[Y khoa cơ bản] Bài 17: Thân nhiệt và chuyển hóa

I- MỤC TIÊU. 

■ Xác định phạm vi nhiệt độ cơ thể người bình thường.

■ Giải thích cách hô hấp tế bào tạo ra nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến sinh nhiệt.

■ Mô tả các con đường mất nhiệt qua da và đường hô hấp

■ Giải thích tại sao vùng dưới đồi được gọi là “nhiệt kế” của cơ thể.

■ Mô tả các cơ chế để tăng thải nhiệt.

■ Mô tả cơ chế duy trì nhiệt.

■ Giải thích nguyên nhân gây sốt và các ưu điểm và nhược điểm của sốt.

■ Định nghĩa chuyển hóa, đồng hóa và dị hóa.

■ Mô tả những gì xảy ra với một phân tử glucose trong ba giai đoạn của hô hấp tế bào.

■ Nêu rõ những gì xảy ra với từng sản phẩm hô hấp tế bào.

■ Giải thích cách các axit amin và chất béo có thể được sử dụng để sinh năng lượng.

■ Mô tả việc sử dụng glucose, axit amin và chất béo để tổng hợp năng lượng.

■ Giải thích ý nghĩa mức chuyển hóa và kilocalories.

■ Mô tả các yếu tố ảnh hưởng đến mức chuyển hóa của một người.

II- NỘI DUNG.

1. THUẬT NGỮ.

– Anabolism (an-NAB-uh-lizm)

– Catabolism (kuh-TAB-uh-lizm)

– Coenzyme (koh-EN-zime)

– Conduction (kon-DUK-shun)

– Convection (kon-VEK-shun)

– Cytochromes (SIGH-toh-krohms)

– Endogenous pyrogen (en-DOJ-enus PYE-roh-jen)

– Fever (FEE-ver)

– Glycolysis (gly-KAHL-ah-sis)

– Kilocalorie (KILL-oh-KAL-oh-ree)

– Krebs cycle (KREBS SIGH-kuhl)

– Pyrogen (PYE-roh-jen)

– Radiation (RAY-dee-AY-shun)

– Vitamins (VY-tah-mins)

– Antipyretic (AN-tigh-pye-RET-ik)

– Basal metabolic rate (BAY-zuhl met-ah-BAHL-ik RAYT)

– Frostbite (FRAWST-bite)

– Heat exhaustion (HEET ig-ZAWSchun)

– Heat stroke (HEET STROHK)

– Hypothermia (HIGH-poh-THERmee-ah)

2. NỘI DUNG.

Trong suốt thời gian sống, các tế bào của chúng ta phá vỡ các phân tử thức ăn để có được ATP (adenosine triphosphate). Hiển nhiên, chúng ta không nhận thức được quá trình hô hấp tế bào xảy ra, nhưng chúng ta có thể cảm nhận được một trong những sản phẩm của chúng- năng lượng ở dạng nhiệt. Cơ thể con người rất ấm, và nhiệt độ được điều chỉnh chính xác. Mặc dù chúng ta không thể đứng chân trần trên băng Nam Cực trong nhiều tháng vào mùa đông, như loài chi, cánh cụt, nhưng chúng ta có thể thích nghi và tồn tại trong một phạm vi rộng nhiệt độ môi trường. Chương này sẽ thảo luận về sự điều chỉnh nhiệt độ cơ thể và quá trình trao đổi chất- tất cả các phản ứng xảy ra trong cơ thể. Chúng bao gồm các phản ứng tạo ra năng lượng từ hô hấp tế bào và các phản ứng đòi hỏi năng lượng như tổng hợp protein hoặc tổng hợp DNA cho sự phân bào. Vậy nên, nhiệt độ cơ thể và sự trao đổi chất là hai quá trình không thể tách rời.

THÂN NHIỆT

Phạm vi bình thường của nhiệt độ cơ thể con người là 96,5° đến 99,5°F (36° đến 38°C), với nhiệt độ miệng trung bình là 98,6°F (37°C). (Một nghiên cứu năm 1992 cho thấy nhiệt độ miệng trung bình thấp hơn một chút: 98,2° hoặc 36,8°. Nhưng mọi người vẫn thích nhiệt độ trung bình “truyền thống” hơn.) Trong vòng 24 giờ, nhiệt độ của từng cá thể dao động từ 1° đến 2°, với nhiệt độ thấp nhất xảy ra trong khi ngủ.

Tuy nhiên, ở cuối các phổ tuổi, điều chỉnh nhiệt độ có thể không chính xác như ở trẻ lớn hơn hoặc người lớn tuổi. Trẻ sơ sinh có diện tích bề mặt hơn (da) tương đối so với thể tích và có khả năng mất nhiệt nhanh hơn. Ở người cao tuổi, các cơ chế duy trì nhiệt độ cơ thể có thể không hoạt động hiệu quả như trước đây, và những thay đổi về nhiệt độ môi trường có thể không được đền bù một cách nhanh chóng hoặc hiệu quả. Điều này đặc biệt quan trọng cần nhớ khi chăm sóc cho những bệnh nhân còn rất trẻ hoặc rất già.

SẢN XUẤT NHIỆT

Sự hô hấp tế bào, quá trình giải phóng năng lượng từ thức ăn để tạo ra ATP, cũng tạo ra nhiệt là một trong những sản phẩm năng lượng của nó. Mặc dù hô hấp tế bào diễn ra liên tục, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình này:

1. The thyroxine hormone (T3), được sản xuất bởi tuyến giáp, làm tăng tỷ lệ hô hấp tế bào và sản xuất nhiệt trong tất cả các mô cơ thể. Việc tiết thyroxine được điều chỉnh bởi tốc độ sản xuất năng lượng của cơ thể, tỷ lệ trao đổi chất. (Xem Chương 10 để thảo luận về cơ chế feedback liên quan đến vùng dưới đồi và tuyến yên trước và Chương 1 cho minh họa.) Khi tốc độ trao đổi chất giảm, tuyến giáp được kích thích tiết ra nhiều thyroxine hơn. Vì thyroxine làm tăng tỷ lệ hô hấp tế bào và làm tăng tỷ lệ trao đổi chất, cơ chế feedback âm ức chế tiết nhiều hơn cho đến khi mức chuyển hóa giảm trở lại. Vì vậy, thyroxine được tiết ra bất cứ khi nào có nhu cầu hô hấp tế bào tăng lên và có thể được xem như là chất điều chỉnh quan trọng nhất trong sản xuất năng lượng hàng ngày.

2.Trong tình trạng stress, epinephrine và norepinephrine được tiết ra bởi tủy thượng thận, và hệ thống thần kinh giao cảm hoạt động tích cực hơn. Epinephrine làm tăng tốc độ hô hấp tế bào, đặc biệt là trong các cơ quan như tim, cơ xương và gan. Kích thích giao cảm cũng làm tăng hoạt động của các cơ quan này. Việc tăng sản lượng ATP để đáp ứng nhu cầu của tình trạng stress đồng nghĩa sẽ có nhiều nhiệt được sinh ra hơn.

3.Bình thường (sản xuất ATP) là nguồn nhiệt đáng kể khi cơ thể nghỉ ngơi. Các cơ, ví dụ, thường ở trong trạng thái co nhẹ gọi trương lực cơ. Vì ngay cả sự co nhẹ cũng cần ATP, nên cũng tạo ra nhiệt. Điều này chiếm khoảng 25% tổng nhiệt độ cơ thể lúc nghỉ ngơi và nhiều hơn nữa trong quá trình tập luyện, khi có thêm ATP Gan là một cơ quan liên tục hoạt động, tạo ra ATP để cung cấp năng lượng cho các hoạt động chức năng của nó. Kết quả là, gan tạo ra tới 20% tổng nhiệt độ cơ thể khi nghỉ ngơi. Nhiệt được tạo ra bởi sự hoạt động của các cơ quan được phân tán khắp cơ thể bằng máu. Khi dòng máu có nhiệt độ thấp hơn chảy qua các cơ quan như cơ và gan, nhiệt mà các cơ quan này tạo ra sẽ được chuyển vào máu, làm ấm nó. Máu ấm lưu thông đến các vùng khác của cơ thể, phân phối đều lượng nhiệt này.

4. Lượng thức ăn cũng làm tăng sản xuất nhiệt vì hoạt động trao đổi chất của đường tiêu hóa được tăng lên. Nhiệt được tạo ra khi các cơ quan tiêu hóa sản sinh ATP cho nhu động ruột và tổng hợp các enzym tiêu hóa.

5. Thay đổi trong nhiệt độ cơ thể cũng có ảnh hưởng đến tỷ lệ trao đổi chất và sinh nhiệt. Điều này trở nên quan trọng về mặt lâm sàng khi một người bị sốt, nhiệt độ cơ thể cao bất thường. Nhiệt độ cao làm tăng tỷ lệ trao đổi chất, làm tăng sinh nhiệt và nâng nhiệt độ cơ thể lên cao hơn nữa Vì vậy, sốt cao có thể gây ra một vòng luẩn quẩn của sự tăng sinh nhiệt. Sốt sẽ được thảo luận trong chương này.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh nhiệt được tóm tắt trong Bảng 17–1.

THẢI NHIỆT

Các con đường thải nhiệt từ cơ thể là da, đường hô hấp, và, ở một mức độ thấp hơn, các vùng tiết niệu và tiêu hóa.

Thải nhiệt qua da

Bởi vì da bao phủ cơ thể, hầu hết nhiệt độ cơ thể thoát qua da đến môi trường. Khi nhiệt độ môi trường thấp hơn nhiệt độ cơ thể, mất nhiệt là không thể tránh khỏi. Lượng nhiệt bị mất được xác định bởi lưu lượng máu qua da và do hoạt động của các tuyến mồ hôi. Lưu lượng máu qua da ảnh hưởng đến lượng nhiệt bị mất do các quá trình bức xạ, dẫn truyền và đối lưu. Bức xạ có nghĩa là nhiệt từ cơ thể được chuyển đến các vật thể lạnh không tiếp xúc với da, giống như bộ tản nhiệt làm ấm nội dung của căn phòng (bức xạ bắt đầu trở nên kém hiệu quả hơn khi nhiệt độ môi trường tăng lên trên 88°F). Truyền nhiệt là sự mất nhiệt qua không khí lạnh hoặc vật thể, chẳng hạn như quần áo, tiếp xúc với da. Đối lưu có nghĩa là dòng không khí di chuyển không khí ấm hơn ra khỏi bề mặt da và tạo điều kiện cho sự mất nhiệt; đây là lý do tại sao quạt máy làm cho chúng ta cảm thấy mát hơn khi trời nóng

Mất nhiệt do đối lưu cũng cho chúng ta “yếu tố làm lạnh do gió” mà chúng ta nghe được trong mùa đông. Một ngày lạnh do gió sẽ lạnh hơn một ngày lạnh do nhiệt độ không khí thấp, bởi vì gió thổi không khí ấm hơn xung quanh cơ thể đi, thay thế nó bằng không khí lạnh hơn.

Ở Chương 5, nhiệt độ của da và thải nhiệt tiếp theo được xác định bởi dòng máu chảy qua da. Các tiểu động mạch trong lớp hạ bì có thể co lại hoặc giãn nở để giảm hoặc tăng lưu lượng máu. Trong môi trường lạnh, co mạch sẽ làm giảm lưu lượng máu qua lớp hạ bì và do đó làm giảm tổn thất nhiệt. Trong một môi trường ấm áp, giãn mạch trong lớp hạ bì làm tăng lưu lượng máu đến bề mặt cơ thể và mất nhiệt cho môi trường.

Cơ chế khác do nhiệt bị mất từ da qua hiện tượng đổ mồ hôi. Các tuyến mồ hôi tiết mồ hôi (nước) lên bề mặt da, và lượng nhiệt dư thừa làm bốc hơi mồ hôi. Tưởng tượng hiện tượng nước chạy trên chảo chiên nóng; chảo được làm lạnh nhanh chóng do nhiệt của nó làm bốc hơi nước.

Mặc dù đổ mồ hôi không phải là khá ấn tượng (không thể nhìn thấy sự hình thành hơi nước), nguyên tắc chỉ là như nhau. Đổ mồ hôi đạt hiệu quả nhất khi độ ẩm của không khí xung quanh thấtr Độ ẩm là phần trăm lượng hơi nước tối đa mà không khí có thể chứa. Độ ẩm 90% có nghĩa là không khí đã được bão hòa 90% với hơi nước và có thể giữ được ít hơn. Trong tình huống như vậy, mồ hôi không dễ bay hơi, nhưng thay vào đó vẫn còn trên da ngay cả khi mồ hôi nhiều hơn được tiết ra. Nếu độ ẩm không khí là 40%, không khí có thể giữ lại một lượng lớn hơi nước, và mồ hôi bốc hơi nhanh chóng qua bề mặt da, giúp thải nhiệt khỏi cơ thể . Trong không khí hoàn toàn khô, một người duy trì được sự thủy hóa tốt có thể chịu được nhiệt độ 200°F trong gần 1 giờ. Mặc dù đổ mồ hôi là một cơ chế rất hiệu quả của sự thải nhiệt, nhưng bất lợi ở chỗ nó đòi hỏi sự mất nước để thải nhiệt. Mất nước trong khi đổ mồ hôi có thể nhanh chóng dẫn đến tình trạng mất nước và nước bị mất phải được thay bằng cách uống nước (xem Khung 17–1: Rối loạn liên quan đến nhiệt).

Một lượng nhỏ nhiệt cũng bị mất trong “mất nước không thể cảm nhận được”. Bởi vì da không giống như túi nhựa, nhưng khá thấm nước, một lượng nhỏ nước khuếch tán qua da và bị bốc hơi bởi nhiệt độ cơ thể. Tuy nhiên, so với đổ mồ hôi, mất nước không thể được xem như là cơ chế thải nhiệt kém.

Mất nhiệt qua đường hô hấp

Nhiệt bị mất qua đường hô hấp vì nhiệt độ của niêm mạc hô hấp làm bay hơi một số nước qua bề mặt biểu mô sống. Hơi nước hình thành được thở ra, và một lượng nhỏ nhiệt bị mất. Động vật ví dụ như chó mà không có nhiều tuyến mồ hôi thường thở hổn hển trong thời tiết ấm. Thở hổn hển là sự chuyển động nhanh chóng của không khí vào và ra khỏi các đường hô hấp trên, nơi các bề mặt ấm làm bốc hơi một lượng lớn nước. Bằng cách này, con vật có thể thải một lượng nhiệt lớn.

Mất nhiệt thông qua các đường tiết niệu và tiêu hóa

Khi bài tiết, nước tiểu và phân ở mức nhiệt độ cơ thể, và sự đào thải chúng dẫn đến một lượng rất nhỏ của sự mất nhiệt.

Các con đường thải nhiệt được tóm tắt trong Bảng 17–2.

ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ CƠ THỂ

Vùng dưới đồi chịu trách nhiệm điều chỉnh nhiệt độ cơ thể và được coi là “trung tâm điều nhiệt” của cơ thể. Là trung tâm điều nhiệt, vùng dưới đồi duy trì “thiết lập” nhiệt độ cơ thể bằng cách cân bằng giữa sinh nhiệt và thải nhiệt để giữ cho cơ thể đã được thiết lập.

Để làm điều này, vùng dưới đồi phải nhận được thông tin về nhiệt độ trong cơ thể và về nhiệt độ môi trường. Các tế bào thần kinh chuyên biệt của vùng dưới đồi phát hiện những thay đổi về nhiệt độ của máu chảy qua não. Các thụ thể nhiệt độ trong da cung cấp thông tin về những thay đổi nhiệt độ bên ngoài mà cơ thể tiếp xúc. Vùng dưới đồi sau đó tích hợp thông tin giác quan này và thúc đẩy các phản ứng cần thiết để duy trì nhiệt độ cơ thể trong phạm vi bình thường.

Cơ chế tăng thải nhiệt

Trong môi trường có nhiệt độ cao hơn hoặc khi tập luyện, nhiệt độ cơ thể có xu hướng tăng lên, và tăng thải nhiệt là cần thiết. Điều này được thực hiện bằng cách giãn mạch ở lớp hạ bì và tăng tiết mồ hôi. Giãn mạch sẽ làm máu ấm đến gần hơn với bề mặt cơ thể, và thoát ra môi trường. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ môi trường gần bằng hoặc cao hơn nhiệt độ cơ thể, cơ chế này sẽ không hiệu quả. Cơ chế thứ hai là tăng tiết mồ hôi, trong đó lượng nhiệt dư thừa làm bốc hơi nước trên bề mặt da. Như đã đề cập trước đó, đổ mồ hôi trở nên không hiệu quả khi độ ẩm không khí cao.

Vào những ngày nóng, sinh nhiệt cũng có thể bị giảm do giảm trương lực cơ. Đây là lý do tại sao chúng ta có cảm giác rất chậm chạp trong những ngày nóng; cơ của chúng ta sẽ co nhẹ hơn bình thường và chậm hơn để đáp ứng với tình trạng này.

Cơ chế duy trì nhiệt

Trong môi trường có nhiệt độ thấp, thải nhiệt là không thể tránh khỏi nhưng có thể sẽ giảm xuống một mức độ nào đó. Sự co mạch trong lớp hạ bì đưa máu từ bề mặt cơ thể về nội tại cơ thể nhờ thế nhiệt độ cơ thể được duy trì. Đổ mồ hôi giảm và sẽ ngừng hoàn toàn nếu nhiệt độ của vùng dưới đồi giảm xuống dưới khoảng 98,6°F. (Ghi nhớ nhiệt độ bên trong của não cao hơn nhiệt độ miệng và ít bị thay đổi bởi nhiệt độ môi trường.)

Nếu những cơ chế này không đủ để ngăn chặn nhiệt độ cơ thể giảm xuống, nhiệt có thể được sinh ra bằng cách tăng trương lực cơ. Khi nhiệt độ bên trong (gan) đạt đến 97°F, tăng trương lực cơ lớn lúc này trở nên đáng chú ý như run rẩy. Run có thể làm tăng sinh nhiệt nhiều gấp năm lần so với bình thường.

Mọi người cũng có những hành vi đáp ứng với lạnh. Chẳng hạn như mặc áo len hoặc đi vào trong nhà phản ánh nhận thức của chúng ta về sự khó chịu khi bị lạnh. Đối với con người (chúng ta không có lông dày như một số động vật có vú khác), những hoạt động có ý thức này rất quan trọng để ngăn ngừa sự thải nhiệt quá mức khi trời rất lạnh (xem Khung 17–2: Rối loạn liên quan đến lạnh).

SỐT

Sốt là nhiệt độ cơ thể cao bất thường và có thể đi kèm với các bệnh truyền nhiễm, chấn thương vật lý diện rộng, ung thư hoặc tổn thương thần kinh trung ương. Các chất gây sốt được gọi là pyrogen. Pyrogens bao gồm vi khuẩn, protein ngoại lai và chất hóa học được giải phóng trong quá trình viêm. Các chất hóa học gây viêm được gọi là pyrogens nội sinh. Người ta tin rằng pyrogens ảnh hưởng về mặt hóa học đến vùng dưới đồi và “nâng cao thiết lập” của trung tâm điều nhiệt dưới đồi. Vùng dưới đồi sẽ kích thích phản ứng của cơ thể để tăng nhiệt độ cơ thể lên trên mức thiết lập này.

Một ví dụ cụ thể là một đứa trẻ bị viêm họng do liên cầu khuẩn. Các pyrogens vi khuẩn và nội sinh thiết lập lên trung tâm điều nhiệt dưới đồi lên tới 102°F. Lúc đầu, cơ thể “lạnh hơn” so với thiết lập của vùng dưới đồi, sau đó cơ chế sinh nhiệt và duy trì nhiệt được kích hoạt. Trẻ cảm thấy lạnh và bắt đầu rùng mình (ớn lạnh). Cuối cùng, đủ nhiệt được tạo ra để tăng thân nhiệt đến mức thiết lập của vùng dưới đồi là 102°F. Tại thời điểm này, đứa trẻ sẽ cảm thấy không quá ấm cũng không quá lạnh vì nhiệt độ cơ thể bây giờ là những gì vùng dưới đồi muốn.

Khi ảnh hưởng của pyrogens giảm đi, thiết lập của vùng dưới đồi cũng giảm, gần như bình thường trở lại, 99°F. Lúc này đứa trẻ sẽ cảm thấy ấm hơn, và cơ chế thải nhiệt sẽ được kích hoạt. Sự giãn nở trong da và đổ mồ hôi sẽ xảy ra cho đến khi nhiệt độ cơ thể giảm xuống thiết lập vùng dưới đồi mới. Điều này đôi khi được gọi là “khủng hoảng”, nhưng thực sự cuộc khủng hoảng đã trôi qua, vì mồ hôi cho thấy nhiệt độ cơ thể đang trở lại bình thường. Trình tự thay đổi nhiệt độ trong cơn sốt được thể hiện trong hình 17– 1.

Bạn có thể tự hỏi liệu sốt có phục vụ mục đích hữu ích hay không. Đối với những cơn sốt tnhẹ là kết quả của nhiễm trùng, câu trả lời là có. Các bạch cầu tăng cường hoạt động của chúng ở nhiệt độ cao vừa phải, và sự trao đổi chất của một số mầm bệnh bị ức chế. Do đó, sốt có thể có lợi vì nó có thể rút ngắn thời gian nhiễm trùng bằng cách đẩy nhanh sự phá hủy mầm bệnh.

Tuy nhiên, sốt cao có thể gây hậu quả nghiêm trọng. Sốt làm tăng tỷ lệ trao đổi chất, làm tăng sản xuất nhiệt, do đó làm tăng nhiệt độ cơ thể nhiều hơn. Đây là một cơ chế feedback dương tính sẽ tiếp tục cho đến khi một tác động từ bên ngoài (như aspirin hoặc mầm bệnh bị giết) hoạt động như một cái phanh (xem hình 1–3 trong Chương 1). Khi nhiệt độ cơ thể tăng lên trên 106°F, vùng dưới đồi bắt đầu mất khả năng điều chỉnh nhiệt độ. Các protein của tế bào, đặc biệt là các enzym, cũng bị sai hỏng bởi nhiệt độ cao như vậy. Các enzymes trở nên biến tính, nghĩa là, mất cấu trúc và không xúc tác các phản ứng cần thiết trong các tế bào (xem hình 2–9 trong Chương 2). Kết quả là, các tế bào bắt đầu chết. Điều này là nghiêm trọng nhất ở não vì các tế bào thần kinh không thể được thay thế, hoặc chắc chắn không thể thay thế một cách nhanh chóng. Chết tế bào là nguyên nhân gây tổn thương não sau một cơn sốt cao kéo dài. Ảnh hưởng của những thay đổi về nhiệt độ cơ thể lên vùng dưới đồi được thể hiện trong hình 17–2.

Một loại thuốc như aspirin được gọi là thuốc hạ sốt vì nó làm giảm sốt, có thể do ảnh hưởng đến nhiệt độ thấtr Để giúp giảm sốt cao, cơ thể có thể được làm lạnh bằng cách thấm nước bằng nước mát. Nhiệt độ cơ thể tăng cao sẽ khiến nước bên ngoài bốc hơi, do đó làm giảm nhiệt độ. Sốt rất cao cần được chăm sóc y tế.

TRAO ĐỔI CHẤT

Thuật ngữ trao đổi chất bao gồm tất cả các phản ứng xảy ra trong cơ thể. Tất cả những gì xày ra trong chúng ta là một phần của sự trao đổi chất. Các phản ứng trao đổi chất có thể được chia thành hai loại chính: đồng hóa và dị hóa.

Đồng hóa có nghĩa là phản ứng tổng hợp hoặc “hình thành”, sự liên kết các phân tử nhỏ để tạo thành phân tử lớn hơn. Sự tổng hợp hemoglobin bởi các tế bào tủy xương đỏ, tổng hợp khung xương bởi các tế bào tạo xương, tổng hợp glycogen của tế bào gan, và tổng hợp chất béo được lưu trữ trong mô mỡ là tất cả các ví dụ về sự trao đổi chất. Những phản ứng như vậy đòi hỏi năng lượng, thường ở dạng ATP

Dị hóa có nghĩa là phân hủy, phá vỡ liên kết của các phân tử lớn để hình thành các phân tử nhỏ hơn. Hô hấp tế bào là một loạt các phản ứng dị hóa phân hủy các phân tử thức ăn thành carbon dioxide và nước. Trong quá trình dị hóa, năng lượng thường được tạo ra và được sử dụng để tổng hợp ATP (năng lượng nhiệt tạo thành đã được thảo luận trong phần trước). ATP được hình thành trong quá trình dị hóa sau đó được sử dụng cho các phản ứng đồng hóa đòi hỏi năng lượng như quá trình sao chép DNA diễn ra trước sự phân bào. Hầu hết các phản ứng đồng hóa và dị hóa của đều được xúc tác bởi các enzym. Enzyme là các protein cho phép phản ứng xảy ra nhanh chóng ở nhiệt độ cơ thể. Hãy nhớ lại ở Chương 2 về thuyết hoạt hóa vùng, nó cho rằng cấu trúc của một enzyme và cơ chất sẽ xác định chức năng của enzyme. Cơ thể có hàng ngàn enzym, và mỗi loại là đặc hiệu, nghĩa là, nó sẽ xúc tác cho chỉ một loại phản ứng. Khi bạn đọc các những vấn đề tiếp theo, hãy ghi nhớ vai trò thiết yếu này của các enzym.

HÔ HẤP TẾ BÀO

Phản ứng tóm tắt về hô hấp tế bào đã quá quen thuộc với bạn,

C6H12O6 + O2 → CO2 + H2O + ATP + Nhiệt (glucose)
mục đích là để sản xuất ATP Glucose chứa năng lượng tiềm năng, và khi nó được phân hủy thành CO2 và H2O, năng lượng này được giải phóng dưới dạng ATP và nhiệt. Ôxy được thu nạp từ hơi thở, và CO2 tạo thành được lưu thông đến phổi để thở ra. Nước được hình thành được gọi là nước từ quá trình trao đổi và giúp đáp ứng nhu cầu nước hàng ngày của chúng ta. Năng lượng dưới dạng nhiệt cho chúng ta nhiệt độ cơ thể, và ATP được hình thành được sử dụng cho các phản ứng đòi hỏi năng lượng. Tổng hợp ATP có nghĩa là năng lượng được sử dụng để liên kết một phân tử phosphat tự do với ADP (adenosine diphosphate). ADP và phosphat tự do có mặt trong các tế bào sau khi ATP bị phá vỡ cho các phản ứng đòi hỏi năng lượng (xem Hình 2– 11 trong Chương 2). Sự phân hủy glucose được tóm tắt ở đây không hề đơn giản như thế, tuy nhiên, mà liên quan đến một loạt các phản ứng phức tạtr Glucose được tách rời thành từng mảnh, với việc loại bỏ các hydro và sự phân tách cacbon-cacbon mạch. Điều này giải phóng năng lượng của glucose dần dần để một phần đáng kể (khoảng 40%) có sẵn để tổng hợp ATP

Sự hô hấp tế bào của glucose bao gồm ba giai đoạn chính: đường phân, chu trình Krebs, và hệ thống vận chuyển cytochrome (hoặc electron). Mặc dù chi tiết của từng giai đoạn nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này, chúng tôi sẽ tóm tắt các khía cạnh quan trọng nhất của từng cuốn sách và sau đó liên quan đến việc sử dụng các axit amin và chất béo cho năng lượng. Bản tóm tắt đơn giản này được mô tả trong hình 17–3. Ba loại thực phẩm chính và các sản phẩm tiêu hóa cuối cùng của chúng được hiển thị ở đầu hình ảnh; các mũi tên chỉ xuống dẫn đến các giai đoạn hô hấp tế bào

Đường phân

Các enzym cho phản ứng đường phân được tìm thấy trong tế bào chất của tế bào, và oxy là không cần thiết (đường phân là một quá trình kỵ khí). Tham khảo hình 17–3 khi bạn đọc phần sau. Trong đường phân, một phân tử glucose 6C được chia nhỏ thành hai phân tử 3C của axit pyruvic. Hai phân tử ATP là cần thiết để bắt đầu quá trình. Năng lượng mà chúng cung cấp được gọi là năng lượng hoạt hóa và cần thiết để làm cho glucose mất ổn định để bắt đầu phân hủy. Kết quả của những phản ứng này là, năng lượng được giải phóng để tổng hợp bốn phân tử ATP, để có được hai phân tử ATP trên mỗi phân tử glucose. Cũng trong quá trình đường, hai cặp hydro được loại bỏ bởi NAD, một phân tử mang chứa vitamin niacin. Hai phân tử NAD do đó trở thành 2NADH2, và các cặp hydro kèm theo này sẽ được vận chuyển đến hệ thống vận chuyển cytochrome (giai đoạn 3).

Nếu không có oxy trong tế bào, như hiện tượng xảy ra với các tế bào cơ khi luyện tập, pyruvic acid được chuyển thành axit lactic, gây mỏi cơ. Tuy nhiên, nếu oxy có mặt, axit pyruvic tiếp tục trong giai đoạn tiếp theo, chu trình Krebs

Chu kỳ acit citric Krebs

Các enzym cho chu trình Krebs (hoặc chu trình axid citric) nằm trong ty thể của các tế bào. Giai đoạn thứ hai của hô hấp tế bào là hiếu khí, có nghĩa là cần oxy. Trong một loạt các phản ứng, phân tử axit pyruvic được “tách rời” và các nguyên tử cacbon của nó được chuyển thành CO2. Phân tử CO2 đầu tiên được loại bỏ bởi một loại enzyme có chứa vitamin thiamine. Và để lại một phân tử 2C gọi là nhóm acetyl, kết hợp với một phân tử gọi là coenzyme A để tạo thành acetyl coenzyme A (acetyl CoA). Khi acetyl CoA tiếp tục trong chu trình Krebs, thêm hai nguyên tử cacbon được loại bỏ như CO2, và nhiều cặp hydrogens được chọn bởi NAD và FAD (một phân tử mang khác có chứa vitamin riboflavin). NADH2 và FADH2 sẽ mang hydrogens của chúng đến hệ thống vận chuyển cytochrome.

Trong chu trình Krebs, một lượng năng lượng nhỏ được giải phóng, đủ để tổng hợp một phân tử ATP (hai phân tử trên mỗi glucose). Cũng lưu ý rằng một phân tử 4C (axit oxaloacetic) được tái sinh sau khi tạo CO2. Phân tử này sẽ phản ứng với acetyl CoA tiếp theo, làm cho chu trình Krebs thực sự là một chu trình tự duy trì. Kết quả của các giai đoạn hô hấp tế bào được nêu trong Bảng 17–3.

Hệ thống vận chuyển Cytochrome (Electron)

Cytochromes là các protein chứa sắt hoặc đồng và được tìm thấy trên màng trong của ty thể tế bào. Các cặp hydro đã từng là một phần của glucose được đưa đến các cytochrome bởi các phân tử mang NAD và FAD. Mỗi nguyên tử hydro sau đó được tách thành proton (ion H+) và electron của nó. Các electron của các hydro được truyền từ một cytochrome sang một cytochrome khác, và cuối cùng là oxy. Các ion H+ tích lũy và tạo ra một gradient nồng độ. Chúng đi qua một enzyme gọi là ATP synthase đến một khu vực có nồng độ thấp hơn. Hãy suy nghĩ về các tuabin trong một đập lớn như nước sông quay và tạo ra điện. Và, hệt như vậy, là ATP synthase được hoạt hóa bởi dòng chảy của ion H+ (proton), và năng lượng đủ được tạo ra để tổng hợp 25 phân tử của ATP. Như bạn có thể thấy, hầu hết ATP được sản xuất trong quá trình hô hấp tế bào đến từ giai đoạn thứ ba này.

Cuối cùng, và rất quan trọng, mỗi nguyên tử oxy đã thu được hai electron (từ các cytochrome) phản ứng với hai ion H+ tạo thành nước. Sự hình thành của nước trao đổi chất góp phần vào chất lỏng nội bào cần thiết và cũng ngăn ngừa nhiễm toan. Nếu ion H+ tích lũy, chúng sẽ làm giảm nhanh pH của tế bào. Tuy nhiên, điều này không xảy ra vì các ion H + phản ứng với oxy để tạo thành nước và giảm độ pH được ngăn chặn.

Tóm tắt về ba giai đoạn hô hấp tế bào trong Bảng 17–3 cũng bao gồm các vitamin và khoáng chất cần thiết cho quá trình này. Một khái niệm tổng thể quan trọng là mối quan hệ giữa ăn uống và thở. Ăn uống cung cấp cho chúng ta một nguồn năng lượng tiềm năng (thường là glucose) và với các vitamin và khoáng chất cần thiết. Tuy nhiên, để giải phóng năng lượng từ thức ăn, chúng ta phải thở. Đây là lý do tại sao chúng ta thở. Oxy chúng ta hít vào là rất cần thiết cho hoàn thành hô hấp tế bào, và CO2 tạo ra được tthải ra ngoài.

Protein và chất béo đóng vai trò như nguồn năng lượng

Mặc dù glucose là nguồn năng lượng ưa thích cho các tế bào, protein và chất béo cũng chứa năng lượng tiềm năng và là nguồn năng lượng thay thế trong những tình huống nhất định.

Như bạn đã biết, các protein được tạo thành từ các phân tử nhỏ hơn được gọi là axit amin, và việc sử dụng chính cho các axit amin mà chúng ta thu được từ thực phẩm là sự tổng hợp các protein mới. Tuy nhiên, các axit amin dư thừa – những thứ không cần thiết ngay lập tức cho tổng hợp protein – có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng. Trong gan, các axit amin dư thừa được khử amin, đó là, các nhóm amin (NH2) được loại bỏ.

Phần còn lại được chuyển thành một phân tử phù hợp với chu kỳ Krebs. Ví dụ, một axit amin khử amin có thể được thay đổi thành một axit pyruvic 3C hoặc một nhóm acetyl 2C. Khi những phân tử này đi vào chu trình Krebs, kết quả cũng giống như khi chúng xuất phát từ glucose. Sơ đồ trong hình 17–3. Chất béo được tạo thành từ glycerol và axit béo, đó là những sản phẩm cuối cùng của quá trình tiêu hóa chất béo. Những phân tử này cũng có thể được thay đổi thành các chất tham gia vào chu trình Krebs, và các phản ứng thường diễn ra trong gan. Glycerol là một phân tử 3C có thể chuyển đổi thành axit pyruvic 3C, đi vào chu trình Krebs. Trong quá trình oxy hóa beta, các chuỗi carbon dài của các axit béo được chia thành các nhóm acetyl 2C, bước vào chu trình Krebs (xem hình 17– 3). Cả axit amin và axit béo có thể được chuyển đổi bởi gan thành keton, đó là các phân tử 2 hoặc 4C như axeton và acetoacetic. Mặc dù các tế bào cơ thể có thể sử dụng keton trong hô hấp tế bào, nhưng rất chậm. Trong các trường hợp chất béo hoặc axit amin trở thành nguồn năng lượng chính, một trạng thái gọi là ketosis bắt đầu hình thành; điều này được mô tả trong Khung 17–3: Ketosis. Các axit amin dư thừa cũng có thể được chuyển thành glucose; điều này rất quan trọng để cung cấp cho não bộ khi lượng carbohydrate thu vào thấp. Ảnh hưởng của hormone đến chuyển hóa thức ăn được tóm tắt trong Bảng 17-4.

Năng lượng có sẵn từ ba loại chất dinh dưỡng

Năng lượng tiềm năng trong thực phẩm được đo bằng đơn vị gọi là Calo hoặc kilocalories. Một calo (chữ thường “c”) là lượng năng lượng cần thiết để tăng nhiệt độ 1 gam nước 1°C. Một kilocalorie hoặc Calorie (“C”) gấp 1000 lần lượng năng lượng đó.

Một gam carbohydrate tạo ra khoảng 4 kilocalories. Một gram protein cũng cho năng suất khoảng 4 kilocalories. Tuy nhiên, một gam chất béo có năng suất 9 kilocalories và một gram rượu tương đương với 7 kilocalories. Đây là lý do tại sao một chế độ ăn nhiều chất béo có nhiều khả năng dẫn đến tăng cân nếu calo không được tiêu háo trong các hoạt động đòi hỏi năng lượng: 8 gram chất béo trong khẩu phần khoai tây chiên, nhiều gấp đôi lượng calo so với cùng một lượng đường (hoặc tinh bột) trong một cookie.

Bạn có thể đã nghe cụm từ “calo trống” được áp dụng cho kẹo hoặc nước giải khát. “Trống” theo nghĩa này không có nghĩa là “không” hoặc “không có gì”; Ví dụ, 150 calo đường trong nước ngọt có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng, nhưng lại không được sử dụng khi dư thừa- và lượng calo vượt quá nhu cầu năng lượng sẽ được biến đổi thành chất béo và được lưu trữ.

Hàm lượng calo là một phần của thông tin dinh dưỡng trên nhãn thực phẩm. Trên nhãn, thuật ngữ calorie thực sự có nghĩa là Calorie hoặc kilocalories được hiểu theo một cách đơn giản.

TỔNG HỢP NĂNG LƯỢNG TỪ THỰC PHẨM

Bên cạnh nguồn năng lượng có sẵn, mỗi loại thực phẩm được sử dụng trong các phản ứng đồng hóa để tổng hợp các vật liệu cần thiết cho tế bào và mô. Bảng tóm tắt đơn giản về những phản ứng này được thể hiện trong hình 17–4. Ba loại thực phẩm và sản phẩm tiêu hóa cuối cùng của chúng ở phía dưới cùng của hình ảnh, và các mũi tên đi lên cho biết tổng hợp và dẫn đến các sản phẩm được hình thành. Bạn có thể tham khảo hình 17–4 khi bạn đọc các phần tiếp theo.

Glucose

Glucose là nguyên liệu thô để tổng hợp một monosaccharide quan trọng khác, đường pentose là một phần của axit nucleic. Deoxyribose là 5-carbon đường được tìm thấy trong DNA, và ribose được tìm thấy trong RNA. Chức năng của những loại đường này rất quan trọng, vì không có đường pentose, các tế bào của chúng ta không thể tạo ra các nhiễm sắc thể mới để phân chia tế bào cũng như không thực hiện quá trình tổng hợp protein.

Bất kỳ glucose vượt quá nhu cầu năng lượng hoặc nhu cầu về đường pentose ngay lập tứcđược chuyển thành glycogen trong gan và cơ. Sau đó glycogen sẽ là nguồn năng lượng trong tình trạng hạ đường huyết hoặc trong khi luyện tập. Nếu vẫn còn nhiều glucose, nó sẽ được thay đổi thành chất béo và được lưu trữ trong mô mỡ.

Axit amin

Như đã đề cập, việc tổng hợp năng lượng từ các axit amin không thiết yếu bởi gan và tổng hợp các protein mới trong tất cả các mô. Một số protein mà bạn đã quen thuộc: keratin và melanin trong lớp biểu bì; collagen trong lớp hạ bì, gân và dây chằng; myosin, actin và myoglobin trong các tế bào cơ; hemoglobin trong hồng cầu; kháng thể do WBC tạo ra; prothrombin và fibrinogen để đông máu; albumin để duy trì thể tích máu; pepsin và amylase để tiêu hóa; hormone tăng trưởng và insulin; và hàng ngàn enzym cần thiết để xúc tác các phản ứng trong cơ thể.

Các axit amin chúng ta thu được từ các protein trong thực phẩm được các tế bào sử dụng để tổng hợp năng lượng với mức cần thiết cho cơ thể. Chỉ khi nhu cầu của cơ thể đối với các protein mới đã được đáp ứng là các axit amin được sử dụng để sản xuất năng lượng. Nhưng chú ý trong hình 17–4 những gì xảy ra với các axit amin dư thừa; chúng sẽ được khử và chuyển đổi thành carbohydrate đơn giản và góp phần vào lưu trữ glycogen hoặc chúng có thể được biến đổi thành chất béo và được lưu trữ trong mô mỡ.

Axit béo và Glycerol

Các sản phẩm cuối cùng của quá trình tiêu hóa chất béo không thiết yếu ngay lập tức được sử dụng để sinh ra năng lượng lưu trữ dưới dạng chất béo (chất béo trung tính) trong mô mỡ. Hầu hết các mô mỡ được tìm thấy dưới da và là năng lượng tiềm tàng cho khi lượng thức ăn giảm xuống. Lưu ý trong Bảng 17-4 rằng insulin kích thích tổng hợp và dự trữ chất béo. Một giả thiết tăng cân đề xuất rằng một chế độ ăn nhiều đường và tinh bột kích thích sự bài tiết quá nhiều insulin dẫn đến tăng dự trữ chất béo, không được được sử dụng cho việc tạo năng lượng.

Axit béo và glycerol cũng được sử dụng để tổng hợp phospholipid, là thành phần thiết yếu của tất cả các màng tế bào. Myelin, ví dụ, là một phospholipid của màng tế bào Schwann, tạo thành vỏ myelin của các tế bào thần kinh ngoại biên.

Gan có thể tổng hợp hầu hết các axit béo cần thiết cho cơ thể. Hai trường hợp ngoại lệ là axit linoleic và axit linolenic, là các axit béo thiết yếu và phải được lấy từ chế độ ăn uống. Axit linoleic là một phần của lecithinlà một phần c, ủa tất cả các màng tế bào. Dầu thực vật là nguồn cung cấp các axit béo thiết yếu này.

Khi các axit béo bị phá vỡ trong quá trình oxy hóa beta, các nhóm acetyl kết quả cũng có thể được sử dụng để tổng hợp cholesterol, một loại steroid. Điều này xảy ra chủ yếu ở gan, mặc dù tất cả các tế bào có khả năng tổng hợp cholesterol cho màng tế bào của chúng. Gan sử dụng cholesterol để tổng hợp muối mật để nhũ tương hóa chất béo trong quá trình tiêu hóa. Các hormon steroid cũng được tổng hợp từ cholesterol. Cortisol và aldosterone được sản xuất bởi vỏ thượng thận, estrogen và progesterone bởi buồng trứng, và testosterone bởi tinh hoàn.

VITAMIN VÀ CÁC KHOÁNG CHẤT

Vitamin là các phân tử hữu cơ cần thiết với số lượng rất nhỏ cho hoạt động bình thường của cơ thể. Một số loại vitamin là coenzyme; có nghĩa là chúng cần thiết cho hoạt động của một số enzym nhất định. Những loại khác là các vitamin chống oxy hóa, bao gồm vitamin C, E và beta-carotene (tiền thân của vitamin A). Chất chống oxy hóa ngăn chặn thiệt hại từ các gốc tự do, là các phân tử có chứa một electron chưa ghép đôi và có tính phản ứng cao. Phản ứng của các gốc tự do có thể làm tổn thương DNA, màng tế bào và các bào quan tế bào. Các gốc tự do được hình thành trong một số phản ứng cơ thể bình thường, nhưng hút thuốc và tiếp xúc với ô nhiễm sẽ làm tăng sự hình thành của chúng. Các vitamin chống oxy hóa kết hợp với các gốc tự do trước khi chúng có thể phản ứng với các thành phần tế bào. Thực phẩm nguồn gốc thực vật là nguồn cung cấp các loại vitamin này. Bảng 17-5 tóm tắt một số khía cạnh trao đổi chất và dinh dưỡng quan trọng của các loại vitamin chúng ta cần.

Thiếu hụt vitamin thường dẫn đến bệnh tật: thiếu vitamin C và bệnh scorbut, ví dụ (xem Hộp 4–2 trong Chương 4). Các bệnh thiếu hụt khác đã được biết đến trong nhiều thập kỷ bao gồm pellagra (thiếu niacin), beri-beri (riboflavin), thiếu máu ác tính (B12), còi xương (D). Gần đây, tầm quan trọng của axit folic (folacin) cho sự phát triển của hệ thần kinh trung ương thai nhi đã được công nhận. Axit folic đầy đủ trong quá trình mang thai có thể làm giảm đáng kể nguy cơ nứt đốt sống (cột sống cột sống) và vô căn (vắng mặt của não, luôn gây tử vong) ở thai nhi.

Khoáng chất là những hóa chất vô cơ đơn giản và có nhiều chức năng, nhiều trong số đó bạn đã quen thuộc với thảo luận về các nguyên tố vi lượng trong Chương 2. Bảng 17-6 liệt kê một số khía cạnh quan trọng của khoáng chất. Bạn sẽ thấy rằng một số chức năng là cấu trúc, chẳng hạn như canxi trong ma trận xương hoặc clo như là một phần của axit clohydric, và các chức năng khác là một phần của một quá trình, chẳng hạn như canxi trong đông máu và clo trong thẩm thấu. Chúng ta sẽ trở lại các khoáng chất như một phần của nghiên cứu về cân bằng chất lỏng – điện giải trong Chương 19.

 

TỶ LỆ TRAO ĐỔI CHẤT

Mặc dù thuật ngữ chuyển hóa được sử dụng để mô tả tất cả các phản ứng hóa học diễn ra bên trong cơ thể, tỷ lệ trao đổi chất thường được biểu hiện cho một lượng nhiệt sinh ra. Điều này là do nhiều hoạt động trong cơ thể sử dụng ATP cũng tạo ra nhiệt. Những quá trình này bao gồm sự co cơ, bơm máu của tim, và sự phân hủy bình thường của các thành phần tế bào. Do đó, có thể xem lượng nhiệt được sinh ra như một thước đo của hoạt động trao đổi chất.

Như đã đề cập từ trước, năng lượng có sẵn từ thực phẩm được đo bằng kilocalories (kcal). Kilocalories cũng là đơn vị được sử dụng để đo năng lượng mà cơ thể tiêu hao. Ví dụ, trong giấc ngủ, năng lượng tiêu hao bởi một người nặng khoảng 150 pound là khoảng 60 đến 70 kcal mỗi giờ. Việc chuẩn bị bữa sáng làm tăng hao phí năng lượng lên 80 đến 90 kcal mỗi giờ. Đối với các bà mẹ có nhiều con nhỏ, giá trị này có thể cao hơn đáng kể. Rõ ràng, hoạt động mạnh hơn dẫn đến hao phí năng lượng lớn hơn.

Năng lượng cần thiết hoạt động sống đơn thuần (nằm yên lặng trên giường) là tỷ lệ trao đổi chất cơ bản (BMR). Xem Khung 17–4: Tỷ lệ để ước tính tỷ lệ trao đổi chất của riêng bạn. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ trao đổi chất như sau:

1. Luyện tập thể thao – Sự co cơ làm tăng hao phí năng lượng và làm tăng tỷ lệ trao đổi chất (xem Hộp 17–5: Giảm cân).

2. Tuổi – Tỷ lệ trao đổi chất cao nhất ở trẻ nhỏ và giảm theo độ tuổi. Các yêu cầu về năng lượng cho sự phát triển và sự hao phí một lưỡng nhiệt lớn bở do cơ thể nhỏ hơn dẫn đến tỷ lệ trao đổi chất ở trẻ em cao hơn. Sau khi ngừng phát triển, tỷ lệ trao đổi chất giảm khoảng 2% mỗi thập kỷ. Nếu một người trở nên ít hoạt động hơn, lượng giảm là gần 5% mỗi thập kỷ.

3. Cấu hình cơ thể ở người trưởng thành – Người cao, ốm thường có tỷ lệ trao đổi chất cao hơn so với những người có thấp, chắc khỏe có cùng cân nặng. Sở dĩ như vậy vì người cao, ốm có diện tích bề mặt lớn hơn (tỷ lệ với trọng lượng) thông qua đó nhiệt liên tục bị mất. Do đó, tỷ lệ trao đổi chất hơi cao hơn một chút để bù lại cho sự mất nhiệt lớn hơn. Mối liên quan giữa tỷ lệ bề mặt với trọng lượng cho các cấu hình cơ thể khác nhau được minh họa trong hình 17–5.

4. Hormone giới tính – Testosterone làm tăng hoạt động trao đổi chất với mức độ cao hơn so với estrogen, vì thế nam giới có tỷ lệ trao đổi chất cao hơn một chút so với giới nữ. Ngoài ra, đàn ông thường có nhiều cơ bắp hơn- mô hoạt động, trong khi phụ nữ có xu hướng có nhiều chất béo hơn- mô hầu như không hoạt động.

5. Kích thích giao cảm – Trong tình trạng stress, tỷ lệ trao đổi chất của cơ thể tăng lên. Ngoài ra đóng góp vào đây là các hormon epinephrine và norepinephrine.

6. Giảm lượng thức ăn — Nếu lượng thức ăn giảm trong một thời gian dài, tỷ lệ trao đổi chất cũng bắt đầu giảm. Có thể do sự trao đổi chất của cơ thể “giảm xuống” để duy trì nguồn năng lượng có sẵn. (Xem Khung 17– 6: Leptin và Chỉ số khối cơ thể.)

7. Khí hậu — Những người sống trong vùng khí hậu lạnh có thể có tỷ lệ trao đổi chất cao hơn từ 10% đến 20% so với người sống ở các vùng nhiệt đới. Nguyên nhân là do sự thay đổi trong bài tiết thyroxine, hormone chịu trách nhiệm điều chỉnh tỷ lệ trao đổi chất. Ở khí hậu lạnh, việc sinh nhiệt mạnh sẽ làm tăng tiết thyroxine và tỷ lệ trao đổi chất cao hơn.

 

LÃO HÓA VÀ TRAO ĐỔI CHẤT

Như đã đề cập trong phần trước, tỷ lệ trao đổi chất giảm dần theo độ tuổi. Tuy nhiên, những người cao tuổi nếu vẫn hoạt động bình thường, có thể dễ dàng duy trì việc sinh năng lượng phù hợp với nhu cầu của họ miễn là sức khỏe tổng quát của họ tốt. Tuy nhiên, một số người bị khiếm khuyết về thể chất hoặc tình cảm có thể có nguy cơ bị suy dinh dưỡng. Người chăm sóc có thể đánh giá rủi ro này bằng cách hỏi tần suất người đó ăn hàng ngày; khẩu vị là ngon hay dở; và cách ăn như thế nào. Những câu hỏi đơn giản này có thể sẽ giúp đảm bảo dinh dưỡng đầy đủ. Sự nhạy cảm với những thay đổi nhiệt độ bên ngoài có thể giảm theo độ tuổi, và sự điều chỉnh nhiệt độ cơ thể không còn chính xác nữa. Tuyến mồ hôi không hoạt động, và nhiệt độ môi trường cao kéo dài là một mối nguy hiểm thực sự cho người cao tuổi. Vào tháng 8 năm 2003, ở châu Âu, nhiệt độ cao kéo dài bất thường là nguyên nhân gây ra ít nhất 25.000 ca tử vong. Hầu hết những người đã chết đều là người già.

TÓM TẮT

Thức ăn cần thiết để tổng hợp các tế bào và mô mới và để đáp ứng lượng năng lượng cho các quá trình này.

Hệ quả của sự trao đổi chất là, năng lượng nhiệt cung cấp một lượng nhiệt nhất định cho cơ thể và cho phép tiếp tục hoạt động trao đổi chất. Các con đường trao đổi chất được mô tả trong chương này là một phần nhỏ của sự trao đổi chất của cơ thể. Ngay cả phần trình bày đơn giản này, tuy nhiên, cũng cho thấy sự phức tạp về mặt hóa học tuyệt vời của hoạt động chức năng con người.

 

TÓM LƯỢC

Thân nhiệt

1. Khoảng nhiệt bình thường từ 96.5° đến 99.5°F (36° đến 38°C), trung bình là 98.6°F (37°C).

2. Biến động bình thường trong 24 giờ là 1° đến 2°F.

3. Sự điều nhiệt ở trẻ sơ sinh và người cao tuổi không còn chính xác như ở các độ tuổi khác.

Sinh nhiệt

Nhiệt là một trong những sản phẩm năng lượng của hô hấp tế bào. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lượng nhiệt sinh ra thực tế (xem Bảng 17–1).

1. Thyroxine từ tuyến giáp – đóng vai trò quan trọng nhất của việc sinh nhiệt hàng ngày. Khi tỷ lệ trao đổi chất giảm, thyroxine được tiết ra nhiều hơn để tăng tốc độ hô hấp tế bào.

2. Stress – các xung giao cảm và epinephrine và norepinephrine làm tăng hoạt động trao đổi chất của nhiều cơ quan, tăng sản xuất ATP và nhiệt.

3. Các cơ quan hoạt động liên tục tạo ra nhiệt. Trương lực cơ tạo ra 25% tổng nhiệt độ cơ thể khi nghỉ ngơi. Gan cung cấp tới 20% nhiệt độ cơ thể khi nghỉ ngơi.

4. Lượng thức ăn làm tăng hoạt động của các cơ quan tiêu hóa và tăng sản xuất nhiệt.

5. Những thay đổi về thân nhiệt ảnh hưởng đến tỷ lệ trao đổi chất. Sốt làm tăng tỷ lệ trao đổi chất, và được tạo ra nhiều hơn; điều này có thể trở nên bất lợi trong những cơn sốt rất cao.

Thải nhiệt (xem Bảng 17–2)

1. Phần lớn nhiệt được thải ra ngoài qua da.

2. Lưu lượng máu qua lớp da sẽ quyết định lượng nhiệt bị mất do bức xạ, dẫn truyền và đối lưu.

3. Giãn mạch làm tăng lượng máu đến da và thải nhiệt; bức xạ nhiệt và truyền nhiệt hiệu quả hơn khi nhiệt độ môi trường thấp hơn so với cơ thể.

4. Co mạch ở da làm giảm lượng máu đến đây và giúp duy trì nhiệt độ cơ thể.

5. Đổ mồ hôi là cơ chế thải nhiệt thật sự hiệu quả; lượng nhiệt dư thừa làm thoát hơi nước qua bề mặt da; đổ mồ hôi hữu hiệu nhất khi độ ẩm không khí thấp.

6. Đổ mồ hôi cũng có một bất lợi do sự mất nước và phải được thay thế để ngăn ngừa tình trạng mất nước nghiêm trọng.

7. Nhiệt bị mất từ đường hô hấp do sự bốc hơi nước từ niêm mạc hô hấp; hơi nước là một phần của khí thở ra.

8. Một lượng rất nhỏ của nhiệt bị mất khi nước tiểu và phân được bài tiết ở nhiệt độ cơ thể.

Điều hòa thân nhiệt

1. Vùng dưới đồi là trung tâm điều nhiệt của cơ thể và điều chỉnh bằng cách cân bằng sinh nhiệt và thải nhiệt.

2. Vùng dưới đồi nhận thông tin từ các tế bào thần kinh của nó (nhiệt độ máu) và từ các thụ thể nhiệt độ trong lớp hạ bì.

3. Cơ chế làm tăng thải thất nhiệt là giãn mạch ở lớp hạ bì và tăng tiết mồ hôi. Giảm co cơ sẽ làm giảm sinh nhiệt.

4. Cơ chế duy trì nhiệt là co mạch ở lớp hạ bì và giảm tiết mồ hôi. Tăng trương lực cơ (run rẩy) sẽ làm tăng sinh nhiệt.

Sốt-nhiệt độ cơ thể cao bất thường

1. Pyrogens là những chất gây sốt: vi khuẩn, protein ngoại lai, hoặc hóa chất được giải phóng trong quá trình viêm (pyrogens nội sinh).

2. Pyrogens kích thích khả năng điều nhiệt của vùng dưới đồi; khi cảm thấy lạnh sẽ bắt đầu run để tạo ra nhiệt.

3. Khi pyrogen được ngừng tiết, thiết lập vùng dưới đồi trở lại bình thường; ta cảm thấy ấm áp, và bắt đầu tiết mồ hôi để hạ thấp nhiệt độ cơ thể.

4. Sốt nhẹ có thể có lợi vì nó làm tăng hoạt động của WBC và ức chế hoạt động của một số tác nhân gây bệnh.

5. Sốt cao có thể gây hại vì các enzym bị biến tính ở nhiệt độ cao. Điều này rất nghiêm trọng ở não, vì các tế bào não không được thay thế khi chết.

Trao đổi chất- tất cả các phản ứng trong cơ thể

1. Đồng hóa-phản ứng tổng hợp thường đòi hỏi năng lượng dưới dạng ATP

2. Dị hóa – phản ứng phân hủy thường giải phóng năng lượng dưới dạng ATP

3. Enzyme xúc tác hầu hết các phản ứng dị hóa và dị hóa.

Hô hấp tế bào – sự phân hủy của các phân tử thức ăn giải phóng năng lượng tiềm năng của chúng và tổng hợp ATP (Hình 17– 3)

1. Glucose + oxygen sản phẩm là CO2 + H2O + ATP + nhiệt.

2. Sự phân hủy glucose liên quan đến ba giai đoạn: đường phân, chu trình Krebs, và hệ thống vận chuyển cytochrome (electron) (xem Bảng 17–3).

3. Nguồn cung cấp oxy đến từ hơi thở.

4. Nước hình thành trở thành một phần của dịch nội bào; CO2 được thở ra; ATP được sử dụng cho các phản ứng đòi hỏi năng lượng; nhiệt cung cấp nhiệt độ cơ thể.

Protein và chất béo – đóng vai trò như nguồn năng lượng (xem Bảng 17-4)

1. Các axit amin dư thừa được khử amin tại gan và chuyển thành pyruvic acid hoặc các nhóm acetyl để vào chu trình Krebs. Axit amin cũng có thể được chuyển thành glucose để cung cấp cho não (Hình 17–3).

2. Glycerol được chuyển thành axit pyruvic để vào chu trình Krebs.

3. Axit béo, trong quá trình oxy hóa beta trong gan, được chia thành các nhóm acetyl để vào chu trình Krebs; xeton được hình thành để vận chuyển đến các tế bào khác (xem hình 17–3).

Năng lượng có sẵn lấy từ thức ăn

1. Năng lượng được đo bằng kilocalories (Calories): kcal.

2. Có 4 kcal mỗi gram carbohydrate, 4 kcal mỗi gram protein, 9 kcal mỗi gram chất béo. Kilocalories có thể được gọi là calo.

Tổng hợp từ thức ăn (Bảng. 17–4)

1. Glucose – được sử dụng để tổng hợp đường pentose cho DNA và RNA; được sử dụng để tổng hợp glycogen để lưu trữ năng lượng trong gan và cơ bắp.

2. Axit amin – được sử dụng để tổng hợp các protein mới và các axit amin không cần thiết; axit amin thiết yếu thu được trong chế độ ăn uống.

3. Axit béo và glycerol – được sử dụng để tổng hợp phospholipid cho màng tế bào, chất béo trung tính để dự trữ mỡ trong mô mỡ, cholesterol và các steroid khác; axit béo thiết yếu thu được trong chế độ ăn uống.

4. Lượng thức ăn thừa sẽ được biến đổi thành chất béo và dự trữ.

5. Vitamins và chất khoáng—xem Bảng 17–5 và 17–6.

Tỷ lệ trao đổi chất—sinh nhiệt ; được đo bằng calories.

1. Tỷ lệ trao đổi chất cơ bản (BMR) là năng lượng cần thiết để duy trì sự sống (xem Khung 17–4). Luyện tập làm tăng tỷ lệ trao đổi chất, và một số yếu tố khác ảnh hưởng đến tỷ lệ trao đổi chất của một người năng hoạt động.

a. Tuổi tác – tỷ lệ trao đổi chất cao nhất ở trẻ nhỏ và giảm dần theo độ tuổi.

b. Cấu hình cơ thể — diện tích bề mặt lớn tỷ lệ thuận với trọng lượng (cao và ốm) hay nói cách khác tỷ lệ trao đổi chất cao hơn.

c. Hormone giới tính – nam giới thường có tỷ lệ trao đổi chất cao hơn nữ giới; đàn ông có nhiều cơ bắp tỷ lệ thuận với chất béo hơn so với phụ nữ.

d. Kích thích giao cảm – hoạt động trao đổi chất tăng trong các tình trạng stress.

e. Giảm lượng thức ăn – tỷ lệ trao đổi chất giảm để duy trì các nguồn năng lượng sẵn có.

f. Khí hậu – những người sống trong vùng khí hậu lạnh thường có tỷ lệ trao đổi chất cao hơn do nhu cầu sinh nhiệt lớn hơn

 

CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Xác định phạm vi bình thường của nhiệt độ cơ thể con người ở °F và °C. (tr. 438)

2. Viết phương trình tóm tắt của hô hấp tế bào, và mô tả những phản ứng đã xảy ra (hoặc tác dụng của) mỗi sản phẩm. (tr 443)

3. Mô tả vai trò của mỗi chất sau trong việc sinh nhiệt: thyroxine, hệ cơ, tình trạng stress và gan. (tr 438)

4. Giải thích vì sao việc đổ mồ hôi và giãn mạch ở lớp hạ bì không phải là cơ chế thải nhiệt hiệu quả. (tr 439)

5. Giải thích vì sao việc đổ mồ hôi và giãn mạch ở lớp hạ bì không phải là cơ chế thải nhiệt hiệu quả. (tr 439)

6. Gọi tên các cơ quan điều chỉnh nhiệt độ cơ thể và giải thích ý nghĩa “trung tâm điều nhiệt”. (tr 440)

7. Trình bày các phản ứng của cơ thể khi ở môi trường ấm và môi trường lạnh. (tr 441)

8. Giải thích cách pyrogens được cho là gây sốt và đưa ra hai ví dụ về pyrogen. (tr 441)

9. Xác định sự trao đổi chất, đồng hóa, dị hóa, kilocalorie, và tỷ lệ trao đổi chất.(tr 442–443, 447, 452)

10. Gọi tên ba giai đoạn của sự hô hấp tế bào của glucose và trạng thái của chúng, khi đó mỗi tế bào có cần oxy hay không. (tr 445)

11. Đối với mỗi giai đoạn, hãy nêu các phân tử đi vào quá trình và kết quả của quá trình: đường phần, chu trình Krebs và hệ thống vận chuyển cytochrome (electron).(tr 445, 447)

12. Giải thích cách các axit béo, glycerol và các axit amin dư thừa được sử dụng để sản xuất năng lượng trong hô hấp tế bào. (tr 447)

13. Mô tả sự tổng hợp năng lượng từ glucose, axit amin và axit béo. (tr 450)

14. Mô tả bốn yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ trao đổi chất của một người năng hoạt động. (tr 454)

15. Nếu bữa trưa bao gồm 60 gram carbohydrate, 15 gram protein, và 10 gram chất béo, có bao nhiêu kilocalories được cung cấp? (tr 448)

 

VẬN DỤNG

1. Cô Donna mười bốn tuổi vừa quyết định sẽ ăn chay. Có khó khăn gì với chế độ ăn uống như vậy; hay, những chất dinh dưỡng nào có thể thiếu? Làm sao để có thể hấp thu được những chất đó?

2. Các nghiên cứu trên động vật đã chỉ ra rằng hạn chế calo có thể kéo dài tuổi thọ bằng cách trì hoãn một số tác động của lão hóa. Chế độ ăn của động vật là khoảng một nửa so với lượng bình thường của chúng. Với con người, 1250 đến 1500 calo mỗi ngày sẽ là hạn chế (so với 2000 calo hoặc nhiều hơn mà người Bắc Mỹ tiêu thụ). Nó sẽ có giá trị tương ứng với tuổi thọ 110 năm không? Mô tả các vấn đề xảy ra với chế độ ăn uống như vậy.

3.Vào mùa hè, trẻ nhỏ được để trong xe hơi “chỉ trong vài phút”, trong khi cha mẹ chúng làm việc. Kết quả có thể dẫn tới tổn thương não nghiêm trọng hoặc tử vong do trẻ bị đột quỵ do nhiệt. Giải thích tại sao trẻ nhỏ dễ bị mẫn cảm với nhiệt độ nóng.

4.Bạn có nhớ tàu Titanic, bị chìm vào tháng 4 năm 1912? Không có đủ xuồng cứu sinh cho mọi người, và nhiều người đã bơi trong vùng biển Bắc Đại Tây Dương. Họ có áo phao và không bị chết đuối, nhưng nhiều người vẫn chết trong vòng nửa giờ sau. Giải thích vì sao.

5.Một người già và một người trung niên có thể gặp khó khăn trong thời tiết lạnh. Giải thích sự khác biệt về các khó khăn ấy.

6.Câu hỏi Hình 17 – A mô tả sự điều hòa thân nhiệt. Ở bên trái (# 2-4) là phản ứng của cơ thể khi thời tiết nóng. Ở bên phải (# 6-8) là phản ứng khi trời lạnh. Đặt tên cho mỗi đáp ứng. # 1 nghĩa là gì, và những mũi tên quay trở lại nó (# 5 và 9) có nghĩa gì?

 

Nguồn: Essentials of Anatomy and Physiology – Vietnamese Version.