BÀI GIẢNG CHUYỂN HÓA GLUCID

CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN CỦA GLUCID TRONG TẾ BÀO – Cơ chất chuyển hóa glucid: GLUCOSE – Vai trò của chuyển hóa glucid: • Tạo năng: 60% tổng NL cơ thể, nhờ con đường đường phân HDP • Tạo hìn

CHUYỂN HÓA GLUCID

ThS.BS Hoàng Hiếu Ngọc

ĐẠI CƯƠNG

1 CHUYỂN HÓA GLUCID Ở ĐỘNG VẬT

- Nguồn glucid: thực vật (đa số), động vật

- Tiêu hóa: oligosacarid (OS)→ monosacarid (MS)

- Enzym:  - amylase

- Hấp thụ: sản phẩm tiêu hóa cuối cùng là glucose,

fructose, galactose, pentose được hấp thu qua tế bào niêm mạc ruột

- Glucid dự trữ ở động vật: glycogen

 Gan: 2.5 – 5%

 Cơ: 1 – 3% (chiếm 50% tổng lượng glycogen cơ thể)

2 CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN CỦA

GLUCID TRONG TẾ BÀO

– Cơ chất chuyển hóa glucid: GLUCOSE

– Vai trò của chuyển hóa glucid:

• Tạo năng: 60% tổng NL cơ thể, nhờ con đường đường phân (HDP)

• Tạo hình

ĐẠI CƯƠNG

3 MỘT SỐ THUẬT NGỮ

- Sự lên men: thoái hóa glucid trong điều kiện yếm khí

- Đường phân (glycolysis): thoái hóa glucose tới pyruvat

- HDP, HMP: thoái hóa glucid theo con đường HDP, HMP

- Sự hô hấp: thoái hóa glucid trong điều kiện hiếu khí

- Glycogen phân (glycogenolysis): phân giải glycogen

thành glucose

-Tổng hợp glycogen (glycogenesis): tổng hợp glycogen từ

glucose và MS khác

- Tân tạo glucid (gluconeogenesis):tổng hợp glucose,

glycogen từ những chất không phải glucid như puryvat, lactat, acid amin, glycerol

ĐẠI CƯƠNG

Ba con đường chuyển hóa chính

của glucose trong tế bào

Ba con đường chuyển hóa chính

của glucose trong tế bào

QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN

(CON ĐƯỜNG HDP)

QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN

(GLYCOLYSIS)

ĐẶC ĐIỂM:

• cắt glucose thành 2 phân tử pyruvate/lactate

• Năng lượng được chuyển thành ATP

• quá trình đường phân chuyển thành pyruvate là quá trình oxy hóa nhưng lại không phụ thuộc vào oxy

– Có oxy: glucose → pyruvate

– Không có oxy: glucose → lactate

• Là con đường oxy hóa chính glucose và chuyển hóa các đường khác (galactose, fructose)

• Gồm 2 giai đoạn:

– Pha chuẩn bị

– Pha payoff

QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN –

PHA CHUẨN BỊ

QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN –

PHA PAYOFF

• PHA CHUẨN BỊ:

– Bước (2) đồng phân hóa là quan trọng cho việc phosphoryl hóa

và cắt liên kết C-C ở bước (3) và (4)

– Hai phân tử ATP cần cho giai đoạn này, làm tăng năng lượng tự

do của chuyển hóa trung gian, mạch carbon gồm 6 carbon của đường hexose được chuyển thành sản phẩm chuyển hóa 3 carbon glyceraldehyde 3-phosphate

• PHA PAYOFF:

– Phân tử glyceraldehyde 3-phosphate được phosphoryl hóa từ gốc phosphate vô cơ (không phải từ ATP)

– Năng lượng được bảo tồn trong 4 phân tử ATP.

– Trừ đi 2 phân tử ATP cần cho pha chuẩn bị, 1 phân tử glucose ban đầu tạo ra 2 phân tử ATP

– Năng lượng được bảo tồn qua 2 phân từ NADH được tạo ra từ 1 phân tử glucose

ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG

PHÂN (GLYCOLYSIS)

• Ba điểm quan trọng của quá trình đường phân:

– Thoái hóa mạch carbon của glucose thành

pyruvate

– Phosphoryl hóa ADP thành ATP từ hợp chất

phosphat năng lượng cao được hình thành trong

quá trình đường phân

– Chuyển H + từ NAD + thành NADH

TÓM TẮT QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN (GLYCOLYSIS) – CON ĐƯỜNG HDP

SỐ PHẬN CỦA PYRUVATE

Quá trình đường phângiải phóng một phầnnhỏ năng lượng từphân tử glucose, haiphân tử pyruvate được tạo ra vẫn còn chứa rấtnhiều năng lượng vàphần năng lượng này

sẽ được lấy ra từ chutrình acid citric và

phosphoryl oxy hóa

SỰ TẠO THÀNH ATP TRONG QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN

• Phương trình giải phóng năng lượng:

Glucose + 2NAD+→2 pyruvate + 2NADH + 2H +

∆G’ 1 o = -146 kJ/mol

• Phương trình tạo năng lượng:

2ADP + 2Pi → 2ATP + 2H2O

∆G’ 2 o = 2(30.5 kJ/mol) = 61.0 kJ/mol Tổng năng lượng tự do chuẩn của quá trình đường phân:

∆G’so = ∆G’1 o + ∆G’ 2 o = -146 kJ/mol + 61.0 kJ/mol = -85 kJ/mol Trong điều kiện chuẩn và trong tế bào, quá trình đường phân là quá trình không thuận nghịch, diễn ra theo

hướng làm giảm năng lượng tự do

Từ quá trình này, năng lượng được bảo tồn dưới dạng

ATP với hiệu suất hơn 60%

SỰ TẠO THÀNH ATP TRONG

QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN

TẦM QUAN TRỌNG CỦA CÁC CHẤT

TRUNG GIAN ĐƯỢC PHOSPHORYL HÓA

• Màng tế bào thiếu protein vận chuyển các gốcđường được phosphoryl hóa nên các chất trunggian này không thể ra ngoài tế bào được

• Sau bước phosphoryl hóa đầu tiên thì không

cần thêm năng lượng để giữ lại gốc phosphat

dù nồng độ các chất chuyển hóa trung gian nàychêch lệch rất lớn giữa trong và ngoài màng tếbào

• Các gốc phosphat là thành phần cần thiết để

bảo tồn tính enzym trong năng lượng chuyểnhóa Năng lượng được phóng thích từ những

liên kết phosphoanhydride (ATP) được bảo tồn

1 phần từ việc hình thành liên kết ester

phosphat (Glucose 6-phosphat)

• Những hợp chất phosphat năng lượng cao diphosphoglycerat và phosphoenolpyruvate) cho nhóm phosphat vào ADP tạo ra ATP

(1,3-TẦM QUAN TRỌNG CỦA CÁC CHẤT

TRUNG GIAN ĐƯỢC PHOSPHORYL HÓA

• Năng lượng tạo ra từ việc gắn gốc phosphat

vào vị trí đặc hiệu của enzym làm giảm nănglượng tự do và tăng tính đặc hiệu của phản ứngenzym

• Nhóm phosphat (ADP, ATP, chất trung gian

của quá trình đường phân) kết hợp với Mg2+

giúp gắn kết đặc hiệu với enzym tương ứng Hầu hết enzym của quá trình đường phân đềucần Mg2+ để hoạt động

TẦM QUAN TRỌNG CỦA CÁC CHẤT

TRUNG GIAN ĐƯỢC PHOSPHORYL HÓA

(1) PHOSPHORYL HÓA GLUCOSE

• Trong điều kiện tế bào, đây là phản ứng không thuận nghịch

• Men xúc tác: hexokinase

• Kinase: chuyển nhóm phosphat, transferase

• Hexokinase có ở mọi loại tế bào

– Gan: Hexokinase IV hay glucokinase

(2) Chuyển glucose 6-phosphat

được chuyển thành nhóm alcol

• Phản ứng (4) cắt C-3 và C-4 cần nhóm carbonyl ở C-2

• phosphofructokinase-1 là

enzym điều hòa, đóng vai

trò chính trong quá trình đường phân

• PFK-1 tăng khi lượng ATP

dự trữ tế bào giảm hoặc khi ADP, AMP quá nhiều

• PFK-1 giảm khi tế bào nhiều ATP hoặc acid béo

(4) Cắt Fructose 1,6-diphosphat

• Men xúc tác: fructose 1,6-diphosphat aldolase

• Phản ứng có năng lượng tự do cao theo chiều thuận(tạo ra triose phosphat), nhưng trong tế bào, khi

nồng độ các chất tham gia thấp thì năng lượng tự

do cũng thấp và phản ứng có thể thuận nghịch

(5) Đồng phân hóa triose phosphat

• Chỉ glyceraldehyd được tiếp tục thoái hóa

• Men xúc tác: triose phosphat isomerase

(6) Oxy hóa PGA thành

1,3-diphosphoglycerat

• Men xúc tác: glyceraldehyd

3-phosphat dehydrogenase

• Phản ứng tạo năng lượng đầu

tiên của quá trình đường phân

• Nhóm aldehyd bị oxy hóa với

acid phosphoric → acyl

phosphat

• Năng lượng tự do từ oxy hóa

gốc aldehyd được giữ lại

trong liên kết acyl phosphat

tại C1

• Thể nhận hydro của emzym glyceraldehyd phosphat dehydrogenase là NAD+

3-• Phân tử PGA liên kết cộng hóa trị với enzymdehydrogenase

• Gốc andehyd liên kết với gốc –SH của Cystrong enzym tại vị trí hoạt động

• NAD+ ít trong tế bào, nên nguồn cung cấp sẽ

từ pyruvat

(7) Chuyển phosphat, tạo 1 ATP

(8) Chuyển PGA thành 2-phosphoglycerate

• Men xúc tác: phosphoglycerate mutase

• Một gốc phosphat được gắn vào His của enzym mutase, sau

đó được chuyển vào C2 tạo ra 2,3-diphosphoglycerate

Phản ứng phosphoglycerate mutase

• Enzym mutase được phosphoryl hóa tại Histidine

(9) Khử nước tạo phosphoenolphyruvate

• Men xúc tác: enolase

• 2-phosphoglycerate và PEP có cùng mức tổngnăng lượng, việc mất đi 1 phân tử nước làm táiphân bố lại mức năng lượng trong phân tử,

tăng mức năng lượng tự do của gốc phosphattrong phản ứng thủy phân

(10) Chuyển gốc phosphat từ PEP

PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG TỔNG QUÁT

CỦA QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN

• Phương trình sẽ xem xét đến việc:

– Phân tách mạch carbon 6C

– Chất tham gia Pi và ADP, chất tạo thành ATP

– Đường di của điện tử trong phản ứng oxy hóa-khử

Quá trình đường phân được điều

hòa rất chặt chẽ

• Hiếu khí, 30-32 ATP/glucose

• Yếm khí: 2 ATP/glucose

• Các yếu tố điều hòa quá trình đường phân:

– Mức ATP (sự tạo thành và tiêu thụ)

– Hormon (glucacon, epinephrine, insulin)

– Điều hòa biểu hiện gen tổng hợp enzym

Đặc điểm quá trình đường phân

trong tế bào ung thư

• Mô ung thư có ít oxy vì mạng lưới mạch máu nuôi kém

• Sử dụng glucose nhiều hơn mô bình thường (Warburg effect)

• Quá trình đường phân tạo ra pyruvat → lactat

• Tạo ra ít ATP, sử dụng nhiều ATP

• Sản xuất nhiều enzym (VD: hexokinase)

• Không nhạy cảm với ức chế feedback của G6P

• Hypoxia-inducible transcription factor (HIF-1) hoạt

động tăng → tăng tổng hợp ít nhất 8 enzym của quá trình đường phân → tế bào ung thư tồn tại được trong điều kiện yếm khí

Glucose đưa vào tế bào nhờ

protein vận chuyển đặc hiệu mô

• Protein vận chuyển glucose: GLUT1-GLUT5

• GLUT4: tế bào cơ tim, cơ vân, mỡ; phụ thuộcinsulin

• GLUT2: tế bào gan, ái lực thấp với glucose hơn GLUT4, nhưng có nhiều hơn và cân bằngvới lượng đường trong máu

• GLUT1-GLUT3: HC, não, thận; trong đó

GLUT2 độc lập insulin

Con đường Feeder trong quá trình

đường phân

Glycogen và tinh bột được

gốc phosphat vào C1 tạo ra G1P

• Phosphorylase cắt đến khi còn 4 glucose từ chỗ

phân nhánh thì ngừng (liên kết 1,6-glucosid)

• G1P chuyển thành G6P nhờ

phosphoglucomutase

• Phosphoglucomutase hoạt động cùng cơ chế với phosphoglycerate mutase

PS và DS thức ăn được thủy phân

thành MS

• -amylase thủy phân tinh bột thức ăn

• Tại ruột:

Rối loạn dung nạp lactose

• Thiếu men lactase nên không tiêu hóa được

lactose ở ruột non

• Lactose đến ruột già, vi khuẩn sẽ chuyển thànhchất độc → tiêu chảy và đau bụng (co rút cơbụng)

• Tiêu chảy: nồng độ thẩm thấu trong lòng ruộtcao, nước vào lòng ruột

• Kiểm soát chế độ ăn

Các MS khác đi vào quá trình đường phân như thế nào ?

• Galactokinase chuyểngalactose thành

galactose 1-phosphat

• galactose 1-phosphat chuyển thành G1P

qua một loạt phản

ứng có coenzym là

uridin diphosphat

(UDP)

• Thiếu hụt bất kỳ enzym nào trong chuyển hóa

galactose, tăng galactose máu hoặc chất chuyển hóa trung gian

• Thiếu kinase: đục thủy tinh thể (cải thiện nhờ chế

độ ăn không lactose)

• Thiếu transferase: chậm phát triển, rối loạn ngôn ngữ, thiểu năng tâm thần, suy gan, tử vong sớm

• Thiếu epimerase: triệu chứng như thiếu

transferase nhưng nhẹ hơn khi cải thiện chế độ ăn

SỰ TÂN TẠO ĐƯỜNG (GLUCONEOGENESIS)

• Não cần 120 g glucose/ngày (1/2 tổng lượngglycogen dự trữ trong cơ và gan)

• Nguồn cung cấp không phải lúc nào cũng đầyđủ

 Tiến hóa: sự tân tạo đường từ pyruvat và hợpchất có 3,4 carbon

• Các tiền chất quan trọng cho quá trình này:

– Lactate, pyruvat, glycerol, acid amin

• Động vật có vú: diễn ra tại gan

• Tân tạo đường và đường phân không hoàn toàn là hai quá trình ngược nhau

được nên không dùng

được cho tân tạo đường:

– Glucose → G6P

(hexokinase)

– F6P → F 1,6 DP (PFK-1) – PEP → pyruvate (pyruvat kinase)

(1) Chuyển pyruvat thành PEP cần

2 phản ứng thoát năng

• Pyruvate được chuyển từ bào tương vào ti thể

• Thêm vào gốc  –keto carboxylic acid (phản ứng transaminase)

• Pyruvate carboxylase (coenzym là biotin) chuyển pyruvate thành oxaloacetate:

• Biotin là chất vận chuyển HCO3

-• Pyruvate carboxylase là enzym điều hòa đầu tiên của quá trình tân tạo đường

• Trước khi chuyển ra bào tương, oxaloacetate được

chuyển thành malate nhờ malale dehydrogenase

(1) Tổng hợp PEP từ pyruvate

(a) Quá trình diễn ra ở ti thể

(b) Quá trình diễn ra ở bào

tương

PEP carboxykinase

Vai trò của biotin trong phản ứng

pyruvate carboxylase

• Oxaloacetate được chuyển thành PEP nhờ PEP

carboxykinase:

Oxaloacetate + GTP ↔ PEP + CO 2 + GDP

- phụ thuộc Mg2+

- GTP sẽ chất cho phosphat

- là phản ứng thuận nghịch trong điều kiện tế bào:

Sự hình thành 1 hợp chất phosphat năng lượng

cao (PEP) được cân bằng bằng việc thủy phân 1 hợp chất phosphat năng lượng cao khác (GTP)

Chuyển pyruvat thành PEP cần 2

phản ứng thoát năng

Chuyển pyruvate thành PEP từ những con đường khác

(2) Chuyển F 1,6 DP thành F6P

• Men xúc tác: Fructose 1,6-diphosphatase phụthuộc Mg2+ (FBPase-1) khử gốc phosphat tạiC-1

F 1,6 DP + H2O ↔ F6P + Pi

• Enzym này có ở ER của tế bào gan và thận,

không có ở cơ và não  hai cơ quan này

không có quá trình tân tạo đường

Quá trình tân tạo đường tốn nhiều

năng lượng nhưng cần thiết

• PT phản ứng chung:

2 pyruvate+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H2O → glucose+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+

• Phản ứng tạo đường không phải là phản ứng

nghịch của phản ứng đường phân

• Tổng thay đổi năng lượng tự do của quá trình

đường phân là -63 kJ/mol, tân tạo đường là -16 kj/mol (cùng 1 điều kiện) Do đó, cả hai quá trình này đều không thuận nghịch trong điều kiện tế

bào.

CON ĐƯỜNG PENTOSE

PHOSPHATE (HMP)

Đặc điểm của con đường HMP

• Glucose 6-phosphat được oxy hóa bởi pentose phosphatase

• HMP còn được gọi là con đường

phosphogluconate hay hexose monophosphate

• NADP+ là thể nhận điện tử tạo ra NADPH

• Diễn ra ở tế bào đang phân chia nhanh như tủyxương, da, niêm mạc ruột non do cần cung cấppentose để tạo DNA, RNA, coenzym như ATP, NADH, FADH2, coenzym A

Giản đồ con đường HMP

Giai đoạn oxy hóa trực tiếp tạo ra pentose phosphate và NADPH

(1) G6P bị oxy hóa thành

6-phosphoglucono-δ-lactone nhờ glucose 6-phosphat dehydrogenase (G6PD) và tạo phân tử NADPH thứ nhất

(2) Lactone bị thủy phân nhờ lactonase thành acid

6-phosphogluconat

(3) 6-phosphogluconat bị oxy hóa và khử carboxyl

thành ketopentose ribulose 5-phosphat nhờ

6-phosphogluconat dehydrogenase và tạo phân tử NADPH thứ hai

(4) Phosphopentose isomerase chuyển ribulose

5-phosphat thành ribose 5-5-phosphat

Giai đoạn không oxy hóa tạo G6P

• Sau đó sẽ có sự tái sắp xếp mạch carbon,

đường phosphat 6C được chuyển thành đườngphosphat 5C để tiếp tục được oxy hóa để tạo raNADPH

• Tiếp tục quá trình này là G6P được chuyển

thành 6 phân tử CO2

• Hai enzym duy nhất hoạt động trong giai đoạn

này là transketolase và transaldolase

Giai đoạn không oxy hóa tạo G6P

từ pentose phosphat

Giai đoạn không oxy hóa tạo G6P

từ pentose phosphat

• Transketolase xúc tác chuyển 2C từ keto chosang aldose nhận

Chuyển C1 và C2 của xylulose 5-phosphat

thành ribose 5-phosphat, tạo ra sản phẩm trunggian có 7C sedoheptulose 7-phosphat và

glyceraldehyde 3-phosphat

• Transaldolase lấy đi 3C của sedoheptulose

7-phosphat, kết hợp với glyceraldehyd 3-phosphat tạoerythrose 4-phosphat và F6P

• Transketolase xúc tác tạo ra glyceraldehyd 3-phosphat

và F6P từ erythrose 4-phosphat và xylulose 5-phosphat

• Hai phân tử PGA tạo thành F 1,6-diphosphat trong quá trình tân tạo đường

• Cuối cùng, FBP-1 và phosphohexose isomerase chuyển

F 1,6-diphosphat thành G6P

• Quá trình hoàn tất: 6 pentose phosphat → 5 hexose

phosphat

Vai trò của TPP

• Transketolase cần coenzym là thiamine pyrophosphat (TPP) để ổn định cấu trúc hai carbon tích điện âm trong phản ứng

• TPP :

– dẫn xuất của vitamin B1

– vai trò quan trọng trong việc cắt liên kết gần kề nhóm

carbonyl (như khử carboxyl của  –keto acid)

– tái sắp xếp cấu trúc hóa học: chuyển nhóm acetaldehyde hoạt hóa từ 1 nguyên tử carbon sang nguyên tử carbon khác

– Vòng thiazolium trong cấu trúc có proton đặc tính acid tương đối ở C2 Mất proton này tạo ra điện tích âm trong cấu trúc –

là gốc hoạt động của phản ứng phụ thuộc TPP

Hội chứng Wernicke-Korsakoff

• Di truyền

• Thiếu men transketolase → giảm ái lực với TPP còn 1/10

• Người mang gen bệnh nếu thiếu thiamin sẽ bị

giảm lượng TPP trầm trọng → con đường pentose phosphat bị giảm trầm trọng

• Triệu chứng: mất trí nhớ nặng, rối loạn tâm thần, liệt một phần

• Người nghiện rượu cũng bị những triệu chứng

này vì rượu làm giảm hấp thu vitamin

Tại sao ông Pythagore không nên

cho học trò của mình ăn đậu?

• Favism

– thiếu máu di truyền do ăn phải đậu fava (divicine),

primaquine, sulfa antibiotics

– Hồng cầu vỡ trong 24 – 48h

– Thiếu men glucose 6-phosphat dehydrogenase (G6PD) – Giảm NADPH nên không khử được độc tính của

• G6PD xúc tác bước 1 của con đường pentose

phosphat tạo NADPH, NADPH giúp:

– Bảo vệ tế bào khỏi các gốc oxy hóa (từ thuốc hoặc

chất divicine)