Cơ thể hấp thụ protein như thế nào?

1. Sơ lược về cấu tạo của Protein

Protein có cấu trúc khá phức tạp, có thể được xác định dựa trên 4 cấp độ cấu trúc của nó. Cấu trúc bậc 1 của protein được tạo ra từ 20 – 22 loại acid amin khác nhau. Công thức hóa học chung của một acid amin là R - CH(NH2) - COOH. Trong đó, R đại diện cho nhóm radical (nhóm bên) đặc trưng cho từng loại amino acid khác nhau. CH(NH2) là nhóm amino, COOH là nhóm carboxyl. Công thức này đại diện cho cấu trúc chung của tất cả các amino acid, với nhóm radical (R) khác nhau cho từng loại amino acid cụ thể.

Mỗi acid amin được liên kết với acid amin tiếp theo thông qua các liên kết peptid, tạo thành một chuỗi acid amin, với 1 đầu amino (đầu N) và đầu carboxyl (đầu C). Cấu trúc bậc 2 của protein được hình thành do sự gấp nếp thường xuyên của chuỗi acid amin mà nguyên nhân đến từ các liên kết hydro giữa nhóm -CO và nhóm -NH của liên kết peptide, tạo ra các beta-sheet và alpha-helix, giúp cung cấp sự ổn định cho protein.

Tập hợp các beta-sheet và alpha-helix này liên kết với nhau bằng liên kết hydro trong không gian 3 chiều, tạo thành cấu trúc bậc 3 của protein. Sự liên kết trong không gian 3 chiều của các cấu trúc bậc 3 khác nhau, hình thành cấu trúc bậc 4. Hay nói cách khác, một số protein bao gồm 2 hoặc nhiều chuỗi polypeptide được gọi là tiểu đơn vị, từ đó, sự liên kết của các tiểu đơn vị này trong không gian 3 chiều được gọi là cấu trúc bậc 4 của protein.

2. Cơ thể hấp thụ protein như thế nào?

2.1. Quá trình hấp thu chất đạm theo vị trí ống tiêu hóa

Dạ dày đóng vai trò không đáng kể trong quá trình hấp thu các enzyme tiêu hoá protein. Ruột non là vị trí chính của quá trình hấp thu protein. Khi thức ăn đến ngã ba manh tràng, quá trình hấp thu protein gần như hoàn tất. Biểu mô đại tràng cũng có khả năng đáng kể để hấp thu các các enzyme tiêu hoá protein. Điều này có thể chỉ có ý nghĩa là đại tràng hấp thu đáng kể các protein vi khuẩn và các sản phẩm phân hủy của chúng.

Trong ruột non, có sự khác biệt về vùng trong khả năng hấp thu các sản phẩm tiêu hóa protein. 2 nhóm sản phẩm cuối cùng, cụ thể là axit amin và di- và tripeptit, được hấp thu với tốc độ khác nhau ở các phần khác nhau của ruột non. Khả năng hấp thu đối với di- và tripeptit lớn hơn ở phần ruột non gần so với phần xa, trong khi đối với axit amin thì khả năng hấp thu lớn hơn ở phần ruột non xa so với gần.

Những gradient khác biệt này về khả năng vận chuyển cho axit amin và di- và tripeptit dọc theo trục jejuno-ileum có thể có ý nghĩa sinh lý. Sự tiêu hóa protein trong lòng ruột bởi các protease tuyến tụy giải phóng chủ yếu là các peptide lớn, không thể hấp thu như vậy. Chính hoạt động của các peptidase liên kết màng ở màng nhầy ruột của các tế bào biểu mô mới tạo ra phần lớn các sản phẩm có thể hấp thu, cụ thể là axit amin và di- và tripeptit. Mặc dù các peptidase này có mặt trong toàn bộ ruột non nhưng hoạt động của chúng cao hơn nhiều ở hồi tràng so với jejunum. Nói nôm na thì màng nhầy hồi tràng có khả năng thủy phân peptide mở rộng hơn so với màng nhầy jejunum.

Do đó, có thể hình dung rằng khi thức ăn di chuyển dọc theo ruột từ jejunum đến hồi tràng, tốc độ xuất hiện axit amin tự do trong lòng ruột tăng dần, trong khi nồng độ luminal của di- và tripeptit giảm dần. Sự song song giữa khả năng hấp thu đối với axit amin và di- và tripeptit và nồng độ các chất nền tương ứng dọc theo trục jejuno-ileum tăng cường hiệu quả của quá trình hấp thu.

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng, các tế bào biểu mô đại tràng cũng có khả năng hấp thu axit amin cũng như peptide. Mặc dù chỉ có rất ít protein và các sản phẩm tiêu hóa protein đi vào đại tràng trong các điều kiện sinh lý bình thường, có thể khả thi là đại tràng phục vụ một chức năng hữu ích trong các tình huống đặc biệt như ngay sau khi sinh hoặc ở bệnh nhân phải cắt bỏ ruột non.

Hơn nữa, đại tràng chứa lượng protein vi khuẩn và các sản phẩm phân hủy của chúng đáng kể. Axit amin và di- và tripeptit phát sinh từ các protein vi khuẩn này có thể được hấp thu ở đại tràng. Vi khuẩn cũng tạo ra một số axit amin D - mà có thể được hấp thu qua một số chất vận chuyển axit amin đặc hiệu biểu hiện chủ yếu ở đại tràng.

Ngoài ra, hệ thống vận chuyển peptide ở đại tràng có thể có một chức năng hoàn toàn khác không liên quan đến dinh dưỡng axit amin. Vi khuẩn tạo ra các peptide hóa học như muramyl dipeptide và N-formyl-Met-Leu-Phe; đây có thể là các chất nền sinh lý cho hệ thống vận chuyển peptide ở đại tràng để điều chỉnh giao tiếp giữa vật chủ và vi khuẩn.

Như vậy, mặc dù ruột non là nơi hấp thu chính các sản phẩm tiêu hóa protein, đại tràng cũng đóng một vai trò nhất định trong điều kiện đặc biệt. 

3. Cách hấp thụ protein tốt nhất trong cơ thể con người

Cơ thể hấp thụ protein như thế nào là băn khoăn của nhiều người. Hiểu 1 cách nôm na, Dipeptide và tripeptide - các enzyme tiêu hoá protein sẽ được vận chuyển qua màng nhầy ruột non bằng hệ thống vận chuyển peptide PEPT1. Axit amin tự do cũng được vận chuyển qua màng nhầy bởi các hệ thống vận chuyển axit amin khác nhau.

Trong tế bào biểu mô ruột non, các peptidase tế bào chất thủy phân các peptide thành axit amin tự do.

Axit amin tự do thoát ra khỏi tế bào qua màng đáy bằng các hệ thống vận chuyển axit amin ở màng này. Một lượng nhỏ peptide cũng có thể thoát qua màng đáy.

Như vậy, sản phẩm cuối cùng của quá trình tiêu hóa và hấp thu protein chủ yếu là axit amin tự do. Quá trình này giúp cơ thể hấp thụ protein một cách hiệu quả.

((1) Các peptidase liên kết màng ở bề mặt nhầy ruột non (2) Các hệ thống vận chuyển axit amin ở màng nhầy (3) Hệ thống vận chuyển peptide ở màng nhầy (4) Các peptidase tế bào chất (5) Các hệ thống vận chuyển axit amin ở màng đáy (6) Hệ thống vận chuyển peptide ở màng đáy)

Protein có nguồn gốc động vật được tiêu hóa và hấp thu đến 99%, protein gốc thực vật là 75-80%. Các acid amin sau khi vào bên trong tế bào thành ruột sẽ vào máu và được tổng hợp thành protein, chủ yếu tại gan và cơ hoặc tạo năng lượng cho cơ thể, 1 gam chất đạm cho 4 kcal.

(Các peptide được vận chuyển vào tế bào qua màng nhầy nhờ vận chuyển tử H+/peptide (1). Gradient H+ cần thiết cho quá trình này được tạo ra bởi hoạt động trao đổi Na+/H+ (2). Các peptide sau đó có thể thoát ra khỏi tế bào qua màng đáy nhờ các hệ thống vận chuyển peptide ở màng này (3).)

Hiện nay đã công nhận rộng rãi rằng các enzyme tiêu hoá protein được hấp thu vào các tế bào biểu mô ruột chủ yếu ở dạng dipeptide và tripeptide thay vì dạng axit amin tự do. Nghiên cứu trên người và động vật đã chứng minh thuyết phục rằng, các hỗn hợp axit amin tự do về mặt dinh dưỡng kém hơn so với các hỗn hợp peptide có thành phần và hàm lượng axit amin tương đương. Các lý do bao gồm:

• Hấp thu nhanh hơn axit amin khi đưa dưới dạng peptide nhỏ so với dạng axit amin tự do, 
• Xuất hiện đều hơn axit amin trong máu sau khi hấp thụ từ các hỗn hợp peptide so với từ các hỗn hợp axit amin.
• Tránh cạnh tranh trong quá trình vận chuyển giữa các axit amin khi được hấp thu dưới dạng peptide thay vì dạng axit amin tự do.
• Bảo tồn năng lượng trao đổi chất khi vận chuyển axit amin dưới dạng peptide thay vì dạng axit amin tự do.
• Khả năng kháng của vận chuyển peptide so với vận chuyển axit amin đối với nhiều điều kiện bất lợi như đói, suy dinh dưỡng thiếu protein và năng lượng, thiếu vitamin và các bệnh đường ruột.

Ưu thế dinh dưỡng trong việc hấp thu axit amin ở dạng peptide so với dạng axit amin tự do có ý nghĩa lâm sàng. Hiện có rất nhiều công thức dạng lỏng được bán trên thị trường đang được sử dụng cho hỗ trợ dinh dưỡng đường ruột ở bệnh nhân nhập viện. Một số trong đó là công thức nguyên tố chứa axit amin ở dạng axit amin tự do. Những công thức này ban đầu được chọn dựa trên giả định rằng các sản phẩm tiêu hóa protein chủ yếu được hấp thụ dưới dạng axit amin tự do. Vì giờ đây biết rằng giả định đó không chính xác, lợi ích lâm sàng và hiệu quả dinh dưỡng có thể có của các chế độ ăn dành cho bệnh nhân kém hấp thu dựa trên peptide nhỏ thay vì axit amin tự do ngày càng được công nhận trong thực hành lâm sàng.

Ngoài những lợi thế sinh lý rõ ràng của việc hấp thu axit amin dưới dạng peptide, chế độ ăn xuyên thành tế bào dựa trên peptide còn có nhiều đặc điểm mong muốn khác. Các chế độ ăn dựa trên axit amin ở dạng tự do có độ hòa tan cao, đó có thể là ít nhất một trong những yếu tố góp phần gây ra các biến chứng tiêu chảy thường gặp liên quan đến việc cho ăn các công thức hòa tan cao. Cung cấp axit amin dưới dạng peptide nhỏ sẽ giải quyết đáng kể vấn đề này. Hơn nữa, dinh dưỡng xuyên thành tế bào tối ưu nên được cung cấp với một dung dịch axit amin “hoàn chỉnh” bao gồm cả axit amin thiết yếu và không thiết yếu, nhưng các dung dịch axit amin dựa trên nguyên tố thường thiếu tyrosine, glutamine và cysteine bởi vì tyrosine không tan và glutamine và cysteine không ổn định. Những axit amin này có thể được bổ sung thuận tiện dưới dạng dipeptide trong các dung dịch dựa trên peptide vì các peptide chứa các axit amin này rất hòa tan và ổn định.

Có bằng chứng ngày càng tăng về vai trò thiết yếu của glutamine trong việc duy trì dinh dưỡng tối ưu ở bệnh nhân nhập viện, đặc biệt là những người có tình trạng siêu trao đổi chất. Tế bào biểu mô ruột và đại tràng sử dụng glutamine như nhiên liệu chuyển hóa chính. Sự hấp thu và chuyển hóa glutamine ở ruột tăng lên trong stress. Trong một loạt các mô hình động vật về teo ruột, tổn thương ruột và thích ứng ruột, dinh dưỡng bổ sung glutamine dưới dạng tiêm tĩnh mạch hoặc qua đường ruột tăng cường tăng trưởng, sửa chữa và chức năng niêm mạc ruột, giảm tần suất và mức độ nặng của nhiễm trùng huyết và cải thiện cân bằng nitơ. Do đó, việc bỏ qua axit amin này trong hầu hết các chế độ dinh dưỡng nguyên tố dạng lỏng hiện có đặt ra một vấn đề thực sự có thể dễ dàng được giải quyết bằng cách bổ sung glutamine dưới dạng dipeptide. Các chế phẩm dinh dưỡng dạng bột nguyên tố khô hiện tại đã chứa glutamine.

Việc bổ sung glutamine dưới dạng peptide nhỏ đã được khuyến nghị và được sử dụng lâm sàng không chỉ trong các dung dịch cho dinh dưỡng dành cho bệnh nhân kém hấp thu (ONS) mà còn trong các dung dịch cho dinh dưỡng tĩnh mạch vì các peptide này được dung nạp tốt và được cơ thể sử dụng hiệu quả. Ngoài những lợi thế rõ ràng này, chế độ ăn tăng hấp thu dựa trên peptide có thể đặc biệt phù hợp cho một số bệnh nhân. Mặc dù các bệnh đường ruột như bệnh celiac được liên kết với chức năng hấp thu axit amin cũng như peptide kém, mức độ suy giảm hấp thu peptide ít nghiêm trọng hơn nhiều so với suy giảm hấp thu axit amin. Một chế độ ăn tăng hấp thu dựa trên peptide chắc chắn có lợi hơn so với chế độ dựa trên axit amin đối với những bệnh nhân này.

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến cách hấp thụ protein tốt nhất trong cơ thể con người

4.1. Nguồn gốc của đạm

Có 2 nguồn cung cấp chất đạm cho cơ thể là thực phẩm từ nguồn động vật và thực vật. So với chất đạm thực vật thì chất đạm động vật có giá trị sinh học cao hơn, vì có đầy đủ các acid amin thiết yếu và tỷ lệ các acid amin phù hợp với quá trình tổng hợp protein và các vật chất khác trong cơ thể con người. Nên sử dụng chất đạm đa dạng trong bữa ăn hàng ngày, vì giá trị sinh học của các chất đạm trong các thức ăn khác nhau có thể bổ sung cho nhau.

4.2. Lượng chất đạm hàng ngày trong khẩu phần

Lượng đạm trong khẩu phần ăn hàng ngày nếu quá nhiều thì cần phải trải qua quá trình tiêu hóa kéo dài hơn, gây ảnh hưởng đến cách hấp thụ protein tốt nhất, dẫn đến tình trạng căng thẳng cho hệ tiêu hóa. Ngoài ra, sản phẩm chuyển hóa chất đạm để tạo năng lượng ngoài CO2 và nước còn có thêm NH3 do thành phần cấu tạo chất đạm có nitơ, cần phải được thanh thải qua gan, thận dưới dạng urê do NH3 là một chất độc đối với cơ thể. Các trường hợp sử dụng lượng chất đạm quá cao trong khẩu phần vượt quá nhu cầu và cơ thể sử dụng chất đạm làm năng lượng sẽ làm tăng hoạt động của chuyển hóa ở gan và đào thải thận. Ngoài ra, NH3 là một base, nếu được sản xuất một lượng lớn hơn khả năng kiểm soát của cơ thể thì cân bằng toan kiềm sẽ bị rối loạn.

4.3. Loại chất đạm

Whey và casein đều là các enzyme tiêu hoá protein xuất phát từ sữa và được xem là nguồn protein đa dạng, giàu acid amin thiết yếu. Tuy nhiên, chúng có những đặc điểm hấp thu và công dụng khác nhau.

• Whey protein với cấu trúc hóa học đơn giản nên khi tiếp xúc với men pepsin của dạ dày, chúng dễ dàng phân tách thành các peptide nhỏ hơn và acid amin riêng lẻ từ đó khi đi vào ruột chúng dễ dàng vượt qua niêm mạc ruột vào trong máu cung cấp nguồn amino acid ngay lập tức cho các quá trình phục hồi và xây dựng cơ bắp. Vì thế mà đạm whey có thể được sử dụng cho đối tượng có nguy cơ suy dinh dưỡng hoặc suy dinh dưỡng, người cần phục hồi vết thương sau bỏng hoặc phẫu thuật, người dị ứng với đạm trong sữa. Ngoài ra, công dụng của đạm whey còn được biết đến rộng rãi ở những người vận động thể lực, bột đạm whey có thể được sử dụng ngay sau khi tập luyện để phục hồi lại khối cơ nhờ vào đặc tính tiêu hóa và hấp thu nhanh. 
• Khác với whey, casein được hấp thu chậm và liên tục trong thời gian kéo dài do casein tạo thành các cấu trúc gọi là micelle, giúp chúng tồn tại lâu hơn trong dạ dày, kéo theo sự giải phóng chậm các amino acid vào hệ thống cơ thể, cung cấp nguồn protein liên tục trong thời gian dài. Điều này có lợi cho quá trình phục hồi cơ bắp qua đêm hoặc trong khoảng thời gian không ăn uống, do đó, casein có thể là lựa chọn lý tưởng trước giờ ngủ để cung cấp dưỡng chất liên tục trong suốt đêm, hỗ trợ phục hồi và phát triển cơ bắp. Tuy nhiên, chúng ta hoàn toàn có thể tận dụng cả whey và casein trong việc hỗ trợ phục hồi và phát triển cơ bắp đối với các đối tượng tập luyện thể hình, vận động thể lực.

4.4. Tình trạng sức khỏe của mỗi người

Tình trạng sức khỏe cũng ảnh hưởng đến quá trình hấp thu chất đạm. Một số tình trạng như viêm loét dạ dày, rối loạn tiêu hóa hoặc suy thận có thể làm giảm khả năng hấp thu chất đạm. Ngược lại, tăng cường hoạt động thể lực và cường độ tập luyện cũng có thể tăng nhu cầu đạm của cơ thể.

5. Tổng kết

Chất đạm đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng và duy trì cơ bắp, hỗ trợ hệ miễn dịch hoạt động và đảm bảo các quá trình sinh hóa cần thiết như tạo enzyme, hormone và các dẫn truyền thần kinh. Quá trình tiêu hóa protein bắt đầu từ miệng, sau đó đi qua một loạt các phản ứng phức tạp trong dạ dày và ruột non giúp phân hủy các chuỗi polypeptide thành các amino acid dễ dàng hấp thu qua niêm mạc ruột. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu protein bao gồm nguồn gốc của nguồn protein (động vật hoặc thực vật), lượng chất đạm hàng ngày và tình trạng sức khỏe cá nhân. Mặc dù cả protein từ nguồn động vật và thực vật đều cung cấp các acid amin cần thiết, protein động vật thường được coi là có giá trị sinh học cao hơn do thành phần acid amin của chúng. Việc hiểu rõ về cấu trúc phức tạp của protein cũng như quá trình tiêu hóa và hấp thu chúng là vô cùng quan trọng để duy trì sức khỏe và hoạt động cơ thể hiệu quả.

Tài liệu tham khảo

1. Sanvictores T, Farci F. Biochemistry, Primary Protein Structure. In: StatPearls. StatPearls Publishing; 2023. Accessed August 16, 2023. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK564343/.

2. Pudasainee P, Anjum F. Protein Intolerance. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; April 27, 2023.

3. Dallas DC, Sanctuary MR, Qu Y, et al. Personalizing protein nourishment. Crit Rev Food Sci Nutr. 2017;57(15):3313-3331. doi:10.1080/10408398.2015.1117412.

4. Protein Digestion: Enzymes, Absorption, and Ways to Improve Digestion. Accessed August 9, 2023. https://www.healthline.com/health/protein-digestion.

5. Loveday SM. Protein digestion and absorption: the influence of food processing [published online ahead of print, 2022 Dec 16]. Nutr Res Rev. 2022;1-16. doi:10.1017/S0954422422000245.

6. What’s the Difference Between Casein and Whey Protein? Accessed August 9, 2023. https://www.healthline.com/nutrition/casein-vs-whey#absorption.

7. Whey and Casein Protein: What’s the Difference? Accessed August 9, 2023. https://www.webmd.com/diet/whey-vs-casein-protein.

8. Bhutia YD, Ganapathy V. Protein Digestion and Absorption. In: Physiology of the Gastrointestinal Tract. Elsevier; 2018:1063-1086. doi:10.1016/B978-0-12-809954-4.00047-5