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吸氢气到底有什么用途

  氢是宇宙中最基本的元素,氢分子可在进化过程中扮演关键的角色,这并不奇怪。真核细胞是复杂生命的代表,如何进化产生存在多个理论。Andersson和Kurland强调了一个有趣的理论,认为细菌内共生体的原始功能是向宿主细胞提供氢气。传统的内共生理论认为线粒体是负责为宿主提供ATP的需氧菌。氢假说则认为宿主古菌细胞可以利用二氧化碳作为代谢底物并产生氢气。

  这场争论虽然尚未最终定论,但提出了一些发人深省的问题,值得进一步探讨。氢假说特别吸引人的是,在线粒体和氢化酶体中发现同源蛋白表达谱。这两种细胞器的生化活性不同,但都能编码电子传递链复合体I和II的蛋白质。然而,只有线粒体基因组可编码复合物III-IV,以及重要的ATP合成酶。如果像Lewis等人认为的那样,氢化酶体和线粒体来自于同一个原始共生体,那么很可能线粒体曾经有产生氢气的能力。

  与真核生物中氢气的进化需求有关的另一个环节是,许多光合作用生物物种中也发现有氢化酶,包括藻类和高等植物。例如,单细胞绿藻衣藻含有两个Fe-氢化酶(HYDA1和HYDA2),在光合作用过程中可以从铁氧还蛋白接收电子,通过2H+ + 2e-→H2,以减少质子积累。此外,在高等植物中也发现了同源的氢化酶,如豆科植物legume Medicago truncatula和Oryza sativa subsp. japonica (rice)。在系统发育树中,氢气产生机制发生的频率和多样性表明,在生命所有领域中,氢气是一种固有的生物学要求。

  除了在真核生物物种中产生氢的酶和细胞器的活性,许多厌氧细菌代谢氢气。通常,细菌产生的氢与含过渡金属(镍/铁或铁/铁)氢化酶有关,该酶催化可逆的氢氧化反应2H+ + 2e-→2H2。有趣的是,已知的产氢细菌与植物和动物物种可形成共生关系,这也可能满足包括人类在内的多细胞生物对氢气的细胞需求。人类等哺乳动物体内氢气主要来源于产生氢气的肠道菌群(如大肠杆菌或丁酸梭菌)与宿主的共生关系。

  氢气是多种微生物代谢底物,真核进化和氢气有关,光合作用和氢气相关,植物具有产生氢气的同源酶。在生命和代谢进化历史上反复出现氢气的身影,人体内线粒体和氢气的密切关系,强烈提示氢气的生物学地位非常高,氢气对生物体产生反向调节作用具有逻辑合理性。当然应该有作用是一个问题,这种作用强度和优劣则是另外一个层面的问题。

  除了在生命早期发展过程中理论上需要氢分子外,大量研究开始揭示,氢分子至少可以以两种可能的方式作为天然抗氧化剂:1)通过选择性清除非信号ROS/活性氮,如羟基自由基和过氧亚硝酸盐,从而潜在地减少细胞膜的氧化损伤和通过氧化翻译后修饰的代谢酶的失活。应该清楚的是,这里的化学反应动力学对该观点是不利的,尚需要更多的研究才能证实和普遍接受这些主张。2)通过增加核因子红系2相关因子2 (Nrf2)的活性,Nrf2是一种负责上调抗氧化反应元件活性的转录因子,抗氧化反应元件是位于200多个已知转录和翻译抗氧化酶的基因启动子区域内的顺式作用增强子序列。过氧化氢酶、SOD和细胞保护蛋白和多肽(如谷胱甘肽S转移酶和细胞色素P450同工酶)。

  除了氢气明确提供的抗氧化作用外,还有大量实验室证据表明氢气在各种植物和动物物种中具有免疫调节和抗凋亡作用。 氢气具有多效性,可能的基础在于抗氧化作用本身的广泛效应,也可能是Nrf2参与的多效性。 Nrf2活性的增加已被证明会导致NF-κB的表达谱的破坏,NF-κB是一种与先天免疫相关的转录因子,它负责促进多种促炎分子的遗传转录除了在基因水平下调促炎反应外,已知Nrf2对血红素加氧酶做出反应并上调其表达,血红素加氧酶在减少和预防血管炎症方面具有典型的功能同样有趣的是,特别是考虑到更广泛的免疫反应时,NF-κB对适应性免疫细胞的影响。 在此,NF-κB可刺激和刺激炎性T细胞分化。 因此,增强甚至延长核内Nrf2的活性可能对疾病期间的炎症有显著影响。

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