Trao đổi chất và năng lượng
- 31 -

CHƯƠNG 4. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ
TRÌNH HÔ HẤP. Glucid là những thành phần cấu tạo đầu tiên của tế bào được tạo ra bởi các
cơ thể quang hợp từ CO
2
và H
2
O nhờ năng lượng ánh sáng. Quá trình trao đổi
glucid xảy ra sau đó trong những cơ thể này dẫn đến sự hình thành hàng loạt các
hợp chất hữu cơ khác nhau mà rất nhiều trong số chúng được cơ thể động vật dùng
làm thức ăn. Động vật tiếp nhận một số lượng lớn glucid để dùng làm chất dinh
dưỡng dự trữ, hoặc oxy-hóa và thu nhận năng lượng ở dạng ATP, hoặc chuyển hóa
thành lipid với mục đích tích lũy được nhiều năng lượng hơn, hoặc tổng hợp hàng
loạt các thành phần cấu tạo của tế bào. Chỉ có một phần nhỏ glucid thực vật là có
ích cho dinh dưỡng của con người, bởi vì trong bộ máy tiêu hóa của con người
không có những enzyme cần thiết để phân hủy cellulose và một số
polyssaccharide thực vật thành monosaccharide. Những glucid chủ yếu có giá trò
dinh dưỡng đối với con người là tinh bột, glycogen, các disaccharide như
saccharose, lactose và maltose. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét bằng cách

cho rằng chất vận chuyển glucose trong erythrocyte là một protein (MW=200.000)
cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vò có kích thước như nhau. Cơ chế vận chuyển hexose
trong hepatocyte cũng rất giống với cơ chế trong erythrocyte.
Các hệ thống vận chuyển phụ thuộc insulin: Tế bào cơ và tế bào tạo mỡ
(adipocyte) có các hệ thống vận chuyển glucose phụ thuộc insulin. Các nghiên cứu
với adipocyte cho thấy insulin làm tăng V
max
nhưng không làm thay đổi hằng số
cân bằng của phản ứng vận chuyển glucose. Hơn nữa, nếu gắn insulin với receptor
của glucose trên màng tế bào chất, quá trình vận chuyển glucose sẽ bò ảnh hưởng
theo hai cách khác nhau: 1/ chuyển các protein vận chuyển glucose từ màng
microsome nội bào đến màng tế bào chất và bằng cách đó làm tăng số lượng
protein vận chuyển glucose trên màng tế bào chất; và 2/ sau khi di chuyển, hoạt
tính của protein vận chuyển tăng lên khoảng hai lần so với trường hợp không xử lý
insulin.
Tế bào vi khuẩn cũng có một số hệ thống vận chuyển glucose thuộc cả hai
loại: cần cung cấp năng lượng và không cần cung cấp năng lượng. Loại hệ thống
cần cung cấp năng lượng được tìm thấy trong Escherichia coli, Salmonella
typhimurium và Staphylococcus aureus, và sử dụng phosphoenolpyruvate làm
nguồn năng lượng với sự tham gia của ba loại protein khác nhau. Ở bước thứ nhất
của quá trình này do enzyme I xúc tác phospho-enolpyruvate phản ứng với một
protein trong bào tương (MW=9.400) có tên là HPr để tạo ra phospho-HPr:
Enzyme I
Phosphoenolpyruvate + HPr ––––––––> Pyruvate + P ~ HPr
Mg
2+
Để được vận chuyển, glucose phản ứng với P ~ HPr, tạo ra glucoso-6-
phosphate với sự xúc tác của enzyme II:
P ~ HPr + Glucose –––––––––> glucoso-6-phosphate + HPr
Bằng cách này glucose ngoại bào trở thành glucoso-6-phosphate nội bào.

này gắn với một trung tâm không phải là trung tâm hoạt động. Dạng hexokinase II
chủ yếu có mặt trong bào tương, trong khi dạng I vừa nằm trong bào tương vừa gắn
với ty thể.
Khác với các dạng hexokinase của động vật có vú chỉ chứa một phần dưới
đơn vò với MW-100.000, hexokinase nấm men chứa hai phần dưới đơn vò giống
nhau (MW=50.000), và hoạt tính của nó không chòu ảnh hưởng của glucoso-6-
phosphate.
Glucokinase, thường được gọi là hexokinase IV, là một protein monomer
(MW=48.000), hầu như chỉ có mặt trong gan. Chỉ có glucose và mannose là cơ chất
tự nhiên của nó và giá trò K
m
tương ứng đối với hai cơ chất này là 12 và 33 mM.
Cùng với gía trò K
m
khá cao đối với glucose, glucokinase còn khác hexokinase ở
chỗ hoạt tính của nó không bò glucoso-6-phosphate ức chế. Các tính chất này thể
hiện qua sự khác nhau giữa vận chuyển glucose vào gan và vào các mô khác. Mặc
dù quá trình trao đổi bình thường của glucose trong gan chòu ảnh hưởng của insulin,
gan không đòi hỏi insulin để tiếp nhận glucose. Tế bào gan dễ dàng cho phép
glucose di chuyển ra vào. Hơn nữa, khác với các mô như cơ và mô mỡ, trong đó sự
tiếp nhận glucose phụ thuộc insulin, glucose chỉ được gan tiếp nhận trong điều kiện
đường huyết cao. Như vậy, glucokinase có vai trò như một cái bẫy đối với lượng
glucose-huyết dư thừa trong gan, không chòu sự chi phối của nồng độ glucoso-6-
phosphate, và bằng cách đó cho phép tích lũy glucose ở dạng glycogen hoặc acid
béo sau khi nó được tiếp tục chuyển hóa. Rõ ràng là tính chất của enzyme hoàn
toàn thích nghi với vai trò của nó trong trao đổi chất tế bào.
Hàm lượng glucokinase trong gan phụ thuộc tuổi, chế độ ăn uống và trạng
thái hormone của cơ thể động vật. Trong gan của bào thai chỉ chứa hexokinase;
hàm lượng của nó giảm xuống sau khi sinh cùng với sự xuất hiện glucokinase. Điều
này có thể liên quan với đời sống của bào thai mà trong đó glucose được cung cấp

về phía khoang của mạng nội chất, làm nhiệm vụ thủy phân glucoso-6-phosphate;
3/ một loại phosphate translocase vô cơ, ký hiệu là T
2
, giúp vận chuyển Pi từ
mạng nội chất ra bào tương và 4/ glucose translocase, ký hiệu là T
3
, giúp glucose
di chuyển từ khoang của mạng nội chất ra phía bào tương một cách dễ dàng. Trong
chuỗi phản ứng có sự tham gia của carbamoyl-phosphate (CP).

Hình10. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống glucoso-6-phosphatase
II. GLYCOLYS.
Nghiên cứu quá trình dò hóa trong tế bào, theo truyền thống, thường được bắt
đầu bằng việc tìm hiểu các quá trình lên men, hay hô hấp trong điều kiện kỵ khí,
mà cơ sở của nó là quá trình glycolys , trong đó bao gồm một trật tự các phản ứng
phân giải glucose thành acid pyruvic. Truyền thống này có ba lý do: Thứ nhất là cơ
thể sống có lẻ xuất hiện trên Trái đất vào lúc mà bầu khí quyển không có oxy, nên
hô hấp kỵ khí được xem là dạng đơn giản nhất của cơ chế sinh học cho phép thu
nhận năng lượng từ các chất dinh dưỡng. Thứ hai là đa số những cơ thể hiếu khí
tồn tại ngày nay đều còn giữ được khả năng tích lũy năng lượng lấy từ glucose
bằng phương pháp đơn giản này với tư cách là giai đoạn chuẩn bò để oxy-hóa tiếp
tục các sản phẩm hình thành trong giai đoạn này trong điều kiện có oxy. Thứ ba là
các giai đoạn phản ứng enzyme của quá trình phân hủy glucose trong điều kiện kỵ
khí và cơ chế tích lũy năng lượng trong quá trình này đã được hiểu biết khá chi tiết.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 35 -
Với những lý do đó glycolys có thể là một mô hình quan trọng để nghiên cứu các
quá trình phức tạp hơn.

có mức độ oxy-hóa cao. Trong khi đó ở hợp chất ban đầu (glucose) các nguyên tử
hydro được phân bố đều đặn hơn.
Đặc điểm quan trọng thứ hai của hai quá trình lên men này, hay nói chung,
của glycolys là chúng kèm theo tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ. Nếu
không có các phản ứng phosphoryl-hóa ADP đồng thời này thì glycolys và lên men
nói chung không thể xảy ra.
Phương trình tổng quát của lên men lactic và lên men rượu có thể viết dưới
dạng sau:
- Lên men lactic:
C
6
H
12
O
6
+ 2 ADP + 2 Pi –––> 2 CH
3
-CHOH-COOH + 2 ATP + 2H
2
O
- Lên men rượu:
C
6
H
12
O
6
+ 2 ADP + 2 Pi ––––> 2 CH
3
-CH

Từ các số liệu này có thể thấy rằng sự phân giải glucose thành acid lactic
kèm theo giải phóng một số năng lượng thừa để phosphoryl-hóa ADP thành ATP.
Có thể tính được một cách dễ dàng rằng trong hai phân tử ATP này tích lũy được
14,6 x 100/47,0 = 31% năng lượng tự do giải phóng khi phân giải glucose thành acid
lactic. Con số này thu được với nồng độ 1,0M. Nếu lưu ý đến nồng độ thực của các
chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng trong tế bào, thì hiệu suất của
glycolys còn có thể lớn hơn. Nếu trừ đi số năng lượng đã tích lũy trong hai phân tử
ATP, năng lượng tự do của glycolys vẫn còn giảm 32,4 Kcal. Điều này cho thấy tại
sao trên thực tế là quá trình không thuận nghòch, mà trạng thái cân bằng lệch hẵn
về phía hình thành acid lactic. Tuy nhiên, đa số giai đoạn của quá trình này đều có
giá trò biến thiên năng lượng tự do không lớn, và do đó chúng là những phản ứng
thuận nghòch. Chiều ngược của những phản ứng này được tế bào sử dụng trong
việc tổng hợp lại glucose từ acid lactic.
2. Các phản ứng của glycolys.
Tập hợp các phản ứng kế tiếp nhau của glycolys được xem là giai đoạn đầu
tiên trong số 5 giai đoạn của quá trình hô hấp hiếu khí. Toàn bộ quá trình glycolys
xảy ra trong bào tương và có thể chia làm hai giai đoạn như mô tả trong hình 11.
Ở giai đoạn 1 glucose được phosphoryl-hóavà sau đó bò phân giải thành hai
phân tử glyceraldehyde-3-phosphate. Ở giai đoạn 2 glyceraldehyde-3-phosphate
chuyển hóa thành acid pyruvic. Nếu quá trình xảy ra trong điều kiện kỵ khí thì, như
ta đã biết, acid pyruvic tiếp tục chuyển hóa thành acid lactic hoặc ethanol. Giai
đoạn thứ nhất được xem như giai đoạn chuẩn bò. Ở giai đoạn này mọi hexose đều
được lôi cuốn vào quá trình glycolys bằng cách được phosphoryl-hóa nhờ ATP để
sau đó tạo ra sản phẩm chung là glyceraldehyde-3-phosphate. Giai đoạn thứ hai
bao gồm các phản ứng oxy-hóa - khử và cơ chế tích lũy năng lượng, trong đó ADP
được phosphoryl-hóa thành ATP.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 37 -

2 ADP

2 ATP
2 (Pyruvate)
2NAD
+

2(Lactate)
Hình 11: Sơ đồ tổng quát của quá trình glycolys

* Các phản ứng của giai đoạn I.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 38 -
1/ Phản ứng phân giải bộ khung carbon của glucose thành acid pyruvic (con
đường của các nguyên tử carbon);
2/ Phản ứng mà trong đó phosphate vô cơ trở thành nhóm phosphate tận
cùng của phân tử ATP (con đường của các nhóm phosphate);
3/ Phản ứng oxy-hóa - khử (con đường vận chuyển điện tử).
* Các phản ứng của giai đoạn I.
1/ Phosphoryl-hóa D-glucose.
Mg
2+

o
' > 0 song vẫn xảy ra được là nhờ giá trò âm của phản ứng trước đó.
Biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn của cả hai phản ứng (1) và (2) gộp lại vẫn
còn giá trò âm (-3,6Kcal/mol).
3/ Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate thành fructoso-1,6-diphosphate.
Mg
2+

β-D-Fructoso-6-(P) + ATP –––> β-D-Fructoso-1,6-di(P) + ADP
∆G
o
' = -3,4Kcal/mol
Phản ứng này được xem là phản ứng khởi động thứ hai, trong đó sử dụng
thêm một phân tử ATP để phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate ở vò trí C-1. Trong
số 7,3Kcal của ATP 3,9Kcal được tích lũy lại, còn 3,4Kcal được giải phóng. Nếu
cộng ∆G
o
' của cả 3 phản ứng, ta có giá trò -7,0Kcal, tức K'eq của cả 3 phản ứng >
10
5
.
Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate là giai đoạn rất quan trọng, vì sự điều
hòa quá trình glycolys được thực hiện thông qua điều hòa hoạt tính của enzyme
phospho-fructokinase xúc tác phản ứng này. Hoạt tính của nó bò ức chế bởi ATP và
citrate (ở nồng độ cao) và được kích thích bởi ADP và AMP.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 39 -
Giá trò âm cao của ∆G

' của hai phản ứng sau cùng cộng lại
có giá trò khoảng +7,5Kcal/mol. Nếu cộng ∆G
o
' của cả 5 phản ứng của giai đoạn
chuẩn bò trên đây, ta có giá trò +0,5Kcal/mol. Để glycolys có thể tiếp tục xảy ra,
các phản ứng kế tiếp phải là những phản ứng giải phóng nhiều năng lượng tự do để
tạo ra một sức kéo nhiệt động học.
* Các phản ứng của giai đoạn II.
6/ Phản ứng oxy-hóa glyceraldehyde-3-phosphate thành acid 1,3-
diphosphoglyceric.
Đây là một trong những giai đoạn quan trọng nhất của glycolys, vì năng lượng
giải phóng khi oxy-hóa aldehyde 3-phosphoglyceric được giữ lại ở dạng sản phẩm
cao năng 1,3-diphosphoglycerate. Việc phát hiện cơ chế này do Warburg thực hiện
trong những năm 1937-1938 được xem là một trong những phát minh quan trọng
nhất của sinh học hiện đại. Lần đầu tiên trong lòch sử sinh hóa đã phát hiện được cơ
chế của các phản ứng enzyme cho phép năng lượng giải phóng trong phản ứng oxy
hóa các phân tử hữu cơ có thể được tích lũy lại trong các phân tử ATP. Toàn bộ
quá trình này được xúc tác bởi enzyme glyceraldehyde 3-phosphate
dehydrogenase. Đây là một enzyme có cấu trúc phức tạp. Enzyme thu nhận được từ
nấm men có trọng lượng phân tử 140.000 và được cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vò
giống nhau, mỗi phần dưới đơn vò là một chuỗi polypeptide chứa khoảng 330 gốc
aminoacid. Phương trình tổng quát của phản ứng có thể viết dưới dạng sau đây:
2 -Glyceraldehyde-3-phosphate + 2NAD
+
+ 2Pi ––>
––> 2(1,3-diphosphoglycerate) + 2NAD.H + 2H
+

∆G
o