein được tích hợp để đáp ứng nhu cầu năng lượng
và trao đổi chất của sinh vật Các quá trình trao đổi chất glycolysis, oxy hóa axit béo, chu trình axit citric và phosphoryl hóa oxy hóa có liên quan trực tiếp đến việc tạo ra ATP
Gluconeogenesis, chuyển hóa glycogen, shunt hexose monophosphate và phân giải axit amin cũng liên quan đến chuyển hóa năng lượng
2 Các cơ quan / mô, với các chức năng tương ứng, phối hợp với nhau để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất của sinh vật nói chung Gan chuyên đáp ứng như là cơ quan dọn dẹp trao đổi chất trung tâm Nó xử lý và phân phối các chất dinh dưỡng cho các mô khác nhau để sử dụng Mô
mỡ chủ yếu là một cơ quan lưu trữ chất béo Phần lớn protein cơ thể nằm trong mô cơ
3 Não là một cơ quan chuyên môn, trong tình huống bình thường, phụ thuộc hoàn toàn vào việc cung cấp glucose (120 g / ngày) cho nhu cầu nhiên liệu của nó
4 Đói là một căng thẳng trao đổi chất, vì nó áp đặt một số sự ép buộc trao đổi chất lên sinh vật Chất béo được lưu trữ của mô mỡ và protein cơ bắp bị biến chất và được tận dụng để đáp ứng nhu cầu nhiên liệu của cơ thể Não dần dần thích nghi với việc sử dụng ketone body (thay vì glucose) cho các yêu cầu năng lượng của nó Do đó, đói là liên quan đến tái tổ chức trao đổi chất cho sự sống còn của sinh vật