Sự giải phóng năng lượng từ Glucose cho cơ thể theo con đường đường phân

2022-08-02 01:32 PM

Cách quan trọng nhất để giải phóng năng lượng từ glucose là khởi động con đường đường phân, sản phẩm cuối cùng sau đó được oxy hóa để cung cấp năng lượng.

Biên tập viên: Trần Tiến Phong

Đánh giá: Trần Trà My, Trần Phương Phương

Vì sự oxy hóa hoàn toàn 1 mol glucose giải phóng ra 686,000 calo và chỉ cần 12,000 calo để tổng hợp nên 1 mol ATP, năng lượng có thể bị lãng phí nếu glucose bị phân hủy toàn bộ thành nước và CO2 trong khi chỉ tạo ra một phân tử ATP. May mắn là, tế bào trong cơ thể chứa những enzym đặc biệt làm cho phân tử glucose chia cắt từng phần nhỏ trong một thời điểm và qua nhiều bước liên tiếp, vì thế năng lượng được giải phóng ra thành từng phần nhỏ để tạo nên một phân tử ATP tại một thời điểm, do đó mỗi mol glucose được tế bào chuyển hóa tạo ra tổng cộng 38 mol ATP.

Đường phân (Glycolysis) - Glucose thành Pyruvic Acid

Cho đến nay cách quan trọng nhất để giải phóng năng lượng từ glucose là khởi động con đường đường phân. Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân sau đó được oxy hóa để cung cấp năng lượng. Đường phân nghĩa là chia cắt một phân tử glucose để tạo thành hai phân tử pyruvic acid.

Đường phân xảy ra bởi 10 phản ứng hóa học liên tiếp. Mỗi bước được xúc tác bởi ít nhất một enzym đặc hiệu. Chú ý rằng ban đầu, glucose được chuyển thành fructose-1,6-diphosphate và sau đó chia thành hai phân tử có 3-carbon , glyceraldehyde-3-phosphate, chúng sẽ được chuyển thành pyruvic acid thông qua 5 bước nữa.

Chuỗi các phản ứng hóa học gây ra quá trình đường phân

Hình. Chuỗi các phản ứng hóa học gây ra quá trình đường phân.

Sự tạo thành ATP trong quá trình đường phân. Mặc dù có nhiều phản ứng hóa học trong quá trình đường phân, chỉ có một phần nhỏ năng lượng tự do trong phân tử glucose được giải phóng tại hầu hết các bước. Mặc dù vậy, trong giai đoạn giữa 1,3-diphosphoglyceric acid và 3-phosphoglyceric acid, và giai đoạn giữa phosphoenolpyruvic acid và pyruvic acid, một phần của năng lượng được giải phóng lớn hơn 12,000 calo mỗi mol, số lượng cần thiết để tổng hợp nên ATP, và phản ứng tổng hợp ATP được hình thành. Do đó, tổng cộng 4 mol ATP đã được tạo ra từ 1 mol fructose-1,6-diphosphate được phân chia thành pyruvic acid.

Tuy nhiên, cần 2 mol ATP để phosphoryl hóa glucose ban đầu thành fructose-1,6-diphosphate trước khi quá trình đường phân bắt đầu. Do đó, số lượng thực tế thu được của cả quá trình đường phân chỉ là 2 mol ATP cho mỗi mol glucose được sử dụng. Số lượng này tương đương 24000 calo đã được chuyển thành ATP, nhưng trong quá trình đường phân, tổng cộng có 56,000 calo đã mất từ phân tử glucose ban đầu, thành ra hiệu suất của toàn bộ quá trình tổng hợp ATP chỉ là 43%. 57% năng lượng còn lại mất đi dưới dạng nhiệt.

Chuyển hóa Pyruvic Acid thành Acetyl Coenzyme A

Giai đoạn tiếp theo trong sự thoái hóa của glucose là chuyển hóa qua hai bước của hai phân tử pyruvic acid thành hai phân tử acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) bằng các phản ứng sau:

Pyruvic acid thành hai phân tử acetyl coenzyme A

Hai phân tử CO2 và 4 nguyên tử hydro được giải phóng từ phản ứng này, trong khi phần còn lại của hai phân tử pyruvic acid liên kết với coenzyme A, là một dẫn xuất của vitamin B5 (pantothenic acid), để tạo thành hai phân tử acetyl-CoA. Trong chuyển hóa này, không có ATP nào được tạo ra, nhưng tới 6 phân tử ATP sẽ được tạo thành khi 4 nguyên tử hydro vừa giải phóng được oxy hóa sau đó và sẽ được đề cập sau đây.

Chu trình Citric Acid (Chu trình Krebs)

Giai đoạn tiếp theo của quá trình thoái hóa glucose gọi là chu trình citric acid (còn được biết dưới cái tên chu trình tricarboxylic acid hoặc chu trình Krebs nhằm vinh danh Hans Krebs - người đã khám phá ra chu trình này). Chu trình citric acid là một chuỗi các phản ứng hóa học trong đó phần acetyl của phân tử acetyl-CoA được thoái hóa thành CO2 và nguyên tử Hydro. Tất cả những phản ứng này đều xảy ra ở trong chất nền của ty thể. Sự giải phóng nguyên tử hydro làm tăng thêm số lượng nguyên tử sẽ bị oxy hóa, giải phóng ra một năng lượng cực lớn để hình thành nên ATP.

Phản ứng hóa học của chu trình axit xitric

Hình. Phản ứng hóa học của chu trình axit xitric, cho thấy sự giải phóng khí cacbonic và một số nguyên tử hydro trong chu trình.

Các giai đoạn khác nhau của các phản ứng hóa học trong chu trình citric acid. Ở bên trái là các chất tham gia thêm vào phản ứng, còn sản phẩm của phản ứng được thể hiện ở bên phải. Chú ý rằng vị trí cao nhất trong sơ đồ là nơi chu trình bắt đầu với oxaloacetic acid, và khi chuỗi phản ứng kết thúc, oxaloacetic acid được tái tổng hợp một lần nữa. Do đó chu trình có thể được lặp lại nhiều lần.

Trong giai đoạn khởi đầu của chu trình citric acid, acetyl-CoA gắn với oxaloacetic acid tạo thành citric acid. Phần coenzyme A của acetyl-CoA được giải phóng và tái sử dụng nhiều lần để tổng hợp thêm một số lượng lớn acetyl-CoA từ pyruvic acid. Còn lại, toàn bộ phần acetyl được sử dụng để tạo nên phân tử citric acid. Trong các giai đoạn kế tiếp của chu trình citric acid, có rất nhiều phân tử nước tham gia vào quá trình, trong khi carbon dioxide và nguyên tử hydro được giải phóng ra ở các giai đoạn khác.

Kết quả cuối cùng của toàn bộ chu trình citric acid được giải thích, chứng minh rằng với mỗi phân tử glucose ban đầu sau khi được chuyển hóa ra được hai phân tử acetyl-CoA sẽ đi vào chu trình citric acid cùng với 6 phân tử nước. Những phân tử này sau đó sẽ thoái hóa thành 4 phân tử carbon dioxide, 16 nguyên tử hydro và 2 phân tử coenzyme A. Hai phân tử ATP được tạo thành theo cách thức mô tả dưới đây.

Sự hình thành ATP trong chu trình Citric Acid. Chu trình citric acid tự bản thân nó không giải phóng ra được nhiều năng lượng; chỉ một phân tử ATP được tạo thành trong duy nhất một phản ứng hóa học - trong quá trình từ α-ketoglutaric acid thành succinic acid. Do đó với mỗi phân tử glucose được chuyển hóa sẽ ra hai phân tử acetyl-CoA tham gia vào chu trình citric acid, mỗi phân tử chỉ tạo ra một phân tử ATP thành ra có tổng cộng là 2 phân tử ATP đã được hình thành.

Chức năng của enzym Dehydrogenases và coenzym Nicotinamide Adenine Dinucleotide trong việc giải phóng nguyên tử Hydro ở chu trình Citric Acid. Như đã nhấn mạnh tại một số điểm trong phần thảo luận này, nguyên tử hydro được giải phóng từ các phản ứng khác nhau trong chu trình citric acid - 4 nguyên tử hydro từ quá trình đường phân, 4 trong quá trình tổng hợp acetyl-CoA từ pyruvic acid, và 16 trong chu trình citric acid; do đó tổng cộng là 24 nguyên tử hydro được giải phóng từ phân tử glucose ban đầu. Mặc dù vậy, nguyên tử Hydro không tồn tại tự do trong dịch nội bào. Thay vào đó chúng được giải phóng ra từng đôi, và trong trường hợp này là nhờ xúc tác của một enzym đặc hiệu có tên là dehydrogenase. 20 trong tổng số 24 nguyên tử hydro ngay lập tức liên kết với nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), một dẫn xuất của vitamin B3 (niacin), theo phản ứng:

Giải phóng hydro

Phản ứng này sẽ không xảy ra nếu không có enzym dehydrogenase hoặc không có NAD+ làm nhiệm vụ như một chất mang hydro. Cả ion H+ tự do và hydro gắn với NAD+ sau đó đều tham gia vào các phản ứng oxy hóa để tổng hợp ra một số lượng lớn ATP, như đề cập sau đây.

4 nguyên tử hydro còn lại giải phóng từ quá trình thoái hóa của glucose - chính xác là trong chu trình citric acid ở giai đoạn chuyển từ succinic thành fumaric acid - liên kết với một enzym dehydrogenase đặc hiệu nhưng sau đó không được giải phóng vào NAD+. Thay vào đó chúng đi trực tiếp từ enzym dehydrogenase vào quá trình oxy hóa.

Chức năng của enzym Decarboxylases trong việc giải phóng carbon dioxide. Nhắc lại những phản ứng hóa học trong chu trình citric acid, cũng như quá trình hình thành acetyl-CoA từ pyruvic acid, chúng ta thấy rằng có 3 giai đoạn giải phóng ra carbon dioxide. Để giải phóng carbon dioxide, có những enzyme đặc hiệu gọi là decarboxylases, làm nhiệm vụ cắt carbon dioxide ra từ cơ chất. carbon dioxide sau đó được hoàn tan vào trong dịch của cơ thể và vận chuyển đến phổi, tại đó nó được đào thải ra khỏi cơ thể.

Bài viết cùng chuyên mục

Ngừng tim trong rối loan nhịp tim

Giảm oxy máu khiến cho sợi cơ tim và sợi dẫn truyền mất điện thế màng bình thường và tính dễ kích thích này làm cho nhịp tự động biến mất.

Tác dụng của cortisol lên chuyển hóa carbohydrate

Tác dụng chuyển hóa của cortisol và glucocorticoid khác được biết nhiều nhất là tác dụng kích thích tạo đường mới tại gan, mức tăng tạo đường mới dưới tác dụng của cortisol có thể tăng từ 6 đến 10 lần.

Dịch vào ra của cơ thể: cân bằng trong trạng thái ổn định

Dịch trong cơ thể rất hằng định, bởi vì nó liên tục được trao đổi với môi trường bên ngoài cũng như với các bộ phận khác trong cơ thể.

Một số rối loạn sinh lý thân nhiệt

Sốt là trạng thái tăng thân nhiệt xảy ra do điểm chuẩn bị nâng lên cao hơn bình thường. Khi đó, các đáp ứng tăng thân nhiệt xuất hiện và đưa thân nhiệt tăng lên bằng điểm chuẩn mới gây nên sốt.

Vận chuyển hormone trong máu

Các hormone tan trong nước được hòa tan vào huyết tương và được vận chuyển từ nơi chúng được tạo ra đến các mô đích, tại đó chúng sẽ khuếch tán khỏi lòng mao mạch, đi vào khoang dịch kẽ.

Áp suất thủy tĩnh của dịch kẽ

Trong hầu hết các hốc tự nhiên của cơ thể, nơi có dịch tự do ở trạng thái cân bằng động với chất lỏng xung quanh, những áp lực đo được là âm.

Tăng huyết áp: huyết áp trong hoạt động cơ và các tuyp stress

Nhiều tuyp của stress cùng với hoạt động cơ là giống nhau ở sự tăng huyết áp. Ví dụ trong hoảng sợ quá mức huyết áp có thể tăng thêm 70-100 mmHg trong 1 vài giây.

Cặp kích thích co cơ tim: chức năng của ion canxi và các ống ngang

Sức co bóp của cơ tim phụ thuộc rất lớn vào nống độ ion canxi trong dịch ngoại bào, một quả tim đặt trong một dung dịch không có canxi sẽ nhanh chóng ngừng đập.

Gen trong nhân tế bào kiểm soát tổng hợp protein

Tầm quan trọng DNA nằm trong khả năng kiểm soát sự hình thành của protein trong tế bào. Khi hai sợi của một phân tử DNA được tách ra, các bazơ purine và pyrimidine nhô ra ở mặt bên của mỗi sợi DNA.

Vai trò của nước bọt trong việc vệ sinh răng miệng

Miệng luôn luôn phải chịu đựng một lượng lớn vi khuẩn gây bệnh có khả năng hủy hoại mô một cách dễ dàng và gây nên sâu răng. Nước bọt giúp ngăn cản quá trình có hại này theo một số cách.

Cung lượng tim: nghiên cứu định lượng

Tăng khả năng bơm máu cùng với tăng áp suất khoang màng phổi làm cung lượng tim đạt đỉnh vì tăng hoạt động tim nhưng đường cong lại dịch sang phải vì áp suất khoang màng phổi tăng.

Nồng độ canxi và phosphate dịch ngoại bào liên quan với xương

Tinh thể xương lắng đọng trên chất căn bản xương là hỗn hợp chính của calcium và phosphate. Công thức chủ yếu của muối tinh thể, được biết đến như là hydroxyapatit.

Vòng phản xạ thần kinh: sự ổn định và mất ổn định

Hầu như tất cả các phần của não kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với tất cả các phần khác, nó tạo ra một thách thức nghiêm trọng. Nếu phần đầu tiên kích thích phần thứ hai, phần thứ hai kích thích phần thứ ba, phần thứ ba đến phần thứ tư và cứ như vậy.

Sinh lý học các chất điện giải trong cơ thể

ADH tăng tái hấp thu nước ở ống lượn xa và ống góp. Khi Na+ máu dưới 135 mEq/l, thuỳ sau tuyến yên ngừng tiết ADH gây bài xuất nhiều nước tiểu loãng.

Tăng vận chuyển ô xy đến mô: CO2 và H+ làm thay đổi phân ly oxy-hemoglobin (hiệu ứng bohr)

Khi máu đi qua các mô, CO2 khuếch tán từ tế bào ở mô vào máu, sự khuếch tán này làm tăng PCO2 máu, do đó làm tăng H2CO3 máu (axit cacbonic) và nồng độ ion H+. Hiệu ứng này sẽ làm chuyển dịch đồ thị phân ly oxy- hemoglobin sang bên phải và đi xuống.

Nguyên nhân tử vong sau khi tắc mạch vành cấp tính

Khi tim trở nên không có khả năng tạo đủ lực để bơm đủ máu ra nhánh động mạch, suy tim và các mô ngoại vi hoại tử xảy ra sau đó như là kết quả của thiếu máu ngoại vi.

Đặc điểm của sự co bóp cơ toàn bộ

Cơ co bóp được nói là đẳng trường khi cơ không bị rút ngắn trong suốt sự co bóp và là đẳng trương khi nó bị rút ngắn nhưng sức căng trên cơ vẫn không đổi trong suốt sự co bóp.

Nguồn gốc của chất dinh dưỡng trong dịch ngoại bào

Trong tất cả, dịch ngoại bào chỉ chiếm khoảng một phần ba tổng số dịch của cơ thể. Đây là điển hình ở người, nhưng tỷ lệ có thể thay đổi ở các sinh vật khác có chế độ lưu thông khác nhau.

Vai trò của vùng dưới đồi điều hòa nhiệt độ cơ thể

Nhiệt độ của cơ thể được điều chỉnh hầu như hoàn toàn bởi cơ chế điều khiển thần kinh, và hầu hết mọi cơ chế này tác dụng thông qua trung tâm điều hòa nhiệt nằm ở vùng dưới đồi.

Cung lượng tim và áp lực nhĩ phải: đánh giá qua đường cong cung lượng tim và tuần hoàn tĩnh mạch

Hệ giao cảm tác động đến cả tim và tuần hoàn ngoại vi, giúp tim đập nhanh và mạnh hơn làm tăng áp lực hệ thống mạch máu trung bình vì làm co mạch, đặc biêt là các tĩnh mạch và tăng sức cản tuần hoàn tĩnh mạch.

Bệnh động mạch vành: điều trị bằng thủ thuật và phẫu thuật

Đau thắt ngực thuyên giảm ở hầu hết các bệnh nhân. Ngoài ra, ở những bệnh nhân có tim không bị tổn thương quá nặng trước khi phẫu thuật, thủ thuật bắc cầu mạch vành có thể cung cấp cho bệnh nhân kỳ vọng sống sót bình thường.

Adenosine Triphosphate: chất mang năng lượng trong chuyển hoá

Carbohydrat, chất béo, and protein đều được tế bảo sử dụng để sản xuất ra một lượng lớn adenosine triphosphate, là nguồn năng lượng chính cho mọi hoạt động của tế bào. Vì vậy, ATP được gọi là “chất mang năng lượng” trong chuyển hoá tế bào.

Các hormone điều hòa tuyến sinh dục và những ảnh hưởng lên buồng trừng

Cả hai FSH và LH kích thích những tế bào đích tại buồng trứng bằng cách gắn đặc hiệu với các receptor FSH và LH trên màng các tế bào buồng trứng. Sau đó, những receptor được kích hoạt làm tăng khả năng bài tiết và thường kèm theo khả năng phát triển cũng như tăng sinh tế bào.

Bệnh thiếu máu cơ tim

Tắc động mạch vành cấp tính thường xuyên xảy ra người có tiền sử bệnh tim mạch, xơ vữa động mạch nhưng hầu như không bao giờ ở một người với một tuần hoàn mạch vành bình thường.

Mãn kinh ở phụ nữ

Khi mãn kinh, cơ thể người phụ nữ phải điều chỉnh từ trạng thái sinh lý được kích thích bởi estrogen và progesterone sang trạng thái không còn các hormone này.