1

Chương 2: Sự trao đổi chất và nănglượng sinh học

Trao đổi chất là gì?

Hấp thucác chấttừ môitrườngbên ngoài

Biến đổicác chất

đó

Yếu tố cấutạo của bản thâncơ thể sống

Thải vào môi trường ngoàicác sản phẩm phân giảicủa chính cơ thể cũng nhưcác sản phẩm hình thànhtrong quá trình sống củacơ thể

3

SỰ ĐỒNG HOÁ(Anabolism)

SỰ DỊ HOÁ(Catabolism)

BIẾN DƯỠNG(Metabolism)

(Amino acid)n Protein(Monosaccharide)n PolysaccharideGlycerol + acid béo Triacylglycerol

Amino acid Monosaccharide

Glycerol + acid béoCO2 + H2O + Energy

O2

Protein Amino acid + Amino acidPolysaccharide MonosaccharideTriacylglycerol Glycerol + acid béo

PHÂN GIẢI

OXID HÓA

Quá trình đồng hóa và dị hóa

• Quá trình đồng hóa: là sự tổng hợp các chất nên các chất đặc hiệu của cơ thể từ các sản phẩm của sự phân giải các chất đưa vào cơ thể. Đặc điểm của quá trình đồng hóa là thu nhiệt.

• Qúa trình dị hóa là quá trình phân giải các chất thành các sản phẩm phân tử nhỏ không đặc trưng và cuối cùng thành những chất thải. Đặc điểm của quá trình dị hóa là giải phóng năng lượng

Quá trình đồng hóa và dị hóa

Kiểu trao đổi chất Kiểu trao đổi chất

Nhóm sinh vật hiếu khí (aerob): kiểu trao đổi chấtmà các quá trình oxy hóa có sự tham gia của oxy khí quyển

Nhóm sinh vật kỵ khí (anaerob): kiểu trao đổichất mà các quá trình oxy hóa không có sự tham giacủa oxy khí quyển

2

Trao đổi năng lượng là gì?

Là sự đốt cháy các chất hữu cơ glucid, lipid, protein trong tế bào, giải phóng ra năng lượng để tế bào tíchlũy và sử dụng

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energy

TẾ BÀO HÔ HẤP NHƯ THẾ NÀO ?

glucoseglucose ATP

KhKhửử

Oxy Oxy hohoáá

Sự biến đổi năng lượng tự doKý hiệu bằng ∆G có giá trị là Kcal/mol

∆G = G2 - G1G2 - năng lượng tự do của trạng thái cuối (sau phảnứng)G1 - năng lượng tự do của trạng thái đầu (trướcphản ứng)

• Nếu ∆G <0 phản ứng tỏa nhiệt, có thể xảy ra một cách tựphát. Ví dụ các phản ứng thủy phân đều thuộc loại phản ứngnày.

• Nếu ∆G = 0 hệ thống ở trạng thái cân bằng. • Nếu ∆G >0 phản ứng thu nhiệt, muốn thực hiện phản ứng cần

phải cung cấp năng lượng.

Liên kết cao năng và vai trò của ATP(Adenosine Tri Phosphate)

Trong các hợp chất hữu cơ có 2 loại liên kết sinh năng lượng:

-Liên kết thường: 3 kcal/mol

-Liên kết cao năng (liên kết giàu năng lượng): 7 – 12 kcal/mol

Cung cấp năng lượng tự do

cho hoạt động sống của cơ thể ATP

- Năng lượng sinh học là năng lượng của sự sống

1.2. ATP (Adenosine triphosphate) gồm 1 gốc bazo nito, 1 gốcđường ribose, 3 gốc phosphate

Liên kết phosphate cao năng = 7 Kcal∼P

Đặc điểm của liên kết cao năng

Giải phóng nhiều NLGiải phóng ít NL

Dễ bị thủy phânKhó bị thủy phân

Không bềnBền vững

Liên kết cao năngLiên kết thường

• Trong phân tử ATP có 3 gốc phosphate, 1 gốckết hợp với gốc ribose qua liên kết este, 2 liênkết giữa 3 gốc phosphate là liên kết anhydric -liên kết cao năng được ký hiệu bằng dấu “ ~ ”.

• Khi cắt đứt các liên kết cao năng này, sẽ giảiphóng số năng lượng lớn gấp hơn 2 lần so vớiliên kết este:

3

BIẾN ĐỔI CỦA PROTEIN TRONG CHẾBIẾN & BẢO QUẢN THỰC PHẨM

• Biến đổi do nhiệt

• Biến đổi do enzym

Biến đổi của protein do nhiệt độ

• Gia nhiệt vừa phải

• Gia nhiệt kiểu thanhtrùng• Gia nhiệt khan (> 2000C)• Gia nhiệt ở nhiệt độcao (> 2000C) thựcphẩm giàu protein cópH trung tính hoặckiềm

Biến đổi của protein do nhiệt độ

Gia nhiệt vừa phải (≤ 1000C)

-Chỉ làm protein biến tính và giúp cải thiện giá trịdinh dưỡng của sản phẩm

-Làm mất độc tính của các độc tố có bản chấtprotein. các chất kìm hãm enzyme đường tiêu hóa(antitripxin trong hạt đậu tương)

-Làm vô hoạt các enzyme (protease, lipoxydase……) xúc tác các phản ứng phá hủyvitamin

-Làm tăng khả năng tiêu hóa của protein do làmduỗi mạch peptit

Trước khi nấu Sau khi nấu

Biến đổi của protein do nhiệt độ

Biến đổi của protein do nhiệt độ

Gia nhiệt kiểu thanh trùng(> 110 – 1150C)

- Phá hủy một phần các gốccistein đề hình thành H2S, dimetylsulfua và các hợpchất bay hơi làm cho các sảnphẩm này có mùi đặc trưng

Gia nhiệt khan (> 2000C)

Tạo ra các α, β và γ cacbolin do phảnứng vòng hóa của tryptophan

Biến đổi của protein do nhiệt độ

4

Gia nhiệt ở nhiệt độ cao (> 2000C) thực phẩm giàuprotein có pH trung tính hoặc kiềm sẽ xảy ra:- Thủy phân các liên kết peptit và đồng phân hóa các gốcamino acid, tạo ra ra hỗn hợp raxemic do đó làm giảm giátrị dinh dưỡng đi 50% do các đồng phân dạng D được tạothành.- Phá hủy một số amino acid (troenin)- Tạo ra các cầu nối đồng hóa trị kiểu lyzinoalanin, ornitinoalanin

- Làm giảm độ tiêu hóa, giảm hệ số sử dụng protein

Biến đổi của protein do nhiệt độ

Có thể thuỷ phân bằng acid, kiềm, enzym protease thực vật (papain, bromelin), protease động vật (pepsin, tripsin)

Sự thuỷ phân của protein

Biến đổi của protein do enzyme

Sự thủy phân protein do enzyme

Hiện tượng ối thối của protein làm giảm giá trị dinh dưỡng của thực phẩm hoặc gây độc là do enzym có sẵn trong thực phẩm hoặc enzyme do vi sinh vật xâm nhiễm từ môi trường tiết ra.

Sự ôi thối của protein

Biến đổi của protein do enzyme

Phản ứng khử nhóm carboxyl: tạo thành các amin khác nhau, là những chất gây độc:

Histidin → HistaminLysin → CadaverinTyrosin → Tyramin

Phản ứng tạo thành mercaptan: xảy ra với các acid amin có lưu huỳnh

Biến đổi của protein do enzyme Biến đổi của protein do enzymePhản ứng tạo scatol, indol (chất thối)

5

Phản ứng tạo thành di, trimetylamin từ cáclipoprotein

Mùi tanh

Biến đổi của protein do enzyme

Phản ứng tạo thành phosphin (PH3): xảy ra với phosphoprotein và nucleoprotein. Nguồntạo thành phosphin là các phosphoric có trongprotein được giải phóng ra khi bị phân hủy.

Khí không màu, mùi thối rất độc

Biến đổi của protein do enzyme

Sự hình thành các hợp chất phenol từ tyrosine Trao đổi saccharide

2.3.1. Sự phân giải saccharide2.3.1.1. Sự phân giải polysaccharide và

disaccharide2.3.1.2. Sự ôxy hóa monosaccharide

Sự phân giải polysaccharide vàdisaccharide

• α-amylase chỉ cắt liên kết α-D-glucosid-1,4 nội mạch - có khả năng cắt khoảng giữa

• β-amylase cũng chỉ cắt liên kết 1,4 glucoside ngoại mạch - cắt bắt đầu từ đầu không khử

• γ –amylase (glucoamylase) đặc biệt được tổng hợp từ vi sinh vật có khả năng cắt liên kết 1,4 vàenzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme, có họat tính glucosidase) cắt dây nối 1,6 trong amylopectin và glycogen.

• cellulase• pectinase,...

• Quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis) làquá trình tạo glucose-1-P nhờ enzyme phosphorylase (glycogen phosphorylase hay phosphorylase tinh bột) với sự hiện diên của ion phosphate.

Sự phân giải polysaccharide vàdisaccharide

6

Sự phosphoryl-phân để tạo glucose-1-phosphate

Quá trình glycolyse (Đường phân hay Embden-Meyerhof-Parnas - EMP)

• Là quá trình oxy hóa từ glucose thành acid pyruviccó thể xảy ra trong giai đoạn yếm khí hoặc hiếu khívà quá trình phổ biến nhất trong các quá trìnhchuyển hóa từ monose, vì hầu hết các quá trìnhchuyển hoá monose giai đoạn đầu đều qua quá trìnhglycose giải, có khác nhau từ pyruvic về sau.

Quá trình đường phân

Con đường Embden – Meyerhoff – Parnas

- Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân là ATP, NADH, acetyl-CoA

- Sản phẩm trung gian quan trọng sau glycolyse là acid pyruvic, từ đây tùy từng điều kiện mà theo từng con đườngyếm khí, hiếu khí, năng lượng thu được qua quá trìnhđường phân là 8 ATP.

- A. pyruvic theo 2 hướng: hiếu khí và yếm khí.

7

Quá trình lên men

• Lên men rượu• Lên men lactic

• Lên men rượu: Nấm men và một số vi khuẩnkhác có thể chuyển hóa pyruvate thànhethanol và CO2. Quá trình trải qua 2 phảnứng. (pH= 4-5)

Quá trình lên men lactic Quá trình phân giải glucose trong điều kiện hiếu khí

Chia làm 4 giai đoạn• Phân giải glucose thành pyruvate (quá trình đường phân).

• Chuyển hóa pyruvate thành acetyl- CoA. • Oxy hóa acetyl- CoA thông qua chu trình Krebs

(chu trình citric acid). • Oxy hóa các coenzyme khử qua chuổi hô hấp(xem

phần khái niệm về sự trao đổi chất).

SSỰỰ OXID HOOXID HOÁÁ KHKHỬỬ CARBOXYL PYRUVATECARBOXYL PYRUVATE

COOH

Phức hợp pyruvate dehydrogenasePyruvate decarboxylase (TPP)Dihydrolipoyl transacetylaseDihydrolipoyl dehydrogenase

NAD+ NADH.H+

CoASH CO2

OH3C-C∼CoA

AcetylCoA

- Con đường oxid hoá hoàn toàn, giải phóng toàn bộnăng lượng tự do trong cơ chất- Hệ thống enzyme trong dịch ty thể- Nguyên liệu: AcetylCoA và Oxaloacetate

CHU TRÌNH KREBSCHU TRÌNH KREBS

OH3C-C-

Pyruvate

-Nguyên liệuPOLYSACCHARIDE

TRIACYLGLYCEROL

PROTEIN

AMINO ACIDGLUCOSE

H3C-C-COOHO

Pyruvate

HOOC-H2C-C-COOHO

OxaloacetateH3C-C∼SCoA

OAcetyl CoA

H3C-CH-COOHNH2

Alanine

FATTY ACID

GLYCEROL

HOOC-H2C-CH-COOHNH2

Aspartate

8

CHU TRÌNH KREBS (CT CITRATE, CT. TRICARBOXYLIC ACID- TA) -Năng lượng: Oxid hoá 1 phân tử acetylCoA

Phản ứng - Enzyme Dạng nănglượng

ATP

Isocitrate dehydrogenase NADH.H+ 3 ATPα-ketoglutaratedehydrogenase

NADH.H+ 3 ATP

SuccinylCoA synthetase GTP ATPSuccinate dehydrogenase FADH2 2 ATPMalate dehydrogenase NADH.H+ 3 ATP

Tổng cộng 12 ATP

Ý nghĩa của chu trình Krebs

• Là chu trình cho nhiều năng lượng nhất• Là con đường chung nhất, phổ biến nhất, nhiều sự

chuyển hóa phải qua chu trình• Tạo hàng loạt nhiều sản phẩm trung gian, sp

trung gian là nguyên liệu để tổng hợp nên các chấtkhác, có thể là các chất tham gia trong chuyển hóacác chất khác.

• Vd: – alpha cetoglutaric tham gia tổng hợp acid amin.– Acetyl CoA tham gia trong quá trình tổng hợp acid béo

(chất béo)– A. pyruvic là chỗ giao nhau của trao đổi glucid, lipid,

a.a

Lượng ATP tối đa khi tế bào hô hấpmột phân tử glucose

38 ATP (tốI đa cho mỗi glucose)

Glucose

Đường phân

2ATP 6ATP 6ATP 18ATP 4ATP 2ATP

2 ATP(substrate-levelphosphorylation)

2NADH

2NADH6NADH

Krebs

2FADH2

2 ATP(substrate-levelphosphorylation)

2 Pyruvate2 Acetyl CoA

ETC , Oxi hóaPhosphoryl hóa

Tế bào chất

Ty thể

Trao đổi Lipid1. Sự phân giải lipid:a. Sự phân giải do thủy phân:

Xảy ra trong đường tiêu hóa và dưới tác động của E tiêu hóa, chất béo từ thức ăn đến khoang miệng: không phân giải chấtbéo vì hầu như không có lipase và chất béo không được nhũtương hóa.

Dạ dày:Động vật, người trưởng thành phân giải không đáng kể.

Người lớn:Phân giải không đáng kể:

+ không có lipase (rất ít)+ pH không phù hợp+ chất béo không được nhũ tương hóa

Trẻ em:+ lipid trong sữa được nhũ tương hóa+ lipid được phân giải một phần bởi lipase

9

Ruột non

• Nơi chính, chủ yếu thủy phân• Phân giải bởi:

– E: tuyến tụy, có trong niêm mạc ruột non– Dịch mật: Dịch mật tiết dịch đổ vào ruột

non có acid cholic và dẫn xuất, muối củaacid cholic và các dẫn xuất.Tác dụng củaacid mật và muối mật làm nhũ tương hóalipid để dễ dàng phân giải hơn.Sản phẩmcuối ở ruột non là acid béo và glycerin thấm qua niêm mạc ruột

Quá trình oxy hóa• Oxy hóa các sản phẩm sau thủy phân• Các sản phẩm sau thủy phân là

glycerin và acid béo sẽ chuyển hóatheo những con đường khác nhau. Chúng ta thu được sản phẩm cuối cùngở đây là CO2, H2O và năng lượng (Q).

Sự oxi hóa acid béo

• Trong tự nhiên đi theo 2 qui trình khácnhau:

• [o] đúng vị trí carbon α (α-oxy hóa)• [o] đúng vị trí carbon β (β-oxy hóa)

β- oxi hóa• Thường xảy ra ở người và động vật• Cơ chế tìm ra 1904 do F. Knop xảy ra đối với a. béo có số C

chẳn

• Đặc điểm qúa trình β-[O]– C chẳn– Cắt dần từng 2 đơn vị C– Vị trí [O] tại Cβ

– Các acid béo trước khi tham gia quá trình oxi hóa phảiđược hoạt hóa bằng ATP và CoA (HS-CoA)

– Quá trình gồm 5 phản ứng:

• Các enzyme tham gia xúc tác các phản ứngtrên là: 1. Acyl-CoA-Synthetase. 2. Acyl-CoA-Dehydrogenase. 3. Enoyl-CoA-Hydratase. 4. Hydroxy-acyl-Thiolase.

• Qua một chu kỳ phân cắt, phân tử acid béongắn bớt đi 2 carbon, kết quả cuối cùng củacác chu kỳ phân cắt β.oxi hóa của acid béo làcác phân tử acetyl-CoA. Phân tử acyl-CoAtrở lại phản ứng 2

• Các phân tử acetyl-CoA tiếp tục bị phân giảiqua chu trình Krebs để tạo CO2 và H2O.

10

• Về mặt năng lượng, quá trình β.oxi hóa tạo nênnguồn năng lượng lớn cung cấp cho các họat độngsống của tế bào.

• Mỗi lần phân cắt bớt 2C sẽ tạo nên 1 NADH2, 1FADH2, qua chuỗi hô hấp sẽ tổng hợp được 5 ATP. Đồng thời mỗi phân tử Acetyl-CoA bị phân giảithông qua chu trình Krebs sẽ tạo ra được 12ATP.

• Tổng số ATP tính cho 1 lần phân cắt 2C là 17 ATP.• Trong cơ thể khi oxy hóa một phân tử lipide đơn

giản sẽ thu được 458 phân tử ATP

α- oxi hóa (thường gặp ở TV)

• Đặc điểm:– Acid béo tham gia [O] không cần hoạt hóa– Cắt dần từng đơn vị 1 carbon hết mạch

C– Tác nhân có sự tham gia của H2O2

(peroxydase)– E: NAD– Cơ chế thì đơn giản hơn β: chỉ 2 phản ứng– Năng lượng giải phóng Qα< Qβ

Về mặt năng lượngkhi [o] tách ra 1c được tạo ra 3 ATP

Oxi hóa glycerin

Oxi hóa glycerin

• Quá trình oxi hóa glycerin trải qua 3 phảnứng tạo thành glyceraldehid-3 phosphat . Tiếp theo glyceraldehid-3 phosphat biếnđổi thành pyruvic acid như trong quá trìnhđường phân, sau đó pyruvic acid bị phângiải tiếp thông qua chu trình Krebs để tạoCO2 và H2O.

Sự ôi hoá lipidKhi bảo quản lâu dưới tác dụng của nhiều nhân tốnhư ánh sáng, không khí, nhiệt độ, nước, vi sinhvật… lipid bị thay đổi trạng thái, màu sắc và có mùivị khó chịu. Quá trình này được gọi là sự ôi hoá.

Bản chất của quá trình ôi hoá là oxy hoá. Tuy nhiêndựa vào cơ chế phản ứng thì có thể chia ôi hoáthành 2 dạng:

- Ôi hoá do thủy phân

- Ôi hoá do oxy hoá

11

Ôi hoá do phản ứng thủy phânXảy ra dưới tác dụng của nhiệt độ, acid,

baz có hoặc không có enzyme xúc tác.- Phản ứng xảy ra trên bề mặt tiếp xúc

giữa lipid và nước.- Lipase có thể có sẵn trong nguyên liệu

hay do vi sinh vật mang vào, phân giảilipid tạo glycerol và acid béo

Phản ứng thủy phân lipid đơn giản

Lipase R1COOH

+ R2COOH

R3COOH

+ H2O

• Phản ứng thủy phân thường thấy khi bảoquản bơ và margarin, giải phóng butiricacid – tạo mùi rất khó chịu.

• Trong bảo quản và chế biến các loại hạt, bột vai trò quyết định là nhiệt độ và thủyphần (nhiệt độ thấp, độ ẩm thấp)

ÔI hoá do sự oxy hoá khử

Ôi hoá theo dạng này là phổ biến nhất khibảo quản lipid. Sự ôi hoá do oxy hoá khửđược chia thành 2 dạng:

- ÔI hoá hoá học

- Ôi hoá sinh học

* Ôi hoá hoá học

• Gọi là sự tự oxy hoá• Các acid béo tự do được tạo thành từ

sự thuỷ phân lipid bị tác động bởi O2tạo thành nhiều sản phẩm kế tiếp:

• Acid béo → hydroperoxyt → aldehydno hay không no, xeton, xetoacid

• Những chất này có vai trò trong việcphát triển mùi vị

Oxy hoá sinh học

- Phản ứng xảy ra dưới sự xúc tác của enzyme lipoxygenase (qúa trình β-oxy hoá) cho cácacid béo không no ở đồng phân dạng cis-cis

- Sản phẩm của quá trình có mùi ôi khó chịu:

Acid béo alcyl metylcetonLypoxygenase

12

Ảnh hưởng của sự ôi hóa

• Không có khả năng hòa tan vitamin• Làm vô hoạt enzyme và giảm hoạt độ

enzyme xủa suxinoxydaza, xitocromoxydaza…

• Sản phẩm ôxy hóa có khả năng phảnứng cao với protein – tạo phức chất rấtbền vững không bị phân ly bởi enzyme – nguyên nhân gây xơ cứng độngmạch.