Nhiều người thường chi hàng triệu đồng cho các loại viên uống bổ sung với niềm tin rằng nếu không nạp chất chống oxy hóa từ bên ngoài, tế bào sẽ nhanh chóng bị tàn phá và lão hóa. Nỗi lo lắng này bắt nguồn từ quan niệm phổ biến cho rằng cơ thể hoàn toàn bị động trước sự tấn công của các gốc tự do.

Thực tế, cơ thể con người không hề bất lực mà sở hữu một mạng lưới phòng thủ nội sinh vô cùng tinh vi, có khả năng tự sản sinh các enzyme chống oxy hóa mà không cần phải bổ sung trực tiếp từ các sản phẩm bên ngoài [1], [2]. Hệ thống enzyme tự thân này hoạt động bền bỉ từng giây để bảo vệ màng tế bào, DNA và duy trì trạng thái cân bằng sinh học của chúng ta [1], [3].

Cơ thể tự bảo vệ trước gốc tự do như thế nào?

Các gốc tự do hay các dạng oxy phản ứng (ROS) được tạo ra liên tục trong quá trình chuyển hóa tự nhiên của tế bào [4], [2]. Nếu không được kiểm soát, độc tính của chúng sẽ gây tổn hại lớn và liên quan đến hơn 60 tình trạng bệnh lý khác nhau, bao gồm bệnh thoái hóa thần kinh, tim mạch, đột quỵ, xơ vữa động mạch, tiểu đường, ung thư và tiến trình lão hóa [4], [3].

Để chống lại sự tấn công này, cơ thể người đã tiến hóa một hệ thống phòng thủ hiệu quả bao gồm cả các thành phần enzyme và phi enzyme phối hợp nhịp nhàng với nhau [4], [1]. Trong đó, hệ thống enzyme nội sinh giữ vai trò tuyến phòng thủ đầu tiên, trực tiếp vô hiệu hóa và biến đổi các gốc tự do nguy hại thành các chất ít độc hại hơn [2], [5].

Mạng lưới phi enzyme nội sinh cũng góp mặt với các phân tử tự sinh như glutathione, melatonin, axit uric, albumin và bilirubin [1], [6]. Hệ thống phòng ngự này có cơ chế điều hòa chuẩn xác: nồng độ ROS cơ bản được duy trì ở trạng thái ổn định thông qua cơ chế điều hòa ngược giữa hoạt tính enzyme và nồng độ cơ chất [1].

"Bộ ba quyền lực" enzyme nội sinh: SOD, Catalase và GPx

Đứng đầu tuyến phòng ngự chống oxy hóa nội sinh là ba loại enzyme chủ chốt: Superoxide Dismutase (SOD), Catalase (CAT) và Glutathione Peroxidase (GPx) [1], [2]. Ba enzyme này vận hành như một dây chuyền xử lý rác thải độc hại khép kín trong từng ngăn tế bào [1], [2].

Nhiệm vụ đầu tiên thuộc về enzyme SOD, một metalloenzyme chịu trách nhiệm chuyển đổi gốc tự do superoxide nguy hiểm thành hydrogen peroxide (H2O2) và oxy phân tử [4], [2]. Ở động vật có vú, họ enzyme SOD gồm ba dạng đồng phân được mã hóa bởi các gen cụ thể: SOD1 (Cu/Zn-SOD trong tế bào chất, mã hóa trên nhiễm sắc thể 21), SOD2 (Mn-SOD trong ty thể, mã hóa trên nhiễm sắc thể 6) và SOD3 (EC-SOD ngoại bào, mã hóa trên nhiễm sắc thể 4) [2]. Ngoại bào SOD là một enzyme dạng tetramer có khối lượng phân tử lớn, hiện diện ở huyết tương, bạch huyết và dịch khớp [3].

Mặc dù hydrogen peroxide do SOD tạo ra ít phản ứng hơn superoxide, nhưng sự tích tụ của H2O2 lại là mối nguy hại lớn [2], [6]. Khi có mặt ion sắt (Fe2+), H2O2 sẽ nhanh chóng biến đổi qua phản ứng Fenton thành gốc hydroxyl (OH) cực kỳ độc hại [2], [5]. Lúc này, Catalase và GPx sẽ lập tức tiếp quản để ngăn chặn quá trình nguy hại này [2].

Catalase là một protein tetramer gồm bốn tiểu đơn vị mang nhóm ferriprotoporphyrin, được mã hóa bởi gen ctt1 trên nhiễm sắc thể 11 và sử dụng đồng phân sắt hoặc mangan làm cofactor [2]. Catalase tập trung chủ yếu trong các peroxisome, thực hiện phân giải nhanh chóng H2O2 thành nước (H2O) và oxy phân tử (O2) [1], [2]. Tuy nhiên, vì Catalase vắng mặt trong ty thể, nên Glutathione Peroxidase (GPx) sẽ đảm nhận vai trò chuyển đổi H2O2 thành nước và biến đổi lipid peroxide thành rượu tại ty thể và các khu vực khác [2]. GPx sử dụng glutathione dạng khử (GSH) để khử H2O2, tạo thành glutathione dạng oxy hóa (GSSG), sau đó GSSG được enzyme glutathione reductase (GR) tái tạo lại thành GSH tạo nên một chu trình tuần hoàn năng động [1].

Bằng chứng khoa học về sự phối hợp giữa các enzyme

Sự phối hợp cân bằng giữa SOD, Catalase và GPx là yếu tố sống còn quyết định sự an toàn của tế bào [7]. Khi một mắt xích trong chuỗi bị gián đoạn, tế bào có thể rơi vào tình trạng ngộ độc thứ cấp do tích tụ các sản phẩm chuyển hóa trung gian [7].

Một nghiên cứu công bố năm 2002 trên tế bào gan chuột nuôi cấy sơ cấp đã chứng minh rõ cơ chế phối hợp này khi thử nghiệm độc tính của thuốc ức chế miễn dịch Cyclosporine A [7]. Khi cho tế bào gan tiếp xúc với Cyclosporine A, các nhà khoa học ghi nhận sự gia tăng biểu hiện và hoạt tính của MnSOD và CuZnSOD, nhưng hoạt tính của Catalase và GPx lại không hề tăng lên [7]. Tình trạng mất cân bằng giữa SOD và Catalase/GPx này là nguyên nhân chính khiến H2O2 tích tụ quá mức, gây quá trình peroxy hóa lipid và làm chết tế bào gan [7]. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có sự can thiệp đưa hệ thống enzyme này trở lại trạng thái phối hợp đồng bộ, tế bào mới được bảo vệ an toàn trước gốc tự do [7].

Tuy đóng vai trò như lá chắn mạnh mẽ, bản thân các enzyme nội sinh cũng có thể bị tổn thương bởi các tác nhân oxy hóa đặc biệt [8]. Một nghiên cứu công bố năm 2001 đã chứng minh rằng khi tiếp xúc với oxy đơn phân tử (singlet oxygen) sinh ra từ chất nhuộm nhạy quang như methylene blue hoặc rose bengal dưới ánh sáng khả kiến, cả SOD và Catalase đều bị biến tính oxy hóa [8]. Hậu quả là các enzyme này bị mất hoạt tính, phân mảnh chuỗi peptide, tích tụ nhóm carbonyl và dễ bị phân hủy bởi protease, dẫn đến phá vỡ hàng rào chống oxy hóa và chuyển tế bào sang trạng thái tiền oxy hóa nguy hại [8].

Chính vì vậy, cơ thể duy trì hai phương thức hoạt động song song: chế độ phòng ngừa nhằm ngăn tạo gốc tự do, cô lập ion kim loại, dập tắt oxy đơn phân tử; và chế độ thu dọn gốc tự do để bẻ gãy chuỗi phản ứng phá hủy sinh học [6].

Mối liên hệ đáng kinh ngạc giữa enzyme nội sinh và tuổi thọ

Nghiên cứu trên tế bào hồng cầu và huyết tương người cho thấy gan là cơ quan sở hữu hàm lượng enzyme SOD đặc biệt cao [5]. Điều thú vị là nồng độ SOD trong tế bào tính theo mức độ hoạt động trao đổi chất được xem là một chỉ số dự đoán tuổi thọ rất chính xác giữa các loài động vật [5].

Số liệu nghiên cứu cho thấy phần lớn các loài thú chỉ có mức tiêu hao năng lượng trọn đời đạt 200.000 calo trên mỗi gram trọng lượng cơ thể, trong khi con người đạt mức đáng kinh ngạc lên tới 800.000 calo trên mỗi gram [5]. Con người có mức dự trữ SOD tính trên tốc độ trao đổi chất cao nhất trong số tất cả các loài sinh vật từng được nghiên cứu [5]. Nhờ năng lực phòng thủ nội sinh vượt trội này, mức độ tổn thương oxy hóa trên DNA ở loài chuột cao gấp 10 lần so với ở người [5]. Tuổi thọ tối đa của sinh vật có mối tương quan chặt chẽ với tốc độ sản sinh gốc tự do thấp hơn kết hợp cùng tốc độ sửa chữa DNA cao hơn [5].

Bên cạnh đó, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các dạng đa hình di truyền liên quan đến gen của các enzyme chống oxy hóa có ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ tổn hại DNA và khả năng phòng vệ của từng cá thể trước nguy cơ bệnh tật [3].

Ba hiểu lầm phổ biến về hệ thống chống oxy hóa

Hiểu lầm thứ nhất là uống trực tiếp enzyme SOD có thể giúp trẻ hóa cơ thể thần kỳ. Thực tế khoa học chỉ ra việc ứng dụng lâm sàng trực tiếp của SOD bị hạn chế rất lớn do thời gian bán thải sinh học trong cơ thể cực kỳ ngắn, kèm theo kích thước phân tử quá cồng kềnh khiến enzyme này khó có thể xâm nhập qua màng tế bào [4]. Để khắc phục nhược điểm này, giới khoa học hiện nay phải nghiên cứu tổng hợp các phức chất đồng mô phỏng sinh học cấu trúc của SOD thay vì dùng trực tiếp enzyme tự nhiên [4].

Hiểu lầm thứ hai là cần phải tiêu diệt hoàn toàn mọi gốc tự do trong cơ thể. Các nhà khoa học lưu ý rằng ở nồng độ sinh lý thấp, H2O2 không phải chất độc mà đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu tăng sinh tế bào, điều hòa quá trình chết tế bào theo chương trình, duy trì chức năng ty thể và cân bằng thiol-redox [2]. Do đó, mục tiêu của hệ thống nội sinh là duy trì nồng độ ROS ở mức tối ưu chứ không phải triệt tiêu hoàn toàn [2], [6].

Hiểu lầm thứ ba là cơ thể tự tổng hợp được enzyme thì không cần quan tâm đến dinh dưỡng. Mặc dù tế bào tự sản xuất khung protein của enzyme theo lệnh di truyền, nhưng các enzyme này là metalloenzyme, bắt buộc phải có các khoáng chất vi lượng làm trung tâm hoạt động [4], [2]. Thiếu vi chất dinh dưỡng, các enzyme nội sinh sẽ không thể hoàn thiện cấu trúc và không thể thực hiện chức năng xúc tác [2], [5].

Ai nên thận trọng với tình trạng suy giảm enzyme nội sinh?

Khả năng dọn dẹp của hệ thống enzyme nội sinh không phải là vô hạn [4]. Khi quá trình lão hóa diễn ra hoặc trong các tình trạng bệnh lý kéo dài, tốc độ sản sinh gốc tự do sẽ vượt quá khả năng trung hòa của lượng SOD nội sinh [4].

Những người cao tuổi, người mắc bệnh lý mạn tính, người tiếp xúc thường xuyên với độc chất, ánh sáng bức xạ mạnh hoặc sử dụng các loại thuốc chuyển hóa độc tính cao như thuốc ức chế miễn dịch cần đặc biệt lưu ý [4], [7], [8]. Ở những đối tượng này, sự mất cân bằng giữa các enzyme có thể khiến các gốc oxy hóa tích tụ nhanh chóng gây tổn thương mô [7].

Những người mang các biến thể đa hình gen làm suy giảm hoạt tính của SOD, Catalase hay GPx cũng thuộc nhóm có nguy cơ cao bị tổn thương DNA và suy giảm khả năng phòng vệ tế bào [3]. Đối với các trường hợp này, việc thăm khám định kỳ và tham khảo ý kiến bác sĩ chuyên khoa là cần thiết, tuyệt đối không tự ý dùng liều cao các chất chống oxy hóa tổng hợp vì có thể gây mất cân bằng nội môi [1], [6].

Cơ thể tự sản xuất nhưng vì sao vẫn cần dinh dưỡng hỗ trợ?

Hiểu đúng về hệ thống enzyme nội sinh giúp chúng ta nhận ra rằng thức ăn không trực tiếp cung cấp enzyme, mà đóng vai trò cung ứng nguyên liệu thiết yếu và kích hoạt hệ thống tự thân này [1], [2].

Trước hết, bạn cần cung cấp đầy đủ các khoáng chất vi lượng để tạo nên trung tâm hoạt động của enzyme: đồng và kẽm cho Cu/Zn-SOD trong tế bào chất; mangan cho Mn-SOD trong ty thể; sắt và mangan cho enzyme Catalase [2], [5]. Những vi chất này có nhiều trong hải sản, các loại hạt ngũ cốc nguyên cám, đậu và rau lá xanh đậm.

Thứ hai, chế độ ăn cần các chất chống oxy hóa ngoại sinh để bọc lót cho hệ thống enzyme [1]. Chẳng hạn, vitamin C hòa tan trong nước có khả năng trung hòa trực tiếp gốc tự do thông qua cơ chế chuyển giao một electron [1]. Trong khi đó, vitamin E tan trong dầu sẽ bám vào lớp lipid của màng sinh học, chấm dứt phản ứng dây chuyền peroxy hóa màng tế bào bằng phản ứng hydro hóa gốc tự do [1]. Sự hiện diện của vitamin E còn hỗ trợ phục hồi và thúc đẩy hoạt tính đồng bộ của cả Catalase và GPx khi tế bào gặp căng thẳng oxy hóa [7].

Thứ ba, các chất chuyển hóa polyphenol từ thực vật khi đi vào cơ thể có khả năng biến đổi cộng hóa trị với protein Keap1, từ đó thúc đẩy yếu tố phiên mã Nrf2 di chuyển vào nhân tế bào [1]. Sự chuyển vị này kích hoạt biểu hiện các gen mã hóa enzyme chống oxy hóa nội sinh, giúp tăng cường vượt bậc khả năng tự vệ của tế bào trước áp lực oxy hóa [1].

Cơ thể con người là một cỗ máy sinh học hoàn thiện với khả năng tự sản sinh các enzyme chống oxy hóa mạnh mẽ như SOD, Catalase và GPx để bảo vệ tế bào [1], [2]. Thay vì lạm dụng các loại thuốc bổ hay viên uống đắt đỏ với hy vọng thay thế tự nhiên, chiến lược khoa học và bền vững nhất chính là duy trì lối sống lành mạnh, ăn uống đa dạng vi chất để nuôi dưỡng và kích hoạt tối đa hệ thống phòng thủ tự thân sẵn có [1], [2].