Có rất nhiều chất có khả năng chống oxy hóa do chúng được các peroxid, oxy đơn bội, gốc tự do khác, hoặc dập tắt gốc tự do, hoặc ngăn chặn quá trình oxy hóa sinh học do một cơ chế gián tiếp nào khác. Chúng có thể có sẵn trong cơ thể hoặc được chế tạo làm thuốc. Người ta sắp xếp chúng theo ba nhóm chính là nhóm các chất polyphenol, nhóm các thiol và nhóm các phối tử của sắt (hay đồng). Ngoài ra còn có một số chất không thuộc nhóm này.
+ Nhóm các polyphenol
Thuộc nhóm này có vitamin A, vitamin E, coenzyme Q, vitamin C, bioflavonoid… chúng có một số tính chất sau:
Dạng khử của chúng có thể phản ứng với các gốc tự do, tạo dạng oxy hóa (quinon)
Dạng oxy hóa của chúng có thể chuyển thành dạng lưỡng gốc và như vậy chúng có thể phản ứng với hai gốc tự do nữa. Tuy nhiên, sự chuyển dạng theo khuynh hướng này yếu.
Đặc biệt là dạng oxy hóa và dạng khử có thể phản ứng với nhau một cách thuận nghịch, tạo gốc semequinon. Tuy có cùng tác dụng chống oxy hóa song các polyphenol có những tính chất lý học và hóa học khác nhau, nên tính chất sinh học của chúng cũng rất khác nhau. Dưới dây là một số chất quan trọng nhất.
Vitamin E: Là chất chống oxy hóa hòa tan trong lipid và phân phối rộng khắp trong tế bào, được coi như chất bảo vệ của các màng sinh học vì nó ngăn cản quá trình oxy hóa các axit béo chưa bão hòa của màng. Vì tính chất thân lipid nên vitamin E có thể liên kết mật thiết với phần hydrocarbon của các axit béo chưa bão hòa nhiều nối đôi và do đó tiếp cận gần vị trí của quá trình peroxi hóa, dập tắt những phản ứng chuỗi theo cơ chế sau:
L• (hay LOO.) + VE → LH (hay LOOH) + VE•
L• (hay LOO.) + VE → LH (hay LOOH) + TQ Trong đó, LH- axit béo chưa bão hòa nhiều nối đôi
VE- vitamin E
TQ- tocopherol quinon
Hình 1.4 trình bày cơ chế chống oxy hóa của vitamin E. Phản ứng trải qua hai bước đơn trị (univalent) kế tiếp nhau, bắt đầu bằng việc lấy đi một nguyên tử hydro từ nhóm 6-hydroxyl cho gốc tự do của axit béo, do đó làm mất điện tử không cấp đôi của nóvà vitamin E bị oxy hóa chính bản thân nó thành gốc tocopherol (gốc chromanoxyl hay benzyly). Gốc này không bền vững sẽ sắp xếp lại và hydrat hóa để bẻ gãy dị vòng, tạo nên tocopherol quinon – sản phẩm oxy hóa chính của vitamin E. Vitamin E chỉ phát huy tác dụng khi cơ thể đủ selen. Selen có tác dụng hoạt hóa vitamin E. Hoạt tính chống oxy hóa của vitamin E có liên quan mật thiết đến những chất chống oxy hóa khác như glutathion, vitamin C.... Vitamin E được coi như là chất chống oxy hóa hòa tan trong lipid chính ở huyết tương và hồng cầu người trưởng thành.
Tóm lại, vitamin E đóng vai trò như yếu tố tận cùng chuỗi, làm đứt đoạn phản ứng lan truyền trong phân tử và các phân tử xung quanh, rồi chuyển dưới dạng nhiệt năng, để phân tử này trở về trạng thái bền bình thường.
Hình 1.4. Chức năng chống oxy hóa của vitamin E
Vitamin C: một trong những tác dụng chống oxy hóa của vitamin C là đưa vitamin E từ dạng oxy hóa về dạng khử
Vit E (ox) + Vit C (kh) → Vit E (kh) + Vit C (ox)
Hằng số tốc độ phản ứng này khá lớn K = 1,55.106 M-1giây-1. Cơ chế này phù hợp với thực tế là ít thấy sự thiếu hụt vitamin E ở người.
Vitamin C còn có những tính chất chống oxy hóa khác ở môi trường nước như loại hydrogen-peroxid. Nhưng tính chất này chỉ thể hiện nếu không có mặt ion sắt hoặc ion sắt đã được chelat hóa hoàn toàn. Nếu có mặt ion sắt (uống thuốc sắt liều cao, vỡ hồng cầu, hay tổn thương cơ) thì vitamin C có tính thân oxy hóa mạnh. Do đó trong thực nghiệm, người ta dùng hỗn hợp ion sắt và vitamin C làm nguồn sinh gốc tự do.
+ Nhóm các thyol
Do tính khử mạng nên chúng có thể cùng vitamin C chuyển vitamin E từ dạng oxy hóa sang dạng khửnhằm phục hồi chức năng dập tắt mạch peroxi hóa lipid của vitamin E.
Hình 1.5. Vai trò của các chất kháng oxy hoá (vitamin E và vitamin C) trong việc phòng chống sự hư hại oxy hoá của các hệ thống sinh học
Vitamin C hoà tan trong nước có mặt ở trong tế bào chất và trong huyết tương máu ở ngoài tế bào, vitamin C có tác dụng chủ yếu là trói chặt và thu lượm các gốc vốn tồn tại ở trong pha nước. Mặt khác, vitamin E ở trong lipit của màng sinh học của tế bào và trong lipoprotein huyết tương, vitamin E ức chế sự hình thành và phát triển của chuỗi oxi hoá gốc lipit. Trong lúc các gốc vốn được “trói buộc” và thu lượm bởi vitamin E sẽ thành các gốc của vitamin E thì vitamin C có thể trói buộc, thu lượm và làm tái sinh các gốc này của vitamin E. Kết quả vitamin C sẽ chuyển thành các gốc, các gốc này hoặc sẽ được tái sinh bởi một enzym khử hoặc được chuyển hoá thành vitamin C và dehydroascosbic axit bởi phản ứng dị ly (dismutation).
Vitamin C: thu lượm và trói chặt các gốc hoà tan trong nước, tái tạo vitamin E
Flavonoid: thu lượm và trói chặt các gốc hoà tan trong nước, tạo phức càng cua với cac ion kim
Pha nước hoặc tướng nước Vitamin E: thu lượm và trói chặt các gốc tạo
thành mạch
Carotenoid: Đồ uống của oxigen đơn điệu Pha lipit hoặc tướng lipit
Các corotenoid đều là đồ uống của nguyên tử oxy đơn độc. Nó có hoạt tính mạnh gấp 200 lần so với vitamin E. Các thinyl kết hợp với nhau để tạo thành hợp chất disunfua hoặc trung hoà một gốc khác có tính oxi hoá, có thể kết hợp với O2để tạo gốc sunfoxyl cũng là một dạng oxi hoá hoạt động[6].
Các hợp chất thiol có khả năng trung hòa gốc tự do như gốc HO•, tạo gốc thiyl
RSH + •OH → R-S• + H2O
Gốc thiyl có thể kết hợp với chính nó để tạo thành hợp chất disulphua (RSSR) hoặc trung hòa một gốc khác. Tuy nhiên, gốc thiyl của một số hợp chất thiol khác có tính thân oxy hóa, do đó nó có thể kết hợp với oxy để tạo gốc sulfoxyl, cũng là một dạng oxy hóa hoạt động
RS• + O2 → RSO•2
Các hợp chất thyol thường gặp là:
Glutathion: Glutathion hay γ-glutamycysteinyl-glycin là một tripeptid được tổng hợp rộng rãi ở vi sinh vật, thực vật, động vật và người. Glutathion là thiol chính không phải là protein, có mặt ở hầu hết tế bào với nồng độ cao. Hoạt động của glutathion liên quan đến nhóm thiol và phần γ-glutamyl của nó: nhóm thiol gắn vào cysteinyl đảm bảo hoạt động hóa học của glutathion, phần γ-glutamyl giữ khả năng bền vững bên trong tế bào của glutathion bằng cách chống lại peptidase và bảo vệ nhóm thiol khỏi quá trình oxy hóa. Cơ chế hoạt động của glutathion được giả thiết liên quan đến phản ứng vận chuyển một nguyên tử H đến các gốc tự do, hình thành gốc GS•, gốc này liên kết với cùng một gốc khác tạo thành GSSG.
GSH + R• → GS• + RH
2GS• → GSSG
Ngoài ra khả năng phòng thủ của glutathion chống lại quá trình peroxi hóa lipid có liên quan đến các enzym như đã đề cập ở trên. Theo cơ chế này, glutathion khử những peroxid của axit béo chưa bão hòa thành những hợp chất hydroxy mang tính “ít độc” hơn và có thể chuyển hóa tiếp bởi quá trình β hóa.
Như vậy glutathion có tác dụng khử hoạt tính của các peroxid và các gốc tự do, do đó ức chế quá trình peroxi hóa lipid các màng tế bào trong cơ thể. Sự ức chế quá trình peroxi hóa lipid của glutathion còn phụ thuộc vào vitamin E, và glutathion cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc tái sinh vitamin E từ gốc tocopherol [2,25].
Hình 1.6. Những yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ glutathion trong tế bào
N-acetylcystein: Hợp chất này có tính chất chống oxy hóa, đồng thời lại có tác dụng tăng sinh tổng hợp glutathion trong tế bào.
Ion sắt và đồng (chủ yếu là sắt) xúc tác phản ứng Fenton, tạo nên hai dạng oxy hoạt động rất độc hại cho cơ thểlà gốc hydroxyl OH và oxy đơn bội
1O2.
O•2 + H2O2 → 1O2 + OH− + •OH
Transferin: Có trong huyết tương. Ở người khỏe mạnh, chỉ cần huy động 20-30% lượng transferin trong máu là có thể đủ để làm mất hoạt tính xúc tác của sắt trong máu.
Lactoferin: Có trong các dịch sữa, nước mắt, nước mũi, nước bọt…. Lactoferin làm mất hoạttính xúc tác của sắt trong các dịch trên.
Ceruloplasmin: Là một protein chứa đồng. Nó có khả năng tạo phức với đồng do đó làm mất hoạt tính xúc tác phản ứng Fenton.
+ Muối Selen và các phức của selen
Selen có tác dụng ức chế sự phát triển của khối u, giải độc những tác nhân gây ung thư và đồng thời bảo vệ tế bào. Theo một số nghiên cứu thì nồng độ Se4+ trong máu của những bệnh nhân ung thư thường thấp hơn bình thường. Nếu nồng độ Se4+ trong máu càng cao thì tỉ lệ mắc bệnh ung thư càng giảm.
+ Các nhóm chất chứa nhiều nối đôi liên hợp
Điển hình cho các chất có chứa nhiều nối đôi liên hợp là β-Caroten. Chất này có khả năng “bẩy” gốc tự do độc hại mà chủ yếu là oxy đơn bội (1O2), nó làm mất hoạt tính của oxy đơn bội bằng phản ứng cộng gốc vào nối đôi để biến nguyên tử cacbon ở nối đôi có trạng thái lai hoá sp2 chuyển thành trạng thái lai hoá sp3. Hướng lập thể của phản ứng cộng gốc này theo hướng trans và sản phẩm chuyển hoá giữa β-Caroten và oxy đơn bội (gốc tự do độc hại) thành sản phẩm có đồng phân trans.
Cơ thể hoạt động được một cách bình thường là do cân bằng nội môi đã được thiết lập. Nếu có một yếu tố nào đó phá vỡ cân bằng nội môi này thì yếu tố đó được gọi là stress. Stress oxy hoá là nguồn sinh ra gốc tự do bất thường cho cơ thể. Stress liên tục sẽ gây ra những thay đổi về đáp ứng thần kinh, dẫn đến tăng tiết các adrenegic (adrenalin, noradrenalin...). Sự gia tăng của adrenalin khi cơ thể bị stress sẽ dẫn đến tăng khả năng tương tác với oxy tạo ra gốc O2 và adrenocrom, đồng thời nhiều axít béo chưa no được giải phóng ra từ các lipid. Sự gia tăng các axít béo chưa no này cùng với sự có mặt của gốc tự do O2 và các dạng oxy hoạt động khác sẽ dẫn đến sự gia tăng quá trình peroxid hoá lipid (POL). Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy chất chống oxy hóa có tác dụng trong các bệnh về gan, nó ngăn chặn và làm giảm quá trình peroxy hoá các lipit ở gan giảm xơ vữa động mạch và nhồi máu cơ tim. Đây là những bệnh do sự mất cân bằng giữa các axít béo không no và khẩu phần ăn có chất chống oxy hoá đưa đến sự tạo thành các lipoperoxid và các gốc tự do, gây nhiều biến đổi ở các mô, nhất là ở cơ tim.