Galactose: Cấu trúc và vai trò trong cơ thể

Galactose là gì?

Galactose là một carbohydrate đơn giản (monosaccharide) có công thức hóa học C₆H₁₂O₆, tương tự như glucose. Đây là đường khử chứa sáu nguyên tử carbon, đóng vai trò quan trọng trong chuyển hóa năng lượng của tế bào và là một trong những loại đường phổ biến trong chế độ ăn hằng ngày. Galactose là epime ở carbon số 4 của glucose, tức chỉ khác glucose ở vị trí sắp xếp một nhóm hydroxyl. Trong cơ thể, galactose là nguồn cung cấp carbon chính cho các quá trình sản xuất năng lượng kỵ khí và tổng hợp glycan, góp phần vào cấu trúc và chức năng của nhiều tế bào sống.

Điều chế sản xuất Galactose

Thủy phân lactose (phương pháp truyền thống)

Trong công nghiệp, để thu được galactose, người ta thường sử dụng phương pháp thủy phân lactose truyền thống. Quá trình này dựa trên việc phân cắt liên kết glycoside giữa glucose và galactose nhờ enzym β-galactosidase (hay còn gọi là lactase) hoặc bằng thủy phân acid. Phương pháp enzym thường được ưu tiên hơn vì diễn ra trong điều kiện nhẹ, pH trung tính và nhiệt độ khoảng 35 - 45°C, giúp hạn chế tạo sản phẩm phụ và giữ hiệu suất chuyển hóa cao. Nguồn enzym phổ biến được chiết xuất từ các chủng vi sinh vật như Kluyveromyces lactis, Aspergillus oryzae hoặc Bacillus licheniformis. Ngược lại, thủy phân bằng acid (ví dụ H₂SO₄ loãng ở 100 - 120°C) tuy rẻ hơn nhưng dễ tạo hợp chất phụ như hydroxymethylfurfural (HMF), gây giảm độ tinh khiết của galactose và làm sậm màu dung dịch. Sau quá trình thủy phân, hỗn hợp chứa glucose, galactose và tạp chất hòa tan sẽ được xử lý qua lọc cơ học, trao đổi ion, màng lọc phân tử hoặc sắc ký trao đổi ion để tách và tinh chế galactose.

Tổng hợp hóa học Galactose (ít dùng trong công nghiệp)

Phương pháp tổng hợp hóa học galactose được thực hiện thông qua các phản ứng biến đổi lập thể từ những loại đường khác hoặc các dẫn xuất carbohydrate. Quá trình này bao gồm nhiều bước phản ứng hóa học như bảo vệ các nhóm hydroxyl (–OH), carbonyl, hoặc amino, oxy hóa - khử, và epimer hóa, nhằm tạo ra đồng phân galactose có cấu hình mong muốn ở carbon số 4. Tuy nhiên, do quá trình này đòi hỏi kỹ thuật cao, chi phí lớn và hiệu suất thấp nên tổng hợp hóa học galactose chủ yếu được áp dụng trong nghiên cứu phòng thí nghiệm hoặc sản xuất quy mô nhỏ để phục vụ mục đích phân tích cấu trúc, tổng hợp dẫn xuất glycoside hoặc nghiên cứu glycan sinh học, hơn là trong công nghiệp thực phẩm hay dược phẩm.

Cơ chế hoạt động

Trong quá trình phát triển vắc xin uống sống thương hàn Ty21a, việc bổ sung galactose ngoại sinh đóng vai trò quan trọng. Khi nghiên cứu trên Salmonella typhimurium, các nhà khoa học nhận thấy rằng những chủng thô có lipopolysaccharide (LPS) không hoàn chỉnh, tức là thiếu chuỗi bên kháng nguyên O, thể hiện độc lực yếu hơn đáng kể so với các chủng trơn có LPS hoàn chỉnh chứa chuỗi O12.

Các chủng đột biến galE của Salmonella typhimurium được ứng dụng trong sản xuất vắc xin sống giảm độc lực hầu như không còn khả năng gây bệnh, nhưng vẫn duy trì hiệu quả bảo vệ miễn dịch cao. Những chủng này bị thiếu enzyme UDP-galactose 4-epimerase, vốn có nhiệm vụ chuyển đổi UDP-glucose thành UDP-galactose trong điều kiện bình thường. Do thiếu enzyme này, vi khuẩn chỉ có thể tổng hợp được lipopolysaccharide (LPS) dạng không hoàn chỉnh, thiếu chuỗi bên kháng nguyên O đặc hiệu, nên không tạo được đáp ứng miễn dịch mạnh như LPS trơn có chuỗi O12 đầy đủ.

Tuy nhiên, khi bổ sung galactose ngoại sinh vào môi trường nuôi cấy vắc xin, các chủng đột biến có thể tái tổng hợp UDP-galactose thông qua trung gian galactose-1-phosphate. Nhờ đó, vi khuẩn đột biến khôi phục khả năng hình thành lipopolysaccharide (LPS) loại trơn với chuỗi bên kháng nguyên O12 đặc trưng - cấu trúc cần thiết để kích hoạt đáp ứng miễn dịch.

Dù vậy, khiếm khuyết epimerase vẫn khiến tế bào tích tụ các chất trung gian như galactose-1-phosphate và UDP-galactose, dẫn đến sự phân hủy các tế bào đột biến. Vắc xin thu được sau đó đủ hiệu quả để tạo ra phản ứng miễn dịch, trong khi quá trình phân hủy vi khuẩn ngăn chặn các tế bào đột biến tái phát độc lực trong điều kiện tổng hợp LPS loại trơn tương tự như chủng gốc đang hoạt động.

Galactose cũng là một thành phần quan trọng trong cấu trúc hóa học của lactulose, một disaccharide tổng hợp thường được sử dụng làm thuốc nhuận tràng. Hợp chất này được hình thành từ sự kết hợp giữa galactose và fructose, thông qua quá trình đồng phân hóa lactose. Lactulose hấp thu rất kém ở ruột non vì cơ thể con người không có enzyme có khả năng thủy phân nó. Do đó, phần lớn lượng lactulose đi đến đại tràng gần như nguyên vẹn.

Tại đây, dưới tác dụng của vi khuẩn chí đường ruột, lactulose được chuyển hóa thành axit lactic, axit formic và axit acetic, tạo nên môi trường hơi acid và tăng áp suất thẩm thấu trong lòng ruột. Cơ chế này giúp kéo nước vào lòng đại tràng, làm tăng độ ẩm và thể tích phân, giúp phân mềm hơn và dễ đào thải ra ngoài, mang lại tác dụng nhuận tràng tự nhiên.

Tham gia vào quá trình tạo năng lượng: Galactose sau khi hấp thu được chuyển hóa thành glucose trong gan, sau đó đi vào chu trình chuyển hóa để tạo năng lượng cho tế bào - đặc biệt quan trọng với não và hệ thần kinh.

Nguyên liệu tổng hợp glycoprotein và glycolipid: Galactose là thành phần cấu tạo của glycoprotein, glycolipid và polysaccharide – các phân tử quan trọng trong màng tế bào, góp phần duy trì tính toàn vẹn và chức năng truyền tín hiệu giữa các tế bào.

Nguyên liệu tổng hợp glycoprotein và glycolipid: Galactose là thành phần cấu tạo của glycoprotein, glycolipid và polysaccharide - các phân tử quan trọng trong màng tế bào, góp phần duy trì tính toàn vẹn và chức năng truyền tín hiệu giữa các tế bào.

Nguyên liệu tổng hợp thuốc nhuận tràng: Dùng làm nguyên liệu tổng hợp lactulose, thuốc nhuận tràng an toàn cho người lớn tuổi và bệnh nhân gan.

Trong y học: Galactose được dùng để hỗ trợ sản xuất các loại vắc xin sống giảm độc lực, giúp duy trì cấu trúc và khả năng kích thích miễn dịch tối ưu của vi khuẩn. Bên cạnh đó, galactose còn đóng vai trò nguyên liệu quan trọng trong quá trình tổng hợp lactulose, một disaccharide nhân tạo được sử dụng phổ biến trong điều trị táo bón mạn tính và bệnh não gan (hepatic encephalopathy), bao gồm cả trường hợp hôn mê gan.

Galactose không phải là hoạt chất được sử dụng rộng rãi như thuốc điều trị đơn lẻ mà chủ yếu được ứng dụng trong nghiên cứu, sản xuất dược phẩm hoặc làm nguyên liệu sinh học. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, galactose vẫn có những cách dùng cụ thể như sau:

• Trong nghiên cứu và sản xuất vắc xin: Galactose được bổ sung vào môi trường nuôi cấy vi sinh vật (ví dụ Salmonella typhimurium đột biến galE) để hỗ trợ tổng hợp lipopolysaccharide (LPS). Nhờ đó, vi khuẩn có thể duy trì cấu trúc kháng nguyên ổn định, giúp tạo ra vắc xin sống giảm độc lực có tính miễn dịch cao.
• Dưới dạng dung dịch hoặc chế phẩm dược: Trong một số nghiên cứu lâm sàng, galactose được dùng đường uống hoặc tiêm truyền để đánh giá chức năng gan, đặc biệt trong các xét nghiệm liên quan đến khả năng tổng hợp glycogen và hoạt động của enzym galactokinase.
• Dưới dạng dinh dưỡng tự nhiên: Galactose có mặt tự nhiên trong sữa và các sản phẩm từ sữa. Khi cơ thể hấp thụ lactose, enzym lactase sẽ thủy phân nó thành glucose và galactose, sau đó gan sẽ chuyển hóa galactose để tạo năng lượng.

Trong công nghiệp thực phẩm

Galactose đóng vai trò quan trọng như một nguồn đường tự nhiên và là thành phần cấu tạo của lactose – loại đường đặc trưng trong sữa và các sản phẩm từ sữa. Trong sản xuất thực phẩm, galactose được sử dụng để tăng vị ngọt nhẹ tự nhiên, hỗ trợ quá trình lên men sữa chua, phô mai, và tạo hương vị caramel hóa trong chế biến. Ngoài ra, dẫn xuất của galactose là galacto-oligosaccharides còn tham gia trong công nghệ thực phẩm chức năng, được bổ sung vào sản phẩm dinh dưỡng cho trẻ em và người cao tuổi nhằm cung cấp năng lượng dễ hấp thu.

Trong mỹ phẩm

Galactose được ứng dụng như một thành phần dưỡng ẩm và phục hồi da nhờ khả năng liên kết nước tốt và góp phần hình thành các cấu trúc glycoprotein trên bề mặt tế bào da. Một số sản phẩm chăm sóc da sử dụng galactose hoặc các dẫn xuất của nó để kích thích quá trình tái tạo tế bào, làm sáng da và giảm kích ứng. Ngoài ra, galactose còn có thể được dùng trong công nghệ dẫn truyền hoạt chất sinh học (biocarrier), giúp tăng hiệu quả hấp thụ của các thành phần hoạt tính trong mỹ phẩm.

Trong y học và dược phẩm

Trong lĩnh vực y học, galactose được dùng trong nghiên cứu sinh học phân tử và sản xuất vắc xin sống giảm độc lực, đặc biệt trong việc nuôi cấy các chủng vi khuẩn cần galactose để tổng hợp lipopolysaccharide.

Galactose cũng là thành phần cấu tạo của lactulose, một disaccharide tổng hợp được sử dụng phổ biến để điều trị táo bón và bệnh não gan. Ngoài ra, galactose còn được sử dụng trong các xét nghiệm chức năng gan nhằm đánh giá khả năng chuyển hóa carbohydrate của cơ thể.

Galactose được sử dụng trong nhiều nghiên cứu lâm sàng nhằm phục vụ mục đích điều trị và chẩn đoán cho các bệnh lý khác nhau như viêm gan C, ung thư gan, bệnh Wilson, phù hoàng điểm do tiểu đường, xơ hóa cầu thận khu trú, cùng một số rối loạn khác có liên quan.

Galactose không nên dùng cho người mắc bệnh galactosemia bẩm sinh, vì cơ thể họ không thể chuyển hóa được loại đường này, dẫn đến tích tụ độc chất gây tổn thương gan, thận, não và mắt. Ngoài ra, những người có vấn đề về chuyển hóa đường hoặc bệnh lý gan mạn tính cũng cần thận trọng khi dùng.

Việc bổ sung hoặc sử dụng galactose trong điều trị chỉ nên thực hiện dưới sự giám sát của nhân viên y tế, với liều lượng được điều chỉnh phù hợp theo mục đích (nghiên cứu, điều trị hay bổ sung dinh dưỡng). Dạng galactose sử dụng trong thực phẩm hoặc mỹ phẩm nên được đảm bảo độ tinh khiết và nguồn gốc rõ ràng, tránh nguy cơ kích ứng hoặc phản ứng phụ.