Tóm tắt
Oxy được Joseph Priestly phát hiện vào năm 1772. Từ khi các đặc tính hóa học của phân tử ô xy đã được thiết lập cũng như các đặc điểm sinh lý của nó liên quan đến việc vận chuyển và sử dụng oxy ở tế bào và mô trong cơ thể. Vai trò của gốc tự do của oxy là các loài phản ứng độc hại và rất quan trọng để xem xét các phản ứng của trị liệu ô xy cao áp.
- LỊCH SỬ PHÁT MINH RA KHÍ Ô XY
Oxy do Joseph Priestley phát hiện ra, đây là một loại “khí rất quan trọng” đối với thế giới động vật. Năm 1772, ông phát hiện ra rằng mình có thể tái tạo không khí trong một khu vực kín, nơi những ngọn nến đã cháy đến hết, bằng cách trồng cây xanh ở bên trong. Ông cũng cho rằng một bầu không khí mà trong đó chuột thí nghiệm đã được tái sinh nhờ những thực vật này. Ông đã thực sự phát hiện ra rằng các cây xanh đã bổ sung oxy cho bầu không khí trong đó ngọn nến có thể tiếp tục cháy được hoặc động vật có thể thở được. Vì vậy, có thể nói Priestley là thiên tài khi hợp nhất khái niệm giữa sự đốt cháy của một ngọn nến và sự hô hấp của động vật. Vào năm 1774, ông đã phân lập được một loại khí mới từ ôxít thủy ngân, một loại khí mà ông gọi là khí chính là ôxy.
- HÓA HỌC CỦA Ô XY
Tính chất vật lý O2
Công thức hóa học Z=8
Số nguyên tử 31,999
Khối lượng phân tử 1.429
Khối lượng thể tích Kg.m’3
Điểm sôi của O2 -182,97 ° C
Nó là nguyên tố thứ 8 trong bảng tuần hoàn của Mendeleiev. Đồng vị phổ biến nhất của nó là 16O, có nghĩa là hạt nhân của nó được tạo thành từ 8 proton và 8 neutron. Có hai đồng vị hiếm khác là 17O và 18O. Oxy là một thành viên của họ VI, có nghĩa là nó có 6 điện tử hóa trị trên lớp vỏ điện tử bên ngoài của nó, điều này cho phép nó dễ dàng thu nhận thêm hai điện tử và mang lại cho nó các đặc tính độ âm điện độc đáo. Cũng chính vì lý do này mà oxy xuất hiện tự nhiên dưới dạng phân tử oxy O2 bằng cách tập hợp một cặp electron từ 2 nguyên tử oxy. Do đó, phân tử O2 có tổng số điện tử thiếu là hai điện tử.
- OXY, CHÌA KHÓA CHO TẾ BÀO SỐNG
3.1. Vận chuyển của ô xy
Ô xy trong trạng thái bình thường được vận chuyển ở trong máu đến các mô dưới dạng kết hợp với hemoglobin. Hóa sinh của liên kết này đã được nghiên cứu rộng rãi và nó thông qua việc điều chỉnh các đặc tính liên kết của hemoglobin đối với ô xy dưới ảnh hưởng của hóa học tế bào xung quanh mà một con thoi của vận chuyển và trao đổi O2ACO2 được thiết lập trong mô và phổi. Đó là thông qua sự tác động lẫn nhau của các ái lực khác nhau của hemoglobin đối với ô xy và CO2 mà vòng đời này tồn tại. Trên thực tế, trong điều kiện ô xy tăng cao, hemoglobin bị bão hòa, ở dạng khí hòa tan, ô xy được vận chuyển đến các mô.
3.2. Sử dụng ô xy
Chúng ta sẽ thấy rằng việc sử dụng ô xy cuối cùng được thực hiện trong các ty lạp thể, đây chính là một trong những bào quan của tế bào, là nơi diễn ra quá trình hô hấp tế bào và đảm nhiệm quá trình oxy hóa các sản phẩm giáng hóa của chất chứa đựng năng lượng (Hình 1).
Trên thực tế, 90% oxy được tiêu thụ trong ty lạp thể vì bên trong nó diễn ra quá trình ô xy hóa các liên kết carbon cắt đứt do quá trình dị hóa lipid, carbohydrate và protein. Các liên kết này, sau khi được tham gia vào chu trình Krebs, sẽ cung cấp các chất tương đương khử (NADH, FADH2) mà chính chúng sẽ tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử của màng trong ty lạp thể. Ở cấp độ của chuỗi này, còn được gọi là chuỗi phosphoryl hóa oxy hóa, NADH và FADH2 sẽ mang – và H+ của chúng trên các hệ thống enzym quan trọng của chuỗi hô hấp tế bào, cụ thể là NADH CoQ reductase, succinate CoQ reductase, CoQH2– Cyt C reductase và Cyt C oxidase. Enzyme thứ hai đáng chú ý chịu trách nhiệm cung cấp 4 H+ và 4 e– ‘cuối cùng cho phân tử O2 để tạo thành phân tử nước (H2O). Ở cấp độ của các phức hợp enzym này, các hệ thống bơm proton đến không gian liên màng ty thể được ghép nối, các hệ thống thiết lập một gradient proton mà năng lượng được sử dụng bởi ATP synthetase để sản xuất ATP (adenosine triphosphate), một nguồn năng lượng phổ biến bên trong tế bào.
Để hiểu đầy đủ về vai trò năng lượng của oxy, điều thú vị là so sánh sự cân bằng năng lượng của sự thoái hóa glucose phụ thuộc vào việc oxy có sẵn hay không ở cấp độ tế bào.
Sự phân giải glucose (đường phân) xảy ra đầu tiên trong bào tương của tế bào để cho ra 2 phân tử pyruvat, cân bằng năng lượng thực của giai đoạn đầu tiên này không cần oxy là 2 ATP và 2 NADH.
Khi có sự hiện diện của ô xy, pyruvate (phân tử có 3 C) sẽ xâm nhập vào bên trong ty lạp thể và biến đổi ở đó thành axetat (phân tử có 2 C) dưới dạng acetyl-CoA bằng cách khử cacboxyl (sản sinh ra CO2) và hình thành NADH. Ở dạng này, đoạn acetyl đi vào chu trình Krebs để tạo ra 2 CO2 bổ sung và trên hết là tạo ra 3 phân tử NADH và một phân tử FADH2 trong một chu trình. Cho đến đây, sự cân bằng là 6 ATP cho một glucose (4 do đường phân + 2 theo chu trình Krebs). Tuy nhiên, hầu hết các nguồn dự trữ năng lượng lớn được tạo thành từ các phân tử NADH và FADH2 sẽ đi vào các liên kết khác nhau trong chuỗi phosphoryl oxy hóa để loại bỏ các điện tử và proton của chúng, kết thúc ở cuối chuỗi với sự chuyển 4 H+ và 4 e trên một phân tử O2 để tạo thành 2 H2O. Chuỗi vận chuyển, bằng cách oxy hóa NADH và FADH2 để thu hồi năng lượng thông qua việc truyền H+ qua không gian nội màng; nồng độ proton này tạo ra một lực vận động nguyên tử khiến chúng quay trở lại chất sinh năng lượng ty lạp thể ở dạng ATP synthetases, sau đó tạo ra các phân tử ATP. Trong môi trường ty lạp thể, sản xuất năng lượng có lợi nhất vì mỗi NADH tạo ra 3 ATP và mỗi FADH2 tạo ra 2 ATP. Cuối cùng, tại đây trong điều kiện hiếu khí đã sản xuất được 36 phân tử ATP từ mỗi phân tử glucose.
Trong điều kiện thiếu oxy, hai pyruvat mà sự hình thành của chúng cũng tạo ra 2 NADH sẽ phải tìm một con đường tắt để tái tạo NAD+ mà không cần đi qua ty thể đã cạn kiệt, người ta gọi nó là quá trình hô hấp yếm khí. Những NADH này sau đó được sử dụng để biến đổi pyruvate thành lactate để tái chế NAD + có số lượng hạn chế. Quá trình đường phân kỵ khí này, ngoài thực tế là nó tạo ra axit lactic với nhiều tác dụng bất lợi cho cơ thể, nó chỉ tạo ra được 2 phân tử ATP khi phân giải một phân tử glucose, trong khi đó nếu hô hấp tế bào bằng con đường hiếu khí (có đủ ô xy) thì sẽ thu được 36 phân tử ATP.
- KHÍA CẠNH ĐỘC TÍNH CỦA Ô XY
4.1. Tác dụng độc của ô xy
Ở trong ty lạp thể, hiện tượng “thoát” sinh lý của một số chất chuyển hóa trung gian của oxy bị khử một phần, một hiện tượng mà phần lớn chúng được tăng lên trong điều kiện thiếu ô xy (hyperoxie) hoặc ô xy tăng quá mức (hyperoxie).. Các chất trung gian này là gốc superoxide O2 “, gốc hydroxyl” OH và hydro peroxit H2O2 (hydrogen peroxide). Chính các hợp chất ôxy hóa học khác nhau này là nguyên nhân thứ hai gây ra tác dụng độc hại của ôxy, độc tính của chúng có liên quan đến mức độ phản ứng cao của chúng. Phản ứng hóa học cực đoan này được biết đến như là để thực hiện các mục tiêu như protein SH và các liên kết đôi của chuỗi axit béo không bão hòa.
4.2. Ô xy hóa lipid
Tổn thương ôxy hóa này thường là nguyên nhân của hiện tượng peroxy hóa, mục tiêu ưa thích của chúng là các axit béo không bão hòa của màng tế bào. Quá trình oxy hóa lipid này có thể được phân chia về mặt hóa học thành 3 giai đoạn:
– Giai đoạn bắt đầu tương ứng với việc tạo ra gốc axit béo bằng cách trừ một nguyên tử hydro ˙H từ nhóm metylen (CH2) của chuỗi axit béo (RH) bởi một gốc oxy (thường là ‘OH).
RH + ˙OH ====> R˙ + H2O
– Giai đoạn lan truyền bùng nổ và tăng sử dụng ôxy sẽ tạo ra gốc hydroperoxyl đầu tiên:
R˙ + O2 =======> ROO˙
Gốc cuối cùng này sau đó có thể phản ứng với một axit béo lân cận R’H khác, tạo ra hydroperoxit và axit béo gốc:
ROO˙ + R’H =====> ROOH + R˙
Phản ứng tự duy trì và lan truyền sang các phân tử lân cận; do đó, người ta thừa nhận rằng một gốc R˙ có thể là gốc của một trăm phân tử hydroperoxit trước khi giai đoạn kết thúc can thiệp bằng cách hình thành một hợp chất bền từ sự liên kết của 2 gốc.
– Giai đoạn kết thúc có ba loại: hai loại bằng phản ứng lưỡng tính và một loại có chất chống oxy hóa:
ROO˙ + ROO˙ =====> ROOR + O2
ROO˙ + R˙ ====> ROOR
R’˙ + AH ====> R’H + A˙
(AH = chất chống oxy hóa)
Chính quá trình peroxy hóa axit béo của màng này, dẫn đến những thay đổi về cấu trúc và cấu trúc trong lớp kép lipid thể hiện độc tính tuyệt đối của oxy đối với màng và nhiều thực thể sinh hóa gắn liền với chúng (enzym, kênh ion, thụ thể).
Ngay cả khi gốc superoxide O2˙ thường được coi là nguồn gốc của quá trình peroxy hóa, nó chủ yếu hoạt động như một tiền chất của 2 chất khởi đầu chính của quá trình oxy hóa lipid: gốc hydroxyl ˙OH của H2O2 và gốc hydroperoxyl ROO H2O2 đến từ sự mất cân xứng của O2˙, có thể là tự phát nhưng chủ yếu được tạo ra nhờ vào superoxide dismutases (SOD):
2O2˙ + 2H+ ====> H2O2 + O2
Đối với gốc hydroxyl ‘OH, nó là sản phẩm thứ cấp của H2O2 và của gốc O2˙ bằng hai loại phản ứng được xúc tác bởi sự có mặt của sắt ion:
– Phản ứng Fenton
H2O2 + Fe2+ =====> Fe3++ ˙OH+ – OH
– Phản ứng Haber-Weiss cũng được xúc tác bởi các ion Fe3+
O2˙+ H2O2 ====> O2 + ˙OH + – OH
Trong một tình huống sinh lý, hầu hết các loại độc hại này bị trung hòa bởi các hệ thống enzym bảo vệ tế bào và ngoài tế bào khác nhau (superoxide dismutases, catalase, glutathione peroxidase) và không phải enzym (axit ascorbic, tocopherol, beta-carotene, v.v.)
Nói chung, tính độc hại của oxy được thể hiện khi có sự sản xuất quá mức các sản phẩm độc hại của nó (chủ yếu là các gốc tự do) hoặc khi các chất chống ô xy hóa bị quá tải cục bộ. Ví dụ, tan máu sau khi bị xuất huyết sẽ là nguyên nhân của một nguồn cung cấp lớn sắt ion hóa khử phân tử, chất khởi đầu của quá trình oxy hóa.
- ÔXY HÓA TRONG CÁC MÔ
Nồng độ bình thường của ôxy hòa tan trong các mô khác ngoài phổi nằm trong khoảng 20 – 120 µM (1 Torr = 1,4 µM). Trên thực tế, ở cấp độ cơ quan, nồng độ O2 phụ thuộc vào sự gần gũi của các tiểu động mạch cung cấp oxy. Nồng độ là nhiều nhất cao ở động mạch, tiểu động mạch và thấp hơn ở tiểu tĩnh mạch và tĩnh mạch. Nồng độ O2 cân bằng của một mô phụ thuộc vào mức độ tiêu thụ O2 của mô đó, vào lưu lượng máu cục bộ tại khu vực đó và vào khoảng cách tương đối của vùng đó đến tiểu động mạch. Như vậy, việc tiêu thụ O2 làm cho pO2 giữa các tiểu động mạch và tiểu tĩnh mạch hạ nhanh xuống. Điều này có thể nhấn mạnh rằng trong các mô có sự phân bố nồng độ oxy được thiết lập theo một gradient. Một gradient như vậy tồn tại ở quy mô tế bào mà ở đó, ty lạp thể, nơi oxy được sử dụng để tiến hành các phản ứng ô xy hóa, có nồng độ oxy từ 1,5 đến 3 µM.
