Tiêu hóa và hấp thu lipid ở động vật

9.1 Tiêu hóa và hấp thu lipid ở động vật

9.1.1 Tiêu hóa lipid

- Nhu động của ruột cộng với trạng thái xốp của thức ăn do khí CO₂ sinh ra trong quá trình trung hòa HCl của dịch vị bởi các bicarbonate của dịch ruột.

- Các acid mật bao gồm: cholic acid, 7-desoxycholic acid, litocholic acid, kenodesoxycholic acid được hình thành từ cholesterol. Quá trình này diễn ra ở tế bào gan, sau đó được tiết ra ở ống mật rồi đổ vào túi mật. Trước khi đổ vào ruột non, nó được liên kết với glycine và taurine tạo thành  glycocholic acid và taurocholic acid có tính phân cực hóa. Nhờ nhu động của ruột, hạt mỡ bị vỡ thành các hạt nhỏ với kích thước 0,5 - 20 micron, các hạt này được phủ bởi lớp acid mật và lớp vỏ thủy hóa. Đó là dạng nhũ tương, tạo điều kiện cho enzyme lipase hoạt động.

Lipase ở tá tràng có hai nguồn gốc: lipase tuyến tụy và lipase niêm mạc ruột non. Lipase tụy khi mới tiết ra còn ở dạng zymogen, sau khi gặp acid mật nó chuyển sang trạng thái hoạt hóa.

Quá trình thủy phân triglycerid được diễn ra như  sau: 

Sản phẩm của sự tiêu hóa triglyceride gồm acid béo, glycerol, monoglyceride, diglyceride và một số hạt mỡ kích thước nhỏ. Glycerol dễ hòa tan trong nước nên thẩm thấu nhanh vào tế bào niêm mạc ruột. Các acid béo liên kết với acid mật tạo thành phức chất "choleic acid" có tính hòa tan và được hấp thu qua tế bào vách ruột theo phương thức thụ động hoặc phần lớn theo nguyên tắc ẩm bào. Sau khi vào tế bào thành ruột, acid mật tách khỏi acid béo đi vào hệ tĩnh mạch trở về gan. Tại gan acid mật đổ vào túi mật để làm nhiệm vụ như ban đầu.

Tại tế bào biểu mô thành ruột, acid béo kết hợp với glycerol để tái tạo thành mỡ (triacylglycerol). Khoảng 70-80% mỡ tái tạo kết hợp với cholesterol và một nhóm protein đặc hiệu tạo nên phức lipoprotein là chylomicron. Đây là dạng hòa tan trong nước nên dễ vận chuyển ở dịch lâm ba vào máu. Một phần rất nhỏ (10-15%) mỡ và acid béo có phân tử lượng nhỏ đi vào tĩnh mạch.

Từ ống lâm ba cụt đi theo con đường lâm ba, lên lâm ba ngực rồi đổ vào hệ tuần hoàn về gan và các mô mỡ. Bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu, người ta thấy rằng bất cứ mỡ nào trước khi sử dụng vào các nhu cầu của cơ thể đều qua giai đoạn tích lũy 3-5 ngày. Từ mô mỡ, acid béo và glycerol được giải phóng nhờ tác dụng của enzyme lipase đặc thù của mô. Enzyme này chịu tác động điều tiết của nhiều loại hormone. Các acid béo và glycerol từ mô mỡ được vận chuyển dưới dạng liên kết albumin và một phần -globulin trong máu đến các mô bào cần sử dụng (dạng lipoprotein có tỉ trọng cao HDL và tỉ trọng thấp LDL). Cơ quan sử dụng acid béo nhiều nhất là gan và một phần là cơ tim. 

9.1.3 Vai trò của gan trong quá trình tiêu hóa và hấp thu lipid

Trong cơ thể động vật, gan đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiêu hóa và hấp thu lipid. Gan sản sinh acid mật, nhũ tương hóa mỡ và hoạt hóa lipase. Nếu quá trình tiết mật kém, sự tiêu hóa và hấp thu mỡ sẽ bị đình trệ. Hầu hết các mô bào của cơ thể động vật có khả năng dùng mỡ vào nhu cầu năng lượng, nhưng chủ yếu dưới các sản phẩm của mỡ đã được chế biến ở gan.

Hàng ngày có một lượng mỡ nhất định được chuyển từ các mô dự trữ về gan và được sơ chế ở gan trước khi vận chuyển đến các mô bào khác sử dụng. Trường hợp cơ thể thiếu carbohydrate do dinh  dưỡng, trạng thái sinh lý hoặc bệnh lý, ... thì lượng mỡ ở gan tăng lên rõ rệt. Nếu tế bào gan không hoạt động oxy hóa tốt do các nguyên nhân bệnh lý, mỡ sẽ ứ đọng ở gan gây tình trạng gan nhiễm mỡ.

9.2 Sự phân giải lipid

Phân giải lipid là sự thủy phân các liên kết ester, giải phóng các hợp phần. Sau đó chúng có thể bị oxy hóa đến CO₂, H₂O và giải phóng năng lượng hoặc  tham gia vào quá trình sinh tổng hợp các chất khác trong cơ thể.

9.2.1 Sự thủy phân lipid đơn giản

Đại diện điển hình của lipid đơn giản là triacylglycerol hay còn gọi là lipid trung tính. Chúng dễ dàng bị thủy phân do tác động của enzyme lipase tạo thành glycerol và acid béo. Quá trình thủy phân triacylglycerol diễn ra như  sau: 

Lipase rất phổ biến trong cơ thể động vật và thực vật. Ở hạt cây có dầu giai đoạn nảy mầm hàm lượng lipase tăng cao. Ở động vật, lipase được hoạt hóa và lipid được nhũ tương bởi acid mật, vì vậy quá trình này xảy ra nhanh.       

Phospholipid gồm nhiều loại như phosphatidylcholine, phosphatidyl serine, phosphatidyl ethanolamine, … Các enzyme tham gia thủy phân các liên kết ester gồm: phospholipase A, phospholipase B, phospholipase C, phospholipase D và lysophospholipase. Tác dụng của  các enzyme được thể hiện qua hình 9.2.

Sản phẩm chủ yếu của sự thủy phân lipid ở động vật là acid béo và glycerol. Albumin huyết thanh tham gia vận chuyển acid béo đến tế bào. Ngoài ra một lượng nhỏ triglycerid được đưa vào tế bào dưới tác động của enzyme lipoprotein-lipase trong huyết tương hay trong mô mỡ, nó cũng sẽ phân giải tạo thành glycerol và acid béo.

9.2.3 Sự phân giải glycerol

Glycerol là sản phẩm dễ chuyển hóa trong cơ thể. Glycerol cung cấp khoảng 5% năng lượng do quá trình oxy hóa. Ở gan và một số cơ quan khác, glycerol được tạo thành glycerol-3-phosphate nhờ enzyme glycerol-kinase xúc tác. Sau đó nó bị oxy hóa thành glyceraldehyde-3-phosphate. Sự chuyển hóa của chất này tiếp theo có thể xảy ra theo hai hướng: tiếp tục bị oxy hóa trong phản ứng đường phân và chu trình Krebs để tạo thành CO₂, H₂O và năng lượng hoặc bằng các phản ứng ngược với sự đường phân để tổng hợp nên carbohydrate.

Acid béo sau khi tách khỏi albumin sẽ khuyếch tán vào tế bào chất của tế bào ở những mô có nhu cầu. Acid béo không thể tự vận chuyển trực tiếp vào ti thể để tham gia quá trình oxy hóa, mà phải được hoạt hóa. Quá trình hoạt hóa acid béo gồm 3 phản ứng (hình 9.3 và 9.4):

1) Acid béo biến đổi thành acyl-CoA nhờ enzyme acyl-CoA synthetase nằm ở màng ngoài ti thể xúc tác:

Acid béo + CoA + ATP  Acyl-CoA + AMP + 2Pi   

(G^o  = -32,5 KJ/mol)

2) Acyl-CoA gắn lên chất mang carnitine và được chuyển vào bên trong chất nền (matrix) của ti thể nhờ hệ enzyme carnitine acyltransferase I nằm ở màng giữa của ti thể.

3) Acyl-carnitine chuyển gốc acyl sang CoA nằm bên trong ti thể nhờ enzyme carnitine acyltransferase II xúc tác để hình thành acyl-CoA.

9.2.4.1 Quá trình -oxy hóa acid béo no (bão hòa) có số carbon chẵn

Công trình nghiên cứu của F. Knoop người Đức (1904) là cơ sở đầu tiên về cơ chế của quá trình oxy hóa acid béo. Ngoài quá trình -oxy hóa  còn một số quá trình oxy hóa acid béo khác như quá trình -oxy hóa, v.v… nhưng những quá trình này không chủ yếu. Ở gan hệ thống enzyme oxy hóa acid béo hoạt động rất mạnh. Quá trình -oxy hóa acid béo trong ti thể gồm 4 phản ứng:

1) Phản ứng khử hydro tạo liên kết đôi giữa 2 nguyên tử carbon ở vị trí  và  (C-2 và C-3) tạo enoyl-CoA. Phản ứng do enzyme acyl-CoA dehydrogenase xúc tác với sự tham gia của FAD.

2) Phản ứng hydrate hóa gắn H₂O vào liên kết đôi tạo ra -hydroxyacyl-CoA được xúc tác bởi enzyme enoyl-CoA hydratase.

3) -hydroxy acyl-CoA bị khử hydro do enzyme -hydroxy acyl-CoA dehydrogenase xúc tác tạo ra  -keto acyl-CoA và biến đổi NAD⁺ thành NADH.

4) Phản ứng tách acetyl-CoA và tạo acyl-CoA mới ngắn hơn 2 nguyên tử C được xúc tác bởi enzyme acyl-CoA acetyltransferase còn gọi là thiolase (hình 9.5).

Quá trình trên được lặp lại, acid béo bị cắt ngắn dần thành các acetyl CoA. Một vòng quay, tế bào thu được 2 cặp H⁺: 1 cặp cho FAD và 1 cặp cho NAD⁺ và 1 phân tử acetyl-CoA.

Quá trình -oxy hóa xảy ra bên trong ti thể. Các phân tử acetyl-CoA được tạo thành sẽ được sử dụng trong quá trình đồng hóa như sinh tổng hợp acid béo và các dẫn xuất của lipid, là nguồn để tạo các chất ketone hoặc bị oxy hóa hoàn toàn qua chu trình Krebs.

Quá trình -oxy hóa palmityl-CoA có 16 C tế bào thu được nguồn năng lượng như sau: có 7 vòng quay tạo ra 7 FADH₂, 7 NADH₂ và có 8 phân tử acetyl CoA.

   7 FADH₂        7 x 2 ATP    =   14 ATP

   7 NADH₂       7 x 3 ATP   =    21 ATP

8 phân tử acetyl-CoA đi vào vòng Krebs tạo ra 12ATP x 8 = 96 ATP

Tổng cộng : 14 ATP +  21 ATP  + 96 ATP   =  131 ATP

Trừ 1ATP dùng để hoạt hóa acid béo ban đầu còn thu được 130ATP.

Có thể tính năng lượng giải phóng khi oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử acid béo có số nguyên tử carbon chẵn n như sau: Số vòng -oxyhóa là . Quá trình  oxy hóa tạo ra FADH₂ và NADH₂. Chúng bị oxy hóa nhờ hệ thống vận chuyển điện tử, sẽ tạo ra tương ứng với 2 và 3 phân tử ATP. Tổng cộng thu được 5 ATP cho 1 vòng xoắn. Số phân tử acetyl-CoA là , acetyl-CoA sau đó bị oxy hóa bởi chu trình Krebs tạo ra 12 ATP. Số ATP tiêu tốn để hoạt hóa acid béo ban đầu là 1 ATP.

Như vậy, ta có thể tính năng lượng sinh ra theo công thức như sau:          

   A=  ( +

A: Số năng lượng tính bằng ATP              

Hiệu suất năng lượng tính trên nguyên tử carbon trong quá trình oxy hóa acid béo là 8 ATP (130:16), còn trong quá trình oxy hóa glucose chỉ có 6 ATP (38:6). Như vậy khi phân giải 1 phân tử triglycerid sẽ cung cấp cho tế bào một số năng lượng rất lớn.

Đối với các acid béo có một hoặc nhiều liên kết đôi như oleic acid, linoleic acid thì quá trình -oxy hóa diễn ra bình thường, các phân tử acetyl-CoA được tách dần ra cho tới gần vị trí nối đôi (liên kết đôi). Nếu liên kết đôi nằm đúng vị trí cacbon  -  thì quá trình tiếp tục xảy ra. Nếu liên kết đôi không đúng vị trí carbon - thì enzyme enoyl-CoA isomerase sẽ xúc tác để đẩy  liên kết đôi về đúng vị trí.

Nếu là đồng phân dạng cis, sẽ nhờ sự xúc tác của enzyme -hydroxyacyl epimerase nhằm chuyển sang đồng phân dạng trans để thích ứng với hệ thống enzyme -oxy hóa.

9.2.4.3 Sự oxy hóa các acid béo có số carbon lẻ

Đa số các acid béo trong tự nhiên có số C chẵn. Tuy nhiên ở một số thực vật và một số động vật biển còn có acid béo có số C lẻ. Ngoài ra ở dạ cỏ của động vật nhai lại cũng luôn có sự hình thành propionic acid. Đối với acid béo có số C lẻ, các sản phẩm tạo ra trong quá trình oxy hóa là acetyl-CoA, trừ sản phẩm cuối cùng chứa 3 carbon là propionic acid. Quá trình oxy hóa propionic acid cần thêm 3 phản ứng (hình 9.6) sau:

1) Carboxyl hóa propionyl-CoA tạo ra D-methylmalonyl-CoA nhờ propionyl-CoA carboxylase xúc tác.

2) Đồng phân hóa methylmalonyl-CoA nhờ enzyme methyl malonyl-CoA epimerase xúc tác tạo ra L-methyl malonyl-CoA.

3) Tái sắp xếp nhóm chức trong phân tử L-methyl malonyl-CoA nhờ enzyme methylmalonyl-CoA mutase chứa coenzyme B₁₂ xúc tác tạo ra succinyl-CoA, chất trao đổi trung gian của chu trình Krebs.

9.2.4.4 Sự hình thành và chuyển hóa thể ketone

Ở động vật, trong quá trình -oxy hóa acid béo, acetyl-CoA được tạo ra rất nhiều. Tế bào gan chỉ sử dụng một  phần nhỏ acetyl-CoA cho nhu cầu của mình cho nên phần lớn acetyl-CoA được đưa đến các mô bào khác để sử dụng. Thể ketone được hình thành ở tế bào gan là dạng  chuyển vận trung gian của acetyl-CoA.

Quá trình tạo ra thể ketone (hình 9.7) có thể tóm tắt như sau: acetoacetyl-CoA hình thành từ 2 phân tử acetyl-CoA nhờ enzyme thiolase xúc tác sẽ trùng ngưng tiếp với acetyl-CoA thứ 3 nhờ enzyme -hydroxy--methylglutaryl-CoA synthase (HMG-CoA synthase) xúc tác nhằm tạo ra -hydroxy--methylglutaryl-CoA (HMG-CoA). Tiếp theo HMG-CoA bị phân giải thành acetyl-CoA và acetoacetate nhờ enzyme HMG-CoA lyase xúc tác. Acetoacetate sau đó dễ dàng bị khử thành -hydroxy butyrate nhờ enzyme -hydroxy butyrate dehydrogenase. Mặt khác acetoacetate cũng tạo ra acetone do enzyme acetoacetate decarboxylase xúc tác.

Ở não bộ, bình thường glucose là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu. Tuy nhiên khi cơ thể bị đói, não bộ chuyển sang sử dụng năng lượng của acetoacetate và -hydroxy butyrate. Khoảng 70-80% thể ketone trong máu tồn tại ở dạng -hydroxybutyric acid.

Như vậy, thể ketone là những chất chuyển hóa bình thường của cơ thể động vật. Thể  ketone chỉ trở nên là nguồn gốc gây chứng toan huyết khi được sản sinh quá nhiều do sự điều tiết trong chuyển hóa carbohydrate và lipid bị rối loạn. Để điều trị và phòng ngừa chứng ketosis, trong chăn nuôi gia súc sữa cao sản cần lưu ý thiết lập khẩu phần có hàm lượng carbohydrate thích hợp. Ở thực vật (hạt có dầu) và vi sinh vật, acetyl-CoA có thể được chuyển hóa qua vòng glyoxylate, một dạng cải tiến của vòng Krebs, để tạo ra các sản phẩm carbohydrate cần cho quá trình nảy mầm.

           

9.3 Sinh tổng hợp lipid

Quá trình sinh tổng hợp lipid là cơ chế dự trữ năng lượng ở sinh vật. Ở gia súc hầu hết các mô bào đều có khả năng tổng hợp lipid. Một số cơ quan có khả năng tiến hành mạnh mẽ và thường xuyên quá trình sinh tổng hợp lipid như gan, mô mỡ và cơ. Nguyên liệu chính mà cơ thể dùng để tổng hợp mỡ là glyceraldehyde-3 phosphate, phosphodixyacetone và  acetyl-CoA. Ở động vật nhai lại, phần lớn mỡ ở các mô nhất là mỡ sữa được tổng hợp từ các acid béo có phân tử nhỏ như acetate, propionate (do quá trình phân giải carbohydrate ở dạ cỏ cung cấp). Khoảng 50% mỡ của sữa bò được tạo thành từ các acetate, các acetate này có nguồn gốc chủ yếu từ dạ cỏ sau đó đi vào máu và tới tuyến sữa. Lợn là loài có khả năng rất lớn trong việc chuyển carbohydrate thức ăn thành lipid của cơ thể.

9.3.1 Tổng hợp glycerol

Để tham gia vào quá trình tổng hợp chất béo, glycerol ở dạng glycerophosphate. Glycerophosphate được tạo ra từ  quá trình đường phân.

9.3.2 Sinh tổng hợp acid béo bão hòa

9.3.2.1 Tổng hợp acid béo ở bào tương

Quá trình tổng hợp acid béo bão hòa từ acetyl-CoA thường xảy ra ở tất cả các tổ chức nhưng đặc biệt rất mạnh ở trong gan, mô mỡ, ruột và tuyến vú của các loài động vật bậc cao. Quá trình phân giải và tổng hợp acid béo được xúc tác bởi những enzyme khác nhau và xảy ra ở những vị trí khác nhau trong tế bào. Tiền chất thực sự của quá trình tổng hợp acid béo là malonyl-CoA.

Acid béo được tổng hợp từ các phân tử acetyl-CoA nhờ multienzyme tổng hợp acid béo (fatty acid synthase) hiện diện trong tế bào. Multienzyme này được chiết xuất từ E. coli gồm 6 enzyme bố trí liên hoàn với nhau xung quanh  protein không có hoạt tính enzyme nằm chính giữa gắn pantothen đóng vai trò là chất mang acyl có phân tử lượng (MW) khoảng 8.860 Dal, Lynen gọi protein này là protein mang nhóm acyl (Acyl-Carier-Protein, viết tắt là ACP). Phức enzyme này có bảy trung tâm hoạt động nằm trên 7 chuỗi polypeptide khác nhau, chứa 2 nhóm -SH, một nhóm thuộc ACP, nhóm kia thuộc cystein của enzyme -ketoacyl- ACP synthase.

ACP chứa 4’phosphopantotheine giống như bộ phận hoạt động của CoA. Bộ phận này gắn vào apoprotein bằng liên kết đồng hóa trị với gốc serine. Gốc acyl trung gian được móc vào ACP qua liên kết thioester với nhóm -SH của pantetheine. Gốc 4'phosphopantetheine hoạt động như một "cánh tay di động" vận chuyển gốc acyl từ enzyme này đến enzyme khác.

Protein của phức hệ đa enzyme được chiết xuất từ E. coli có thành phần và chức năng như sau:

 

Thành phần	Chức năng
Acyl carrier protein (ACP)	Mang gốc acyl bằng liên kết thioester
Acetyl-CoA-ACP transacetylase (AT)	Vận chuyển nhóm acyl từ CoA đến Cys của enzyme KS
-Ketoacetyl-ACP synthase (KS)	Phản ứng trùng ngưng giữa acyl và malonyl
Malonyl-CoA-ACP tranferase (MT)	Vận chuyển nhóm malonyl từ CoA đến ACP.
-Ketoacetyl-ACP reductase (KR)	Khử -keto đến -hydroxyl
-Hydroxyacyl-ACP dehydrase (HD)	Tách H2O từ -hydroxyacyl-ACP tạo liên kết đôi
Enoyl-ACP reductase (ER)	Khử liên kết đôi để tạo thành acyl-ACP

Sự tổng hợp acid béo ở bào tương bắt đầu từ phản ứng tạo thành acetyl-ACP và malonyl-ACP. Trước hết, acetyl-CoA phản ứng với nhóm -SH của ACP dưới tác dụng của enzyme ACP-acyl-transferase.

Nhóm acetyl được vận chuyển đến nhóm -SH của enzyme -ketoacetyl-ACP synthase (KS). Với phản ứng này, phức hợp multienzyme được khởi động và sẵn sàng thực hiện chuỗi phản ứng gắn thêm một đơn vị hai carbon trong quá trình kéo dài mạch carbon.

Nhóm malonyl của malonyl CoA sẽ phản ứng với nhóm -SH của ACP, giải phóng CoA tự do và tạo nên malonyl ACP, enzyme xúc tác phản ứng này là ACP-malonyl transferase (MT).

Sau 2 phản ứng, phức hợp multienzyme tổng hợp acid béo vừa mang nhóm acetyl được ester hóa với nhóm -SH của enzyme KS (nhóm -SH ngoại vi) vừa mang nhóm malonyl ester hóa với nhóm -SH của ACP (nhóm -SH trung tâm). Hai nhóm acetyl và malonyl được hoạt hóa để nối với nhau trong chu kỳ 4 phản ứng sau (hình 9.9). 

Acetyl-synthetase +Malonyl-SACPAcetoacetyl-SACP + HS-synthetase + CO₂

Sau 7 vòng phản ứng trùng ngưng và khử tiếp theo sẽ tạo ra palmitoyl chứa 16C. Phân tử  palmitic acid dài 16C sẽ tách khỏi phức ACP. Ở một số thực vật trong đó có  cây dừa và cọ dầu, sự tổng hợp acid béo thường kết thúc sớm hơn và chủ yếu tạo ra các acid béo có độ dài nằm trong khoảng từ 8C đến 14C.

    Trong cơ thể sinh vật gần 70-80% acid béo được tổng hợp dưới dạng palmityl-CoA. Sau đó tùy theo nhu cầu của tế bào, acid béo sẽ được chế biến thành acid béo khác. Việc xử lý này được tiến hành ở 2 vị trí:

- Nếu cần nối dài thêm phân tử acid béo thì palmityl-CoA được đưa đến ti thể và được nối dài bởi các acetyl-CoA. Sự chuyển acid béo vào ti thể do carnitine đảm nhiệm. Khi đó một ester được tạo thành giữa nhóm chức alcol của carnitine COOH-CH₂-CH(OH)-CH₂-N⁺  (CH₃)₃ với acid béo, gọi là acyl-carnitine.

- Nếu cần acid béo không bão hòa hoặc phân tử thấp thì palmityl-CoA được chuyển vào tiểu thể microsome để xử lý oxy hóa.

Về tổng thể quá trình tổng hợp palmittic acid từ acetyl-CoA gồm  2 giai đoạn:

1) Giai đoạn hình thành 7 phân tử malonyl-CoA

7Acetyl-CoA  +  7CO₂ + 7ATP     7malonyl-CoA  + 7ADP + 7Pi

2) Giai đoạn trùng ngưng và khử

Acetyl-CoA + 7Malonyl-CoA + 14NADPH  + 14H⁺   

   Palmitate + 7CO₂  +  8CoA  + 14NADP⁺ + 6H₂O

Phương trình tổng quát:

8Acetyl-CoA + 7ATP + 14NADPH + 14H⁺   

                Palmitate + 8CoA + 6 H₂O + 7ADP  + 7Pi + 14NADP⁺

Multienzyme tổng hợp acid béo ở các cơ thể sống khác nhau có cấu trúc khác nhau. Ở thực vật và vi khuẩn multienzyme cấu tạo từ 7 tiểu đơn vị khác nhau (6 enzyme và ACP). Ở nấm men multienzyme nằm trên hai tiểu đơn vị protein riêng biệt có cấu tạo rất phức tạp. Còn ở động vật-trên 1 chuỗi polypeptide có MW 240.000 Dal, tuy nhiên chuỗi này chỉ hoạt động ở dạng dimer có MW 480.000 Dal.