Đường phân là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Đường phân (glycolysis) là một chuỗi phản ứng sinh hóa xảy ra trong bào tương tế bào, đóng vai trò là con đường chuyển hóa glucose cơ bản và phổ biến nhất ở sinh vật sống. Trong quá trình này, một phân tử glucose (C₆H₁₂O₆) được phân giải thành hai phân tử pyruvate (C₃H₄O₃), đồng thời tạo ra một lượng nhỏ năng lượng dưới dạng adenosine triphosphate (ATP) và nicotinamide adenine dinucleotide khử (NADH).

Quá trình đường phân tồn tại ở cả sinh vật nhân sơ và nhân thực, được bảo tồn cao qua tiến hóa, cho thấy vai trò thiết yếu của nó trong cung cấp năng lượng. Đây là bước đầu tiên của hô hấp tế bào, có thể tiếp tục theo con đường hiếu khí (chu trình acid citric và chuỗi chuyền electron) hoặc yếm khí (lên men) tùy điều kiện oxy. Tốc độ và hiệu suất đường phân có ý nghĩa sinh lý quan trọng, đặc biệt trong các mô tiêu thụ năng lượng nhanh như cơ, não, và hồng cầu.

• Sản phẩm cuối: pyruvate, ATP, NADH
• Vị trí: bào tương
• Thời gian: diễn ra nhanh, cung cấp năng lượng tức thời
• Điều kiện: có thể xảy ra cả hiếu khí và yếm khí

Lịch sử nghiên cứu

Nghiên cứu về đường phân bắt đầu từ cuối thế kỷ 19, khi Louis Pasteur phát hiện mối liên hệ giữa vi sinh vật và quá trình lên men. Pasteur quan sát thấy sự chuyển hóa đường thành ethanol hoặc axit lactic đi kèm với sinh năng lượng. Tiếp theo đó, Eduard Buchner chứng minh quá trình lên men có thể xảy ra ngoài tế bào sống bằng dịch chiết nấm men, mở ra hướng nghiên cứu enzym học.

Giai đoạn từ đầu thế kỷ 20, Gustav Embden, Otto Meyerhof và Jakub Karol Parnas đã xác định từng bước phản ứng, enzyme xúc tác và chất trung gian trong chuỗi phản ứng. Từ đó, con đường chuyển hóa này được gọi là con đường Embden–Meyerhof–Parnas (EMP). Những nghiên cứu này không chỉ giải thích cơ chế sản xuất năng lượng từ glucose mà còn mở đường cho việc hiểu biết sâu hơn về điều hòa chuyển hóa và các bệnh liên quan.

Nhà khoa học	Đóng góp chính	Năm
Louis Pasteur	Liên hệ vi sinh vật và lên men	1857
Eduard Buchner	Phát hiện lên men ngoài tế bào sống	1897
Embden, Meyerhof, Parnas	Xác định các bước của đường phân EMP	1918–1930

Các giai đoạn chính của đường phân

Đường phân bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu tư năng lượng và giai đoạn thu năng lượng. Ở giai đoạn đầu tư năng lượng, ATP được tiêu thụ để phosphoryl hóa glucose và các chất trung gian, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân giải sau đó. Cụ thể, glucose được phosphoryl hóa thành glucose-6-phosphate, sau đó đồng phân hóa thành fructose-6-phosphate, rồi tiếp tục phosphoryl hóa thành fructose-1,6-bisphosphate.

Ở giai đoạn thu năng lượng, fructose-1,6-bisphosphate bị cắt thành hai phân tử ba carbon (glyceraldehyde-3-phosphate và dihydroxyacetone phosphate). Dihydroxyacetone phosphate được chuyển đổi thành glyceraldehyde-3-phosphate, sau đó trải qua chuỗi phản ứng oxy hóa và phosphoryl hóa tạo ra pyruvate. Trong quá trình này, 4 ATP và 2 NADH được sinh ra, nhưng vì đã tiêu tốn 2 ATP ở giai đoạn đầu, nên năng lượng ròng là 2 ATP.

• Giai đoạn đầu tư: tiêu hao 2 ATP
• Giai đoạn thu: tạo 4 ATP và 2 NADH
• Năng lượng ròng: 2 ATP và 2 NADH

Phương trình tổng quát

Phản ứng tổng quát của đường phân trong điều kiện yếm khí có thể được viết như sau:

$\mathrm{Glucose} + 2\ ADP + 2\ P_i + 2\ NAD^+ \rightarrow 2\ \mathrm{Pyruvate} + 2\ ATP + 2\ NADH + 2\ H^+ + 2\ H_2O$

Trong điều kiện hiếu khí, pyruvate được vận chuyển vào ty thể, chuyển thành acetyl-CoA và tham gia chu trình acid citric để tạo ra nhiều ATP hơn thông qua quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Ngược lại, trong điều kiện yếm khí, pyruvate có thể chuyển thành lactate ở động vật hoặc ethanol ở thực vật và vi khuẩn, nhằm tái sinh NAD⁺ để duy trì đường phân.

Điều kiện	Sản phẩm cuối	Năng lượng ròng
Hiếu khí	Pyruvate → Acetyl-CoA	~36-38 ATP/glucose (toàn bộ hô hấp tế bào)
Yếm khí	Lactate hoặc Ethanol	2 ATP/glucose

Ý nghĩa sinh học

Đường phân là quá trình trung tâm trong chuyển hóa năng lượng, đóng vai trò cung cấp ATP nhanh chóng khi tế bào cần, đặc biệt trong điều kiện thiếu oxy. Ở mô cơ đang hoạt động cường độ cao, oxy cung cấp không đủ cho quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, đường phân trở thành nguồn ATP chính, mặc dù hiệu suất thấp hơn so với hô hấp hiếu khí. Đặc biệt, hồng cầu – không có ty thể – phụ thuộc hoàn toàn vào đường phân để tạo ATP duy trì chức năng vận chuyển oxy.

Các sản phẩm trung gian của đường phân không chỉ đóng vai trò trong sản xuất năng lượng mà còn là nguyên liệu cho nhiều con đường sinh tổng hợp khác. Ví dụ, glucose-6-phosphate có thể chuyển hướng vào con đường pentose phosphate để tạo NADPH và ribose-5-phosphate; glyceraldehyde-3-phosphate và dihydroxyacetone phosphate là tiền chất tổng hợp lipid; 3-phosphoglycerate tham gia tổng hợp serine.

• Cung cấp ATP nhanh chóng trong điều kiện yếm khí.
• Tạo nguyên liệu cho sinh tổng hợp acid béo, amino acid, nucleotide.
• Điều hòa cân bằng năng lượng và phản ứng thích nghi môi trường.

Điều hòa quá trình đường phân

Đường phân được điều chỉnh chặt chẽ để đáp ứng nhu cầu năng lượng và cân bằng chuyển hóa. Các enzyme kiểm soát tốc độ gồm hexokinase/glucokinase, phosphofructokinase-1 (PFK-1) và pyruvate kinase. PFK-1 là điểm điều hòa quan trọng nhất, bị ức chế bởi ATP và citrate khi năng lượng dồi dào, và được hoạt hóa bởi AMP, ADP và fructose-2,6-bisphosphate khi năng lượng thấp.

Hexokinase có ái lực cao với glucose và bị ức chế bởi sản phẩm glucose-6-phosphate, trong khi glucokinase ở gan có ái lực thấp hơn nhưng không bị ức chế bởi sản phẩm, cho phép gan dự trữ glucose dưới dạng glycogen khi glucose máu cao. Pyruvate kinase chịu điều hòa dị lập thể bởi ATP (ức chế) và fructose-1,6-bisphosphate (hoạt hóa).

Enzyme	Chất ức chế	Chất hoạt hóa
Hexokinase	Glucose-6-phosphate	—
PFK-1	ATP, Citrate	AMP, ADP, Fructose-2,6-bisphosphate
Pyruvate kinase	ATP, Alanine	Fructose-1,6-bisphosphate

Biến thể của đường phân

Ngoài con đường Embden–Meyerhof–Parnas (EMP), một số vi sinh vật và mô đặc biệt sử dụng biến thể khác. Con đường Entner–Doudoroff (ED) xuất hiện ở nhiều vi khuẩn Gram âm như Pseudomonas và Zymomonas, tạo 1 ATP, 1 NADH và 1 NADPH mỗi glucose. Con đường phosphoketolase được tìm thấy ở một số vi khuẩn lactic dị hình, tạo ra lactate, ethanol và CO₂ từ glucose.

Những biến thể này phản ánh sự thích nghi sinh hóa với điều kiện môi trường khác nhau và nhu cầu năng lượng/khử đặc thù. Ví dụ, con đường ED tạo NADPH phục vụ sinh tổng hợp trong khi vẫn tạo pyruvate để cung cấp năng lượng hoặc tham gia các con đường khác.

Vai trò trong bệnh lý

Tế bào ung thư thường tăng cường đường phân ngay cả khi có đủ oxy – hiện tượng Warburg – nhằm hỗ trợ nhu cầu sinh tổng hợp và điều chỉnh môi trường vi mô khối u. Việc tăng chuyển hóa glucose giúp tế bào ung thư tạo ra tiền chất sinh tổng hợp (acid nucleic, acid amin, lipid) nhanh chóng. Do đó, nhiều chiến lược điều trị ung thư nhắm vào ức chế các enzyme đường phân, đặc biệt là PFK-1 và pyruvate kinase M2 (PKM2).

Rối loạn di truyền của enzyme đường phân, như thiếu pyruvate kinase, gây ra các bệnh lý huyết học (thiếu máu tan máu do giảm sản xuất ATP ở hồng cầu). Các bệnh lý chuyển hóa bẩm sinh khác liên quan tới hexokinase, PFK-1 và triosephosphate isomerase cũng đã được ghi nhận.

Ứng dụng nghiên cứu

Hiểu rõ cơ chế đường phân giúp phát triển thuốc ức chế chọn lọc các enzyme then chốt để điều trị ung thư, bệnh truyền nhiễm và rối loạn chuyển hóa. Trong thể thao, điều chỉnh chế độ dinh dưỡng và huấn luyện có thể tối ưu hóa khả năng sử dụng đường phân, cải thiện hiệu suất ở các môn cường độ cao.

Trong công nghiệp sinh học, khai thác đường phân và các biến thể của nó để sản xuất ethanol, acid lactic và các hóa chất sinh học có giá trị cao. Kỹ thuật biến đổi di truyền và tối ưu hóa lên men được sử dụng để tăng hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

Tài liệu tham khảo

• Nelson, D.L., Cox, M.M. – Lehninger Principles of Biochemistry, W.H. Freeman and Company (link)
• Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Gatto, G.J. – Biochemistry, W.H. Freeman (link)
• National Center for Biotechnology Information – Glycolysis pathway (link)
• Nature Reviews Molecular Cell Biology – Metabolic regulation of glycolysis (link)
• Warburg O. On the origin of cancer cells. Science. 1956;123(3191):309–314 (link)