在學(xué)術(shù)上研究比較多的氫化酶是細(xì)菌氫化酶，研究氫化酶的一個(gè)主要理由是希望通過(guò)仿生學(xué)建立生物制造氫氣的技術(shù)，例如模仿光合細(xì)菌合成氫氣，這已經(jīng)成為氫氣能源領(lǐng)域的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。這一領(lǐng)域的研究，也給我們了解氫化酶的相關(guān)信息提供了重要基礎(chǔ)。因此，要研究植物氫化酶或理解動(dòng)物細(xì)胞合成利用氫氣的可能分子基礎(chǔ)，都應(yīng)該認(rèn)真學(xué)習(xí)和掌握細(xì)菌氫化酶相關(guān)知識(shí)。或者從事氫氣生物醫(yī)學(xué)研究的學(xué)者，都應(yīng)該了解細(xì)菌氫氣代謝的相關(guān)知識(shí)。這類根據(jù)最新綜述內(nèi)容，結(jié)合我自己的理解，對(duì)細(xì)菌氫化酶相關(guān)研究進(jìn)行討論。

我過(guò)去曾經(jīng)對(duì)細(xì)菌氫化酶的有關(guān)知識(shí)進(jìn)行過(guò)介紹，也強(qiáng)調(diào)或直接提出過(guò)細(xì)菌氫化酶和氫氣醫(yī)學(xué)研究相關(guān)性的觀點(diǎn)。1、線粒體整體進(jìn)化目前流行觀點(diǎn)是氫假說(shuō)，就是線粒體來(lái)源就是一種產(chǎn)氫氣微生物，而宿主菌則是利用氫氣的厭氧菌。線粒體復(fù)合物I在進(jìn)化上來(lái)源于細(xì)菌氫化酶，理論上具有合成氫氣的潛力，更大可能是氫氣發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的分子目標(biāo)。2、細(xì)胞內(nèi)存在多種氫化酶同源分子，例如鐵硫簇相關(guān)蛋白，這些蛋白都具有電子傳遞的特征，符合和氫氣代謝的相關(guān)性邏輯，其活性也可能受到氫氣的調(diào)節(jié)。3、真核細(xì)胞本身可能具有合成氫氣的潛力，如果能證實(shí)，則能極大提高氫氣的生物學(xué)地位。（氫思語(yǔ)閱讀最新文獻(xiàn)的感言。）4、應(yīng)該利用目前了解的氫化酶基因序列，全面分析人體內(nèi)相關(guān)基因，并對(duì)這些基因和氫氣代謝的相關(guān)性進(jìn)行研究，有希望發(fā)現(xiàn)這些蛋白可能受氫氣調(diào)節(jié)，甚至有可能這些基因仍然保留代謝氫氣的潛力。

綠藻是一種真核生物，含有葉綠體具有光合作用功能，經(jīng)常被作為高等植物生理生化功能研究的模式生物。萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)是一種單細(xì)胞真核綠藻，其基因組測(cè)序已全部完成，并成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞核、葉綠體、線粒體基因組的遺傳轉(zhuǎn)化。萊茵衣藻有兩個(gè)鞭毛和一個(gè)占據(jù)細(xì)胞內(nèi)大部分空間的單個(gè)葉綠體。萊茵衣藻是一種非常有價(jià)值的真核模式生物，被廣泛用于與光合作用、呼吸作用、脂類合成、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)（生物鞭毛）、非生物脅迫等生物學(xué)過(guò)程相關(guān)的功能研究。

萊茵衣藻的結(jié)構(gòu)，一個(gè)大葉綠體兩個(gè)鞭毛。

衣藻不是高等植物，但這種生物具有制造氫氣的能力，萊茵衣藻有兩種鐵鐵氫化酶HYDA1和 HYDA2，大小分別擁有497和505個(gè)氨基酸殘基。有意思的是，幾乎所有研究表明，藻類都擁有這兩類氫化酶。氫化酶位于基質(zhì)能和光合作用電子傳遞偶合，從鐵氧還蛋白接受電子。光合系統(tǒng)II可以提供電子，但是產(chǎn)生氧氣會(huì)抑制氫化酶活性。這種活性被NAD(P)H-質(zhì)體醌氧化還原酶驅(qū)動(dòng)。氫化酶基因在無(wú)氧條件下表達(dá)增強(qiáng)。萊茵衣藻氫氣產(chǎn)量還依賴于光線，在無(wú)二氧化碳和低硫情況下氫氣產(chǎn)量增加。根據(jù)這些現(xiàn)象推測(cè)氫氣產(chǎn)生依賴于光合系統(tǒng)II，產(chǎn)生淀粉的后續(xù)產(chǎn)物，是電子受體的產(chǎn)物。但是缺乏二磷酸核酮糖羧化酶時(shí)產(chǎn)生淀粉障礙，但這類細(xì)胞仍然可能通過(guò)光系統(tǒng)II產(chǎn)生氫氣。Torzillo等發(fā)現(xiàn)，硫剝奪萊茵衣藻活體氫氣產(chǎn)生速率為10nmol/h.μg葉綠素II。光系統(tǒng)II中心蛋白D1突變可以增加氫氣產(chǎn)生和持續(xù)產(chǎn)生時(shí)間。Philipps等研究發(fā)現(xiàn)，氮源缺乏和硫源缺乏時(shí)，雖然淀粉積聚不受影響，硫源缺乏導(dǎo)致的氫氣產(chǎn)量增加會(huì)下降。提示因?yàn)榧?xì)胞色素b6f復(fù)合物降解增加，導(dǎo)致鐵硫蛋白水平下降。

低等光合生物如萊茵衣藻在某些特定環(huán)境條件下產(chǎn)生大量氫氣，產(chǎn)生的氫氣生理作用可能是幫助在氧氣濃度升高時(shí)協(xié)調(diào)電子流穩(wěn)定。是避免這些電子被氧氣分子搶奪？產(chǎn)生的氫氣容易擴(kuò)散，相當(dāng)于電子的泄露，持續(xù)產(chǎn)生氫氣顯然有浪費(fèi)能量的嫌疑。但是對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，充分利用這種天然的光合產(chǎn)氫氣能力，可以源源不斷制造綠色氫氣能源。

使用 HYDA1氨基酸序列在BLAST上檢索顯示，擁有氫化酶蛋白同源序列的衣藻有許多，包括簡(jiǎn)單四豆藻、 胸狀團(tuán)藻、盤(pán)藻、小球藻等。這說(shuō)明衣藻產(chǎn)生是普遍現(xiàn)象，不只是萊茵衣藻特有。

如果氫氣活性氧和一氧化氮代謝有影響，那么對(duì)氫化酶的調(diào)節(jié)可能有更深層意義，理論上活性氧和一氧化氮對(duì)氫化酶活性有反饋調(diào)節(jié)效應(yīng)。確實(shí)早有研究報(bào)道，一氧化氮能抑制氫化酶活性氧。

一氧化氮能對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行S-亞硝基化將半胱氨酸巰基修飾成S-亞硝酰基，或者將酪氨酸修飾成硝基酪氨酸。氫化酶HYDA1有11個(gè)，HYDA2有9個(gè)半胱氨酸殘基，其中6個(gè)同源。如果這些巰基沒(méi)有深埋在蛋白三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部，都有可能被一氧化氮或活性氧修飾。利用iSNO-PseAAC預(yù)測(cè)工具分析發(fā)現(xiàn)，HYDA1的Cys170、Cys191和Cys225可發(fā)生S亞硝基化修飾，HYDA2的Cys17、Cys33、Cys194和 Cys228可發(fā)生S亞硝基化修飾。兩類氫化酶共同可被修飾的殘基有兩個(gè)，Cys191/194和Cys225/228，提示這非常有可能是一氧化氮調(diào)節(jié)部位。但是圍繞在亞硝基化半胱氨酸周圍的結(jié)構(gòu)比一級(jí)結(jié)構(gòu)序列更重要，研究提示(IL)-X-C-X-X-(DE)序列是形成亞硝基化修飾的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，兩種氫化酶都缺乏這個(gè)序列，提示它們并不能被亞硝基化調(diào)節(jié)。當(dāng)然對(duì)氫化酶活性的調(diào)節(jié)不一定發(fā)生在氨基酸殘基層次。早就有研究發(fā)現(xiàn)一氧化氮對(duì)氫化酶活性有抑制作用，最近對(duì)脫磷孤菌屬氫化酶的這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

Ceccaldi等發(fā)現(xiàn)氫化酶金屬元素是一氧化氮的作用目標(biāo)，一氧化氮能抑制氫化酶催化活性中心，也能不可逆破壞鐵硫簇中心，這可能類似一氧化碳和血紅素鐵共價(jià)結(jié)合阻斷運(yùn)輸氧氣的情況。從目前了解的資料看，一氧化氮對(duì)巰基修飾并不具有任何選擇性，活性氧對(duì)巰基的修飾尚無(wú)研究報(bào)道。所以，氫化酶受活性氧一氧化氮調(diào)節(jié)方面仍然需要進(jìn)一步探討。同樣，對(duì)硫化氫調(diào)節(jié)目標(biāo)蛋白的模式也缺乏了解，根據(jù)硫化氫效應(yīng)基礎(chǔ)和亞硝基化類似的情況推測(cè)，氫化酶受硫化氫調(diào)節(jié)目標(biāo)也可能是巰基氨基酸和酪氨酸。

Russell G, Zulfiqar F, Hancock JT.Hydrogenases and the Role of Molecular Hydrogen in Plants.Plants (Basel). 2020 Sep 2;9(9):E1136.