CHƯƠNG 1.1 GỐC TỰ DO VÀ CHẤT KHÁNG OXY HÓA 1.1 Khái niệm về gốc tự do Gốc tự do (free radical) được định nghĩa là những phân tử, nguyên tử, nhóm nguyên tử có chứa một hay nhiều electron tự do (electron độc thân) ở lớp ngoài cùng.1) và dạng hoạt động của oxygen (ROS-reactive oxygen species) (bảng 1.1 Các dạng hoạt động của nitrogen [1] Các dạng hoạt Thời gian Ký hiệu Hoạt động động tồn tại Vai trò rất quan trọng trong hệ thống thần kinh trung Nitric oxide NO● 1s ương và ngoại biên. Nitrogen dioxide NO2● 1s Hình thành trong quá trình ô nhiễm không khí Acid ONOOH Khá ổn định Được hình thành khi ONOO─ nhận thêm một proton. peroxynitrous Peroxynitrite ONOO─ 10-3 s Hoạt tính cao, hình thành từ NO● và O2●─ Bảng 1.2 Các dạng hoạt động của oxygen [1] Các dạng hoạt Ký Thời gian Hoạt động động hiệu tồn tại Tạo ra trong ty thể (mitochondria), hệ thống tim mạch Superoxide O2●─ 10-6s và các bộ phận khác Gốc hydroxyl Hoạt tính cao, được tạo ra trong tình trạng cơ thể dư HO● 10-9s chất sắt (phản ứng Fenton) Alkoxyl RO● 1s Hoạt tính cao, được hình thành khi các đại phân tử bị Gốc peroxyl ROO● 1s gốc tự do tấn công Hydroperoxide Phản ứng với các ion kim loại chuyển tiếp để tạo ra các ROOH Ổn định hữu cơ dạng hoạt động. Hydrogen Là tác nhân oxy hóa mạnh, dễ dàng nhận một electron H2O2 Bền peroxide để chuyển hóa thành gốc tự do HO● 1 Hoạt tính cao, hình thành trong quá trình quang học Oxygen đơn bội O2 10-6s (photosensitization) và phản ứng hóa học Là một chất gây ô nhiễm trong khí quyển, có thể phản Ozon O3 1s ứng với các phân tử khác nhau để tạo ra 1O2.
Các gốc tự do thường kém bền và có năng lượng cao, dễ dàng tham gia vào nhiều phản ứng hóa học như phản ứng oxy hóa-khử, phản ứng polymer hóa…. Gốc tự do có hoạt tính cao nên thời gian tồn tại của chúng thường rất ngắn, phụ thuộc nhiều yếu tố: cấu hình không gian, đặc tính cộng hưởng, hiệu ứng liên hợp.[4] 4 Luan van Hai gốc tự do quan trọng chứa nitrogen là NO• và ONOO-, trong đó NO• là gốc tự do được quan tâm nhiều nhất do nó có vai trò rất quan trọng trong hệ thống thần kinh trung ương, ngoại biên và là tác nhân điều hòa huyết áp. Nếu như các dạng hoạt động của nitrogen có ý nghĩa trên lâm sàng thì các dạng hoạt động của oxygen lại là tác nhân nguy hiểm gây ra nhiều bệnh lý.[1,5] Các dạng oxygen hoạt động này có năng lượng cao, rất kém bền và dễ dàng phản ứng với những đại phân tử sinh học như protein, lipid, DNA… gây rối loạn các quá trình sinh hóa trong cơ thể. Đồng thời khi một phân tử sống bị các gốc tự do tấn công, nó sẽ mất điện tử và trở thành một gốc tự do mới, tiếp tục phản ứng với những phân tử khác tạo thành một chuỗi phản ứng thường gọi là phản ứng dây chuyền trong cơ thể, gây ra các biến đổi có tác hại đối với cơ thể.2 Các nguồn phát sinh gốc tự do trong cơ thể 1.
Nguồn nội sinh Gốc tự do được chính cơ thể tạo ra bởi những quá trình sinh lý (quá trình hô hấp ở tế bào), quá trình bệnh lý (quá trình viêm nhiễm), hoặc bởi hệ thống enzyme thân oxy hóa (prooxidant enzyme) và sự có mặt của các ion kim loại chuyển tiếp trong cơ thể. a) Quá trình hô hấp của tế bào [6-8] Quá trình hô hấp ở tế bào là một chuỗi những phản ứng oxy hóa-khử và gốc tự do là các sản phẩm trung gian được sinh ra trong quá trình này. Ví dụ: quá trình khử oxygen tạo nước trong quá trình hô hấp tạo các gốc tự do - như O2● , HO● thông qua những phản ứng như sau: + O2 + 4 H + 4e 2H2O (1.5) Bên cạnh đó, phản ứng phụ giữa các gốc tự do trong quá trình hô hấp cũng sẽ hình thành những gốc tự do mới, độc hại hơn. Một phản ứng phụ đáng chú ý là phản ứng - Haber-Weiss (phản ứng 1.6), xảy ra giữa gốc O2● và H2O2 tạo nên gốc HO● và oxygen đơn bội: ●- 1 ● - O2 + H2O2 O2 + HO + HO (1.6 sẽ xảy ra nhanh hơn khi được xúc tác bởi các ion kim loại chuyển tiếp như sắt, đồng, coban,… Oxygen đơn bội và gốc hydroxyl hình thành là những gốc 5 Luan van tự do có khả năng phản ứng mạnh và rất độc hại.
Chúng là nguyên nhân chính gây ra các quá trình peroxide hóa màng lipid. b) Hội chứng viêm nhiễm [6,9] Hội chứng viêm nhiễm là một phản ứng tự vệ của cơ thể sống nhằm chống lại sự tấn công của các vi khuẩn hoặc các sinh vật lạ từ bên ngoài xâm nhập vào cơ thể hoặc sinh ra ngay trong cơ thể. Khi các vi khuẩn hoặc các sinh vật lạ xâm nhập vào cơ thể sẽ bị bạch cầu đa nhân trung tính (neutrophil) bao kín để làm nhiệm vụ thực bào. Lúc này, enzyme NADPH oxidase ở màng bạch cầu được hoạt hóa, xúc tác phản ứng giữa O2 và NADPH tạo nên gốc tự do O2●- (phản ứng 1.7), từ đó tạo nhiều gốc tự do khác nhằm phân hủy các sinh vật lạ.
Một phần các gốc tự do bị thoát ra ngoài bạch cầu, gây nên những phản ứng viêm. NADPH oxidase ●- + 2O2 + NADPH 2O2 + NADP + H (1.7) c) Các enzyme thân oxy hóa [5,6,10] Một hệ thống các enzyme thân oxy hóa trong cơ thể có khả năng tạo gốc tự do như xanthine oxidase (XO), nitric oxide synthase, myeloperoxidase … Gốc O2●- và NO● là hai gốc tự do chính được sinh ra dưới sự xúc tác của các enzyme thân oxy hóa này. - Xanthine oxidase là một enzyme quan trọng trong quá trình thoái hóa của các hợp chất purine. XO dùng O2 như một chất chuyển electron trong quá trình phản ứng và kết quả dẫn đến là hình thành gốc O2●-.
Điều này được minh họa bằng phản ứng 1.8 như sau: O H O HN N H XO N + H2 O + 2O2 HN 2O2 + 2H+ (1.8) N O + O N H N N O H H Sự tạo thành gốc O2●- bởi XO đóng vai trò quan trọng trong việc gây ra các tổn thương trong hiện tượng thiếu máu cục bộ (ischaemia injury). - Nitric oxide synthase là một enzyme xúc tác sự oxy hóa L-arginine thành citrulline và tạo gốc NO●. Enzyme này dùng NADPH làm chất chuyển electron trong quá trình phản ứng. Nếu trong phản ứng có tồn tại gốc O2●- thì gốc O2●- dễ dàng phản ứng với gốc NO● tạo ONOO- (một hợp chất có hại đối với DNA).
6 Luan van - Enzyme myeloperoxidase được tạo ra do sự hoạt hóa bởi bạch cầu đa nhân trung tính, sử dụng H2O2 để oxy hóa ion Cl- tạo ra HOCl, một hợp chất không phải là gốc tự do nhưng có khả năng oxy hóa mạnh, gây nguy hại cho các mô cơ trong quá trình viêm nhiễm. d) Các ion kim loại chuyển tiếp [6,9] Phản ứng giữa một ion kim loại chuyển tiếp và một hợp chất peroxide cũng góp phần sản sinh gốc tự do trong cơ thể. Phản ứng phân hủy H2O2 thành gốc HO● dưới xúc tác ion sắt là một ví dụ điển hình (phản ứng 1.10) 2+ - ● 3+ Fe + H2O2 HO + HO + Fe (1.9) 3+ + ● 2+ Fe + H2O2 H + HOO + Fe (1.10) Hai phản ứng trên được gọi là phản ứng Fenton. Ngoài sắt, các ion kim loại chuyển tiếp khác như đồng, cobalt cũng có thể tham gia quá trình này.2 Nguồn ngoại sinh Ngoài những yếu tố nội sinh, gốc tự do còn được hình thành trong cơ thể bởi các yếu tố ngoại sinh như sự ô nhiễm môi trường, bức xạ, khói thuốc, ozon … a) Sự bức xạ [6] Thành phần chủ yếu của cơ thể là nước, do đó các bức xạ có năng lượng cao (tia X, tia UV…) khi chiếu vào cơ thể sẽ phân hủy các phân tử nước thành các gốc tự do, có khả năng phản ứng rất mạnh (phản ứng 1.12) Nếu trong nước có oxygen thì sẽ xảy ra phản ứng sau (phản ứng 1.14) Như vậy, dưới tác dụng của bức xạ, các gốc tự do như HO●, O2●-, HOO● được hình thành trong cơ thể.
Điều này có thể giải thích vì sao sự lão hóa của da người sẽ tăng lên tại những vùng bị phơi bày dưới ánh sáng. Đó là do các bức xạ mặt trời, tia cực tím đã làm sản sinh những gốc tự do có khả năng tham gia quá trình peroxide hóa lipid ở các tế bào da. Bức xạ cũng có thể khơi mào những phản ứng gốc trong tế bào, chẳng hạn như sự tự oxy hóa các lipid. Đồng thời, các phân tử DNA cũng là mục tiêu bị nguy hại bởi các bức xạ vì các gốc tự do sản sinh từ sự phân giải nước sẽ tấn công các base của DNA.
7 Luan van b) Khói thuốc lá [11] Khói thuốc chứa một lượng lớn những hợp chất như aldehyde, epoxide, peroxide và những gốc tự do như nitric oxide, gốc peroxyl, gốc với trung tâm carbon hiện diện trong pha khí. Theo ước tính, trong một làn hơi thuốc lá có khoảng 1015 gốc tự do. Chúng có khả năng tồn tại trong thời gian dài cho đến khi chúng tấn công túi phổi. Bên cạnh đó, khói thuốc còn chứa các gốc tự do bền trong nhựa thuốc.
Sự vi xuất huyết là nguyên nhân chủ yếu của sự kết tủa sắt được tìm thấy ở mô phổi của những người hút thuốc. Sắt trong thể này dễ dàng xúc tác cho phản ứng Fenton, sinh ra gốc HO● độc hại. c) Ozon [12] Ozon là một trong những tác nhân độc hại tạo ra gốc tự do và sự ảnh hưởng của nó trên cơ thể sống biểu hiện chủ yếu qua các tổn thương ở phổi và máu. Ozon có thể phản ứng trực tiếp với các hợp chất bất bão hòa như các acid béo trong lipid hoặc có thể tự phân hủy sinh ra O2, từ đó gia tăng khả năng hình thành các gốc tự do trong cơ thể .3 Vai trò của gốc tự do trong cơ thể Theo ước tính, trung bình một ngày có khoảng 10 000-20 000 gốc tự do hoạt động trong cơ thể con người.[3] Xét về phương diện có lợi, gốc tự do rất cần thiết đối với các hoạt động của cơ thể sống.
Trong quá trình trao đổi chất, gốc tự do đóng vai trò trung gian di chuyển các điện tử từ phân tử này sang phân tử khác nhằm tạo ra năng lượng. Gốc tự do góp phần cùng với bạch cầu tiêu diệt các vi sinh vật có hại, tăng cường khả năng bảo vệ cho hệ thống miễn dịch của cơ thể.