Năm 1954, bác sĩ Denham Harman thuộc đại học Berkeley (California), là nhà khoa học đầu tiên nhận ra sự hiện hữu của gốc tự do trong cơ thể với nguy cơ gây ra những tổn thương cho tế bào. Trước đó, người ta cho rằng gốc này chỉ có ở ngoài cơ thể.
Gốc tự do (free radical) là những nguyên tử, nhóm nguyên tử hoặc phân tử ở lớp ngoài cùng có những electron không ghép đôi. Gốc tự do có thể tồn tại độc lập, tuy nhiên thời gian tồn tại của các gốc tự do thường rất ngắn. Các electron này có năng lượng cao,
rất kém bền nên dễ dàng tham gia vào nhiều phản ứng hóa học như phản ứng oxi hóa - khử, phản ứng polymer hóa…
1.9.2. Sự hình thành gốc tự do
Các gốc tự do được sinh ra và tích lũy và tạo ra quá trình sinh sống của con người, đó chính là nguyên nhân dẫn đến bệnh tật và làm tăng tốc độ quá trình lão hoá cơ thể con người. Trong các quá trình phản ứng hóa học, đôi khi một electron bị kéo ra khỏi phân tử, và phân tử đó trở thành một gốc tự do, với số điện tử lẻ. Các gốc tự do luôn tìm cách chiếm đoạt các electron của các phân tử khác để đạt trạng thái cân bằng. Quá trình này hình thành nên một chuỗi các gốc tự do liên tiếp nhau, gây rối loạn hoạt động của tế bào.
Các gốc tự do trong cơ thể sinh vật sinh ra có 2 nguồn gốc, đó là nguồn nội sinh và nguồn ngoại sinh.
• Gốc tự do có nguồn nội sinh là các gốc tự do được chính cơ thể tạo ra.
• Gốc tự do có nguồn ngoại sinh được hình thành trong cơ thể do các yếu tố ngoại lai như ô nhiễm môi trường, tác động của tia tử ngoại trong ánh nắng mặt trời, thuốc lá, rượu, thuốc chữa bệnh...
1.9.3. Vai trò của gốc tự do trong cơ thể 1.9.3.1. Tác dụng có hại của gốc tự do[1]
− Stress oxy hóa (oxidative stress): là kết quả của sự hình thành gốc tự do vượt quá mức kiểm soát của các hệ thống chống oxy hóa trong cơ thể. Stress oxy hóa dẫnđến hậu quả là phát sinh nhiều loại bệnh của tuổi già như Parkinson, Alzheimer và một số bệnh về thần kinh khác; xơ vữa động mạch, bệnh đái tháo đường, bệnh phổi, bệnh ung thư,...
Hình 1. 7. Tác nhân bên ngoài gây ra gốc tự do
− Quá trình peroxid hóa lipid: Màng tế bào giàu acid béo chưa bão hòa nên đễbị tấn công bởi tác nhân oxy hóa, quá trình này gọi là sự peroxid hóa lipid. Việc làm hư hại lipid làm ảnh hưởng đến tính linh động của màng dẫn đến một số bệnh như đái tháo đường, bệnh trên hệ tim mạch.
− Làm hư hỏng protein: protein bị peroxid hóa có thời gian tồn tại dài hơn, do đó chúng có thể khuyếch tán trong tế bào và mô trong thời gian dài, vì thế chúng có thể phản ứng với các phân tử protein khác và khơi mào cho phản ứng dây chuyền.
− Phá hủy DNA: các gốc tự do dễ dàng tấn công DNA thông qua việc tấn công vào nhóm đường deoxyribose và base nitơ của nhóm purin và pirimidin hình thành thể đột biến.
− Quá trình lão hóa: lão hóa là một quá trình phức tạp trong đó các tổn hại do oxy hóa đóng vai trò rất quan trọng. Các phản ứng sinh hóa bên trong tế bào tạo ra các gốc tự do hoạt động, các gốc này nhanh chóng phản ứng với các phân tử quanh nó là nguyên nhân chính gây xáo trộn hoạt động của các ty lạp thể, bám vào các ADN gây đột biến bên trong các tế bào... Vì thế, các gốc tự do là nguyên nhân của sự tự hủy hoại và lão hóa ở cấp tế bào.
1.9.3.2. Tác dụng có lợi của gốc tự do
Khi nồng độ tồn tại ở nồng độ trung bình, gốc tự do rất có lợi và cần thiết cho các hoạt động của cơ thể sống.
Hình 1. 8. Các bệnh do gốc tự do gây ra
Vai trò của gốc tự do trong quá trình trao đổi chất và trong chuỗi hô hấp tế bào, hầu hết các dạng sống đều cần đến gốc tự do cho các quá trình diễn ra trong cơ thể ở mức độ vi mô. Trong tế bào của sinh vật sống, hàng triệu các phản ứng hóa học diễn ra mỗi giây nhằm tạo năng lượng cho hoạt động sống và tạo nên những chất cần thiết để xây dựng cơ thể. Rất nhiều phản ứng trong số đó đòi hỏi sự di chuyển của các điện tử từ phân tử này sang phân tử khác, đặc biệt trong chuỗi hô hấp tế bào.
Các gốc tự do luôn đóng vai trò trung gian quan trọng cho sự di chuyển điện tử này.
Vai trò của gốc tự do trong hệ thống miễn dịch, cơ thể chúng ta rất dễ bị các sinh vật lạ hoặc vi khuẩn từ môi trường bên ngoài xâm nhập vào, do đó một hệ thống miễn dịch nhằm bảo vệ cơ thể khỏi các vi sinh vật là điều cần thiết. Gốc tự do, phần lớn được tạo ra bởi sự hoạt hóa của các đại thực bào góp phần cùng với bạch cầu tiêudiệt các vi sinh vật có hại.
Bên cạnh tác dụng giúp tiêu diệt các vi sinh vật lạ, gốc tự do còn góp phần quét dọn những tế bào già, chết trong cơ thể tạo điều kiện cho những tế bào mới sinh sôi và phát triển. Đồng thời gốc tự do còn góp phần tiêu diệt các tế bào bất thường như tế bào ung thư.
Ngoài hai vai trò trên gốc tự do còn tham gia vào nhiều quá trình có lợi khác cho cơ thể như đóng vai trò là chất dẫn truyền thần kinh, hoặc làm nhiệm vụ là tế bào tín hiệu (cell signalling) và cần thiết cho việc hình thành một số hormon nhưthyroxin.
1.9.3.3. Cơ chế kháng oxy hóa
Chất kháng oxy hóa là những chất có khả năng ngăn ngừa và loại bỏ tác dụng độc hại của các gốc tự do một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Chất kháng oxy hóa có thể trực tiếp phản ứng với các gốc tự do hoạt động để tạo ra những gốc tự do mới kém hoạt động hơn, từ đó có thể ngăn cản chuỗi phản ứng dây chuyền được khơi mào bởi các gốc tự do.
Chất kháng oxy hóa cũng có thể gián tiếp tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp trong phản ứng fenton hoặc ức chế các enzym xúc tác cho các quá trình sinh ra gốc tự do nhằm ngăn cản sự hình thành gốc tự do trong cơ thể.
Cơ chế khơi mào các phản ứng oxy hóa của kim loại:
FC3+ + ROOH → FC1+ + ROO● + H+ FC1+ + ROOH → FC3+ + RO● + OH- FC2+ +RH → FC1+ + R● + H+
Hình 1. 6: Cơ chế kháng oxy hóa của chất kháng oxy hóa Các chất kháng oxy hóa
Có nhiều cách phân loại các chất kháng oxy hóa như dựa trên nguồn gốc, một trong những cách đó là dựa trên bản chất enzyme hoặc không enzyme của chất kháng oxy hóa.
Chất kháng oxy hóa có bản chất enzyme
Đây là hệ thống kháng oxy hóa nội sinh tồn tại trong tế bào và giữ vai trò quan tự do sinh ra trong các quá trình sinh lý như hô hấp và các bệnh lý. Hệ thống bao gồm các enzyme sau: superoxid dismutase, catalase, glutathion peroxidase, peroxid hữu cơ.
Chất kháng oxy hóa không có bản chất enzyme
Chất kháng oxy hóa không có bản chất enzyme là những hợp chất do cơ thể sinh ra (nguồn gốc nội sinh) như vitamin A, glutathion, glycin, methionin,… hoặc các chất kháng oxy có trong rau quả gồm có các nhóm vitamin C, vitamin E, flavonoid, lignan, alkaloid, courmarin, terpen, carotenoid,… Các chất này được xếp vào nhóm .