Liệu các gốc tự do (ROS) có nên tự do?

Một gốc tự do có thể được định nghĩa là một phân tử chứa một hay nhiều electron chưa liên kết. Các điện tử lẻ của một gốc tự do làm cho nó không ổn định, chúng tồn tại trong thời gian ngắn và có khả năng phản ứng mạnh, do đó chúng được gọi là loài oxy phản ứng (Reactive Oxygen Species) hoặc ROS. Do khả năng phản ứng mạnh, chúng có thể trao đổi điện tử với các hợp chất khác để trở nên ổn định. Khi ROS tấn công các phân tử khác, chúng xáo trộn các electon của phân tử đó khiến phân tử đó trở thành gốc tự do và bắt đầu một chuỗi phản ứng gây tổn hại cho tế bào sống.

ROS là sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa oxy. Hầu hết ROS nội bào có nguồn gốc từ quá trình hô hấp diễn ra trong ti thể, đây là nơi chính diễn ra quá trình chuyển hóa oxy, chiếm khoảng 85-90% lượng oxy mà tế bào tiêu thụ.

Ngoài ra, ROS cũng được tạo ra bởi các tế bào thực bào như bạch cầu trung tính trong quá trình xâm nhập vi khuẩn. Bạch cầu trung tính tích tụ ROS trong phagosome của chúng và sẽ giải phóng nó trong quá trình thực bào các vi khuẩn nhỏ hoặc tiết lên vi khuẩn có kích thước quá lớn để chúng có thể thực bào.

Khi được giải phóng, ROS sẽ lưu thông và kích thích và dẫn dụ các bạch cầu trung tính khác đến nơi bị viêm. Điều này góp phần kích hoạt phản ứng viêm và các cơ chế bảo vệ chống lại sự xâm nhiễm.

Ngoài ra, khi các tế bào viêm làm sạch các mô bị tổn tương, sự phá hủy các tế bào chết bởi các đại thực bào sẽ dẫn đến việc tăng sự sản xuất ROS. Điều này có thể tạo ra một chu kỳ tiêu cực dẫn đến tình trạng viêm quá phát.

Mọi thứ sẽ diễn ra như miêu tả trên nếu không có các nguồn ROS ngoại sinh có khả năng làm suy yếu sự cân bằng này. Tại các trang trại năng suất cao ở Đông Nam Á, động vật tiếp xúc với bốn nguyên nhân ngoại sinh chính sinh ra ROS; độc tố nấm mốc, lipid bị oxy hóa, nhiệt và/hoặc kim loại nặng.

Để chống lại nhiệt, các sinh vật sẽ yêu cầu ty thể sản xuất nhiều năng lượng hơn, dẫn đến việc tăng cung cấp ROS, việc này có thể làm tràn bể chứa superoxide dismutase. Đó là một phần của cái mà chúng ta gọi là stress nhiệt.

Độc tố nấm mốc ngược lại sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến việc sản xuất Superoxide Dismutase và Catalase, dẫn đến tăng ROS.

Tất cả những nguyên nhân ngoại sinh này sẽ làm mất cân bằng nội môi giữa ROS và SOD và sẽ gây ra các tác động tiêu cực từ sự dư thừa ROS. ROS ban đầu được sinh ra để giúp các sinh vật tự vệ trước các sư xâm nhiễm và giờ lại đang trở thành mối đe dọa đối với vật chủ.

Khi dư thừa, các gốc tự do như ROS có thể ảnh hưởng xấu đến các tầng phân tử sinh học quan trọng khác nhau như axit nucleic, lipid và protein cuối cùng dẫn đến tổn thương mô.

DNA của ty thể dễ bị tấn công bởi ROS hơn DNA trong nhân, bởi vì nó nằm gần nơi tạo ra ROS. ROS quan trọng nhất là gốc OH^• bởi chúng phản ứng trực tiếp với tất cả các thành phần của DNA như gốc purine và pyrimidine, đường deoxyribose và làm đứt gãy các sợi đơn và sợi kép trong DNA.

ROS cũng có thể làm hỏng RNA. RNA dễ bị oxy hóa hơn DNA, vì RNA chỉ có một sợi, cơ chế sửa chữa các RNA bị oxy hóa bị giới hạn, RNA ít được bảo vệ bởi các protein hơn DNA và hơn nữa các RNA trong tế bào chất nằm gần với ty thể, nơi có rất nhiều ROS được sản xuất.

Quá trình peroxy hóa lipid được bắt đầu khi bất kỳ gốc tự do nào tấn công và lấy hydro từ nhóm methylen (CH₂) trong axit béo (LH) sẽ dẫn đến hình thành một carbon trung tâm ở gốc lipid (L^•). Quá trình peroxy hóa lipid dẫn đến mất chức năng của màng, ví dụ, giảm tính lưu động, bất hoạt các enzym và thụ thể liên kết màng.

Quá trình peroxy hóa lipid rất quan trọng in vivo bởi chúng liên quan đến nhiều trạng thái bệnh lý khác nhau.

ROS oxy hóa nhiều amino acid khác nhau có trong các protein gây ra sự hình thành các liên kết chéo protein – protein dẫn đến sự biến tính và mất chức năng của protein, enzyme mất đi hoạt tính, các thụ thể và các protein vận chuyển bị mất chức năng. Sự hiện diện của nhóm cacbonyl (C = O) trong protein được coi là dấu hiệu của quá trình oxy hóa protein gây ra bởi ROS.

Điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chức năng gan, gây tổn thương mô ruột, ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của ruột ở heo và dẫn đến sự gia tăng các phản ứng viêm. Do đó, stress oxy hóa liên quan đến trực tiếp đến sự suy giảm sức khỏe và giảm năng lượng sẵn có sử dụng cho việc sản xuất. Nhiều nghiên cứu cho thấy năng suất vật nuôi giảm 30% trong điều kiện stress oxy hóa và bị viêm. Điều này được giải thích bởi sự dư thừa của ROS và dẫn đến các quá trình dị hóa.

SOD là nỗ lực chính giúp tế bào/cơ thể thích ứng với các điều kiện stress khác nhau gây ra bởi chăn nuôi thương phẩm như nhiệt, độc tố nấm mốc hoặc kim loại nặng. Vì gốc superoxide là gốc tự do chính được tạo ra từ các phản ứng sinh lý trong tế bào, nên SOD được cho là yếu tố chính của phản ứng bảo vệ đầu tiên của tế bào chống lại ROS. Người ta đã chứng minh rằng bổ sung SOD tổng hợp khi ở trong các điều kiện bất lợi cho cơ thể sẽ tạo ra một cơ chế thích ứng nhằm giảm sự hình thành ROS và duy trì cân bằng nội môi.

Các chiến lược dinh dưỡng để điều hướng tăng sản xuất SOD trong chăn nuôi heo, gia cầm và thủy sản cũng như tác động của việc điều hướng này đã trở thành chủ đề cho nhiều nghiên cứu gần đây. Ví dụ, trong Y tế, các kỹ thuật kích thích sự biểu hiện của SOD và các kỹ thuật bắt chước tác động của SOD được sử dụng như một công cụ quan trọng trong việc phòng ngừa và điều trị bệnh. Một số giải pháp mới hiện đã có trên thị trường cho các chuyên gia dinh dưỡng sử dụng để củng cố cơ chế phòng vệ vật nuôi cũng như là một chiến lược mới nhằm chống lại độc tố nấm mốc và stress nhiệt.

Tác giả: David SERENE - Nutrispices Vietnam, Thailand & Myanmar