HOÁ SINH CHUYỂN HOÁ CÁC GỐC TỰ DO VÀ CÁC CHẤT NGOẠI SINH (XENOBIOTICS)

Gốc tự do, được định nghĩa là các phân tử không có điện tử ghép cặp hoặc có sự chia tách điện tử không mong muốn, đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh hóa trong cơ thể.. Tr

TRUONG DAI HOC Y DUOC CAN THO

BO MON HOA SINH

Chuyén dé

HOÁ SINH CHUYEN HOA CAC GOC TY DO VA

CAC CHAT NGOAI SINH (XENOBIOTICS)

Lớp: Cao học Kỹ thuật Xét nghiệm Y học khóa 2022 Người hướng dan: TS BS TRAN THI THU THAO

Người thực hiện: NGUYÊN THANH PHONG

MSHV: 22860111657

Can Tho, 2023

BO GIAO DUC VA DAO TAO BO Y TE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC CÂN THƠ

NGUYÊN THANH PHONG

Chuyên đề

HOÁ SINH CHUYÊN HOÁ CÁC GÓC TỰ DO VÀ CÁC CHAT NGOẠI SINH (XENOBIOTICS)

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xét nghiệm y hoc

Người hướng dẫn: TS.BS TRẤN THỊ THU THẢO

Cần Thơ, 2023

1.4 Didu hoa cfn bang Oxy hod cccescsecsssesscsesesscsescevscsscassesecststsecstsesavsnseeasaee 11

Voi 6.) 0 14

2.2 Chuyển hoá Xenobiotics [3] , 2 - 2 + SE SE+EEE£EEEEEEEEEEkEErkererkerered 14

2.3 Tác dụng của các chất xenobiOfiC - - ke E£keExEkekeErkererereersrees 22

4

DANH MUC HINH VA BANG Bảng 1.1: Các dạng gốc tự do [3] cccecccsccsssccsssscsssssssssssssssssssscsssscsscsesassessssessssesavstsassveasseeaes 8 Bảng 1.2: Các dạng chất chỗng oxy hÓA - - Set St tk TH E1 11111111 e tre 12 Hình 2.1: Sơ đô cấu trúc của hệ thống cytochrom P450 của lưới nội bào nhấn 17 Hình 2.2: Hệ thông cytochrom P450 ở ty thể (mitochondïri4) . - 5-5 scscccesrsceee 18 Hình 2.3: Cơ chế hoạt động của CVIOCÏFOIH -. - + ke SEEESkEESEkEEEEkEEEEkEErkerkrkerkrree 19 Hình 2.4: Phản ứng liên hợp acetyl của cơ RAL sescececssscecsssecssssssssessssessssvesssesssesssseasssessens 22

Hình 2.5: Các tác dụng độc của các l1 872/101/71/7/5N RE NàẠai 22

5

MO DAU Hóa sinh chuyển hóa các gốc tự đo và các chất ngoại sinh là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành sinh học, tập trung vào việc hiểu rõ cơ chế và ảnh hưởng của các quá trình này đối với sức khỏe con người và môi trường xung quanh Gốc tự do, được

định nghĩa là các phân tử không có điện tử ghép cặp hoặc có sự chia tách điện tử không

mong muốn, đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh hóa trong cơ thể Chúng

có thể xuất hiện từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm quá trình oxi hóa trong cơ thể, tác động của tác nhân ngoại sinh, và các tác động từ môi trường xung quanh

Ngoài ra, chất ngoại sinh, như hóa chất công nghiệp, thuốc trừ sâu, và các chất độc

hại khác, cũng góp phần tạo ra môi trường ngoại cảnh day thách thức cho cơ thể con người và các hệ thống sinh thái Quá trình chuyên hóa này đặc biệt quan trọng để cơ thê

có thê loại bỏ chúng một cách hiệu quả và ngăn chặn ảnh hưởng tiêu cực đối với sức khỏe

Nghiên cứu về hóa sinh chuyên hóa không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ về cơ chế bảo

vệ tự nhiên của cơ thể mà còn mở ra những cơ hội mới trong lĩnh vực y học và môi trường Đồng thời, việc áp dụng các kết quả nghiên cứu này có thể giúp chúng ta phát

triển biện pháp phòng tránh và điều trị hiệu quả hơn cho nhiều bệnh lý liên quan đến

stress oxi hóa và chất độc hại

Trong bối cảnh này, bài viết sẽ đi sâu vào cơ chế và tác động của quá trình hóa sinh chuyên hóa gốc tự do và chất ngoại sinh, nhằm đưa ra cái nhìn tông quan và chỉ tiết

về tâm quan trọng của chủ đê này đôi với sức khỏe và môi trường

6

NOI DUNG

1 Góc tự do

1.1 Định nghĩa

Gốc tự do là phân tử có chứa một hay nhiều điện tử ở vòng ngoài của phân tử Gốc

tự do được hình thành bằng cách mất đi, hoặc nhận một điện tử từ một phân tử không

phải là gốc, hoặc là làm gẫy một cầu nối đa hóa trị của phân tử khác Gốc tự do có thể tồn tại độc lập, phản ứng hóa học mạnh trong cơ thể, oxy hóa hay oxy khử nguyên tử khác

[1]

1.2 Lịch sử

Moses Gomberg (1866-1947) là người đầu tiên phát hiện ra gốc hóa học hữu cơ Triphenylmety] vào năm 1900 tai Dai hoc Michigan, Hoa Ky [2]

Nam 1954, bac si Denham Harman thuộc Dai hoc Berkeley, California, 1a khoa

học gia đầu tiên nhận ra sự hiện hữu của gốc tự do trong cơ thể với nguy cơ gây ra những tốn thương cho tế bào Trước đó, người ta cho là gốc này chỉ có ở ngoài cơ thê [2]

Gốc tự do có nhiều vai trò sinh lý trong cơ thể, như phản ứng xúc tác enzym, vận

chuyển điện tử trong ti lap thể, tải nạp tín hiệu tế bào, hoạt hóa yếu tố sao mã ở nhân, biểu hiện gen, và có tác động chống vi sinh vat Cac gốc superoxide va nitric oxide san

sinh từ bạch cầu hạt trung tính và đại thực bào tác động đến quá trình thực bào, giúp tế bào hủy diệt vi khuẩn Tuy nhiên thừa dư nhiều gốc tự do cũng như gốc superoxide có thể gây tốn hại các tế bào mô xung quanh, khởi động phản ứng viêm, góp phan lam ton

thương oxy hóa phân tử, tế bào, mô, làm phát sinh nhiều bệnh tật và lão hóa

Géc peroxyl (ROO’) Oxy đơn bội (O¿!)

Clo/Brom hoat d6ng (Reactive chlorine/bromine species- RCIS/RBS)

Nitric oxid = mitrogen monoxid (NO") Nitrit (NO2)

Carbonyl kich thich điện tử

1.3.1 Nguồn gốc nội sinh

a Superoxid anion (O2)

Superoxid anion được tạo thành bằng cách thém 1 electron vao phan tir oxy Qua

trình này được xúc tắc nhờ NAD(P)H oxidase hoặc xanthin oxidase hoặc hệ thống vận

chuyển điện tử trong ti thê T¡ thể là nơi sinh ra Oa—, chính trong tế bảo do quá trình oxy- phosphoryl hóa tổng hợp ATP tại đây Bình thường, các electron được vận chuyển qua chuỗi vận chuyên điện tử để khử oxy thành nước, nhưng khoảng 1-3% lượng electron này

rò rỉ khỏi hệ thống và tạo nên O;- NAD(P)H oxidase được tìm thấy trong tế bào bạch

cầu đa nhân, bạch cầu đơn nhân và đại thực bào Tại đây, nhờ khả năng xúc tác hình

thành O;-, chúng giúp tiêu diệt vi khuẩn thông qua quá trình thực bào Các enzym khác trong tế bào bạch cầu đa nhân như eosinophil peroxidase, myeloperoxidase (MPO), khi

co mat cua Cl, H2O2 duoc chuyén thành HOC1 (hypochlorous), 1a dang co tinh oxy hoa

rất mạnh giúp tiêu diệt tác nhân gây bệnh Tuy nhiên HOCI cũng có thể phản ứng với DNA, làm tăng tương tác giữa DNA và protein, tạo thành các sản phẩm oxy hóa pyrimidin và gắn gốc Cl vao cac géc base nito cla DNA Nhu vay 2 enzym eosinophil peroxidase va MPO tham gia vào quá trình rối loạn biến đối protein nhờ halogen hóa, nitrogen hóa hoặc tạo cầu nối protein qua gốc tự do [3]

b Hydrogen peroxid (H202)

Trong cơ thể, nhiều quá trình hoạt động sinh lý sinh ra các phân tử hoạt động, đặc biệt HaO, là phân tử phổ biến nhất được sinh ra trong tế bào Trong bảng 3 liệt kê các enzym trong cơ thê sinh ra H;O; và hệ thống khử H;O

9 H2O2 khong tich dién, dé dang di qua màng tế bào, giữ nguyên tính hoạt động trong khoảng cách di chuyển nhất định mà không có loại RS nào khác có được HO;

được tạo thành bởi enzym xanthin oxidase, amino acid oxidase, NAD(P)H oxidase va

trong peroxisom khi sử dụng oxy Trong phản ứng tiếp nối Haber-Weiss va Fenton, H2O2

có thể phân huỷ thành OH- khi có mặt của Fe?*, hoặc Cu?!

Fe?” + 'O¿ —› Fe?! + O2

Fe? + HạO; —› Fe3' + OH- + OH

HO; còn có thê được tạo thành từ Oa— nhờ xúc tác của enzym SODs (superoxid dismutase)

Các enzym sinh HO; sinh lý và enzym phân huý H›Oz trong tế bào được liệt kê

tùy điều kiện vị trí và sinh lý nhất định [3]

c Góc hydroxyl (OH)

Oz- có thể tự phản ứng với HO; tạo thành OH: Gốc tự do OH: là phân tử hoạt

động mạnh nhất trong ROS va có thê gây tốn thương protein, lipid, carbohydrat và DNA Chúng có thê bắt đầu quá trình oxy hóa lipid bằng cách lẫy một electron từ các acid béo

không bão hòa nhiều liên kết đôi

Các loại gốc tự do khac nhu peroxyl (ROO’), trong d6 dạng đơn giản nhất là hydro-peroxy (HOO)) và có vai trò quan trọng trong quá trình peroxy hóa lipid Các gốc

tự đo có thê kích hoạt chuỗi peroxy hóa lipid bằng cách lẫy đi một nguyên tử hydrogen từ các nhánh methyl Phân tử lipid bị mất hydro này sẽ phản ứng với oxy tạo thành peroxid, peroxid tiếp tục chuỗi phản ứng biến đôi các acid béo không no nhiều liên kết đôi thành cac lipid hydroperoxid Lipid hydroperoxid khéng bén dé dang bién đổi thành dang

arachidonic khi bị peroxy hóa tạo ra sản phẩm isoprostan có thể thấy tăng lên trong huyết tương và hơi thở của bệnh nhân hen Peroxy hóa lipid làm mất tính toàn vẹn của màng và sắp xếp lại cầu trúc màng

Tất cả hydrogen peroxid, superoxid, oxidized glutathion (GSSG), MDAs,

isoprostan, carbonyl, and nitro-tyrosin đều có thé định lượng trong máu, dịch sinh vật

như dấu hiệu về quá trình OS [3]

10

d Oxy đơn bội !O2

cặp chuyên trạng thái lên mức năng lượng cao hơn khi nhận bước sóng ảnh sáng phủ Oxy đơn bội !O¿ (singlet oxygen) là trạng thái oxy bị kích thích, một điện tử kết hợp

Do đó, !O; không chứa điện tử không kết cặp như các dạng gốc tự do khác nên không thé phát hiện bằng phương pháp phát hiện gốc tự do thông thường mà phát hiện thông qua bước sóng chúng phát ra sau khi hấp thụ năng lượng

Oxy đơn bội có thê được hình thành theo 2 con đường nội sinh và ngoại sinh (ảnh sáng) Con đường chính sinh oxy đơn bội là con đường ngoại sinh thông qua các phân tử nhạy cảm ánh sáng trong cơ thê, các phân tử này dễ hấp thụ photon ánh sáng chuyên môi trường Ví dụ: flavin, porphyrin, cytochrom, 4-thiouridin hoặc các thuốc hoặc thành dạng tam bội (triplet state) và truyền năng lượng cho phân tử oxy có sẵn trong chất phát quang sử dụng trong chân đoán hoặc điều trị phố biến như tetracyclin, tạo thành 1O; tăng lên khi có chuyên hóa chất ngoại sinh xenobiotic kích thích tình trạng chlorpromazin,

merbromin, thiazid, proralen, chlorin, xanh methylen, héng bengal Str oxy hda 'O2

được sinh ra theo con đường nội sinh nhờ các enzym xúc tác nhan dioxygenase, lactoperoxidase, myeloperoxydase, cytochrom, tryptophan pyrrolase va lipoxygenase trực tiếp từ vị trí trung tâm hoạt động của enzym hoặc gián tiếp từ các gốc oxy hóa không bền khác Ví dụ: oxy đơn bội sinh ra trong quá trình chuyên hóa acid arachidonic nhờ xúc

cyclooxygenase (COX), m6t enzym quan trọng trong tổng hợp prostaglandin; hoặc được sinh ra tir hydroperoxid (HOO’) nhờ cytochrom P450, hoặc từ các gốc peroxy hóa khác cua lipid thông qua cơ chế Russell 'O cũng được sinh ra trực tiếp ở bạch cầu đa nhân bị kích thích Tế bào bạch cầu đa nhân cũng là nguồn sản xuất 'O, nhiều nhất với chức năng tiêu diệt tác nhân ngoại lai xâm nhập như vi khuẩn, virus cùng các sản phẩm gây độc khác như superoxid, hydogen peroxid [3 |

1.3.2 Nguồn gốc ngoại sinh

Sự hình thành RS có thê bị kích thích bởi nhiều tác nhân như chất ô nhiễm, kim loại nặng, thuôc lá, khói thuôc, ma túy, xenobiotic hoặc bức xạ

11

- Thuốc lá: thuốc lá chứa chất gây oxy hóa, gốc tự do như superoxid và nifric oxid

Thêm vào đó, khói thuốc còn gây kích thích cơ chế nội sinh, như gây thu hút bạch cầu

trung tính và đại thực bào, từ đó gây tăng tôn thương do oxy hóa

- Ozon: khi phơi nhiễm ozon cũng gây nên hiện tượng peroxy hóa lipid và thu hút bạch cầu tới nơi tốn thương Phơi nhiễm thời gian ngắn có thể gây nên giải phóng chất trung gian gay viém nhu MPO, eosinophil cationic protein va LDH, albumin vao đường

hô hấp Kê cả trên cơ thể khoẻ mạnh, ozon cũng có thê gây nên suy hô hấp

- Thừa oxy cũng gây nên tình trạng tăng sinh các gốc tự do

- Tia xạ và ánh sáng mặt trời: ánh sáng mặt trời bao gồm tia UVA, UVB và cả ánh

sáng nhìn thấy cũng cho thấy có khả năng kích thích điện tử trong các phân tử thành phần cầu trúc của tế bào Nhiều nghiên cứu trên giác mạc và da cho thấy khi có mặt của O2, các tia sáng có thể kích thích các phần tử nhạy cảm như carbonyl dẫn đến hình thành RS

nhu hydroxyl, superoxid, và các sốc tự do hữu cơ chuyển thành dạng Hạo, và ốc ROOH

Trong đó đặc biệt là hình thành oxy dạng kích thích hay oxy đơn bội O là dạng tồn tại rất

dễ phản ứng gây tôn thương cấu trúc tế bào Oxy đơn bội được cho là liên quan đến việc biến đôi DNA tỉ thể trong quá trình lão hóa do ánh sáng

- Kim loại nặng: lon kim loại nặng như sắt, đồng, cadimi, mercury, nickel, chi,

asen, có thể thúc đây quá trình sinh gốc tự đo, gây tôn thương tế bào do giảm hoạt độ enzym thông qua quá trình peroxid lipid và phản ứng với protein và DNA

- Một trong những cơ chế quan trọng của quá trình sinh gốc tự do đo kim loại nặng thông qua phản ứng Fenton [3]

1.4 Điều hoà cân bằng oxy hoá

1.4.2 Chất chống oxy hoá

12 Chất chống oxy hoá là những phân tử có trong tế bào, làm chậm hay ức chế tình trạng oxy hóa do các chất oxy hóa Chất chống oxy hoá được coi như chất phân hủy (scavenger) gốc tự do Cân bằng giữa chất chống oxy hóa và chất gây oxy hóa là cơ sở của stress oxy hóa Thiếu hụt chất chống oxy hóa sẽ dẫn tới stress oxy hóa, gây tốn thương hay tiêu hủy nhiều tế bào cơ thể Có thê phân các chất chống oxy hóa thành hai nhóm, chống oxy hóa dạng enzyme (enzyme chống oxy hóa) và chống oxy hóa không

enzym [1]

Enzym chong oxy héa Chat chong oxy hóa không enzym

Bang 1.2: Cac dang chat chong oxy hóa

Cơ chế bảo vệ của chất chống oxy hóa khá đa dạng: (1) Kìm hãm sự hình thành gốc tự do; (2) Phân hủy chất gây oxy hóa; (3) Chuyến gốc tự do độc thành chất ít độc hơn; (4) Ức chế sản sinh chất chuyển hóa gây độc thứ phát và chất trung gian gây viêm; (5) Kìm hãm phát sinh oxy hóa thứ phát; (6) Sửa chữa các phân tử bị tổn thương oxy hóa; (7) Khởi động và kích thích hệ thống bảo vệ chất chống oxy hóa nội sinh Như vậy, chất

chống oxy hóa có vai trò kìm hãm gốc tự do, ức chế hình thành các chất có oxy hoạt

động (ROS), duy trì nội môi oxy hóa khử, và sửa chữa cơ chế phá hủy phân tử sinh học

13

do ROS gây ra Chất chống oxy hóa còn kiểm soát các yếu tố sao mã di truyền ở nhân, như NrfØ2, AP-1, NFxB, p53, NFAT Bằng tất cả những cơ chế trên chất chống oxy hóa bảo vệ cơ thê khỏi stress oxy hóa

Điều hòa cân bằng oxy hóa giúp điều khiến (kích thích hoặc dập tắt) tín hiệu oxy

hóa và điều chỉnh hoặc tích hợp hoạt động của các hệ thống (cảm ứng trạng thái oxy hóa khử) Các yếu tố điều hòa chính rất nhạy cảm với tình trạng oxy hóa như NifØ2 / Keapl, NF-kB có vai trò trung tâm kiểm soát cân bằng nội môi trạng thái oxy hóa, vì vậy chúng

có phạm vi chức năng sinh học rất rộng, ảnh hưởng đến nhiều con đường tín hiệu trong tế

bào

Nrf2 (Nuclear factor-E2-related factor 2) là yếu tố phiên mã kích thích biểu hiện toàn bộ hệ thống các enzym chống oxy hóa và khử độc Keapl (Kelch-like ECH- associated protein 1) thúc đây Nrf2 bị thoái hóa và phân hủy nhanh chóng, ngăn chặn hoạt động phiên mã của Nrf2 trong các điều kiện không bị OS Khi OS xảy ra hoặc tăng sinh phần tử hoạt động, các gốc cysteinyl của Keapl bị biến đổi lam mat kha nang gan ubiquitin vào Nrf2, cho phép Nrf2 tích tụ trong nhân giúp tăng sự biểu hiện của các gen đích Hệ thống phản ứng đáp ứng tình trạng oxy hóa của Nrf2 đã được nghiên cứu rộng rãi về cơ chế phân tử và có ý nghĩa sinh học to lớn Kích hoạt hệ thống Nrf2/Keapl có tác dụng bảo vệ, nhưng kích hoạt quá mức có thể phản tác dụng, ví dụ như tình trạng kháng

lại hóa trị liệu trong điều trị ung thư Ngoài ra, selenoprotein thioredoxin reductase 1

(TrxR1) cùng với các yếu tố gắn ubiquitin như p62 và TRIM21 cũng tham gia điều hòa tác dụng của NiØ2 Việc ngăn cản di chuyên Nef2 vào trong nhân do đột ngột biến lamin

A, progerin, dẫn đến suy giảm tín hiệu Nrf2 gây stress oxy hóa mạn tính gây ra tình trạng lão hóa sớm

Nuclear factor kB (NF-kB) là một yếu tố phiên mã kích hoạt sự biểu hiện của các gen liên quan đến các phản ứng viêm, miễn dịch và phản ứng cấp tính nói chung hay nói cách khác giúp tăng OS để chống lại tác nhân ngoại lai bảo vệ cơ thể Quá trình oxy hóa

bởi H2O2 làm hoạt hóa và giải phóng tiểu đơn vị ức chế của NF-kB (IkB) Giống như

NrfØ2, các tiêu đơn vị gắn DNA của NF-kB chứa các gốc cysteine nhạy cảm với tình trạng oxy hóa và bị ức chế khi bị oxy hóa NF-kB được hoạt hóa bởi Trx1 (thioredoxin-1) và bi

ức chế bởi sự gia tăng H2O, ở hạt nhân Thioredoxin reductase TR và glutathion

reductase GR duy trì sự ôn định của phức hợp NF-kB/IkB và Nrf2/Keap1 H2O, dẫn đến