Bài học

Carbohydrate

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân loại được một loại đường bất kỳ thành đường đơn, đường đôi, hay đường đa, và giải thích được vì sao tinh bột và cellulose — cùng là polymer của glucose — lại khác nhau hoàn toàn về khả năng tiêu hoá ở người.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai chương trước em đã học nước tạo môi trường hoà tan cho mọi phản ứng trong tế bào, và carbon tạo bộ khung cho các đại phân tử hữu cơ (same-grade bridge). Carbohydrate là nhóm đại phân tử đầu tiên dựng trên bộ khung carbon đó, với công thức chung gần đúng $(CH_2O)_n$ — tỉ lệ carbon, hydrogen, oxygen gần giống trong phân tử nước, đó cũng là nguồn gốc của cái tên 'carbohydrate'.

Khởi động

Gạo (chứa tinh bột) và giấy hay bông vải (chứa cellulose) đều được tạo nên gần như hoàn toàn từ cùng một loại đường: glucose. Vậy tại sao em ăn cơm để lấy năng lượng được, nhưng ăn một tờ giấy thì cơ thể hoàn toàn không tiêu hoá được?

Kiến thức trọng tâm

Carbohydrate được phân thành ba nhóm theo số đơn vị đường liên kết với nhau. Đường đơn (monosaccharide) là đơn vị nhỏ nhất, không thể thuỷ phân thành đường đơn giản hơn — glucose, fructose, galactose đều là đường đơn 6 carbon, khác nhau ở cách sắp xếp nguyên tử nhưng cùng công thức phân tử $C_6H_{12}O_6$ . Đường đôi (disaccharide) hình thành khi hai đường đơn liên kết với nhau qua một liên kết glycosidic, giải phóng một phân tử nước — saccharose (đường ăn hằng ngày) là glucose liên kết với fructose, lactose (đường sữa) là glucose liên kết với galactose, maltose (đường mạch nha) là hai glucose liên kết với nhau.

Carbohydrate được phân thành ba nhóm theo số đơn vị đường liên kết với nhau. Đường đơn (monosaccharide) là đơn vị nhỏ nhất, không thể thuỷ phân thành đường đơn giản hơn — glucose, fructose, galactose đều là đường đơn 6 carbon, khác nhau ở cách sắp xếp nguyên tử nhưng cùng công thức phân tử $C_6H_{12}O_6$. Đường đôi (disaccharide) hình thành khi hai đường đơn liên kết với nhau qua một liên kết glycosidic, giải phóng một phân tử nước — saccharose (đường ăn hằng ngày) là glucose liên kết với fructose, lactose (đường sữa) là glucose liên kết với galactose, maltose (đường mạch nha) là hai glucose liên kết với nhau.

Đường đa (polysaccharide) là polymer gồm hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị glucose nối tiếp nhau qua liên kết glycosidic, chia theo chức năng thành hai vai trò khác hẳn nhau. Tinh bột là dạng dự trữ năng lượng ở thực vật (trong hạt, củ), glycogen là dạng dự trữ năng lượng ở động vật (chủ yếu ở gan và cơ) — cả hai đều gồm các chuỗi glucose nối bằng liên kết glycosidic kiểu $\alpha$ -1,4, thỉnh thoảng phân nhánh bằng liên kết $\alpha$ -1,6, tạo hình dạng cuộn xoắn lỏng lẻo. Cellulose là thành phần chính của vách tế bào thực vật, cũng là một polymer của glucose, nhưng các đơn vị glucose nối với nhau bằng liên kết glycosidic kiểu $\beta$ -1,4 thay vì $\alpha$ -1,4.

Đường đa (polysaccharide) là polymer gồm hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị glucose nối tiếp nhau qua liên kết glycosidic, chia theo chức năng thành hai vai trò khác hẳn nhau. Tinh bột là dạng dự trữ năng lượng ở thực vật (trong hạt, củ), glycogen là dạng dự trữ năng lượng ở động vật (chủ yếu ở gan và cơ) — cả hai đều gồm các chuỗi glucose nối bằng liên kết glycosidic kiểu $\alpha$-1,4, thỉnh thoảng phân nhánh bằng liên kết $\alpha$-1,6, tạo hình dạng cuộn xoắn lỏng lẻo. Cellulose là thành phần chính của vách tế bào thực vật, cũng là một polymer của glucose, nhưng các đơn vị glucose nối với nhau bằng liên kết glycosidic kiểu $\beta$-1,4 thay vì $\alpha$-1,4.

Đường đôi luôn hình thành từ hai đường đơn cụ thể — ví dụ saccharose luôn là glucose cộng fructose, không phải một cặp bất kỳ.

Chỉ một khác biệt nhỏ trong kiểu liên kết — $\alpha$ -1,4 ở tinh bột và glycogen so với $\beta$ -1,4 ở cellulose — tạo ra hai hình dạng phân tử hoàn toàn khác nhau, và từ đó là hai số phận khác nhau khi vào cơ thể người. Liên kết $\alpha$ -1,4 bẻ chuỗi glucose thành hình xoắn lỏng lẻo mà enzyme amylase trong nước bọt và ruột non của người có thể tiếp cận và cắt rời từng đơn vị glucose, giải phóng năng lượng. Liên kết $\beta$ -1,4 lại kéo các chuỗi glucose thẳng ra, xếp song song và liên kết hydrogen chặt với nhau thành bó sợi cứng (vi sợi cellulose) — hình dạng này chống lại chính enzyme amylase, vì amylase không cắt được liên kết $\beta$ -1,4. Người không có enzyme cellulase nên không tiêu hoá được cellulose; nó đi qua ống tiêu hoá gần như nguyên vẹn, đóng vai trò chất xơ giúp nhu động ruột, chứ không cung cấp năng lượng.

Chỉ một khác biệt nhỏ trong kiểu liên kết — $\alpha$-1,4 ở tinh bột và glycogen so với $\beta$-1,4 ở cellulose — tạo ra hai hình dạng phân tử hoàn toàn khác nhau, và từ đó là hai số phận khác nhau khi vào cơ thể người. Liên kết $\alpha$-1,4 bẻ chuỗi glucose thành hình xoắn lỏng lẻo mà enzyme amylase trong nước bọt và ruột non của người có thể tiếp cận và cắt rời từng đơn vị glucose, giải phóng năng lượng. Liên kết $\beta$-1,4 lại kéo các chuỗi glucose thẳng ra, xếp song song và liên kết hydrogen chặt với nhau thành bó sợi cứng (vi sợi cellulose) — hình dạng này chống lại chính enzyme amylase, vì amylase không cắt được liên kết $\beta$-1,4. Người không có enzyme cellulase nên không tiêu hoá được cellulose; nó đi qua ống tiêu hoá gần như nguyên vẹn, đóng vai trò chất xơ giúp nhu động ruột, chứ không cung cấp năng lượng.

Có thể tóm tắt sự khác biệt giữa hai polymer glucose này bằng một bảng so sánh ngắn:

Đặc điểm	Tinh bột / glycogen	Cellulose
Liên kết glycosidic	$\alpha$ -1,4 (có nhánh $\alpha$ -1,6)	$\beta$ -1,4, không nhánh
Hình dạng chuỗi	Xoắn lỏng lẻo	Thẳng, xếp song song
Enzyme người có	Amylase — cắt được	Không có cellulase — không cắt được
Vai trò ở người	Nguồn năng lượng (glucose)	Chất xơ, không sinh năng lượng

Vậy cùng một đơn vị glucose, chỉ đổi kiểu liên kết, thiên nhiên đã tạo ra được cả kho năng lượng lẫn bộ khung chống đỡ cơ học — đây là một minh chứng rõ ràng cho nguyên lý cấu trúc quyết định chức năng.

Có thể tóm tắt sự khác biệt giữa hai polymer glucose này bằng một bảng so sánh ngắn: | Đặc điểm | Tinh bột / glycogen | Cellulose | |---|---|---| | Liên kết glycosidic | $\alpha$-1,4 (có nhánh $\alpha$-1,6) | $\beta$-1,4, không nhánh | | Hình dạng chuỗi | Xoắn lỏng lẻo | Thẳng, xếp song song | | Enzyme người có | Amylase — cắt được | Không có cellulase — không cắt được | | Vai trò ở người | Nguồn năng lượng (glucose) | Chất xơ, không sinh năng lượng | Vậy cùng một đơn vị glucose, chỉ đổi kiểu liên kết, thiên nhiên đã tạo ra được cả kho năng lượng lẫn bộ khung chống đỡ cơ học — đây là một minh chứng rõ ràng cho nguyên lý cấu trúc quyết định chức năng.

Ví dụ

Phân loại năm loại carbohydrate

1
Xếp năm chất sau vào đúng nhóm đường đơn, đường đôi, hay đường đa: fructose, maltose, glycogen, galactose, saccharose.
2
Fructose và galactose là đường 6 carbon không thể thuỷ phân tiếp — đường đơn. Maltose và saccharose mỗi chất gồm hai đơn vị đường đơn nối với nhau — đường đôi. Glycogen là chuỗi hàng nghìn đơn vị glucose — đường đa.
3
Maltose (hai glucose) và saccharose (glucose và fructose) đều đúng nghĩa 'đường đôi' vì mỗi chất chỉ gồm đúng hai đơn vị đường đơn liên kết, không nhiều hơn.
4
Vậy: fructose và galactose là đường đơn; maltose và saccharose là đường đôi; glycogen là đường đa.

Ví dụ

So sánh khả năng tiêu hoá tinh bột và cellulose (dạng đề kiểm tra)

1
Cả cơm (giàu tinh bột) và rau xanh (giàu cellulose trong vách tế bào) đều được cấu tạo chủ yếu từ glucose. Giải thích vì sao cơ thể người tiêu hoá và hấp thụ năng lượng từ tinh bột trong cơm, nhưng không tiêu hoá được cellulose trong rau — dù rau vẫn có lợi cho sức khoẻ.
2
Cả tinh bột và cellulose đều là polymer của cùng một loại đường đơn: glucose, khác nhau duy nhất ở kiểu liên kết glycosidic nối các đơn vị glucose lại với nhau.
3
Tinh bột dùng liên kết $\alpha$ -1,4, tạo hình xoắn lỏng lẻo mà enzyme amylase của người cắt được; cellulose dùng liên kết $\beta$ -1,4, tạo bó sợi thẳng chặt mà amylase không cắt được, và người không có enzyme cellulase để thay thế. (1)
Tinh bột dùng liên kết $\alpha$-1,4, tạo hình xoắn lỏng lẻo mà enzyme amylase của người cắt được; cellulose dùng liên kết $\beta$-1,4, tạo bó sợi thẳng chặt mà amylase không cắt được, và người không có enzyme cellulase để thay thế. (1)
4
Theo (1), tinh bột được amylase cắt thành glucose, hấp thụ vào máu làm nguồn năng lượng; cellulose đi qua ruột gần như nguyên vẹn, không sinh năng lượng cho cơ thể người.
5
Cellulose không tiêu hoá được không đồng nghĩa với vô ích — với vai trò chất xơ, nó tăng khối lượng phân, kích thích nhu động ruột, giúp hệ tiêu hoá hoạt động đều đặn.
6
Vậy cùng là polymer của glucose, tinh bột và cellulose khác nhau hoàn toàn về khả năng tiêu hoá ở người chỉ vì một khác biệt cấu trúc duy nhất: kiểu liên kết glycosidic $\alpha$ -1,4 so với $\beta$ -1,4.
Vậy cùng là polymer của glucose, tinh bột và cellulose khác nhau hoàn toàn về khả năng tiêu hoá ở người chỉ vì một khác biệt cấu trúc duy nhất: kiểu liên kết glycosidic $\alpha$-1,4 so với $\beta$-1,4.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn phổ biến là nghĩ tinh bột và cellulose là hai chất hoá học hoàn toàn khác nhau vì chức năng của chúng (dự trữ năng lượng và cấu trúc vách tế bào) quá khác biệt. Thực ra cả hai đều là polymer thuần tuý của glucose — khác nhau đúng một chi tiết: kiểu liên kết glycosidic nối các đơn vị glucose. Đừng suy luận ngược từ chức năng khác nhau ra thành phần hoá học khác nhau — trong trường hợp này, thành phần giống hệt nhau, chỉ cách liên kết khác nhau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Carbohydrate chia ba nhóm theo số đơn vị đường: đơn (glucose, fructose, galactose), đôi (saccharose, lactose, maltose), đa (tinh bột, glycogen, cellulose). Tinh bột/glycogen và cellulose cùng là polymer glucose nhưng khác kiểu liên kết glycosidic ( $\alpha$ -1,4 so với $\beta$ -1,4) — đúng khác biệt quyết định người tiêu hoá được chất này mà không tiêu hoá được chất kia.

Carbohydrate chia ba nhóm theo số đơn vị đường: đơn (glucose, fructose, galactose), đôi (saccharose, lactose, maltose), đa (tinh bột, glycogen, cellulose). Tinh bột/glycogen và cellulose cùng là polymer glucose nhưng khác kiểu liên kết glycosidic ($\alpha$-1,4 so với $\beta$-1,4) — đúng khác biệt quyết định người tiêu hoá được chất này mà không tiêu hoá được chất kia.

Bài tiếp theo chuyển sang một nhóm đại phân tử được định nghĩa không phải bằng đơn vị lặp lại như carbohydrate, mà bằng một tính chất vật lý duy nhất: tính kị nước.