Glutathione peroxidase là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và vai trò sinh học của glutathione peroxidase

Glutathione peroxidase (GPx) là một nhóm enzyme chống oxy hóa có vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ tế bào khỏi tác hại của các hợp chất hydroperoxide như hydrogen peroxide (H₂O₂) và lipid hydroperoxide. Những hợp chất này nếu không được loại bỏ kịp thời sẽ gây tổn thương oxy hóa đến màng tế bào, protein và DNA nội bào. GPx thực hiện chức năng bằng cách xúc tác phản ứng khử các peroxide thông qua glutathione khử (GSH), từ đó duy trì cân bằng oxy hóa – khử trong tế bào.

GPx là một phần quan trọng trong hệ thống bảo vệ nội sinh của cơ thể, hoạt động phối hợp với các enzyme chống oxy hóa khác như catalase và superoxide dismutase. Enzyme này hiện diện ở nhiều mô, đặc biệt giàu ở gan, thận, hồng cầu và mô thần kinh. GPx giúp duy trì tính toàn vẹn của màng tế bào, chống lại quá trình peroxy hóa lipid và các tác động do gốc tự do gây ra.

Hệ thống enzyme GPx còn có vai trò điều hòa các quá trình tín hiệu nội bào bằng cách điều chỉnh nồng độ hydrogen peroxide – một phân tử tín hiệu quan trọng. Vì thế, GPx không chỉ là công cụ “dọn dẹp” oxy hóa mà còn có tác động đến quá trình biệt hóa, tăng sinh và chết tế bào theo chương trình.

Phản ứng xúc tác và cơ chế hoạt động

Phản ứng cơ bản do glutathione peroxidase xúc tác như sau:

$2GSH + ROOH \rightarrow GSSG + ROH + H_2O$

Trong đó, GSH (glutathione khử) sẽ bị oxy hóa thành GSSG (glutathione disulfide) trong quá trình khử các hydroperoxide (ROOH) thành rượu (ROH) và nước. Sau đó, GSSG được tái tạo về GSH nhờ enzyme glutathione reductase, sử dụng NADPH làm đồng tác nhân. Chu trình này giúp duy trì dự trữ glutathione khử nội bào.

Enzyme GPx sử dụng selen ở vị trí hoạt động dưới dạng selenocysteine – một acid amin hiếm được mã hóa bởi codon UGA (thường là mã kết thúc), nhờ sự tham gia của yếu tố phiên mã đặc hiệu (SECIS). Selenocysteine có khả năng tham gia vào phản ứng khử – oxy hóa mạnh hơn cysteine, làm tăng hiệu suất xúc tác phản ứng loại bỏ peroxide.

Bảng tóm tắt phản ứng GPx:

Chất nền	Sản phẩm	Vai trò
Hydrogen peroxide (H2O2)	Nước (H2O)	Khử peroxide nội bào
Lipid hydroperoxide (LOOH)	Lipid alcohol (LOH)	Bảo vệ màng tế bào
2 GSH	GSSG	Chất khử cho phản ứng

Các isoenzyme của glutathione peroxidase

Glutathione peroxidase tồn tại dưới nhiều dạng isoenzyme khác nhau, với ít nhất tám loại được xác định ở người, được đánh số từ GPx1 đến GPx8. Mỗi loại isoenzyme có đặc điểm mô học, chức năng và vị trí hoạt động khác nhau, phù hợp với nhu cầu chống oxy hóa của từng mô.

Phân bố và chức năng một số isoenzyme GPx tiêu biểu:

• GPx1: dạng phổ biến nhất, có trong bào tương của nhiều mô như gan, tim, hồng cầu; chịu trách nhiệm khử hydrogen peroxide.
• GPx2: đặc hiệu với mô ruột non và đại tràng, bảo vệ biểu mô ruột khỏi stress oxy hóa từ thức ăn hoặc vi sinh vật.
• GPx3: isoenzyme ngoại bào, lưu hành trong huyết tương, có vai trò khử peroxide trong dịch ngoại bào.
• GPx4: duy nhất có khả năng khử lipid hydroperoxide ngay cả khi liên kết với màng tế bào hoặc ty thể, rất quan trọng trong bảo vệ phospholipid màng.

Biểu hiện của các GPx isoenzyme được điều hòa bởi stress oxy hóa, tình trạng viêm, mức độ selen trong cơ thể và yếu tố di truyền. Sự bất thường trong biểu hiện GPx có thể dẫn đến rối loạn sinh học và làm tăng nguy cơ bệnh lý.

Vai trò của selen và cấu trúc selenoprotein

GPx là một trong những ví dụ điển hình nhất của selenoprotein – protein có chứa selen dưới dạng acid amin selenocysteine. Selen là nguyên tố vi lượng thiết yếu, đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hoạt động enzyme GPx. Mỗi phân tử GPx chứa ít nhất một đơn vị selen tại trung tâm hoạt động xúc tác.

Cấu trúc gene mã hóa GPx bao gồm vùng đặc biệt mang tên SECIS (selenocysteine insertion sequence) ở vùng 3'UTR của mRNA, cho phép ribosome nhận biết và gắn selenocysteine vào codon UGA trong quá trình dịch mã. Đây là một cơ chế mã hóa đặc biệt hiếm gặp trong sinh học phân tử.

Khi khẩu phần ăn thiếu selen, cơ thể sẽ ưu tiên tổng hợp GPx thiết yếu (như GPx1) và làm giảm hoạt động của các GPx ít quan trọng hơn. Điều này dẫn đến giảm hiệu quả khử peroxide, tăng tích tụ gốc tự do và tăng tổn thương mô. Các nghiên cứu cho thấy sự thiếu hụt selen có thể liên quan đến bệnh tim Keshan, bệnh cơ tim, tổn thương gan và suy giảm miễn dịch.

Glutathione peroxidase trong bảo vệ tế bào

Glutathione peroxidase (GPx) đóng vai trò trung tâm trong việc bảo vệ tế bào chống lại tổn thương do các gốc tự do sinh ra từ quá trình chuyển hóa bình thường và stress oxy hóa. Quá trình loại bỏ hydrogen peroxide và các hợp chất peroxide lipid là thiết yếu vì sự tích tụ của chúng có thể dẫn đến quá trình peroxy hóa lipid, phá hủy cấu trúc màng sinh học và gây chết tế bào theo chương trình (apoptosis).

GPx còn duy trì tính ổn định nội bào thông qua việc bảo tồn cân bằng NADPH/NADP⁺ trong quá trình tái tạo GSH từ GSSG nhờ glutathione reductase. Điều này giúp đảm bảo rằng các phản ứng oxy hóa–khử quan trọng khác trong tế bào, như tổng hợp acid béo, vận chuyển ion, và biểu hiện gen nhạy cảm với stress oxy hóa, vẫn hoạt động hiệu quả.

Một số chức năng bảo vệ nổi bật của GPx:

• Ngăn chặn quá trình peroxy hóa lipid màng, giữ ổn định cấu trúc màng tế bào và màng ty thể
• Bảo vệ DNA khỏi tổn thương do hydroxyl radical và peroxynitrite
• Ức chế kích hoạt các con đường tín hiệu gây viêm thông qua điều hòa nồng độ H₂O₂

Liên hệ với bệnh lý và stress oxy hóa

Sự suy giảm hoạt tính của GPx hoặc mất cân bằng GSH/GSSG là yếu tố then chốt trong sinh bệnh học của nhiều bệnh lý mạn tính. Khi không kiểm soát tốt stress oxy hóa, hydrogen peroxide và các gốc tự do khác có thể kích hoạt con đường tín hiệu gây viêm hoặc chết tế bào, gây tổn thương mô lan rộng.

Trong bệnh tim mạch, stress oxy hóa góp phần vào quá trình xơ vữa động mạch thông qua tổn thương nội mô, oxy hóa LDL, và hoạt hóa các yếu tố viêm. GPx1 có vai trò ngăn chặn quá trình này bằng cách làm giảm nồng độ H₂O₂ và lipid hydroperoxide. Trong các bệnh thần kinh như Alzheimer và Parkinson, sự mất cân bằng GSH và giảm hoạt động GPx được ghi nhận là nguyên nhân thúc đẩy chết tế bào thần kinh.

Danh sách bệnh lý liên quan đến suy giảm GPx:

• Tiểu đường typ 2: tăng gốc tự do làm tổn thương tế bào β tụy và gây kháng insulin
• Ung thư: mất kiểm soát peroxide nội bào dẫn đến đột biến DNA và tăng sinh tế bào bất thường
• Bệnh gan mãn: stress oxy hóa làm hoại tử tế bào gan và viêm mạn tính

Ứng dụng lâm sàng và thực nghiệm

Hoạt tính GPx trong máu, huyết tương hoặc mô được sử dụng như một chỉ báo sinh học để đánh giá trạng thái chống oxy hóa của cơ thể. Trong lâm sàng, các xét nghiệm định lượng GPx hỗ trợ chẩn đoán tình trạng viêm, bệnh tim, ung thư và theo dõi hiệu quả điều trị bằng chất chống oxy hóa hoặc liệu pháp bổ sung selen.

Nhiều nghiên cứu thực nghiệm sử dụng mô hình động vật bị knockdown hoặc overexpression GPx để đánh giá vai trò của enzyme trong điều hòa viêm, kiểm soát apoptosis và tiến trình bệnh lý. Ví dụ, chuột thiếu GPx4 cho thấy tổn thương nghiêm trọng ở tế bào tuyến sinh dục và ty thể, dẫn đến vô sinh và thoái hóa tế bào sớm.

Bổ sung selen (dưới dạng selenomethionine hoặc natri selenite) trong khẩu phần ăn có thể làm tăng hoạt tính GPx, đặc biệt ở người cao tuổi hoặc bệnh nhân có mức selen thấp. Tuy nhiên, liều lượng cần được kiểm soát chặt chẽ vì selen dư thừa có thể gây độc.

Kỹ thuật định lượng glutathione peroxidase

Đo hoạt tính GPx là một kỹ thuật phổ biến trong nghiên cứu sinh học phân tử và y sinh. Phương pháp chủ yếu dựa vào nguyên lý theo dõi sự giảm hấp thụ của NADPH khi nó bị oxy hóa trong quá trình tái tạo GSH từ GSSG. Đây là phản ứng liên kết được xúc tác bởi glutathione reductase.

Các phương pháp định lượng GPx:

• Phép đo quang phổ (spectrophotometry) tại bước sóng 340 nm – theo dõi tốc độ giảm NADPH
• ELISA – sử dụng kháng thể đặc hiệu với từng isoenzyme GPx
• Western blot – đánh giá biểu hiện protein GPx trong mô
• RT-qPCR – định lượng mRNA mã hóa các dạng GPx

Để đánh giá chính xác, mẫu nghiên cứu cần được bảo quản lạnh, tránh oxy hóa hoặc phân hủy GSH. Ngoài ra, việc định lượng GSH và GSSG đồng thời sẽ cung cấp thêm thông tin về cân bằng oxy hóa nội bào.

Tài liệu tham khảo

1. Brigelius-Flohé, R., & Maiorino, M. (2013). Glutathione peroxidases. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects, 1830(5), 3289–3303.
2. NCBI - Glutathione peroxidases and oxidative stress
3. PubChem - Glutathione Peroxidase
4. Cell - The Role of Selenium in Biology
5. ScienceDirect - Glutathione Peroxidase