Hoạt động chống oxy hóa là gì? Các nghiên cứu khoa học

Khái niệm về hoạt động chống oxy hóa

Hoạt động chống oxy hóa là một khái niệm khoa học dùng để chỉ khả năng của một chất hoặc một nhóm chất trong việc ức chế hoặc làm chậm quá trình oxy hóa. Quá trình oxy hóa là hiện tượng mà các phân tử trong cơ thể hoặc môi trường bị tấn công bởi các gốc tự do – những phân tử hoặc nguyên tử chứa electron độc thân, khiến chúng trở nên rất dễ phản ứng với các phân tử khác. Sự phản ứng này có thể dẫn đến tổn thương cấu trúc tế bào, biến đổi protein, lipid và vật liệu di truyền (DNA), từ đó ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và tuổi thọ của sinh vật.

Hoạt động chống oxy hóa có thể đến từ hai nguồn chính: nguồn nội sinh (do cơ thể tự sản xuất, chủ yếu là các enzyme và phân tử nhỏ) và nguồn ngoại sinh (được hấp thu từ chế độ ăn uống hoặc bổ sung qua thuốc, thực phẩm chức năng). Chẳng hạn, vitamin C và vitamin E là hai chất chống oxy hóa phổ biến có nguồn gốc từ thực phẩm, trong khi glutathione là một chất chống oxy hóa nội sinh quan trọng do gan sản xuất.

Một số đặc điểm quan trọng của hoạt động chống oxy hóa bao gồm: khả năng ngăn chặn sự hình thành gốc tự do ngay từ đầu, khả năng trung hòa gốc tự do đã hình thành, và khả năng sửa chữa hoặc thay thế các phân tử đã bị tổn thương do oxy hóa. Hiệu quả chống oxy hóa của một chất thường được đánh giá qua các chỉ số đo lường trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như giá trị IC₅₀ trong các phép thử bắt giữ gốc tự do.

Cơ chế gây hại của gốc tự do

Gốc tự do là các phân tử hoặc nguyên tử có electron chưa ghép cặp, khiến chúng có xu hướng rất cao phản ứng với các phân tử ổn định để “cướp” electron nhằm đạt trạng thái bền vững. Quá trình này tạo ra một phản ứng dây chuyền, trong đó mỗi lần gốc tự do phản ứng sẽ tạo ra thêm gốc tự do mới, gây ra sự lan truyền tổn thương.

Các gốc tự do có thể được tạo ra trong cơ thể thông qua nhiều quá trình sinh học, như hô hấp tế bào, chuyển hóa chất béo, hoặc do hệ miễn dịch sản xuất để tiêu diệt vi khuẩn, virus. Ngoài ra, yếu tố môi trường như tia cực tím, khói thuốc lá, bức xạ ion hóa, và ô nhiễm không khí cũng là nguồn sinh ra gốc tự do ngoại sinh.

Tác động của gốc tự do đối với cơ thể có thể được minh họa bằng ba con đường gây hại chính:

• Peroxy hóa lipid: gốc tự do tấn công lipid không bão hòa trong màng tế bào, gây phá vỡ cấu trúc và tính toàn vẹn màng.
• Biến tính protein: làm thay đổi cấu trúc không gian của protein, khiến chúng mất chức năng hoặc hoạt động sai lệch.
• Gây đột biến DNA: tạo nên những thay đổi bất thường trong trình tự gen, có thể dẫn đến ung thư hoặc bệnh di truyền.

Bảng sau tổng hợp một số loại gốc tự do phổ biến và nguồn gốc của chúng:

Loại gốc tự do	Ký hiệu	Nguồn hình thành
Gốc superoxide	O2•−	Hô hấp tế bào, phản ứng enzymatic
Gốc hydroxyl	•OH	Phản ứng Fenton, tia UV
Gốc peroxyl	ROO•	Peroxy hóa lipid

Nguyên tắc hoạt động của chất chống oxy hóa

Cơ chế hoạt động cơ bản của chất chống oxy hóa là cung cấp electron hoặc nguyên tử hydro để trung hòa gốc tự do, từ đó chặn đứng phản ứng dây chuyền oxy hóa. Khi một gốc tự do nhận được electron từ chất chống oxy hóa, nó sẽ trở nên ổn định và mất khả năng gây hại cho các phân tử sinh học.

Các chất chống oxy hóa có thể hoạt động theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như:

• Phá vỡ chuỗi phản ứng oxy hóa bằng cách “chặn” giai đoạn lan truyền.
• Phân giải các gốc tự do thành sản phẩm ít độc hại hơn.
• Hỗ trợ hệ thống sửa chữa DNA hoặc tái tạo màng tế bào.

Một ví dụ điển hình là phản ứng của vitamin E với gốc peroxyl (ROO•):

$\text{ROO}^\bullet + \text{TOH} \rightarrow \text{ROOH} + \text{TO}^\bullet$

Trong đó, TOH là dạng khử của vitamin E, có khả năng hiến tặng nguyên tử hydro để trung hòa gốc tự do. Sau phản ứng, TO• là dạng oxy hóa của vitamin E, thường sẽ được tái sinh nhờ vitamin C hoặc các hệ thống khử khác trong cơ thể.

Các loại chất chống oxy hóa

Chất chống oxy hóa có thể được phân loại dựa trên nguồn gốc, tính chất hóa học hoặc cơ chế hoạt động. Xét theo nguồn gốc, chúng gồm hai nhóm chính:

• Nội sinh: Do cơ thể tổng hợp, gồm các enzyme như superoxide dismutase (SOD), catalase, glutathione peroxidase, và các phân tử nhỏ như glutathione.
• Ngoại sinh: Đến từ chế độ ăn uống hoặc bổ sung, gồm vitamin C, vitamin E, carotenoid, polyphenol, flavonoid, và các hợp chất phenolic khác.

Xét theo cơ chế hoạt động, có thể chia thành các nhóm như:

1. Chống oxy hóa ngăn chặn: ngăn cản sự hình thành gốc tự do từ đầu.
2. Chống oxy hóa phân giải: trung hòa hoặc phá vỡ gốc tự do đã hình thành.
3. Chống oxy hóa sửa chữa: tái cấu trúc hoặc thay thế các phân tử đã bị oxy hóa.

Bảng sau so sánh một số chất chống oxy hóa tiêu biểu:

Chất chống oxy hóa	Nguồn gốc	Đặc điểm nổi bật
Vitamin C	Trái cây họ cam quýt, rau xanh	Tan trong nước, tái sinh vitamin E, hỗ trợ miễn dịch
Vitamin E	Dầu thực vật, hạt, ngũ cốc	Tan trong lipid, bảo vệ màng tế bào
Glutathione	Nội sinh (gan tổng hợp)	Khử độc, duy trì trạng thái khử của tế bào

Phương pháp đo lường hoạt động chống oxy hóa

Để đánh giá hoạt động chống oxy hóa của một hợp chất hay hỗn hợp sinh học, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp thử nghiệm khác nhau. Mỗi phương pháp có nguyên lý, ưu điểm và hạn chế riêng, tùy thuộc vào loại mẫu, môi trường phản ứng, và loại gốc tự do được khảo sát. Ba phương pháp phổ biến nhất là DPPH, ABTS và FRAP.

Phương pháp DPPH dựa trên khả năng bắt giữ gốc tự do DPPH• (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) của mẫu thử. Gốc DPPH có màu tím đậm, khi bị khử bởi chất chống oxy hóa sẽ chuyển thành dạng không có gốc tự do (DPPH-H) và mất màu. Mức độ mất màu, đo bằng quang phổ ở bước sóng 517 nm, phản ánh hiệu quả chống oxy hóa. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, nhanh, và không yêu cầu thiết bị phức tạp, nhưng hạn chế là không phản ánh chính xác điều kiện sinh học in vivo.

Phương pháp ABTS sử dụng gốc cation ABTS⁺ (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)), được tạo ra bằng phản ứng oxy hóa với kali persulfat. Gốc này có màu xanh lam, khi bị khử bởi chất chống oxy hóa sẽ giảm cường độ màu, đo ở bước sóng 734 nm. ABTS thích hợp cho cả mẫu tan trong nước và tan trong lipid, linh hoạt hơn so với DPPH.

FRAP (Ferric Reducing Antioxidant Power) đo khả năng khử ion Fe³⁺-TPTZ thành Fe²⁺-TPTZ tạo phức màu xanh lam đậm, đo ở bước sóng 593 nm. Khác với DPPH và ABTS, FRAP không sử dụng gốc tự do mà đánh giá sức khử tổng thể của mẫu. Phương pháp này nhanh, nhưng không đánh giá được khả năng bắt giữ gốc tự do cụ thể.

Phương pháp	Nguyên lý	Ưu điểm	Hạn chế
DPPH	Bắt giữ gốc DPPH•	Đơn giản, chi phí thấp	Không phản ánh điều kiện sinh học
ABTS	Bắt giữ gốc ABTS+	Dùng cho cả mẫu tan trong nước và lipid	Cần chuẩn bị gốc ABTS+ trước
FRAP	Khử Fe3+-TPTZ	Nhanh, đánh giá sức khử tổng thể	Không đo trực tiếp khả năng bắt giữ gốc tự do

Vai trò sinh học

Hoạt động chống oxy hóa là yếu tố quan trọng để duy trì sự cân bằng giữa sản xuất gốc tự do và khả năng khử chúng của cơ thể. Khi cân bằng này được giữ vững, các tế bào được bảo vệ khỏi tổn thương oxy hóa, duy trì hoạt động sinh lý bình thường và ngăn ngừa quá trình lão hóa sớm.

Các hệ thống chống oxy hóa nội sinh như superoxide dismutase (SOD), catalase và glutathione peroxidase đóng vai trò hàng rào phòng thủ đầu tiên. Chúng làm giảm nồng độ gốc tự do ngay khi chúng vừa được hình thành. Ví dụ, SOD chuyển đổi gốc superoxide O₂^•− thành hydrogen peroxide (H₂O₂), sau đó catalase phân giải H₂O₂ thành nước và oxy.

Hoạt động chống oxy hóa ngoại sinh, từ thực phẩm hoặc bổ sung, hỗ trợ và bổ sung cho hệ thống nội sinh. Các nghiên cứu đã cho thấy chế độ ăn giàu trái cây, rau củ, và các loại hạt – vốn chứa nhiều polyphenol, flavonoid, carotenoid – có thể giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch, tiểu đường type 2 và một số bệnh ung thư.

Tác động của mất cân bằng oxy hóa

Mất cân bằng oxy hóa (oxidative stress) xảy ra khi tốc độ sản xuất gốc tự do vượt quá khả năng trung hòa của hệ thống chống oxy hóa. Tình trạng này gây tổn thương cấu trúc tế bào và làm rối loạn chức năng sinh học.

Stress oxy hóa đã được chứng minh có liên quan đến nhiều bệnh lý mạn tính như xơ vữa động mạch, bệnh Alzheimer, Parkinson, thoái hóa điểm vàng, đái tháo đường và ung thư. Quá trình lão hóa sinh học cũng được thúc đẩy khi mức độ tổn thương oxy hóa tích lũy vượt quá khả năng sửa chữa của cơ thể.

Nguyên nhân gây stress oxy hóa không chỉ đến từ yếu tố nội sinh (quá trình chuyển hóa, viêm mạn tính) mà còn từ yếu tố ngoại sinh như tiếp xúc với khói thuốc, ô nhiễm, bức xạ, và chế độ ăn giàu chất béo bão hòa. Việc duy trì cân bằng oxy hóa thông qua lối sống lành mạnh và bổ sung chất chống oxy hóa hợp lý là chiến lược phòng ngừa hiệu quả.

Ứng dụng trong công nghiệp và y học

Chất chống oxy hóa không chỉ đóng vai trò sinh học mà còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong công nghiệp thực phẩm, chúng được dùng để ngăn ngừa sự ôi thiu của chất béo và dầu, kéo dài thời hạn sử dụng sản phẩm. Ví dụ, butylated hydroxytoluene (BHT) và butylated hydroxyanisole (BHA) là hai chất chống oxy hóa tổng hợp phổ biến trong bảo quản thực phẩm.

Trong mỹ phẩm, chất chống oxy hóa giúp bảo vệ da khỏi tác hại của tia UV và ô nhiễm, làm chậm quá trình lão hóa da. Vitamin C, vitamin E, và chiết xuất trà xanh thường được dùng trong kem dưỡng và serum chống lão hóa.

Trong y học, chất chống oxy hóa được nghiên cứu và ứng dụng để hỗ trợ điều trị các bệnh liên quan đến stress oxy hóa, chẳng hạn như bổ sung coenzyme Q10 cho bệnh nhân suy tim, hay dùng alpha-lipoic acid cho bệnh nhân tiểu đường để cải thiện chức năng thần kinh ngoại vi.

Xu hướng nghiên cứu hiện nay

Nghiên cứu về chất chống oxy hóa đang mở rộng sang lĩnh vực tìm kiếm nguồn mới từ thực vật hoang dã, sinh vật biển, vi khuẩn và nấm. Các hợp chất này thường có cấu trúc hóa học độc đáo và khả năng chống oxy hóa mạnh.

Bên cạnh đó, công nghệ nano được áp dụng để cải thiện sinh khả dụng của chất chống oxy hóa, giúp chúng vượt qua các rào cản sinh học và phát huy tác dụng tốt hơn. Ví dụ, nano-curcumin có khả năng hấp thu cao hơn curcumin dạng thường, tăng hiệu quả chống viêm và chống oxy hóa.

Một xu hướng khác là phát triển các sản phẩm chống oxy hóa kết hợp (synergistic antioxidants), trong đó nhiều chất được phối hợp để tạo hiệu ứng cộng hưởng, nâng cao hiệu quả bảo vệ tế bào. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu về cơ chế tương tác và dược động học của từng thành phần.

Tài liệu tham khảo

1. Halliwell, B., & Gutteridge, J. M. C. (2015). Free Radicals in Biology and Medicine. Oxford University Press.
2. Brand-Williams, W., Cuvelier, M. E., & Berset, C. (1995). Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity. LWT-Food Science and Technology, 28(1), 25-30.
3. Re, R., Pellegrini, N., et al. (1999). Antioxidant activity applying an improved ABTS radical cation decolorization assay. Free Radical Biology and Medicine, 26(9-10), 1231-1237.
4. Shahidi, F., & Zhong, Y. (2015). Antioxidants: Regulatory status, applications, and sources. Food Chemistry, 171, 379-393.
5. Nasir, A. M., et al. (2020). Nano-Delivery Systems of Polyphenols: Recent Advances and Future Applications. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 68(29), 7859–7873.