Trao đổi chất (metabolism / chuyển hóa sinh học) là toàn bộ mạng lưới các phản ứng hóa sinh phức tạp diễn ra liên tục trong mọi tế bào sống của sinh vật, giúp chuyển hóa các chất dinh dưỡng từ thức ăn thành năng lượng hóa học () để duy trì sự sống, xây dựng các cấu trúc đại phân tử tế bào và đào thải các sản phẩm cặn bã ra khỏi cơ thể (Hardie và cs., 2012; Pontzer và cs., 2021).
Hai nhánh tương hỗ của quá trình chuyển hóa
Chuyển hóa sinh học được phân chia thành hai quá trình đối lập nhưng gắn kết chặt chẽ về mặt nhiệt động lực học:
| Quá trình | Bản chất phản ứng | Các chu trình sinh hóa tiêu biểu | Ý nghĩa năng lượng |
|---|---|---|---|
| Dị hóa (Catabolism) | Phân giải các đại phân tử hữu cơ phức tạp (carbohydrate, lipid, protein) thành các phân tử đơn giản hơn (, , urea). | Đường phân (Glycolysis), chu trình acid citric (Krebs cycle), chuỗi chuyền electron hô hấp tế bào và quá trình beta-oxy hóa acid béo. | Tỏa năng lượng, tổng hợp và tích lũy năng lượng dưới dạng các phân tử giàu năng lượng và chất khử . |
| Đồng hóa (Anabolism) | Tổng hợp các phân tử phức tạp từ các tiền chất đơn giản để xây dựng tế bào, mô và dự trữ năng lượng. | Tổng hợp protein từ acid amin, tổng hợp glycogen (glycogenesis), tân tạo đường (gluconeogenesis) và tổng hợp acid béo/triglyceride. | Thu năng lượng, tiêu tốn các phân tử và . |
Động học năng lượng theo vòng đời con người
Công trình đột phá sử dụng phương pháp nước đánh dấu đồng vị kép (doubly labeled water) của Pontzer và cộng sự (2021) trên tạp chí Science đã bác bỏ những quan niệm cũ về tốc độ chuyển hóa theo tuổi tác:
- Giai đoạn sơ sinh (dưới 1 tuổi): Tốc độ chuyển hóa năng lượng tăng vọt đạt đỉnh cao nhất, cao hơn khoảng 50 % so với người trưởng thành khi đã chuẩn hóa theo khối lượng cơ thể.
- Giai đoạn thanh thiếu niên (1 đến 20 tuổi): Tỷ lệ tiêu hao năng lượng giảm dần khoảng 3 % mỗi năm.
- Giai đoạn trưởng thành (20 đến 60 tuổi): Tổng mức tiêu hao năng lượng và tốc độ trao đổi chất cơ bản (BMR) duy trì cực kỳ ổn định, không có sự sụt giảm trao đổi chất tự nhiên ở tuổi 30 hay 40 như lầm tưởng trước đây.
- Giai đoạn người cao tuổi (trên 60 tuổi): Tốc độ trao đổi chất bắt đầu suy giảm từ từ khoảng 0,7 % mỗi năm do suy giảm khối cơ nạc và giảm hoạt tính trao đổi chất của các cơ quan nội tạng.
Cơ chế điều hòa chuyển hóa tế bào và toàn thân
Cân bằng năng lượng được kiểm soát chặt chẽ bởi hai cấp độ điều hòa:
- Bộ cảm biến năng lượng tế bào AMPK: Protein kinase kích hoạt bởi AMP (AMPK) là chiếc công tắc trung tâm; khi năng lượng tế bào cạn kiệt ( tăng cao), AMPK lập tức kích hoạt các con đường dị hóa sinh năng lượng (như oxy hóa mỡ) và tắt các con đường đồng hóa tốn năng lượng (Hardie và cs., 2012).
- Điều hòa nội tiết toàn thân: Hormone insulin thúc đẩy đồng hóa tích trữ sau ăn; ngược lại glucagon, adrenaline và cortisol kích hoạt dị hóa giải phóng glucose và acid béo vào máu khi đói hoặc căng thẳng.
Rối loạn chuyển hóa và các bệnh lý mạn tính
Nghiên cứu kinh điển của DeFronzo & Ferrannini (1991) chỉ ra rằng hiện tượng đề kháng insulin là mắt xích bệnh học cốt lõi kết nối chuỗi bệnh lý rối loạn chuyển hóa phức tạp:
- Hội chứng chuyển hóa (Metabolic Syndrome) bao gồm: béo phì trung tâm (mỡ bụng), tăng huyết áp, tăng đường huyết lúc đói, tăng triglyceride máu và giảm nồng độ cholesterol tốt ().
- Gia tăng nguy cơ mắc bệnh đái tháo đường type 2, bệnh gan nhiễm mỡ không do rượu (NAFLD/MASLD) và bệnh xơ vữa động mạch tim mạch.