Quá trình chuyển hóa các chất hay còn gọi là quá trình trao đổi chất là đặc trưng của sự sông sinh vật. Sự sống của sinh vật sẽ chấm dứt khi sự trao đổi chất ngừng hoạt động.
Chuyển hóa các chất là tất cả các quá trình hoá học xảy ra trong cơ thể từ khi thức ăn được đưa vào đến khi chất cặn bã được thải ra ngoài. Để nghiên cứu chuyển hóa các chât, cần phải hiểu rỏ các phản ứng trung gian của quá trình chuyển hóa. Các chuyển hóa trung gian này là các phản ứng xảy ra trong từng tế bào, từng mô, bao gồm hai loại phản ứng đồng hóa và dị hóa.
1.2. Đồng hóa và dị hóa
Hai quá trình đồng hóa và dị hóa là 2 quá trình ngược nhau, nhưng lại thô"ng nhất trong một cơ thể, trong mỗi tế bào.
1.2.1. Đồng hóa
Là quá trình biến các phân tử hữu cơ thức ăn (gỉucid, lipid, protid) có nguồn gốc khác nhau (thực vật, động vật, vi sinh vật) thành các phân tử hữu cơ (glucid, lipid, protid) đặc hiệu của cơ thể.
Quá trình này gồm ba giai đoạn :
- Tiêu hoá : thủy phân các đại phân tử (tinh bột, protein, lipid...) đặc hiệu của thức ăn thành các đơn vị cấu tạo không có tính đặc hiệu ( glucose, acid amin, acid b éo ...) dưới tác dụng của các enzym thủy phân trong dịch tiêu hóa.
- Hấp thu : các sản phẩm tiêu hoá cuối cùng được hấp thu qua niêm mạc ruột non vào máu (bởi các quá trình vật lý và hoá học).
- Tổng hợp: máu đưa các sản phẩm hấp thu được đến các mô và được tế bào sử dụng để tổng hợp các đại phân tử có tính đặc hiệu của cơ thể.
Cơ thể sử dụng các đại phân tử này để :
+ Xây dựng tế bào và mô (protein, polysaccarid tạp, phospholipid).
+ Sử dụng cho các hoạt động sống (enzym, acid nucleic, các protein chức năng) + Dự trữ (glycogen, triglycerid).
Các phản ứng tổng hợp cần năng lượng (chủ yếu do ATP cung cấp).
1.2.2. Dị hóa
nhóm...để phân giải các đại phân tử hữu cơ thành các phân tử nhỏ hơn kèm theo sự giải phóng năng lượng. Năng lượng giải phóng ra ở dưới hai dạng :
+ 50% năng lượng ở dạng nhiệt năng (thân nhiệt).
+ 50% năng lượng được tích trữ dưới dạng ATP
Năng lượng được giải phóng ra khi thủy phân ATP (tạo ADP và H3PO4) được tế bào sử dụng cho các lọai công sau :
+ Công cơ học : dùng co duỗi cơ.
+ Công thẩm thấu : vận chuyển tích cực các chất qua màng tế bào , chông lại gradient nồng độ.
+ Công hoá học : tổng hợp các chất.
1.3. Sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng
Thế giới sinh vật được chia làm hai loại dựa theo quá trình trao đổi chất : tự dưỡng (thực vật) và dị dưỡng (động vật).
1.3.1. Sinh vật tự dưỡng (thực vật)
Có khả năng tổng hợp được glucid, lipid, protid đặc hiệu từ CO2, H2O, muôi khoáng chứa nitơ và năng lượng mặt trời (quang hợp).
1.3.2. Sinh vật dị dưỡng (động vật)
Sử dụng thức ăn (glucid, lipid, protid...) từ các sinh vật tự dưỡng để tổng hợp nên những phân tử glucid, lipid, protid đặc hiệu của mình, đồng thời thoái hoá các phân tử đặc hiệu thành các sản phẩm chuyển hoá, các chất thải như CO2, H2O và năng lượng cho cơ thể sử dụng.
Hình 8.1. Sự liên quan của quá trình chuyển hóa giữa sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng
1.4. Phản ứng liên hợp
Quá trình chuyển hóa nhìn chung có 2 loại phản ứng : - Phản ứng tổng hợp : cần năng lượng
141
- Phản ứng thoái hoá : giải phóng năng lượng
Phản ứng liên hợp là sự ghép cặp hai phản ứng tổng hợp và thoái hóa trên nhằm cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp.
Ví dụ : phản ứng tổng hợp glucose 6 phosphat cần 3,3 Kcal xảy ra được khi ghép với phản ứng thủy phân ATP giải phóng 7,3 Kcal
1.5. Đặc điểm của quá trình chuyển hóa các chất
Trong cơ thể sông các quá trình chuyển hóa mang tính thông nhất và riêng biệt. Nhìn chung, ở tất cả mọi sinh vật từ đơn bào, đa bào, thực v ậ t , động vật các con đường chuyển hóa đều trãi qua những giai đoạn tương tự nhau nhưng riêng từng cá thể , từng loài thì có những điểm riêng biệt đặc trưng.
Các phản ứng hóa học trong cơ thể đều chịu sự xúc tác của các enzym, được tiến hành ở 37°c, pH gần trung tính.
Ớ động vật, hệ thông thần kinh điều khiển các quá trình chuyển hóa.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Để xác định các quá trình hóa học xảy ra trong tế bào, cần xác định chính xác các sản phẩm trung gian, các enzym xúc tác cho mỗi phản ứng, cơ chế tác động, điều hòa...N hờ sự ứng dụng của nhiều kỹ thuật phân tích hiện đại (điện di, sắc ký, quang phổ, huỳnh quang, phóng xạ, kính hiển vi điện tử...), việc nghiên cứu thu được nhiều tiến bộ với các phương pháp nghiên cứu khác nhau vừa trên cơ thể sông, vừa trên các cơ quan tách rời.
1.6.1. Phân tích những sản phẩm cuối cùng của chuyển hóa các chất:
Dựa vào việc phân tích các sản phẩm chuyển hóa trong máu, nước tiểu và các dịch cơ thể chúng ta có thể nhận biết được một phần quá trình chuyển hoá trong cơ thể, phát hiện được những rối loạn về chuyển hoá các c h ấ t, góp phần vào việc chẩn đoán, phòng và chữa bệnh.
Ví dụ :
- Phát hiện CƠ2ở cơ thể động v ậ t : xác định nó là sản phẩm thoái hoá cuối cùng của glucid ở động vật.
- Đưa một sô" acid amin ( alanin, glutamat...) vào cơ thể bệnh nhân bị tiểu đường thì thấy tăng lượng glucose trong nước tiểu : các acid amin đó là các tiền chất của glucose.
1.6.2. Dùng cơ quan tách rời, lát cắt mô - Cơ quan tách rời (ví dụ gan, thận) :
Việc phân tích thành phần hoá học của dịch ra khỏi cơ quan giúp nhận biết được tiền chất đã được biến đổi như thế nào ở cơ quan đó.
Ví dụ : nhờ phương pháp này đã xác định được gan là nơi tạo thể ceton, urê - Lát cắt tươi (Warburg 1920) :
Mô động vật được cắt thành lát cắt mõng (dưới 0,4 mm), trong đó đa số các tê bào còn nguyên vẹn. Các lát cắt được đặt trong môi trường muôi chứa một số chất chuyển hoá nhất định, đảm bảo tốc độ khuếch tán oxy và các chất chuyển hoá vào và ra khỏi tế bào. Phương pháp này giúp nghiên cứu sự chuyển hoá của các chất trong một sô" điều kiện nhât định.
Ví dụ : nghiên cứu việc sản xuất acid lactic từ glucose trong điều kiện yếm khí, nghiên cứu chu trình Krebs, chu trình urê.
1.6.3. Phương pháp dùng hệ thống vô bào
- Dùng máy đồng thể hoá nghiền mô làm vỡ các tế bào, ly tâm lây bào dịch. Buchner
lập nhờ siêu ly tâm phân tách, ư ng dụng phương này để nghiên cứu cơ chế sinh tổng hợp protein và vai trò của ribosom, vai trò của ty thể trong sự oxy hóa-khử sinh học...
1.6.4. Phương pháp dùng các chất đồng vị
Người ta đánh dấu chất định nghiên cứu bằng cách thay nguyên tử của nguyên tô" thường bằng nguyên tử của chất đồng vị. Sau đó, theo dõi chuyển hóa của chất được đánh dâu bằng cách tìm chất đồng vị trong các sản phẩm (xác định đồng vị nặng bằng khôi phổ, đồng vị phóng xạ bằng máy đếm).
Ví dụ : nhờ phương pháp đánh dấu acetat bằng đồng vị 14c, người ta có thể kết luận acetat là tiền chất chung của glucid, protid,lipid.
Độ nhạy của phương pháp cao : phát hiện tới 10 17 g.
1.6.5. Phương pháp nghiên cứu dựa vào các khiếm khuyết di truyền
Các thể đột biến mất gen chỉ huy sự sinh tổng hợp một enzym nhất định nào đó sẽ dẫn đến sự tích tụ và bài tiết cơ chất của enzym bị thiếu đó (bình thường không xuất hiện).
Ví dụ :
Sự bài tiết bất thường của acid homogentisic (trong bệnh alcapton niệu). Sự bài tiết tăng khi tăng khẩu phần ăn bằng phenylalanin hay tyrosin (không tăng khi dùng acid amin khác). Do đó có thể kết luận acid homogentisic là sản phẩm chuyển hóa trung gian của chuyển hóa phenylalanin và tyrosin.
1.7. Ý nghĩa của việc nghiên cứu chuyển hóa các c h ấ t:
- Hiểu rõ các quá trình chuyển hóa các chất trong cơ thể từ đó có thể điều khiển hoặc sửa đổi chúng.
- Theo dõi được ảnh hưởng của các dược phẫm và những chất khác tác động lên các quá trình chuyển hóa trong cơ thể.
Phục vụ cho công tác chẩn đoán, phòng và chữa bệnh.