Những cập nhật mới về gốc tự do và hệ thống chống oxy hóa trong cơ thể

Gốc tự do được định nghĩa là các gốc hóa học có chứa một hoặc nhiều electron không bắt cặp trong nguyên tử hay trong các orbital của phân tử. Sơ đồ cấu tạo của phân tử oxygen cho thấy bản thân nó cũng chính là một gốc oxy hóa, bởi vì oxygen sở hữu 2 electron không bắt cặp.

Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số * 2016 Tổng Quan NHỮNG CẬP NHẬT MỚI VỀ GỐC TỰ DO VÀ HỆ THỐNG CHỐNG OXY HÓA TRONG CƠ THỂ Lê Quốc Tuấn*, Nguyễn Thị Hiệp**, Nguyễn Thị Lệ* MỞ ĐẦU Gốc tự định nghĩa gốc hóa học có chứa nhiều electron không bắt cặp nguyên tử hay orbital phân tử Sơ đồ cấu tạo phân tử oxygen cho thấy thân gốc oxy hóa, oxygen sở hữu electron khơng bắt cặp Sự hình thành gốc có nguồn gốc oxy (hay gốc oxy phản ứng: reactive oxygen species) chế: phản ứng chuyển điện tử (electrontransfer reaction), phản ứng chuyển lượng (electron-transfer reaction) Cả nhóm phản ứng có vai trò quan trọng mơi trường sinh học, tạo thành típ khác trình tổn thương ngộ độc tế bào - Phản ứng chuyển điện tử: tạo gốc anion superoxide, gốc hydrogen peroxide, gốc hydroxyl, gốc peroxyl alkoxyl lipid - Phản ứng chuyển lượng: tạo gốc oxy đơn (singlet oxygen), phức hợp ba carbonyl (riplet carbonyl compound) SỰ TẠO THÀNH CÁC GỐC OXY PHẢN ỨNG TRONG TẾ BÀO Trong tế bào, có nguồn anion superoxide hydrogen peroxide, gốc hydroxyl tạo thành từ superoxide hydrogen peroxide(1,2) Nguồn gốc anion superoxide Những phản ứng quan trọng tế bào tạo thành superoxide(1): Phản ứng enzyme: xanthine oxidase, NADH oxidase, NADPH-cytochrome P450 reductase Nguồn gốc tế bào: bạch cầu đại thực bào, chuỗi truyền điện tử ti thể, microsomal monooxygenase Các yếu tố môi trường: tia cực tím, X-quang, hóa chất độc hại, hydroxyl-amine thơm, hợp chất nitro thơm, thuốc trừ sâu (như paraquat), hóa trị liệu Ti thể nguồn gốc gốc oxy phản ứng: Ti thể tiêu thụ oxygen kết hợp với q trình phosphoryl hóa oxy hóa Ở điều kiện bình thường, gần 95-97% oxygen khử thành nước, phần nhỏ oxy tiêu thụ (3-5%) dùng để khử anion superoxide Ubiquinone hay Coenzym Q chất vận chuyển electron chuỗi hô hấp nội bào Coenzym Q diện khoảng gian màng chất ti thể Ubiquinone hay Coenzym Q khử phức hợp I phức hợp II, sau chuyển electron sang phức hợp III Trong q trình oxy hóa khử, ubiquinone tồn dạng: quione (dạng oxy hóa hồn tồn), semiquinone (gốc tự do), hydroquinone (khử hồn tồn): hình bên Sự rò rỉ electron (electron leakage), chiếm khoảng 3-5% lượng oxy tiêu thụ ti thể, kết hợp với tạo thành gốc oxy phản ứng: Ubisemiquinone truyền điện tử sang cho phân tử oxygen tạo thành anion superoxide ubiquinone Phản ứng gọi tự oxy hóa ubisemiquinone Phản ứng tự oxy hóa ubisemiquinone nguồn anion superoxide ti thể Do ubiquinone tồn khoảng gian màng chất ti thể, anion superoxide giải phóng vào khoang Anion superoxide giải phóng vào khoang gian màng ti thể xun qua màng ngồi ti thể vào tế bào chất thông qua kênh ion phụ thuộc điện (VDAC: voltage – dependent anion channel) ** * Bộ môn Sinh lý học,Đại Học Y Dược TP HCM Đại Học Quốc Tế - Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc: ThS Lê Quốc Tuấn ĐT: 01696929792 Email: tuan_lqc@yahoo.com Chuyên Đề Nội Khoa 1 Tổng Quan Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số * 2016 Nguồn gốc hydrogen peroxide Hydrogen peroxide (H2O2) tạo tế bào từ hai q trình khác nhau: khơng tạo gốc tự (nonradical or enzymic generation), có tạo gốc tự (radical generation or superoxide anion disproportionation)(1) Không tạo gốc tự (Nonradical or enzymic generation): Các enzym sau sinh hydrogen peroxide (H2O2) khử đồng chất chúng (phân tử oxy): glycolate oxidase, D-amino acid oxidase, urate oxidase, acetyl-CoA oxidase, NADH oxidase, monoamine oxidase Các enzyme monoamine oxidase (MAO) hoạt động hai dạng A B, xúc tác khử amin oxy hóa amin sinh học Chúng diện màng ti thể Có tạo gốc tự (Radical generation or from superoxide anion dispropor-tionation): Điều xảy chuyển đổi gốc superoxide theo phản ứng đề cập: Ti thể nguồn cung cấp nhiều gốc oxy phản ứng tế bào Anion superoxide tạo từ tự oxy hóa ubisemiquinone, phát tán vào khoảng gian màng chất ti thể Trong chất ti thể, superoxide chuyển thành hydrogen peroxide Hydrogen peroxide khuếch tán tự qua màng tế bào Do đó, ti thể có hai nguồn H2O2: thứ nhất, từsự chuyển đổi anion superoxide màng ti thể, và, thứ hai, từ khử amin oxy hóa amin sinh học (do hoạt động MAO monoamine oxidase gắn màng ti thể) H2O2 tạo từ ti thể có liên quan đến điều hòa oxy hóa khử đường tín hiệu nội bào Nồng độ ổn định H2O2 định trạng thái oxy hóa khử tế bào, trình chuyển đổi từ tang trưởng sang chết theo chương trình hoại tử Nguồn gốc hydroxyl Hầu hết gốc hydroxyl (HO.) tạo invivo, ngoại trừ tiếp xúc nhiều với xạ ion hóa(3) Gốc hydroxyl có nguồn gốc từ phân hủy hydrogen peroxide (H2O2) thông qua phản ứngFenton Phản ứng Fenton đòi hỏi phải có khử (phụ thuộc kim loại) hydrogen peroxide (H2O2) tạo thành gốc hydroxyl (HO.) Các kim loại chuyển tiếp như: đồng (Cu), sắt (Fe), coban (Co), trạng thái khử chất xúc tác cho phản ứng Sự khử kim loại chuyển tiếp thực anion superoxide (O2.-) Phản ứng tổng quát liên quan đến trình khử sắt anion superoxide (O2-.), q trình oxy hóa sắt hydrogen peroxide (H2O2), sau: (O2.+ H2O2 → O2 + HO-+ HO.), gọi phản ứng Haber-Weiss Phản ứng xảy với tốc độ chậm Phản ứng Fenton chiếm ưu mơi trường sinh học Điều cần lưu ý khơng có tạo thành trực tiếp gốc hydroxyl tế bào, mà ln ln u cầu có mặt gốc superoxide hydrogen peroxide Nguồn gốc oxy đơn (singlet oxygen) Oxy đơn (singlet oxygen) gốc oxy phản ứng, không tạo thành từ chuyển lượng (như đề cập bên trên), mà từ phản ứng chuyển điện tử(4) Phản ứng chuyển điện tử: Enzym myeloperoxidase bạch cầu đa nhân trung tính xúc tác tạo thành hypochlorite từ Cl– H2O2 Phản ứng sau H2O2 với HOCl tạo thành oxy đơn (1O2: singlet oxygen) Phản ứng chuyển lượng: Đây đường khác tạo thành oxy đơn, bao gồm nhạy cảm hóa photon nhiều tác nhân hóa trị liệu khác Tác nhân hóa trị liệu (chemotherapeuticagent, hay chất cảm ứng sensitizer = S) hấp thu lượng tia xạ, chuyển lượng đến phân tử oxygen để tạo thành oxy đơn Như đề cập, oxy đơn gốc phản ứng với nhiều phân tử như: vitamin E, vitamin C, DNA, cholesterol, carotenoids, acid béo không no màng, số acid amin Chuyên Đề Nội Khoa Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số * 2016 STRESS OXY HÓA – CÁC CHẤT OXY HÓA GÂY TỔN THƯƠNG TẾ BÀO Do phổ hoạt động rộng cũa chất oxy hóa, tạo thành tế bào, hệ vi tuần hồn (ví dụ: gây nên neutrophil), rõ rang khơng có hợp chất thể khơng chịu tác động gốc tự Có thể xem anion superoxide hydrogen peroxide có tính phản ứng yếu so với gốc hydroxyl oxy đơn (singlet oxygen) Tuy nhiên, trường hợp cụ thể, gốc tham gia phản ứng hóa học đưa đến tổn thương nhiều phân tử sinh học khác nhau(5) Sự peroxy hóa lipid Màng sinh học bào quan tế bào nhạy cảm với cơng gốc oxy hóa, diện acid béo không no (PUFA: polyunsaturated fatty acids) màng phospholipid chúng Quá trình peroxy hóa lipid bao gồm giai đoạn: khởi đầu, kéo dài, kết thúc(5,6) - Giai đoạn khởi đầu (initation): Q trình peroxy hóa màng sinh học khởi đầu tương tác gốc oxy hóa có tính phản ứng mạnh (như gốc hydroxyl), với acid béo (RH) tạo thành gốc tự alkyl béo - Giai đoạn kéo dài (propagation): Gốc tự alkyl béo (R.) phản ứng nhanh với phân tử oxygen tạo thành gốc peroxyl béo (ROO.: fatty peroxyl radical) Gốc có khả oxy hóa mạnh, cơng vào acid béo khơng bão hòa lân cận màng (RH) tạo thành gốc hydroperoxide gốc tự alkyl béo (R.) Theo cách này, chu kỳ tự xúc tác từ chuỗi phản ứng khởi đầu kéo dài chuỗi gốc tự chấm dứt - Giai đoạn kết thúc (termination): Chuỗi phản ứng tự xúc tác kết thúc va chạm gốc tự do, tạo thành sản phẩm gốc tự Phản ứng kết thúc xảy tùy thuộc vào nồng độ oxy nội bào Sự giảm oxy màng sinh học lipoprotein dẫn đến khởi đầu chuỗi phản ứng phức tạp, tạo Chuyên Đề Nội Khoa Tổng Quan thành sản phẩm phản ứng, oxy hóa khơng ổn định, hay sản phẩm độc hại có đời sống kéo dài; hoạt hóa chất trung gian gây viêm Các gốc tự công acid béo không no màng hay lipoprotein kèm với thay đổi đưa đến rối loạn chức tế bào gây chết tế bào Sự oxy hóa DNA Gốc hydroxyl gốc tự độc biệt: kết hợp tính chất ưa điện, sinh nhiệt cao, phản ứng xảy vùng lân cận DNA (cơ chế vị trí đặc hiệu) Hydroxyl chuyển hydrogen nguyên tử từ đường vòng xoắn DNA vào base DNA dẫn đến bẻ gãy sợi đơn oxy hóa nucleobase (8-hydroxydesoxy-guanosine) DNA phân tử nhạy cảm với thay đổi, đưa đến đột biến Ví dụ, bae DNA bị thay đổi tác động gốc tự hóa chất mơi trường Gốc hydroxyl làm trung gian trình gây tổn thương phân tử đường (deoxyribose) phần chế C’4, đưa đến phá vỡ sợi DNA(3) Như vậy, gốc oxy phản ứng gây tổn thương DNA nhiều mức độ khác nhau: gốc hydroxyl thông qua phản ứng phụ gây thay đổi base chuỗi đơn (ví dụ: tạo thành 8Hydroxydeoxyguanosine), hay thông qua phản ưng chuyển hydrogen nguyên tử làm liên tục chuỗi đơn (ssDNA nick: single strand DNA nick), phá vỡ sợi đôi DNA (dsDNA break: double strand DNA break) Sau chép, liên tục chuỗi đơn gây phá vỡ cấu trúc sợi đơi DNA HỆ THỐNG CHỐNG OXY HĨA TRONG CƠ THỂ Các tế bào động vật khả tự chống lại tác động gốc oxy hóa, chúng có hệ thống chế bảo vệ để ngăn chặn, hạn chế, sửa chữa tổn thương oxy hóa(4) Các tế bào hổ trợ từ enzym đặc hiệu chống lại cơng gốc oxy hóa, xem hệ thống chống oxy hóa phòng ngừa (preventive antioxidants) Tổng Quan Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số * 2016 Ngồi ra, tế bào hữu phân tử chống oxy hóa nhỏ, phản ứng với hàng loạt gốc tự do, biết chất chống oxy hóa phá vỡ chuỗi (chain-breaking antioxidants) cao hầu hết tế bào động vật có vú Trong phản ứng này, hydrogen peroxidase bị khử thành nước, glutathione (GSH) bị oxy hóa thành glutathione disulfide (GSSG) Hệ thống enzym chống oxy hóa (preventive antioxidants) Như vậy, tế bào có enzyme đặc hiệu để chống lại gốc anion superoxide, hydrogen peroxide, thiếu hoàn toàn hệ thống loại bỏ gốc hydroxyl (HO) Nhưng hình thành gốc hydroxyl đòi hỏi phải có gốc superoxide, hydrogen peroxide Do đó, enzyme SOD, catalase/glutathione peroxide gián tiếp ngăn chặn việc hình thành gốc hydroxyl Các tế bào động vật có vú sở hữu hệ thống enzym đặc hiệu, giúp loại bỏ anion superoxide hydrogen peroxide (là tiền chất gốc oxy hóa mạnh hydroxyl) - Sự loại bỏ anion superoxide: Superoxide dismuatases Các gốc anion superoxide tế bào tạo thành từ nhiều phản ứng enzym không enzym khác Enzym superoxide dismutases (SOD: superoxide dismutases), xúc tác chuyển đổi nhanh gốc superoxide thành hydrogen peroxide oxy phân tử Tốc độ phản ứng có enzym xúc tác gấp 1000 lần phản ứng tự phát khơng có enzyme(6) Tất enzym SOD (superoxide dismutase) metalloprotein chứa Cu, Zn, Mn Có típ SOD người: Cu, Zn-superoxide dismutase tế bào chất Mn-superoxide dismutase chất ti thể Cu, Zn-superoxide dismutase khoảng gian màng ti thể Cu, Zn-superoxide dismutase khoảng ngoại bào - Sự loại bỏ hydrogen peroxide: Catalase Glutathione Peroxidase Sản phẩm phản ứng xúc tác enzym SOD gốc hydrogen peroxide (H2O2) Tuy tính phản ứng superoxide, gốc hydrogen peroxide gốc oxy hóa, tiền thân gốc hydroxyl (HO) qua phản ứng Fenton Tế bào khử gốc hydrogen peroxide thành nước nhờ enzym catalase glutathione peroxide(4) Glutathione peroxide enzym hoạt động tế bào chất chất ti thể, đòi hỏi cần có mặt glutathione – tripeptide có nồng độ Các phân tử chống oxy hóa khơng đặc hiệu Ngăn chặn sửa chữa tổn thương gây nên gốc oxy phản ứng mạnh, hydroxyl (HO.) nhiệm vụ quan trọng tế bào Vì vậy, tế bào bao gồm hệ thống thứ hai, gọi phân tử chống oxy hóa nhỏ (small antioxidant molecule) như: vitamin E, vitamin C, ubiquinone (hay Coenzym Q), carotenoid Một số nhóm xem chất chống oxy hóa phá vỡ chuỗi (chain-breaking antioxidants) chúng có hiệu làm gián đoạn phản ứng giai đoạn kéo dài trình gây tổn thương tế bào (xem lại peroxide hóa lipid trên) - Vitamin E hay tocopherol: Vitamin E tự nhiên hỗn hợp tocopherols (α, β, γ) tocotrienols (α, β, γ) Đây vitamin tan mỡ, tập trung chủ yếu vùng bên màng tế bào protein huyết Vitamin D chất chống oxy hóa tan mỡ chủ yếu huyết tương người Vitamin E phản ứng đáng kể với loạt gốc tự do, gốc peroxyl lipid hình thành q trình peroxy hóa lipid Trong phản ứng (tương tự chế chống oxy hóa khác), dạng gốc tự vitamin E hình thành Gốc tự mới, (gốc α-tocopheroxyl), có tính phản ứng thấp so với gốc tự ban đầu Như vậy, kết phản ứng hướng tới việc tạo thành gốc có đặc tính oxy hóa hơn, giảm gây nguy hại cho tế bào Chuyên Đề Nội Khoa Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số * 2016 - Vitamin C: Vitamin C hay acid ascorbic (AH) vitamin tan nước, phản ứng với gốc tự (như hydroxyl) tạo thành acid semidehydroascorbic hay gốc ascorbyl (A.–) Nhiều lồi động vật chứa enzym có khả khử gốc ascorbyl hay acid semidehydroascorbic thành lại acid ascorbic: dehydroascorbate reductase, NADHsemidehydroascorbate reductase Các enzyme dehydroascorbate reductase khử gốc ascorbyl thành acid ascorbic, oxy hóa GSH thành GSSG Enzym thứ hai, NADHsemidehydroascorbate reductase, khử gốc ascorbyl thành acid ascorbic, oxy hóa NADH thành NAD+ Như vậy, phản ứng chuyển đổi gốc oxy hóa vitamin C hay acid ascorbic tạo thành sản phẩm gốc tự (nước), gốc có nguồn gốc từ chất chống oxy hóa (gốc ascorbyl) Gốc ascorbyl chuyển ngược lại thành vitamin C nhờ hoạt động enzyme GSH-dependent dehydroascorbate reductase - Ubiquinone hay Coenzyme Q: Coenzym Q hay Ubiquinone-10 thành phần oxy hóa khử có mặt màng tế bào tất lồi động vật có vú Tại màng ti thể, ubiquinone đóng vai trò thành phần dẫn truyền điện tử từ phức hợp I II sang phức hợp III chuỗi hô hấp nội bào Tại màng ngồi ti thể, ubiquinone có chức chất chống oxy hóa, dạng khử (ubiquinol) bảo vệ acid béo không no không bị tổn thương peroxy hóa Giống quinone khác, ubiquinone có đặc tính hóa học đặc trưng nhưkhả vận chuyển điện tử đảo nghịch với trung gian gốc semiquinone Sự diện nhóm thay isoprenoids (R) ubiquinone cản trở công nhân lên cầu nối đôi(5) Khi ubiquinone phản ứng với gốc tự do, tạo thành gốc Trên màng ti thể, phần lớn ubiquinone trạng thái khử Vậy chế để trì điều này? Enzym NADPH-ubiquinone reductase Chuyên Đề Nội Khoa Tổng Quan tế bào chất gan chế trì ubiquinone dạng ubiquinol (trạng thái khử) màng ti thể Do đó, sau phản ứng ubiquinol gốc peroxyl lipid gốc tạo thành từ vitamin E, gốc tạo từ ubiquinol (ubiquinone) phục hồi lại thành dạng ubiquinol nhờ hoạt động enzyme liên kết flavin (FPH2), NADPH-ubiquinone reductase - Hoạt động hiệp đồng vitamin E vitamin C: Vitamine E vitamin tan lipid, chất chống oxy hóa (nhóm chất chống oxy hóa phá vỡ chuỗi, phản ứng với gốc peroxyl tạo thành q trình peroxy hóa lipid) Vitamine E có mặt màng tế bào Phản ứng vitamin E với gốc tự peroxyl lipid màng tế bào tạo thành gốc có nguồn gốc vitamin E tương ứng (antioxidant-derived radical), gốc tocopheroxyl Vitamin C vitamin tan nước, chất chống oxy hóa phản ứng với nhiều gốc tự Gốc có nguồn gốc từ vitamin C, hay gốc ascorbyl, tạo thành phục hồi thành dạng vitamin C trở lại nhờ enzyme dehydroascorbate reductase Vitamin C có mặt tế bào chất Các đặc tính khác vitamin C E cung cấp chế chống oxy hóa hiệp đồng, theo gốc tự chuyển từ pha lipid (màng tế bào) sang pha tế bào chất(4,5) KẾT LUẬN Sự oxy hóa phản ứng hóa học electron chuyển từ chất sang chất khác, sinh gốc tự làm phá hủy tế bào Chất chống oxy hóa giúp ngăn chặn làm chậm q trình oxy hóa chất diễn tế bào, khử gốc tự cách tự oxy hóa chúng Cơ thể có hệ thống chống oxy hóa phong phú, điển glutathione, vitamin C, vitamin E, enzyme catalase, superoxide dismutase … giúp bảo vệ tế bào trước sản sinh liên tục gốc tự Tổng Quan Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số * 2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO Afanas'ev I (2010) Signaling and Damaging Functions of Free Radicals in Aging-Free Radical Theory, Hormesis, and TOR Aging And Disease 1(2) 75-88 Brink TC, Demetrius L, Lehrach H, Adjaye J (2009) Agerelated transcriptional changes in gene expression in different organs of mice support the metabolic stability theory of aging Biogerontology 10(5) 549-64 Conte D, Narindrasorasak S, Sarkar B (1996) In vivo and in vitro iron-replaced zinc finger generates free radicals and causes DNA damage The Journal Of Biological Chemistry 1996;271(9) 5125-30 Miyazawa M, Ishii T, Yasuda K, Noda S, Onouchi H, Hartman PS, et al (2009) The role of mitochondrial superoxide anion (O2(-)) on physiological aging in C57BL/6J mice Journal Of Radiation Research 50(1) 73-83 Sasaki T, Unno K, Tahara S, Shimada A, Chiba Y, Hoshino M, et al (2008) Age-related increase of superoxide generation in the brains of mammals and birds Aging Cell 7(4) 459-69 Sohal R (2002) "Role of oxidative stress and protein oxidation in the aging process" Free Radic Biol Med 33 (1): 37–44 Ngày nhận báo: 24/11/2015 Ngày phản biện nhận xét báo: 30/11/2015 Ngày báo đăng: 15/02/2016 Chuyên Đề Nội Khoa ... chất chống oxy hóa tan mỡ chủ yếu huyết tương người Vitamin E phản ứng đáng kể với loạt gốc tự do, gốc peroxyl lipid hình thành q trình peroxy hóa lipid Trong phản ứng (tương tự chế chống oxy hóa. .. double strand DNA break) Sau chép, liên tục chuỗi đơn gây phá vỡ cấu trúc sợi đơi DNA HỆ THỐNG CHỐNG OXY HĨA TRONG CƠ THỂ Các tế bào động vật khả tự chống lại tác động gốc oxy hóa, chúng có hệ. .. Chất chống oxy hóa giúp ngăn chặn làm chậm q trình oxy hóa chất diễn tế bào, khử gốc tự cách tự oxy hóa chúng Cơ thể có hệ thống chống oxy hóa phong phú, điển glutathione, vitamin C, vitamin