NĂNG LƯỢNG CHUYỂN HÓA: DẠNG, NGUỒN VÀ CHUYỂN HÓA - SINH HỌC - 2026

Các năng lượng trao đổi chất là năng lượng mà tất cả chúng sinh thu được từ năng lượng hóa học chứa trong thực phẩm (hay chất dinh dưỡng). Năng lượng này về cơ bản là giống nhau đối với tất cả các tế bào; tuy nhiên, cách để có được nó rất đa dạng.

Thực phẩm được tạo thành từ một loạt các phân tử sinh học khác nhau, có năng lượng hóa học được lưu trữ trong các liên kết của chúng. Bằng cách này, sinh vật có thể tận dụng năng lượng dự trữ trong thực phẩm và sau đó sử dụng năng lượng này trong các quá trình trao đổi chất khác.

Tất cả các sinh vật sống đều cần năng lượng để phát triển và sinh sản, duy trì cấu trúc của chúng và phản ứng với môi trường. Trao đổi chất bao gồm các quá trình hóa học duy trì sự sống và cho phép sinh vật biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng hữu ích cho tế bào.

Ở động vật, quá trình trao đổi chất phân hủy carbohydrate, lipid, protein và axit nucleic để cung cấp năng lượng hóa học. Thực vật, về phần mình, chuyển đổi năng lượng ánh sáng từ Mặt trời thành năng lượng hóa học để tổng hợp các phân tử khác; chúng làm điều này trong quá trình quang hợp.

Các loại phản ứng trao đổi chất

Trao đổi chất bao gồm một số loại phản ứng có thể được nhóm lại thành hai loại lớn: phản ứng phân hủy của các phân tử hữu cơ và phản ứng tổng hợp của các phân tử sinh học khác.

Các phản ứng phân hủy chuyển hóa tạo thành quá trình dị hóa tế bào (hay các phản ứng dị hóa). Chúng liên quan đến quá trình oxy hóa các phân tử giàu năng lượng, chẳng hạn như glucose và các loại đường khác (carbohydrate). Vì những phản ứng này giải phóng năng lượng, chúng được gọi là gắng sức.

Ngược lại, các phản ứng tổng hợp tạo nên quá trình đồng hóa tế bào (hay phản ứng đồng hóa). Chúng thực hiện các quá trình giảm phân tử để tạo thành các phân tử khác giàu năng lượng dự trữ, chẳng hạn như glycogen. Vì những phản ứng này tiêu tốn năng lượng nên chúng được gọi là endergonic.

Nguồn năng lượng trao đổi chất

Các nguồn chính của năng lượng trao đổi chất là các phân tử glucose và axit béo. Chúng tạo thành một nhóm các phân tử sinh học có thể bị oxy hóa nhanh chóng để tạo năng lượng.

Các phân tử glucose chủ yếu đến từ carbohydrate được tiêu thụ trong chế độ ăn uống, chẳng hạn như gạo, bánh mì, mì ống, trong số các dẫn xuất khác của rau quả giàu tinh bột. Khi có ít glucose trong máu, nó cũng có thể được lấy từ các phân tử glycogen được lưu trữ trong gan.

Trong quá trình nhịn ăn kéo dài, hoặc trong các quá trình đòi hỏi phải tiêu tốn thêm năng lượng, cần phải thu được năng lượng này từ các axit béo được huy động từ mô mỡ.

Các axit béo này trải qua một loạt các phản ứng trao đổi chất để kích hoạt chúng và cho phép vận chuyển chúng đến bên trong ty thể, nơi chúng sẽ bị oxy hóa. Quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa β của các axit béo và cung cấp tới 80% năng lượng bổ sung trong những điều kiện này.

Protein và chất béo là nguồn dự trữ cuối cùng để tổng hợp các phân tử glucose mới, đặc biệt trong trường hợp nhịn ăn. Phản ứng này thuộc loại đồng hóa và được gọi là gluconeogenesis.

Quá trình chuyển hóa năng lượng thành năng lượng trao đổi chất

Các phân tử thực phẩm phức tạp như đường, chất béo và protein là nguồn năng lượng dồi dào cho tế bào, vì phần lớn năng lượng được sử dụng để tạo ra các phân tử này theo nghĩa đen được lưu trữ trong các liên kết hóa học giữ chúng lại với nhau.

Các nhà khoa học có thể đo lượng năng lượng tích trữ trong thực phẩm bằng một thiết bị gọi là nhiệt lượng kế bom. Với kỹ thuật này, thực phẩm được đặt bên trong nhiệt lượng kế và đun nóng cho đến khi cháy. Nhiệt lượng dư do phản ứng tỏa ra tỷ lệ thuận với năng lượng chứa trong thực phẩm.

Thực tế là các tế bào không hoạt động như nhiệt lượng kế. Thay vì đốt cháy năng lượng trong một phản ứng lớn, các tế bào giải phóng năng lượng được lưu trữ trong các phân tử thực phẩm của chúng từ từ thông qua một loạt các phản ứng oxy hóa.

Quá trình oxy hóa

Quá trình oxy hóa mô tả một loại phản ứng hóa học trong đó các điện tử được chuyển từ phân tử này sang phân tử khác, làm thay đổi thành phần và hàm lượng năng lượng của phân tử cho và nhận. Các phân tử trong thực phẩm đóng vai trò là chất cho điện tử.

Trong mỗi phản ứng oxy hóa tham gia vào quá trình phân hủy thực phẩm, sản phẩm của phản ứng có hàm lượng năng lượng thấp hơn phân tử cho trước nó trên đường đi.

Đồng thời, các phân tử nhận điện tử thu nhận một phần năng lượng bị mất đi từ phân tử thực phẩm trong mỗi phản ứng oxy hóa và lưu trữ để sử dụng sau này.

Cuối cùng, khi các nguyên tử cacbon trong một phân tử hữu cơ phức tạp bị oxi hóa hoàn toàn (ở cuối chuỗi phản ứng), chúng được giải phóng dưới dạng cacbon đioxit.

Tế bào không sử dụng năng lượng từ phản ứng oxy hóa ngay khi nó được giải phóng. Điều xảy ra là chúng chuyển đổi nó thành các phân tử nhỏ, giàu năng lượng, chẳng hạn như ATP và NADH, có thể được sử dụng khắp tế bào để tăng cường trao đổi chất và xây dựng các thành phần tế bào mới.

Nguồn điện dự phòng

Khi năng lượng dồi dào, tế bào nhân thực tạo ra các phân tử lớn hơn, giàu năng lượng hơn để tích trữ năng lượng dư thừa này.

Các loại đường và chất béo tạo thành được giữ ở dạng lắng đọng bên trong các tế bào, một số trong số đó đủ lớn để có thể nhìn thấy trên các hình ảnh hiển vi điện tử.

Tế bào động vật cũng có thể tổng hợp các polyme phân nhánh của glucose (glycogen), sau đó tập hợp lại thành các hạt có thể quan sát được bằng kính hiển vi điện tử. Một tế bào có thể nhanh chóng huy động các hạt này bất cứ khi nào nó cần năng lượng nhanh.

Tuy nhiên, trong những trường hợp bình thường, con người dự trữ đủ glycogen để cung cấp năng lượng cho một ngày. Các tế bào thực vật không sản xuất glycogen, mà thay vào đó tạo ra các polyme glucose khác nhau được gọi là tinh bột, được lưu trữ dưới dạng hạt.

Ngoài ra, cả tế bào thực vật và động vật đều tiết kiệm năng lượng bằng cách chuyển hướng glucose trong con đường tổng hợp chất béo. Một gam chất béo chứa gần sáu lần năng lượng của cùng một lượng glycogen, nhưng năng lượng từ chất béo ít hơn năng lượng từ glycogen.

Tuy nhiên, mỗi cơ chế lưu trữ đều quan trọng vì tế bào cần cả nguồn dự trữ năng lượng ngắn hạn và dài hạn.

Chất béo được lưu trữ dưới dạng giọt trong tế bào chất của tế bào. Con người thường dự trữ đủ chất béo để cung cấp năng lượng cho các tế bào trong vài tuần.

Người giới thiệu

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Sinh học phân tử của tế bào (xuất bản lần thứ 6). Khoa học Garland.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Hóa sinh (xuất bản lần thứ 8). WH Freeman và Công ty
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Sinh học (xuất bản lần thứ 2) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Sinh học tế bào phân tử (xuất bản lần thứ 8). WH Freeman và Công ty.
5. Purves, W., Sadava, D., Orians, G. & Heller, H. (2004). Cuộc sống: khoa học sinh học (xuất bản lần thứ 7). Sinauer Associates và WH Freeman.
6. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Sinh học (xuất bản lần thứ 7) Cengage Learning.
7. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Các nguyên tắc cơ bản của hóa sinh: Sự sống ở cấp độ phân tử (xuất bản lần thứ 5). Wiley.