Oxy hoạt tính là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Oxy hoạt tính là gì?

Oxy hoạt tính (Reactive Oxygen Species – ROS) là tập hợp các phân tử và ion oxy có chứa electron chưa ghép đôi, thể hiện khả năng phản ứng hóa học cao so với oxy phân tử (O₂). Các loại ROS phổ biến bao gồm gốc superoxide (O₂·^–), hydrogen peroxide (H₂O₂), gốc hydroxyl (·OH) và singlet oxygen (¹O₂). Chúng được sinh ra tự nhiên trong quá trình chuyển hóa tế bào, đóng vai trò kép: vừa hỗ trợ truyền tín hiệu nội bào, vừa có thể gây tổn thương màng tế bào, protein và ADN nếu nồng độ quá cao.

Mức độ ROS trong tế bào được điều hòa bởi cân bằng giữa sinh tổng hợp và hệ thống giải độc. Ở nồng độ thấp đến trung bình, ROS tham gia vào các quá trình sinh lý như kích hoạt yếu tố phiên mã, điều hòa chu kỳ tế bào và đáp ứng viêm. Khi ROS gia tăng vượt ngưỡng trung hòa của các enzyme giải độc (SOD, catalase, GPx), hiện tượng stress oxy hóa xảy ra, dẫn đến tổn thương lipid màng, biến đổi cấu trúc protein và đứt gãy chuỗi ADN.

Đặc tính hóa học của ROS cho phép chúng tham gia nhiều phản ứng chuỗi: gốc superoxide dễ dàng truyền electron tạo hydrogen peroxide, hydrogen peroxide lại có thể bị chuyển đổi qua phản ứng Fenton để sinh ra gốc hydroxyl rất phản ứng và có hại nhất. Singlet oxygen, tuy không phải gốc tự do, cũng mang năng lượng cao và dễ gây oxy hóa các thành phần sinh học. Chính vì vậy, ROS được xem như “double–edged sword” trong sinh học tế bào.

Các loại ROS chính

Gốc superoxide (O₂·^–) là sản phẩm khởi đầu của hầu hết con đường sinh ROS, thường được tạo ra tại chuỗi vận chuyển electron của ty thể và qua hoạt động của enzyme NADPH oxidase. Dưới tác động của superoxide dismutase (SOD), O₂·^– nhanh chóng chuyển thành H₂O₂, trung gian ít phản ứng hơn nhưng bền vững hơn trong tế bào.

Hydrogen peroxide (H₂O₂) không phải gốc tự do nhưng có thể khuếch tán qua màng sinh chất, tham gia điều hòa tín hiệu redox và dễ bị chuyển thành gốc hydroxyl (·OH) thông qua phản ứng Fenton (Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + ·OH + OH^–). Gốc hydroxyl là ROS phản ứng mạnh nhất, không có enzyme chuyên biệt để trung hòa, phát sinh tại vị trí có sắt tự do hoặc qua chiếu xạ nước.

Singlet oxygen (¹O₂) là dạng excited state của oxy phân tử, mang năng lượng cao, được sinh ra chủ yếu qua phản ứng photooxidation hoặc enzymatic (peroxidase). Mặc dù không tồn tại lâu, singlet oxygen có khả năng oxy hóa acid amin, base của ADN và lipid màng. Chi tiết các loại ROS được tóm tắt trong bảng sau:

Loại ROS	Công thức	Đặc tính	Độ ổn định
Superoxide	$O_2^{\!\cdot-}$	Tạo H2O2 qua SOD	Ngắn
Hydrogen peroxide	H2O2	Khuếch tán qua màng	Trung bình
Hydroxyl radical	$\,\cdot OH$	Phản ứng mạnh, gây tổn thương	Rất ngắn
Singlet oxygen	$^1O_2$	Oxy hóa photo	Rất ngắn

Con đường sinh tổng hợp ROS

Chuỗi vận chuyển electron trong ty thể là nguồn chính tạo ra gốc superoxide. Tại phức hợp I và III, electron rò rỉ từ ubiquinone hoặc cytochrome c, phản ứng với O₂ giải phóng O₂·^–. Quá trình này chiếm khoảng 1–3% electron rò rỉ, tăng lên khi ty thể bị tổn thương hoặc quá tải năng lượng.

Enzyme NADPH oxidase (NOX family) trên màng tế bào cũng trực tiếp sinh ra superoxide, đóng vai trò quan trọng trong phản ứng oxidative burst của bạch cầu trung tính để tiêu diệt vi khuẩn. Các đồng dạng NOX1–5 và DUOX1–2 phân bổ ưu tiên ở mô khác nhau, điều chỉnh sản xuất ROS theo tín hiệu kích hoạt tế bào.

Quá trình Fenton và Haber–Weiss là cơ chế ngoại bào sinh thêm gốc hydroxyl từ H₂O₂ khi có sắt tự do. Cụ thể:

• Fenton: $Fe^{2+} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{3+} + \,\cdot OH + OH^{-}$
• Haber–Weiss tổng hợp: $O_2^{\!\cdot-} + H_2O_2 \rightarrow O_2 + OH^- + \,\cdot OH$

Vai trò sinh lý của ROS

Ở mức độ điều hòa, ROS là tín hiệu quan trọng trong redox signaling, điều chỉnh hoạt tính protein qua các cơ chế oxy hóa – khử của nhóm thiol trong cysteine. Các yếu tố phiên mã như NRF2 được kích hoạt khi ROS oxy hóa Keap1, giải phóng NRF2 vào nhân, kích thích biểu hiện enzyme chống oxy hóa nội sinh.

ROS tham gia điều hòa chu kỳ tế bào thông qua ảnh hưởng lên các cyclin và CDK. Ví dụ, H₂O₂ có thể kích hoạt p38 MAPK, dẫn đến tăng biểu hiện p21, ức chế CDK2 và ngừng chu kỳ ở pha G1/S, hỗ trợ phục hồi ADN trước khi nhân đôi.

Trong hệ miễn dịch, bạch cầu trung tính và đại thực bào tạo ROS để tiêu diệt vi sinh vật. Quá trình oxidative burst giải phóng lượng lớn ROS tại ổ nhiễm trùng, tiêu diệt vi khuẩn qua oxy hóa lipid màng và protein tế bào vi khuẩn. Đồng thời, ROS điều hòa quá trình viêm bằng cách kích hoạt NF-κB và sản xuất cytokine tiền viêm.

ROS trong bệnh lý

Stress oxy hóa phát sinh khi ROS sản sinh vượt quá khả năng trung hòa, dẫn đến tổn thương lipid màng, protein và ADN. Quá trình peroxid hóa lipid tạo sản phẩm malondialdehyde và 4-hydroxynonenal, gây thay đổi cấu trúc màng và bất hoạt enzyme (PubMed 2017).

ROS góp phần vào cơ chế bệnh lý của nhiều bệnh mạn tính: xơ vữa động mạch thông qua oxLDL và viêm nội mạc (PubMed 2018), bệnh Parkinson qua tổn thương ty thể và tích tụ α-synuclein (PubMed 2019), ung thư qua đột biến gen và kích hoạt tín hiệu NF-κB (PubMed 2016).

Hệ thống giải độc ROS

Enzyme giải độc ROS bao gồm superoxide dismutase (SOD), catalase và glutathione peroxidase (GPx). SOD xúc tác chuyển O₂·^– thành H₂O₂, tiếp theo catalase phân hủy H₂O₂ thành H₂O và O₂, GPx sử dụng glutathione (GSH) khử H₂O₂ (PMID 2002).

Enzyme	Cơ chế	Vị trí tế bào
SOD	2 O2·– → H2O2 + O2	Ty thể, bào tương
Catalase	2 H2O2 → 2 H2O + O2	Peroxisome
GPx	H2O2 + 2 GSH → 2 H2O + GSSG	Bào tương, ty thể

Phương pháp phát hiện ROS

Huỳnh quang sử dụng chất cảm ứng DCFH-DA để đo tổng ROS nội bào, và MitoSOX cho ROS ty thể (PubMed 2010). Giá trị RFU (relative fluorescence units) phản ánh mức ROS theo thời gian.

EPR (electron paramagnetic resonance) kết hợp chất bắt gốc spin-trap như DMPO cho phép định tính và định lượng gốc tự do với độ nhạy cao. Phương pháp điện cực oxy trực tiếp đo khí O₂·^– trong môi trường nuôi cấy tế bào.

• Huỳnh quang DCFH-DA, MitoSOX
• EPR spin-trapping (DMPO, PBN)
• Điện cực oxy Clark-type
• Sắc ký khí khối (GC–MS) phát hiện sản phẩm peroxid hóa

Ứng dụng y sinh và dược học

Photodynamic therapy (PDT) sử dụng chất cảm quang như porphyrin, phthalocyanine và laser để tạo singlet oxygen tiêu diệt tế bào ung thư. Ưu điểm là chọn lọc mô bệnh nhờ hấp thụ chọn lọc chất cảm quang (PubMed 2016).

Các thuốc chống oxy hóa như N-acetylcysteine (NAC), vitamin C/E, polyphenol (resveratrol, quercetin) giảm stress oxy hóa trong bệnh mạn tính (tiểu đường, xơ gan, bệnh tim mạch) bằng cách bổ sung GSH và ức chế NF-κB (PubMed 2013).

• Photodynamic therapy: ¹O₂ gây chết tế bào (PDT).
• Antioxidant therapy: NAC, vitamin C/E, polyphenol.
• Redox modulation: các chất điều hòa peroxiredoxin, thioredoxin.

Tác động của chất chống oxy hóa

Vitamin C (ascorbic acid) chặn gốc hydroxyl và peroxyl, đồng thời tái sinh vitamin E ở màng tế bào. Vitamin E (α-tocopherol) ngăn chặn peroxid hóa lipid, giảm thiểu tổn thương màng (PubMed 2003).

Thioredoxin và glutaredoxin duy trì nhóm thiol protein ở dạng khử, điều hòa hoạt tính enzyme. Phytochemical như curcumin và resveratrol kích hoạt NRF2 qua ức chế Keap1, tăng tổng hợp enzyme bảo vệ như HO-1 và NQO1 (PubMed 2015).

Xu hướng nghiên cứu và tương lai

Phát triển cảm biến ROS siêu nhạy dựa trên nanozyme và vật liệu dẫn điện, cho phép đo ROS trong thời gian thực trong mô sống (PubMed 2018).

Ứng dụng ROS điều hòa trong liệu pháp miễn dịch: thuốc ức chế NOX2 để giảm ROS trong microenvironment khối u, tăng hoạt hóa T-cell (PubMed 2019).

Kết hợp công nghệ CRISPR và redox biology để tạo mô hình tế bào chỉnh sửa gen nhằm nghiên cứu chức năng ROS trong bệnh thoái hóa thần kinh và lão hóa (PubMed 2019).

Tài liệu tham khảo

• Pham-Huy LA, He H, Pham-Huy C. “Free radicals, antioxidants in disease and health.” Int J Biomed Sci. 2008;4(2):89–96.
• Halliwell B, Gutteridge JMC. “Free Radicals in Biology and Medicine.” 5th ed., Oxford University Press, 2015.
• Liochev SI. “Reactive oxygen species and the free radical theory of aging.” Free Radic Biol Med. 2013;60:1–4.
• Mates JM. “Effects of antioxidant enzymes in the molecular control of reactive oxygen species toxicology.” Toxicol. 2000;153(1–3):83–104.
• Droge W. “Free radicals in the physiological control of cell function.” Physiol Rev. 2002;82(1):47–95.
• Li S, et al. “Detection methods and clinical significance of ROS: a literature review.” Oxid Med Cell Longev. 2017;2017:9402847.
• Yang M, et al. “Redox biology in cancer immunotherapy.” Cancer Lett. 2020;482:1–9.