Transcript Agents that Damage DNA - Cao hoc CNTY 2010! Nghiên cứu
Sự oxy hóa và hệ thống chống oxy hóa trong cơ thể
(Oxidation & Antioxidant System in body)
PGS.TS. Dương Thanh Liêm Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
Sự tổn thương DNA
Ước tính 1 ngày có trên 74.000 vụ tổn thương xảy ra trong DNA, nhiều nhất vẫn là quá trình oxi hóa, quá trình thủy phân (hydrolysis), quá trình alkylation, sự bức xạ hoặc các hóa chất độc hại. Sự gây thương tổn trực tiếp làm cho khoảng 3 tỷ gốc base gãy đứt liên kết diester-phospho trong DNA trên vị trí gốc kiềm. Kết quả gây ra đột biến gen làm lệch lạc, sản xuất protein không bình thường. Từ đó nó không kiểm soát được sự phát triển tế bào, gây ra ung thư.
Những nhân tố gây hư hại DNA
Độ dài sóng bức xạ khác nhau, mức độ khác nhau Bức xạ ion hóa như tia gamma rays và tia x-rays Tia tử ngoại, đặc biệt là tia UV-C rays (~260 thể xuyên qua lớp khí ozone. nm ), tia này được DNA hấp phụ rất mạnh, nhưng cũng như thế với bước sóng dài hơn như tia UV-B, tia này có Gốc oxygen phản ứng mạnh sản sinh ra gốc tự do trong quá trình hô hấp của tế bào bình thường như là con đường chuyển hóa hóa học khác.
Nguyên nhân hình thành các gốc tự do (có 3 kiểu gốc tự do)
Kiểu phản ứng oxy hóa: ROS
(Reactive Oxygen Species)
Kiểu phản ứng nitrogen RNS
(Reactive Nitrogen Species)
Kiểu phản ứng oxy hóa lưu hùynh:
Thiyl - Oxi hóa sinh ra bởi các kiểu phóng xạ, tia-X và tia tử ngoại sản sinh ra gốc hydroxyl thiếu electron, trở thành gốc tự do. Sóng siêu âm, microwave cũng cò thể tạo ra các kiểu phản ứng oxy hóa (chưa được nghiên cứu kỹ). Tương tự như vậy yếu tố stress mạnh cũng có thể tạo ra các gốc tự do thiếu electron.
http://www.calstatela.edu/faculty/hsingh2/NTRS%20525%20lectures/Antioxidants%20system.ppt
Sự hình thành gốc tự do
http://www.harford.edu/faculty/sschaeffer/Nutrition8.ppt
Figure 8.4
Các kiểu gốc tự do (Free radicals)
Superoxide: O 2 Hydroxyl: Hydroperoxyl: HO HO 2 Hydrogen peroxide: H O 2 Lipid peroxide: Kiểu phản ứng nitrogen
( RNS) :
NO Thiyl radical (oxy hóa GSH):
GS
●
Oxygen phân tử có thể khử nước. Bước trung gian sự khử của oxygen là tạo thành gốc anion superoxide, gốc hydrogen peroxide và hydroxyl. Tương ứng với những bước đó là sự mất lần lượt từ một, hai và ba điện tử.
Peroxynitrile (RON)
Hợp chất này được tạo nên từ oxid nitric và superoxide.
Hợp chất selen hữu cơ (seleno-organic compound) phản ứng rất có hiệu quả với peroxynitrile
Peroxynitrile
Nguyên nhân hình thành các gốc tự do (Formation of Free Radicals)
Có nhiều quá trình trao đổi chất có phản ứng oxy hóa, từ đây có thể tạo thành các gốc tự do.
Gốc tự do được sản xuất ra bởi: Sự ô nhiễm môi trường Tia cực tím và các tia phóng xạ Những chất độc hại
Những tác hại của các gốc tự do
Gốc tự do gây thương tổn: Màng tế bào Low-density lipoproteins (LDLs) Protein trong tế bào Chất liệu di truyền (DNA)
Những bệnh tật có liên quan đến gốc tự do
Ung thư
Bệnh tim mạch
Bệnh tiểu đường
Chứng viêm khớp
Bệnh đục nhân mắt
Bệnh về thận
Bệnh Alzheimer
Bệnh Parkinson
Các kiểu hư hại DNA
Tất cả 4 gốc kiềm trong DNA (
A, T, C, G
) có thể bị thay đổi hiệp biến trên những vị trí khác nhau. Mất nhóm amin ( amino group thay đổi đặc tính, ví dụ
C
) của gốc kiềm thường xảy ra nhất còn gọi là "deamination" — kết quả làm biến đổi thành
U
.
Sự ghép đôi của những gốc kiềm bình thường trở nên sai lệch làm trở ngại, lệch lạc sự tái tạo DNA ( DNA replication ). Ví dụ phổ biến: Sự hợp nhất của pyrimidine thường chỉ trong RNA) thay vì của
T
.
U
(Bình
Gãy đôi 2 dây Liên kết nhị trùng Pyrimidine Vị trí Apyrimidinic Liên kết chéo DNA –DNA Gãy đứt dây đơn Liên kết chéo Gốc kiềm bị thay thế gốc hydrate Vị trí Apurinic Liên kết chéo DNA –Protein
http://www.benbest.com/lifeext/aging.html#radical
Những thương tổn khác
Gãy đứt “xương sống” DNA:
Có thể giới hạn đứt đơn 1 bên của 2 dây (a single stranded break),
SSB
hoặc Cả 2 dây đều đứt (a
d
ouble-
s
tranded
b
reak (
DSB
).
Do bức xạ ion hóa xảy ra nhanh, gây một số gốc hóa học bị rớt ra. Liên kết chéo – Có thể 2 gốc kiềm liên kết với nhau:
Trên cùng sợi DNA ("intrastrand") hoặc Trên 2 sợi DNA với nhau ("interstrand").
Một vài loại thuốc trị ung thư được sử dụng có tác dụng liên kết chéo DNA.
Hậu quả của tổn thương DNA
Gây đột biến gen do ROS/RON dẫn đến ung thư theo các cơ chế sau đây: 1.Làm thay đổi cấu trúc gốc kiềm trong DNA, thay đổi trình tự, mất đi trật tự cũ, lồng vào trình tự mới hoặc kéo dài chuỗi ra.
2.Ảnh hưởng lên nguyên sinh chất tế bào và truyền tín hiệu lệch lạc cho nhân tế bào.
3.Hoạt động điều chỉnh tổng hợp protein và gen để đáp ứng lại stress không còn như là 1 gen bình thường (gen điều hòa biệt hóa và chết đi theo lập trình – apoptosis.
Quá trình oxy hóa xảy ra ở đâu?
Trong ty lạp thể (Mitochondria) nhiều hơn ở trong nhân DNA Trong trong nội bào, điện tử trong Mitochondrial hóa ROS chuyển vận tạo thành gốc tự do kiểu phản ứng oxy Phòng bằng cách giảm thấp tiêu thụ năng lượng hoặc tìm cách ức chế gốc tự do.
Fe và Cu có liên quan kích thích phản ứng oxy hóa ROS để tạo gốc tự do.
Scientific American, Dec. 1992 Membranes Enzymes
Các kiểu oxy hóa khác nhau trong cơ thể
Phân nửa cuộc sống là các kiểu phản ứng oxy hóa, phân nửa còn lại là các kiểu chống oxy hóa để bảo vệ cơ thể mà cho đến nay người ta vẫn chưa hiểu một cách đầy đủ các kiểu chống oxy hóa trong cơ chế phòng thủ của cơ thể.
Phản ứng oxy hóa cao nhất, nhiều nhất và rộng lớn nhất là phản ứng với gốc
hydroxyl radical
; phản ứng này bị giới hạn ở một số vị trí phát sinh trong tế bào. Ngược lại một số gốc
peroxyl radicals
tương đối ổn định hơn gốc oxy
hydroxy
, được coi là chất oxy hóa thứ nhì. Những phân tử này được chuyển đến một số vi trí để hóa các polymer hữu cơ trong cơ thể.
Stress oxy hóa
Là sự không cân bằng giữa quá trình oxy hóa và quá trình chống oxy hóa, có xu hướng nghiêng về quá trình oxy hóa, từ đó gây thương tổ tế bào cơ thể – sự mất cân bằng này được gọi là “stress oxy hóa”.
Chống oxy hóa (Antioxidant) là quá trình phòng thủ, nó được tiến hành bởi 2 con đường chống oxy hóa: Bằng enzym (enzymatic) và Không enzym (non-enzymatic).
Chiến lược tự nhiên trong phòng ngừa, ngăn chặn và sửa chữa lỗi
1. Chiến lược phòng ngừa
Enzyme Cytochrome oxidase
chống các gốc tự do: , mang đi nhiều nhất sự khử oxygen tế bào, nó không giải phóng superoxide hoặc các gốc tự do khác. Những enzyme có vai trò Cytochrome oxidase (Fe và Cu).
Superoxide dismutase (có chứa Zn and Cu).
Cấu trúc 3 chiều của enzym “Ribonucleotide reductase” giữ được đặc tính của chức năng tyrosyl trong sub-unit B.
Sự chelat hóa ion kim loại có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát peroxid, hàn gắn lại lipid và DNA khi bị tổn thương. Theo đó, protein gắn ion kim loại như: ferritin, transferrin, coeruloplasmin và những cái khác, vi dụ như metallothionein, có vai trò trung tâm trong sự kiểm soát các gốc tự do.
1. Chiến lược phòng ngừa (tt.)
Bảo vệ tế bào tránh sự tấn công của các gốc tự do có thể bởi các sắc tố đặc biệt, ví dụ như melanin có thể tránh được bức xạ tử ngoại, hoặc các sắc tố thuộc carotenoid có thể loại trừ điện tử tự do như đối với oxygen nguyên. Nhưng điều này không phải là chiến lược phòng ngừa hoàn thiện.
Lớp tế bào màng nhầy ruột có phản ứng với hợp chất trung gian và những chất lạ xâm nhập, nó tích tụ sản phẩm oxy hóa có hại ở đây, không cho nó tấn công vào các tế bào khác gây thương tổn tế bào. Sau đó cơ thể loại trừ nhiễm các gốc tự do ra khỏi cơ thể.
2. Chiến lược ngăn chặn
Sự phòng thủ chống oxy hóa của cơ thể được thực hiện bởi 2 cơ chế sau đây: Bằng cơ chế không enzym (non-enzymatic). Bằng cơ chế enzym phân giải gốc tự do (Enzymatic), Thông thường khi oxy hóa một hợp chất từ pha kỵ nước sang pha ưa nước. Như vậy một hợp chất kỵ nước nằm trong màng lipoprotein của tế bào sau khi bị oxy hóa sẽ đi vào pha nước trong nguyên sinh chất.
Những chất chống oxy hóa phá vỡ phản ứng trong pha nước phổ biến nhất là những hợp chất phenolic. Ngược lại (R,R,R)-a Tocopherol là những hợp chất có tác dụng chống oxy hóa trong pha lipid.
Điều kiện để che chắn oxy hóa có hiệu quả là những hợp chất chống oxy hóa phenolic. Trong môi trường nước có rất nhiều phản ứng xảy ra, do đó chống oxy hóa pha nước phải được thực hiện thường xuyên.
2.1. Ngăn chặn bằng chất chống oxy hóa không phải enzyme No – enzymatic
Trong pha lipid, tocopherol và carotene chống oxy hóa bằng cách nó bị oxy hóa để biến thành oxy-carotenoid, hay tạo nên một dạng khác như là vitamin A và ubiquinol để khử gốc tự do.
Trong pha nước thì ascorbate, glutathione và một số hợp chất khác chống oxy hóa sẽ bị oxy hóa để trung hòa gốc tự do.
Thêm vào đó, cytosol, nuclear và mạng lưới ma trận mitochondrial, và dịch ngoại bào cũng có tác dụng chống oxy hóa bảo vệ tế bào.
Các chất chống oxy hóa không phải enzyme phần lớn có nguồn gốc từ thức ăn.
2.1. Bổ sung chất chống oxy hóa trong khẩu phần ăn hằng ngày
Chất chống oxy hóa trong khẩu phần ăn hằng ngày có ý nghĩa rất quan trọng việc kiểm soát ngăn chặn thương tổn tế bào do các gốc tự do gây nên.
Còn nhiều vấn đề cần phải làm sáng tỏ là bổ sung như thế nào, bao nhiêu. Chúng ta có thể biết được nếu bổ sung một lượng rất lớn mega-dose chất chống oxy hóa cũng sẽ có hại, có xu hướng gây độc do tác dụng tương hỗ. Nên nhớ rằng bản thân các chất chống oxy hóa có thể phản ứng lẫn nhau khi hàm lượng cao – người ta gọi đó là phản ứng tiền oxy hóa (pro-oxidants).
Vì lẽ đó, trong thực phẩm thuốc hay thực phẩm chức năng, cần có những hướng dẫn liều lượng sử dụng.
Hướng dẫn liều sử dụng và liều độc hại của các chất chống oxy hóa Antioxidant RDA (adults) Upper Level (adults) Comment Vitamin E
15 mg
Vitamin C
Women: 75 mg Men: 90 mg 1,070 mg natural vitamin E Liều cao làm suy giảm khả năng đông máu, tăng sự chảy máu, xuất huyết 785 mg synthetic vitamin E 2,000 mg Higher amounts could lead to diarrhea and other GI disturbances. Extremely high levels may lead to cancer , atherosclerosis , and kidney stones .
Beta carotene
None None Liều cao lâu dài có thể đưa đến vàng da, nhưng không độc. Nhưng một số nghiên cứu cho biết Với liều cao, cần nhiều vitamin khác điều chỉnh
Selenium
55 micrograms 400 micrograms Liều cao có thể gây rụng tóc, nổi mẫn phát ban, mệt mõi, rối loạn đường tiêu hóa, không bình thường hệ thống thần kinh.
Antioxidant trong phòng ngừa ung thư
NHỮNG KHUYẾN CÁO TRONG PHÒNG NGỪA UNG THƯ (Federation of Obstetric & Gynaecological Societies of India) Chất chống oxy hóa (Antioxidant) Vitamin ‘A’ Liều chấp nhận hàng ngày (RDA) 5000 IU Liều khuyến cáo 12,500 IU Mức có thể gây độc cho cơ thể Ăn kéo dài 125.000 IU Những trường hợp làm tăng nhu cầu.
Hút thuốc lá Vitamin ‘E’ 10-20 IU Vitamin ‘C’ 60 mg Selenium Chưa có 200-800 IU 1000 mg 50-200 mg >1.200 IU Không đáng kể / 1-2Gm >200mg Ăn nhiều PUFA, hút thuốc lá Stress, OCP, hút thuốc lá Tuổi già, ăn nhiều PUFA, hút thuốc, nhiễm kim loại nặng •http://www.obgyn.net/educational-tutorials/panda17/freeradicals.ppt
2.2. Ngăn chặn sự oxy hóa bằng enzym (Enzymatic)
Những chất chống oxy hóa có khối lượng phân tử nhỏ (ví dụ như Vitamin E) nó chỉ có ý nghĩa phòng thủ khi có các enzyme cùng hoạt động. Vì vậy chống oxy hóa bằng enzym có vị trí bao trùm trong hệ thống chống oxy hóa của cơ thể. Đó là những enzym sau đây: superoxide dismutase, catalase và glutathione peroxidase
“Hòa nhạc” của những enzym chống oxy hóa
Superoxide dismutase glutathione peroxidase
Nh
ư
̃ng enzym chống oxy hóa
(A
ntioxidant
E
nzymes)
Những enzym chống oxy hóa là những protein với tính năng chống oxy hóa. Hiện tại người ta biết rõ 3 loại enzym chống oxy hóa sau đây: • Superoxide dismutase (SOD) • Catalase (CAT) • Glutathione peroxidase (GPX) Tất cả chúng có cấu trúc là protein. Thông thường ở tế bào ung thư có mức rất thấp enzym này, khi so sánh nó với tế bào bình thường.
P
rimary
A
ntioxidant
E
nzyme
S
ystem
SOD: Superoxide dismutase CAT: Catalase GPX: Glutathione peroxidase
SOD
Link Videp clip 1
Superoxide dismutase là loại enzym oxy hóa khử (oxidoreductase), Hội đồng enzym đặt tên cho nó là EC1.15.1.1.
SOD là loại enzym có chứa kim loại (metalloenzyme), có ý nghĩa trong việc phá hủy gốc tự do O 2 để tạo ra H 2 O 2 chuyển cho enzym catalase (CAT) để phân giải thành H 2 O Cu ++ Cu + + O 2 · + O 2 · → Cu + 2H + + + O → Cu 2 ++ 2 O 2 · + 2H + → H 2 O 2 + O 2 + H 2 O 2
Sửa chữa (Repair)
link video clip 2
Từ quá trình phòng ngừa và chặn đứng chưa có hiệu quả đầy đủ, những sản phẩm hư hỏng không tốt có thể tích tụ. Hệ thống enzym phức tạp tiếp tục tiến hành sửa chữa.
DNA được sửa chữa và khả năng của enzym lipolytic cũng như proteolytic sẽ thực hiện được chức năng phục hồi hoặc làm đầy đặng những phần mất mát.
Khái niệm về sự chống oxy hóa bên ngoài và sự chống oxy hóa bên trong cơ thể.
1 . Sự chống oxy hóa bên ngoài: Phần lớn người ta ứng dụng trong việc bảo quản thức ăn tránh sự oxy hóa làm hư hại các hoạt chất sinh học, nhất là các vitamin, acid béo chưa no. Thực chất của quá trình này là sự cướp oxy bởi các chất chống oxy hóa, hoặc nó lái phản ứng oxyhóa theo sự xúc tác sinh học.
2 . Sự chống oxy hóa bên trong, phần lớn các quá trình oxy hóa xảy ra trong cơ thể là do các peroxyd, hay còn gọi gốc tự do FR vào bên trong cơ thể, oxy hóa phá hủy các màng tế bào gây hoại tử thoái hóa tổ chức. Vậy chống oxy hóa bên trong thực chất là sự tiêu diệt các peroxyd hiện diện trong cơ thể.
3 . Sự lão hóa tế bào, sự phát triển không kiểm soát được của tế bào ung thư đều có căn nguyên sâu xa từ các gốc tự do RF trong cơ thể gây ra.
Cơ chế chống oxyhóa bên ngoài với BHA được áp dụng để bảo vệ thức ăn chống lại sự oxyhóa của oxy OCH 3 C(CH 3 ) 3+ R BHA Free Radical OH OCH 3 C(CH 3 ) 3+ RH O
Vitamin E có vai trò chống oxyhóa rất mạnh vừa chống bên ngoài vừa chống cả bên trong cơ thể CH 3 HO H 3 C CH 3 O CH 3 CH 3 CH 3 OH CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 3 * O H 3 C CH 3 O CH 3 CH 3 CH 3 OH CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 3
4 6 8 10 12 Hàm lượng chất chống oxy hóa (ppm) nên có để bảo quản thức ăn có mức chất béo và thời gian trử thức ăn khác nhau.
Thời gian trử (tuần) 0 1 2 Hàm lượng chất béo có trong thức ăn (%) 3 4 5 6 7 8 9 10 2 0 40 60 80 100 120 120 120 120 120 120 0 0 0 0 0 40 60 70 80 90 110 130 130 130 140 140 140 100 120 140 140 140 160 160 160 80 90 110 130 150 150 150 180 180 180 90 100 120 140 160 160 170 180 180 180 100 110 130 150 170 170 180 180 180 185
Hàm lượng vitamin E (UI/kgTĂ) tối thiểu nên có trong KP thức ăn để bảo vệ màng tế bào tránh khỏi sự tấn công của các peroxyd. Vitamin E và Se là nhân tố quan trọng chống bệnh trắng cơ và rỉ nước quầy thịt.
Loài thú Heo Gia cầm Mức chất béo %trong khẩu phần 3% 15 30 4% 20 35 5% 25 40 6% 30 45 Để bảo vệ acid béo chưa no trong cơ thể chống lại sự oxyhóa màng tế bào, cứ tăng lên 1% chất béo phải cộng thêm 5 UI vitamin E với nhu cầu tối thiểu ở mức 3% chất béo trong KP.
Hậu quả của sự oxy hóa acid béo là peroxyd sinh ra nhiều trong thức ăn gây thiếu hụt vitamin E và tăng nhu cầu Selenium. Nếu khẩu phần có giới hạn vitamin E và Selenium thì sẽ gây ra sự thoái hóa hoại tử cơ. Bệnh trắng cơ (White muscle disease)
Cơ đùi bị teo và có nhiều sợi hoại tử trắng, biểu hiện triệu chứng thiếu vitamin E và Selenium
Phản ứng oxyhóa tự nhiên và trong cơ thể Video Clip 1: Cơ chế hình thành gốc tự do trong cơ thể Video Clip 2: Tác hại của gốc tự do đối với cơ thể
Chẩn đoán phát hiện những thương tổn tế bào do quá trình oxy hóa gây ra
Những Biomarkers-1
1.
Sự peroxid lipid (Lipid Peroxidation):
Sự xuất hiện của 8-epi-prostaglandin PGF2a (8-epi PGF 2a) trong huyết tương hoặc nước tiểu như là chỉ số báo hiệu sự sản sinh gốc tự do trong quá trình oxy hóa chất bé́o trong xét nghiệm in vivo. Những bằng chứng rất mạnh mẽ trong những nghiên cứu trên động vật cho thấy: chất 8-epi-PGF2a tăng lên trong huyết tương và nước tiểu là kết quả của quá trình stress oxy hóa, trên người nhận thấy chỉ tiêu này tăng lên đối với những người hút thuốc lá. So sánh với sự đo lường quá trình peroxid hóa lipid cũng cho kết quả là chất 8-epi-PGF2a là sản phẩm đặc biệt của quá trình này, nó rất ổn định. Vì lẽ đó, người ta đo lường chỉ tiêu này để xác định tình trạng oxy hóa chất béo.
Những Biomarkers-2
2. Sự oxy hóa protein (Protein Oxidation):
Sự tổn thương do quá trình oxy hóa có thể ảnh hưởng đến nhiều loại protein, trong đó đặc biệt là những dẫn xuất protein carbonyl, với nhiều cơ chế khác nhau, quá trình này tạo ra những mãnh vở của protein và một số dạng oxy hóa acid amin. Sự oxy hóa protein tạo ra nhiều ảnh hưởng độc hại làm ảnh hưởng đến chức năng bình thường của protein trong cơ thể sinh vật.
Chất 2-Oxohistine và nitrotyrosine là những chỉ thị cho quá trình oxy hóa protein. Nó được tạo ra bởi gốc peroxyl và peroxynitrite.
Những Biomarkers-3
Sự tổn thương DNA (DNA damage):
Gốc tự do oxygen thường tấn công DNA ở vị trí liên kết 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine.
Có rất nhiều tài liệu xuất bản thông báo rằng: tuổi càng già thì sản phẩm của quá trình hư hỏng DNA tăng lên, các sản phẩm này gọi là các adducts, nó xuất hiện nhiều trong não người già.
Phòng thí nghiệm Brunswick đã phát triển phương pháp đo adduct này, chất 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine trong nước tiểu bằng sắc ký khối phổ LC/MS.