Giới Thiệu Về Carbohydrates

I. Tổng quan

Carbohydrates là các phân tử hữu cơ dồi dào nhất trong tự nhiên. Chúng có rất nhiều chức năng, bao gồm cung cấp một phần đáng kể lượng calories trong chế độ ăn đối với hầu hết các sinh vật, đóng vai trò là một dạng tích trữ năng lượng trong cơ thể và đóng vai trò như là các thành phần của màng tế bào mà giúp truyền một số dạng giao tiếp gian bào. Carbohydrates cũng đóng vai trò là thành phần cấu trúc của nhiều sinh vật, bao gồm các thành của vi khuẩn, khung xương ngoài (exoskeleton) của côn trùng và cellulose dạng sợi của thực vật. Công thức thực nghiệm đối với nhiều carbohydrates đơn giản là (CH₂O)_n, trong đó n ≥ 3, vì thế nó có tên gọi là “hydrate của carbon”.

II. Sự phân loại và cấu trúc

Các monosaccharides hay các đường đơn giản có thể được phân loại theo số lượng nguyên tử carbon mà chúng chứa. Các ví dụ về một số monosaccharides thường được tìm thấy ở người thì được liệt kê trong Hình 1. Chúng có thể được phân loại bởi loại nhóm carbonyl mà chúng chứa. Các carbohydrates với một nhóm aldehyde là nhóm carbonyl của chúng thì được gọi là aldoses, ngược lại những carbohydrates mà có một nhóm ketone là nhóm carbonyl của chúng thì được gọi là ketoses (Hình 2). Ví dụ, glyceraldehyde là một aldose, ngược lại, dihydroxyacetone là một ketose. Các carbohydrates mà có một nhóm carbonyl tự do thì sẽ có hậu tố “-ose”. (Chú ý: Các ketoses có thêm “ul” trong hậu tố của nó như xylulose. Có các ngoại lệ, như fructose, đối với quy luật này). Các monosaccharides có thể được liên kết với nhau bởi các liên kết glycoside để tạo ra các cấu trúc lớn hơn (Hình 3). Các disaccharides chứa 2 đơn vị monosaccharides, oligosaccharides chứa 3 đến 10 đơn vị monosaccharides và các polysaccharides chứa hơn 10 đơn vị monosaccharide và có thể dài đến hàng trăm đơn vị đường.

A. Các isomers và epimers

Các hợp chất mà có cùng công thức hóa học nhưng khác nhau trong cấu trúc được gọi là các isomers (đồng phân) của nhau. Ví dụ, fructose, glucose, mannose và galactose tất cả đều có chung một công thức hóa học là C₆H₁₂O₆, với các cấu trúc khác nhau. Các đồng phân carbohydrate mà chỉ khác nhau trong cấu hình xung quanh một nguyên tử carbon chuyên biệt (trừ carbon của carbonyl) được định nghĩa là các epimers của nhau. Ví dụ, glucose và galactose là các epimers C-4 bởi vì các cấu trúc của chúng chỉ khác nhau về vị trí của nhóm hydroxyl (-OH) ở carbon thứ 4. (Chú ý: Các carbons trong các đường được đánh số bắt đầu từ đầu mà chứa carbon carbonyl [nghĩa là nhóm aldehyde hoặc nhóm ketone, như được thể hiện trong Hình 4). Glucose và mannose là các epimers C-2. Tuy nhiên, bởi vì galactose và mannose khác nhau về vị trí của các nhóm -OH ở 2 carbons (carbon 2 và 4) nên chúng là các isomers chứ không phải là các epimers (xem Hình 4).

B. Đồng phân quang học (enantiomers)

Một dạng đặc biệt của đồng phân được tìm thấy trong các cặp cấu trúc mà là hình ảnh phản chiếu qua gương của nhau. Các hình ảnh phản chiếu này được gọi là các đồng phần quang học và 2 thành viên của cặp được định danh là đường dạng D (D-sugar) và đường dạng L (L-sugar) (Hình 5). Đa số đường ở người là các đồng phân dạng D. Ở dạng D, nhóm -OH trên carbon bất đối xứng (một carbon liên kết với 4 nguyên tử và nhóm khác nhau) mà xa carbon của carbonyl nhất thì nằm bên phải, ngược lại, ở dạng L, nó sẽ nằm bên trái. Hầu hết các enzymes là đặc hiệu cho dạng D hoặc dạng L nhưng các enzymes được gọi là các isomerases thì có khả năng chuyển đổi giữa các đồng phân dạng D và dạng L.

C. Sự tạo vòng của monosaccharide

Dưới 1% của mỗi monosaccharide có 5 hoặc nhiều carbons hơn tồn tại ở dạng chuỗi mở trong dung dịch. Thay vào đó, chúng chủ yếu được tìm thấy ở dạng vòng mà trong đó nhóm aldehyde (hay ketone) sẽ phản ứng với nhóm hydroxyl trên cùng phân tử đường, làm cho carbon của carbonyl (carbon thứ 1 đối với một aldose, carbon thứ 2 đối với một ketose) trở nên bất đối. Carbon bất đối này được gọi là “carbon anomeric”.

1. Anomers: Sự tạo thành của một carbon anomeric (chính là carbon của carbonyl) sẽ tạo thành một cặp đồng phân mới là các cấu hình α và β của đường (ví dụ, α-D-glucopyranose và β-D-glucopyranose), như được thể hiện trên Hình 6, là các anomers của nhau. (Chú ý: Trong cấu hình α, nhóm -OH trên carbon anomeric hướng về phía cùng bên với vòng theo công thức chiếu Fischer sửa đổi [xem Hình 6A] và đối diện với nhóm CH₂OH trong công thức chiếu Haworth [xem Hình 6B]. Các dạng α và β không phải là các hình ảnh đối xứng và chúng được gọi là các đồng phân phi quang học). Các enzymes có thể phân biệt giữa 2 cấu trúc này và ưu tiên sử dụng một trong hai dạng. Ví dụ, glycogen được tổng hợp từ α-D-glucopyranose, ngược lại cellulose được tổng hợp từ β-D-glucopyranose. Các anomers vòng α và β của một đường trong dung dịch hình thành nên một hỗn hợp cân bằng một cách tự phát (nhưng chậm), một quá trình được gọi là sự chuyển đổi xoay (mutarotation) (xem Hình 6). (Chú ý: Đối với glucose, dạng α chiếm 36% hỗn hợp).

2. Các đường khử: Nếu như nhóm hydroxyl trên một carbon anomeric của một đường vòng không liên kết với một hợp chất khác bởi liên kết glycoside thì vòng có thể mở. Đường có thể đóng vai trò như là một chất khử và được gọi là một đường khử (reducing sugar). Các đường như thế có thể phản ứng với các chất sinh màu (ví dụ như thuốc thử Benedict) làm cho thuốc thử bị khử và có màu khi nhóm aldehyde của đường vòng bị oxy hóa thành nhóm carboxyl. Tất cả các monosaccharides nhưng không phải tất cả các disaccharides là các đường khử. (Chú ý: Fructose, một ketose, là một đường khử bởi vì nó có thể được đồng phân hóa thành một aldose).

Một kiểm tra màu có thể phát hiện một đường khử trong nước tiểu. Một kết quả dương tính là một chỉ điểm cho bệnh lý nền (bởi vì các đường bình thường không xuất hiện trong nước tiểu) và có thể được theo dõi sau đó bởi các kiểm tra đặc hiệu hơn để xác định đường khử.

D. Sự kết hợp của monosaccharide

Các monosaccharides có thể được kết hợp để hình thành nên các disaccharides, oligosaccharides và polysaccharides. các disaccharides quan trọng bao gồm lactose (galactose + glucose), sucrose (glucose + fructose) và maltose (glucose + glucose). Các polysaccharides quan trọng bao gồm glycogen phân nhánh (có nguồn gốc động vật), tinh bột phân nhánh (có nguồn gốc thực vật) và cellulose không phân nhánh (có nguồn gốc thực vật). Mỗi trong số này là một polymer của glucose.

E. Các liên kết glycoside

Các liên kết mà kết nối các đường được gọi là các liên kết glycoside. Chúng được hình thành bởi các enzymes được gọi là glycosyltransferases mà sử dụng các đường nucleotide (các đường hoạt hóa) như uridine diphosphate glucose là các cơ chất. Các liên kết glycoside giữa các đường được đặt tên theo số của các carbon kết nối và liên quan với vị trí của nhóm hydroxyl anomeric của đường đầu tiên liên quan với liên kết. Nếu như hydroxyl anomeric này ở cấu hình α thì liên kết sẽ là một liên kết α. Nếu như ở cấu hình β thì liên kết là một liên kết β. Ví dụ, lactose được tổng hợp bởi sự hình thành của một liên kết glycoside giữa carbon 1 của β-galactose và carbon thứ 4 của glucose. Vì thế, liên kết là một liên kết glycoside β(1→4) (xem Hình 3). (Chú ý: Bởi vì đầu anomeric của gốc glucose thì không liên quan trong liên kết glycoside nên nó [và vì thế lactose] vẫn là một đường khử).

F. Sự liên kết của carbohydrates với các chất không phải là carbohydrates

Các carbohydrates có thể được liên kết bởi các liên kết glycoside với các cấu trúc không phải carbohydrates, bao gồm các bases purine và pyrimidine trong các acids nucleic, các vòng thơm như được tìm thấy trong các steroids, các proteins và các lipids. Nếu như nhóm trên phân tử không phải carbohydrates mà đường nối vào là nhóm -NH2 thì liên kết được gọi là liên kết N-glycoside. Nếu như nhóm đó là một -OH thì liên kết là một liên kết O-glycoside (Hình 7). (Chú ý: Tất cả các liên kết glycoside giữa đường với đường là các liên kết loại O).

III. Sự tiêu hóa carbohydrates trong chế độ ăn

Các vị trí chủ yếu của sự tiêu hóa carbohydrates là miệng và lòng ruột. Sự tiêu hóa này thì nhanh và được xúc tác bởi các enzymes được gọi là các glycoside hydrolases (glycosidases) giúp thủy phân các liên kết glycoside (Hình 8). Bởi vì có ít monosaccharide trong các chế độ ăn hỗn hợp có nguồn gốc động vật và thực vật nên các enzymes chủ yếu là các endoglycosidases giúp thủy phân các polysaccharides và các oligosaccharides và các disaccharidases giúp thủy phân các tri- và disaccharides thành các thành phần đường khử. Các glycosidases thường đặc hiệu cho cấu trúc và cấu hình của gốc glycosyl được loại bỏ cũng như là loại liên kết bẻ gãy. Các sản phẩm cuối cùng của sự tiêu hóa carbohydrates là các monosaccharides glucose, galactose và fructose mà được hấp thu bởi các tế bào (các tế bào niêm mạc ruột) của ruột non.

A. α-amylase nước bọt

Các polysaccharides trong chế độ ăn chủ yếu được tiêu thụ bởi con người là từ thực vật (tính bột, bao gồm amylose và amylopectin) và từ động vật (glycogen). Trong suốt quá trình nhai, α-amylase của nước bọt tác động nhanh lên tinh bột và glycogen trong chế độ ăn, làm thủy phân các liên kết α(1→4) ngẫu nhiên. (Chú ý: Có cả α[1→4]- và β[1→4]-endoglucosidases trong tự nhiên nhưng con người không thể sản xuất β[1→4]-endoglucosidases. Vì thế, chúng ta không thể tiêu hóa cellulose, một carbohydrates có nguồn gốc thực vật chứa các liên kết β[1→4] glycoside giữa các gốc glucose). Bởi vì amylopectin và glycogen phân nhánh cũng chứa các liên kết α(1→6), các liên kết mà α-amylase không thể thủy phân nên kết quả của sự tiêu hóa từ hoạt động của α-amylase sẽ chứa một hỗn hợp các oligosaccharides ngắn phân nhánh và không phân nhánh, được gọi là các dextrins (Hình 9). (Chú ý: Các disaccharides cũng xuất hiện bởi vì chúng kháng lại được amylase). Sự tiêu hóa carbohydrates sẽ ngừng tạm thời trong dạ dày bởi vì tính acid mạnh sẽ bất hoạt α-amylase nước bọt.

B. α-amylase của tụy

Khi các thành phần có tính acid của dạ dày đến ruột non thì chúng sẽ được trung hòa bởi bicarbonate được tiết ra bởi tuyến tụy và α-amylase tuyến tụy tiếp tục quá trình tiêu hóa tinh bột.

C. Các disaccharidases của ruột

Các quá trình tiêu hóa cuối cùng xảy ra chủ yếu ở lớp niêm mạc của tá tràng và hỗng tràng trên và bao gồm hoạt động của một vài disaccharidases (xem Hình 9). Ví dụ, isomaltase phân tách liên kết α(1→6) trong isomaltose và maltase phân tách liên kết α(1→4) trong maltose và maltotriose, mỗi quá trình đều sẽ tạo ra glucose. Sucrase phân tách liên kết α(1→2) trong sucrose, tạo thành glucose và fructose và lactase (β-galactosidase) phân tách liên kết β(1→4) trong lactose, tạo thành galactose và glucose. (Chú ý: Các cơ chất đối với isomaltase thì rộng hơn so với tên gọi của nó và nó thủy phân phần lớn maltose). Trehalose, một disaccharide α(1→1) của glucose được tìm thấy trong các loại nấm và được phân tách bởi trehalase. Các enzyme này là các proteins xuyên màng của bờ bàn chải trên mặt lòng (mặt đỉnh) của các tế bào niêm mạc ruột.

Sucrase và isomaltase là các hoạt động về mặt enzyme của một protein đơn được tách thành 2 tiểu đơn vị chức năng mà vẫn liên quan với nhau trong màng tế bào và hình thành nên phức hợp sucrase-isomaltase (phức hợp SI). Ngược lại, maltase là một trong 2 hoạt động về mặt enzyme của protein màng đơn maltase – glucoamylase (MGA) mà không được tách ra. Hoạt động về mặt enzyme thứ 2 của nó là glucoamylase sẽ giúp phân tách các liên kết α(1→4) trong các dextrins.

D. Sự hấp thu các monosaccharides của ruột

Hỗng tràng trên hấp thu lượng lớn các sản phẩm monosaccharides của quá trình tiêu hóa. Tuy nhiên, các đường khác nhau có các cơ chế hấp thu khác nhau (Hình 10). Ví dụ, galactose và glucose được đưa vào trong các tế bào niêm mạc ruột bởi sự vận chuyển chủ động thứ phát mà yêu cầu một sự hấp thu đồng thời (đồng vận chuyển) ion natri (Na⁺). Protein vận chuyển là kênh đồng vận glucose phụ thuộc ion natri 1 (sodium-dependent glucose cotransporter 1 – SGLT-1). (Chú ý: Sự vận chuyển đường được điều khiển bởi gradient Na+ tạo ra bởi Na⁺/K⁺-ATPase giúp đưa Na⁺ ra ngoài tế bào niêm mạc ruột và K⁺ vào bên trong tế bào niêm mạc ruột [xem Hình 10]). Sự hấp thu fructose sẽ sử dụng một kênh vận chuyển monosaccharide không phụ thuộc năng lượng và Na⁺ (GLUT-5). Tất cả 3 monosaccharides được vận chuyển từ các tế bào niêm mạc ruột vào trong hệ thống tuần hoàn cửa bởi một kênh vận chuyển khác nữa là GLUT-2. (Chú ý: Các kênh vận chuyển này sẽ được bàn kỹ hơn trong các bài viết sau của mình nhé).

E. Sự thoái hóa bất thường của các disaccharides

Quá trình tiêu hóa và hấp thu carbohydrates tổng quan thì hiệu quả ở những người khỏe mạnh đến nỗi thông thường tất cả carbohydrates trong chế độ ăn có thể tiêu hóa được thì được hấp thu vào thời điểm nguyên liệu đã tiêu hóa đến phần dưới hỗng tràng. Tuy nhiên, bởi vì chỉ các monosaccharides được hấp thu nên bất cứ sự suy giảm nào (di truyền hoặc mắc phải) trong hoạt động của một disaccharidase đặc hiệu của niêm mạc ruột thì sẽ gây ra sự đi xuống ruột già của carbohydrates chưa tiêu hóa. Kết quả của sự xuất hiện thành phần hoạt động về mặt thẩm thấu này là nước sẽ bị kéo từ niêm mạc vào trong ruột già, gây ra tiêu chảy thẩm thấu (osmotic diarrhea). Điều này được tăng cường bởi sự lên men của vi khuẩn từ carbohydrates thành các hợp chất chứa 2 và 3 carbon (cũng là các hợp chất hoạt động về mặt thẩm thấu) cùng với các thể tích khí carbon dioxide và khí hydrogen (H₂) lớn, gây ra đau bụng, tiêu chảy và đầy hơi.

1. Sự suy giảm enzyme tiêu hóa: Các sự suy giảm di truyền của các disaccharidases gây ra sự không dung nạp disaccharide. Các thay đổi trong sự thoái hóa disaccharide cũng có thể được gây ra bởi nhiều bệnh về ruột, suy dinh dưỡng và các thuốc mà làm tổn thương niêm mạc ruột non. Ví dụ, các enzyme bờ bàn chải thì mất nhanh ở những người bình thường bị tiêu chảy nặng, gây ra một sự suy giảm enzyme mắc phải tạm thời. Vì thế, các bệnh nhân đang trải qua hoặc đang hồi phục từ một rối loạn như thế không thể uống hay ăn các lượng lớn sản phẩm từ sữa hay sucrose mà không làm nặng thêm tiêu chảy.

2. Không dung nạp lactose: Hơn 60% người trưởng thành trên thế giới trải qua sự rối loạn hấp thu lactose bởi vì họ thiếu enzyme lactase (Hình 11). Những người gốc Bắc Âu thì dường như hầu hết đều duy trì khả năng tiêu hóa lactose đến thời kỳ trưởng thành. Lên đến 90% người trưởng thành gốc Phi hoặc gốc Á là có sự suy giảm lactase. Kết quả, họ ít có khả năng chuyển hóa lactose hơn so với những người có gốc Bắc Âu. Sự suy giảm hoạt động của lactase theo tuổi bắt đầu ở gần lúc 2 tuổi cho thấy một sự suy giảm trong lượng enzyme sản xuất. Người ta cho rằng nó được gây ra bởi các sự thay đổi nhỏ trong trình tự DNA của một vùng trên nhiễm sắc thể số 2 mà giúp kiểm soát sự biểu hiện của gene lactase, cũng trên nhiễm sắc thể số 2. Điều trị đối với rối loạn này là giảm sự tiêu thụ sữa; ăn sữa chua và một số phô mai (hoạt động của vi khuẩn và quá trình chín phô mai sẽ làm giảm thành phần lactose) cũng như là ăn các loại rau xanh như bông cải xanh, để đảm bảo đủ lượng canxi ăn vào; sử dụng các sản phẩm chứa lactase hoặc dùng lactase ở dạng viên uống trước khi ăn. Các trường hợp hiếm của tình trạng suy giảm lactase bẩm sinh thì đã được biết đến.

3. Sự thiếu hụt sucrase-isomaltase: Sự thiếu hụt SI gây ra sự không dung nạp sucrose tiêu hóa. Tình trạng này được xem là khá hiếm, thường gặp hơn ở những người Inuit thuộc Alaska và Greenland; hiện nay, lên đến 9% người Mỹ gốc Âu được ghi nhận là bị ảnh hưởng bởi một dạng thiếu hụt SI.

Ban đầu nó được xem hoàn toàn là một rối loạn lặn trên nhiễm sắc thể thường nhưng những người với một đột biến (người mang gen bệnh) đôi khi vẫn biểu hiện các triệu chứng của bệnh. Hiện nay, 25 đột biến khác nhau ở gene sucrose ở người đã được biết đến. Những người đồng hợp đối với các đột biến sẽ biểu hiện tình trạng thiếu hụt SI bẩm sinh và trải qua tiêu chảy thẩm thấu, phân mỡ mức độ nhẹ, dễ bị kích thích và nôn sau khi sử dụng sucrose. Những người mang thể dị hợp thường có các triệu chứng tiêu chảy kéo dài, đau bụng và đầy hơi. Điều trị bao gồm hạn chế sucrose trong chế độ ăn và liệu pháp thay thế enzyme.

4. Chẩn đoán các sự thiếu hụt enzyme: Việc xác định thiếu hụt một enzyme đặc hiệu có thể thu được bằng cách thực hiện các kiểm tra dung nạp bằng đường miệng với các disaccharides riêng biệt. Sự đo H₂ trong hơi thở là một kiểm tra đáng tin cậy để xác định lượng carbohydrates tiêu hóa không được hấp thu bởi cơ thể mà được chuyển hóa thay thế bởi hệ vi sinh vật đường ruột (xem Hình 11).

IV. Tổng hợp bài viết

• Các monosaccharides (Hình 12) chứa một nhóm aldehyde được gọi là các aldoses, và những monosaccharides chứa một nhóm ketone được gọi là các katoses.

• Các disaccharides, oligosaccharides và polysaccharides chứa các monosaccharides được liên kết bởi các liên kết glycoside.

• Các hợp chất có cùng công thức hóa học nhưng có các cấu trúc khác nhau thì được gọi là các isomers (các đồng phân).

• Hai isomers monosaccharides khác nhau trong cấu hình quanh một nguyên tử carbon chuyên biệt (không phải carbon của carbonyl) được định nghĩa là các epimers. 

• Trong các đồng phân quang học (enantiomers) (các hình ảnh phản chiếu qua gương của nhau) thì các thành viên của cặp đường này được định danh là các isomers dạng D và dạng L. Khi nhóm aldehyde trên một đường vòng bị oxy hóa khi một chất tạo màu bị khử thì đường đó là một đường khử (reducing sugar).

• Khi một đường đóng vòng, một carbon anomeric được tạo ra từ carbon carbonyl của nhóm aldehyde hoặc ketone. Đường có thể có 2 cấu hình, hình thành nên các anomers dạng α hay β. 

• Một đường có thể có carbon anomeric của nó liên kết với một nhóm -NH₂ hoặc một nhóm -OH trên một cấu trúc khác lần lượt qua các liên kết N- và O-glycoside.

• α-amylase nước bọt sẽ khởi đầu sự tiêu hóa các polysaccharides trong chế độ ăn (như tinh bột hoặc glycogen), tạo thành các oligosaccharides. α-amylase tụy tiếp tục quá trình này. Các quá trình tiêu hóa cuối cùng xảy ra ở lớp niêm mạc của ruột non.

• Một vài disaccharidases (như lactase [β-galactosidase], sucrase, isomaltase và maltase) sẽ tạo ra các monosaccharides (glucose, galactose và fructose). Các enzyme này là các protein xuyên màng của bờ bàn chải của các tế bào niêm mạc ruột (enterocytes) trong lòng ruột.

• Sự hấp thu các monosaccharides yêu cầu các kênh vận chuyển (transporters) đặc hiệu. Nếu như sự thoái hóa carbohydrates bị suy giảm (do di truyền, bệnh, hay các thuốc mà làm tổn thương niêm mạc ruột) thì carbohydrates không được tiêu hóa sẽ đi vào trong ruột già, nơi mà nó sẽ gây ra tiêu chảy thẩm thấu (osmotic diarrhea).

• Sự lên men do vi khuẩn của các nguyên liệu sẽ tạo ra các lượng lớn khí carbon dioxide và khí hydrogen, gây ra đau bụng, tiêu chảy và đầy hơi. Không dung nạp lactose (lactose intolerance), chủ yếu được gây ra bởi sự suy giảm lactase theo tuổi (suy giảm lactase thể trưởng thành [adult-type hypolactasia]), là tình trạng thường gặp nhất trong số các suy giảm này.

Các bạn có thể xem bài viết mới trên Facebook tại đây: https://www.facebook.com/profile.php?id=61550892771585

Các bạn có thể xem bài viết trước tại đây: https://docsachxyz.com/nang-luong-sinh-hoc-va-su-phosphoryl-hoa-oxy-hoa-phan-2/

Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!