Gốc tự do và sự Oxy hóa cơ thể

1. Các gốc tự do là gì ?

Các gốc tự do là một nguyên tử hoặc một phân tử chứa electron độc thân. Electron thông thường tồn tại theo cặp để đạt trạng thái ổn định, những gốc tự do chứa electron độc thân thường không ổn định và có xu hướng làm mất hoặc lấy electron từ những nguyên tử và phân tử gần đó.

Các phân tử được tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau bằng cách chia sẻ electron với nhau. Loại liên kết này được gọi là liên kết cộng hóa trị. Trong hầu hết trường hợp, chỉ electron ở lớp ngoài cùng sẽ dùng liên kết cộng hóa trị. Lớp vỏ electron ngoài cùng của nguyên tử được biết là vỏ hóa trị, và electron xung quanh đó được gọi là electron hóa trị.

Biết được có bao nhiêu electron hóa trị của một nguyên tử rất quan trọng, bởi vì nó nói với chúng ta có bao nhiêu liên kết hóa trị mà nguyên tử đó có thể tạo.

Hầu hết các nguyên tử đều cố gắng đạt 8 eclectron hóa trị. Ví dụ, oxy có sáu electron hóa trị, vì vậy nó cố tạo hai liên kết đồng hóa trị để đạt 8 electron. ( ngoại trừ hydro và heli, chúng chỉ cần 2 electron hóa trị, do vậy hydro sẽ chấp nhận 1 liên kết, còn heli sẽ tránh xa các liên kết khác).

Các nguyên tử thích có các electron đi theo cặp vì nó làm cho nguyên tử ổn định hơn một chút. Nên với những nguyên tử có lẻ electron hóa trị trước khi nghĩ đến việc đạt 8 electron thì chúng cần thêm 1 electron để đạt sự ổn định trước.

Nếu bạn đang tìm kiếm một phân tử gốc tự do, chứ không phải là một nguyên tử, nó có nghĩa là các nguyên tử đã liên kết theo một cách để lại một phần của phân tử với một số lẻ của các điện tử.

Ví dụ, gốc tự do hydro (OH.) , oxy liên kết với hydro, nó khiến electron hóa trị của oxy tăng từ 6 lên 7 và hydro tăng từ 1 electron hóa trị thành 2. Mặc dù hydro rất hạnh phúc nhưng oxy thì không và tạo ra một phân tử là gốc tự do.

2. Chuỗi phản ứng gốc tự do

Các nguyên tử với lớp vỏ hóa trị còn trống sẽ tiếp tục các liên kết hóa trị, đây là điều chắc chắc. Nhưng các nguyên tử và phân tử với một electron độc thân sẽ sẵn sàng ” đốt cháy cả ngôi làng” để đạt số lượng chẵn bởi vì chúng tuyệt vọng và muốn sự ổn định.

Trên thực tế, các gốc tự do rất tuyệt vọng để ghép đôi các electron đến mức chúng sẽ ăn cắp một nguyên tử của một phân tử để thu thập các electron.

3. Quá trình oxy hóa cơ thể ( Oxidative stress )

Quá trình Oxy hóa lấy tên từ phương pháp sử dụng các gốc tự do để phá vỡ các phân tử khác và lấy nguyên tử của chúng_chúng oxy hóa.

Oxy hóa là một phản ứng hóa học, trong đó một phân tử bị mất một electron bởi một chất oxy hóa, thường là lấy một nguyên tử oxy để thay thế cho điện tử mất tích của nó (do đó, gốc tự do là chất oxy hoá).

Nếu các gốc tự do thành công trong việc lấy một nguyên tử ra khỏi phân tử , chúng sẽ để lại một phân tử với một electron độc thân và biến nó thành một gốc tự do mới. Các gốc tự do mới sẽ cố gắng làm tương tự như vậy với các phân tử khác. Nó tạo thành một hiệu ứng domino. Và, bạn biết đấy, các tế bào của chúng ta được cấu thành từ những nguyên tử và phân tử, phản ứng dây chuyền này có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng.

4. Lipid Peroxidation

Lipid là một chuỗi dài hydrocarbon. Carbon có bốn electron hóa trị, có nghĩa nó có thể có tối đa 4 liên kết mới để tạo thành 8 electron. 
Trong chất béo bão hòa, bốn chỗ electron này được lấp đầy bởi hai nhóm carbon lân cận ở hai bên cùng với hai nguyên tử hydro. Carbon ở cuối chuỗi sẽ chỉ có một carbon lân cận và có thêm 1 nguyên tử hydro nữa ( tức là liên kết với 3 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử carbon). Với cách này mỗi nguyên tử carbon sẽ có đủ 8 electron.

Chuỗi hydrocarbon chưa bão hòa. Trong chất béo không bão hòa, một cặp carbon lân cận sẽ chia sẻ 2 electron với nhau thay vì một. Liên kết này gọi là liên kết đôi. Acid béo chưa bão hòa, nhất là acid chứa nhiều liên kết đôi ( liên kết đôi làm cho chúng không bão hòa) dễ bị hư hại bởi gốc tự do hơn là hợp chất bão hòa. Và thật không may, cơ thể chúng ta là một nguồn dồi dào acid chưa bão hòa.

Có một liên kết đôi ở giữa chuỗi có nghĩa nguyên tử carbon chỉ có một nguyên tử hydro lửng lơ một bên, nguyên tử hydro này rất dễ bị ăn trộm.

Vì vậy các gốc tự do sẽ lấy một nguyên tử hydro ra khỏi chuỗi. Gốc tự do với nguyên tử hydro vừa mới lấy cắp có thể đã hình thành một phân tử H₂O và để lại một chuỗi acid béo bị thiếu mất một nguyên tử hydro. Nguyên tử carbon trong chuỗi hiện nay chỉ có 7 electron biến chuỗi acid béo thành acid béo gốc tự do.

Acid béo không thích trở thành gốc tự do, vì vậy nó sẽ hoảng sợ và lấy đi O₂. Thay thế nguyên tử hydro thành oxy nghĩa là nó chỉ bị oxy hóa. Nhưng khi O₂ liên kết với carbon, một trong 2 nguyên tử oxy sẽ chứa 7 electron hóa trị. Vì vậy, phân tử của chúng ta vẫn là một gốc tự do. Hiện giờ nó là gốc tự do lipid peroxyl.

Bây giờ gốc tự do lipid peroxyl sẽ lấy hydro từ một acid béo khác và trở thành gốc OOH ( gốc OOH được gọi là peroxidation) , gốc lipid peroxyl bây giờ là lipid hydroperoxide. Còn acid béo vừa bị lấy mất hydro lại trở thành acid béo gốc tự do mới. Quá trình lại lặp lại với các acid béo khác.

Bạn có thể nhìn thấy quá trình này khi mua một miếng thịt tươi và để nó tiếp xúc với không khí. Miếng thịt được tiếp xúc với oxy và không còn các tế bào sống để ngăn chặn các gốc tự do, nó cho phép các gốc tự do dễ dàng oxy hóa các chất béo trong thịt và làm nó bị ôi.

Hãy nghĩ về điều này, quá trình oxy hóa khiến bã nhờn và các tế bào của bạn bị ôi.

5. Liên kết chéo protein

Liên kết chéo là liên kết giữa các polymer. Polymer là một chuỗi các phân tử kéo dài và lặp lại. Protein (chất tạo nên tế bào) là các polymer_chúng là các chuỗi amino acid dài và lặp lại.

Khi một gốc tự do bắt được một nguyên tử ra khỏi một protein, nó buộc nạn nhân phải thay thế nguyên tử bị mất bằng cách liên kết với protein bên cạnh. Sự liên kết chéo này giống như bạn lấy những sợi dây và đan chúng thành chăn vậy.

Đã bao giờ bạn để ý những sợi nịt cao su sẽ trở nên cứng và giòn qua thời gian ? Đó là bởi các gốc tự do, không khí và sức nóng tác động lên những polymer khiến chúng liên kết chéo với nhau.

Collagen cũng giống như các sợi cao su. Nếu các protein collagen liên kết với nhau, làn da của bạn sẽ bị mất đi sự đàn hồi và sự mềm dẻo.

6. Liên kết chéo DNA

DNA là một polymer, điều đó có nghĩa là nó dễ bị ảnh hưởng bởi các liên kết chéo với toàn bộ các protein khác trong cơ thể. DNA có thể liên kết chéo trong cùng sợi hoặc các sợi đối diện. Đó là điều mà bạn không mong muốn xảy ra.

Các tế bào ảnh hưởng bởi DNA liên kết chéo sẽ phải chết.

Do đó quá trình oxy hóa (Oxidative stress) liên quan đến sự phát triển của rất nhiều loại bệnh,nó là nguồn gốc của sự lão hóa và hơn 100 bệnh tật nguy hiểm bao gồm các bệnh về não, mắt, da, hệ miễn dịch, tim, mạch máu, phổi, thận, đa cơ quan và khớp.

Số lượng của gốc tự do tích lũy theo tuổi và tác hại ngày càng nghiêm trọng. Dù vậy, ngay từ khi sinh ra, cơ thể con người đã phải đối mặt với gốc tự do. Tuổi tác ngày càng tăng thì số lượng gốc tự do cũng không ngừng sản sinh, tấn công vào nhiều bộ phận của cơ thể. Đáng chú ý, khi cuộc sống căng thẳng cũng là lúc “đội quân” gốc tự do “thừa cơ” gia tăng nhanh chóng, thúc đẩy sự lão hóa và làm các bệnh lý sớm phát triển. Ước tính, mỗi tế bào phải hứng chịu khoảng 10.000 gốc tự do tấn công mỗi ngày. Vì vậy, trong cuộc đời của một người sống tới 70 tuổi, thì có chừng 17 tấn gốc tự do được tạo ra.

7. Gốc tự do đến từ đâu ?

Khi tế bào chuyển hóa năng lượng. Oxy là một yếu tố không thể thiếu cho cuộc sống. Khi các tế bào sử dụng oxy để tạo ra năng lượng, các gốc tự do được tạo ra như là hệ quả của sản xuất ATP (adenosine triphosphate) bởi các ty thể. Các sản phẩm phụ là nhóm hoạt chất gốc tự do oxy ( ROS) cũng như nhóm hoạt chất gốc tự do nitơ (RNS) _là kết quả của quá trình sự khử tế bào. Các gốc tự do sinh ra trong quá trình này là sản phẩm phụ tự nhiên.

Tuy nhiên những sản phẩm này có tính hai mặt có hại và có lợi. Sự cân bằng giữa hai mặt tác động này rất quan trọng với sự sống. Mức ROS và RON thấp sẽ ảnh hưởng tích cực đến tế bào và chức năng miễn dịch. Ở mức cao, nó sẽ gây ra quá trình oxy hóa (oxidative stress) _một quá trình có hại làm hỏng tất cả cấu trúc tế bào.

Các nguyên nhân tạo nên gốc tự do

• Tiếp xúc với các bức xạ
• Tiếp xúc với ô nhiễm môi trường.
• Tiêu dùng thuốc lá, thuốc và rượu.
• Chế độ ăn nghèo nàn bao gồm chất béo không lành mạnh, quá nhiều đường, thuốc trừ   sâu, thuốc diệt cỏ hoặc các chất phụ gia tổng hợp. Thực phẩm chế biến và tinh chế có chứa chất béo bị oxy hoá. Số lượng đường và chất làm ngọt quá mức là những nguồn các gốc tự do khác góp phần làm lão hóa, tăng cân và viêm
• Tập thể dục quá độ cũng gây ra các gốc tự do.
• Căng thẳng tâm lý cũng gây ra các gốc tự do.