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

Cortisol quan trọng trong chống stress và chống viêm

Mặc dù cortisol thường tăng nhiều trong tình trạng stress, một khả năng là glucocorticoid làm huy động nhanh acid amin và chất béo từ tế bào dự trữ.

Lưu lượng của dòng bạch huyết của cơ thể

Bơm bạch huyết làm tăng dòng chảy bạch huyết. Van tồn tại trong tất cả các kênh bạch huyết. Van điển hình trong việc thu thập bạch huyết vào các mao mạch bạch huyết trống.

Ức chế đối kháng: cung phản xạ đồi kháng

Phản xạ gấp mạnh hơn này gửi các thông tin ức chế đến chi ban đầu và làm giảm độ co cơ ở chi này, nếu ta loại bỏ kích thích ở chi gấp mạnh hơn, chi ban đầu lại trở về co cơ với cường độ như ban đầu.

Sự hình thành thủy dịch từ thể mi của mắt

Thủy dịch luôn được tiết ra và tái hấp thu. Sự cân bằng giữa sự tiết ra và sự hấp thu quyết định thể tích của thủy dịch và áp suất nội nhãn cầu.

Kênh cổng điện thế natri và kali

Khi các kênh kali mở, chúng vẫn mở cho toàn bộ thời gian điện thế màng hoạt động và không đóng lại cho đến khi điện thế màng được giảm trở lại một giá trị âm.

Sự bài tiết huyết thanh và chất nhầy của nước bọt

Khi chất tiết chảy qua các ống dẫn, 2 quá trình vận chuyển tích cực chủ yếu diễn ra làm thay đổi rõ rệt thành phần ion trong dịch tiết nước bọt.

Kiểm soát lưu lượng máu đến cơ vân

Ngoài cơ chế giãn mạch mô cục bộ, các cơ xương còn được cung cấp các dây thần kinh co mạch giao cảm và (ở một số loài động vật) cũng như các dây thần kinh giãn mạch giao cảm.

Các hormone hoạt động chủ yếu trên bộ máy gen của tế bào

Các hormone hoạt động chủ yếu trên bộ máy gen của tế bào, các hormone steroid làm tăng tổng hợp protein, các hormone tuyến giáp làm tăng quá trình phiên mã gen trong nhân tế bào.

Cơ tâm thất của tim: sự dẫn truyền xung động

Các cơ tim bao phủ xung quanh tim trong một xoắn kép, có vách ngăn sợi giữa các lớp xoắn; do đó, xung động tim không nhất thiết phải đi trực tiếp ra ngoài về phía bề mặt của tim.

Phân tích đồ thị bơm máu của tâm thất

Đường cong áp suất tâm thu được xác định nhờ ghi lại áp suất tâm thu đạt được khi tâm thất co tại mỗi thể tích được làm đầy.

Cấu trúc của màng bào tương

Màng bào tương của các tế bào động vật điển hình có tỉ lệ về mặt khối lượng giữa protein và lipid  xấp xỉ 1: 1 và tỉ lệ về mặt số lượng phân tử giữa chúng là 1 protein: 50 lipid.

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.

Cấu trúc tế bào cơ thể người

Hầu hết bào quan của tế bào được che phủ bởi màng bao gồm lipid và protein. Những màng này gồm màng tế bào, màng nhân, màng lưới nội sinh chất, màng ti thể, lysosome,và bộ máy golgi.

Trạm thần kinh: sự kéo dài tín hiệu thần kinh bằng trạm thần kinh “Sự kích ứng tồn lưu”

Khi các synap kích thích trên bề mặt của sợi nhánh hay thân của một nơ-ron, một điện thế sau synap tạo ra trong tế bào thần kinh và kéo dài trong nhiều mili giây, đặc biệt là khi có mặt một số chất dẫn truyền ở synap hoạt hóa kéo dài.

Chất kháng giáp ức chế bài tiết của tuyến giáp

Thuốc kháng giáp được biết đến nhất là thyocyanate, propyl-thiouracil, và nồng độ cao iod vô cơ, những thuốc này ngăn chặn bài tiết hormon giáp theo những cơ chế khác nhau.

Sự bài tiết ở ruột non và chất nhầy của tuyến brunner ở tá tràng

Hoạt động của chất nhày được bài tiết bởi tuyến Brunner là để bảo vệ thành tá tràng khỏi sự phân giải của dịch vị chứa acid được đưa đến từ dạ dày.

Tập trung mắt: điều hòa điều tiết mắt

Khi mắt tập trung vào một đối tượng ở xa và sau đó phải đột ngột tập trung vào một đối tượng ở gần, thấu kính thường điều tiết với sự nhạy bén thị giác tốt nhất trong thời gian ít hơn 1 giây.

Ảnh hưởng của tập luyện thể thao trên cơ và hiệu suất cơ

Ở tuổi già, nhiều người trở nên ít vận động do đó cơ của họ teo rất nhiều. Trong những trường hợp này, tuy nhiên, tập luyện cho cơ có thể tăng sức mạnh cơ bắp hơn 100 %.

Dải cảm giác giữa: đặc điểm dẫn truyền và phân tích tín hiệu trong hệ thống cột tủy sau

Hầu như mọi con đường cảm giác, khi bị kích thích, làm phát sinh đồng thời các tín hiệu ức chế bên; những tín hiệu ức chế lan truyền sang các bên của tín hiệu kích thích và các nơ-ron ức chế lân cận.

Vai trò của hemoglobin trong vận chuyển và sự kết hợp của ô xy

Các phân tử O2 gắn lỏng lẻo và thuận nghịch với phần heme của hemoglobin. Khi PO2 cao, như trong các mao mạch phổi, O2 gắn với hemoglobin, nhưng khi PO2 thấp, như trong các mao mạch ở mô, O2 được giải phóng từ hemoglobin.

Di chuyển của các dòng điện trong ngực quanh tim trong suốt chu kỳ tim

Xung động tim đầu tiên đến trong tâm thất trong vách liên thất và không lâu sau đó lan truyền đến mặt bên trong của phần còn lại các tâm thất, như thể hiện bởi vùng màu đỏ và điện âm ký hiệu trên hình.

Sự hấp thu thủy dịch của mắt

Sau khi thủy dịch được hình thành từ các mỏm mi, nó sẽ lưu thông, thông qua lỗ đồng tử đi vào tiền phòng của mắt sau đó chảy vào góc giữa giác mạc và mống mắt.

Hạ ô xy máu: bộ chuyển mạch HIFs đáp ứng cơ thể

Khi cơ thể được cung cấp đủ lượng oxy, những dưới - đơn vị của HIF khi hoạt động đòi hỏi hoạt hóa hàng loạt gen, sẽ bị điều hòa giảm và bất hoạt bằng những HIF hydroxylase.

Các con đường gian nút và liên nhĩ: dẫn truyền xung động tim qua tâm nhĩ

Điện thế hoạt động bắt nguồn từ nút xoang đi ra ngoài vào trong các sợi cơ tâm nhĩ. Bằng cách này, điện thế hành động lan truyền qua toàn bộ khối cơ nhĩ và, cuối cùng, đến nút A-V.

Trao đổi chất của cơ tim

ATP này lần lượt đóng vai trò như các băng tải năng lượng cho sự co cơ tim và các chức năng khác của tế bào. Trong thiếu máu mạch vành nặng, ATP làm giảm ADP, AMP và adenosine đầu tiên.