氫氣生物學(xué)機(jī)理（7）：寫在線粒體前

西域蒼鵠 2021-05-10

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上周末參加會議做了這樣一張片子，可以作為我對于氫氣生物學(xué)的思考。有五個(gè)主題詞（句）

一是“氫分子”。這是主角。

二是“非藥理（調(diào)理）多病”。氫氣現(xiàn)在還不被稱為藥物，但確實(shí)有很多疾病可以從使用氫氣受益，這在醫(yī)學(xué)界是少見的現(xiàn)象。

三是“從惰性到神奇”。惰性和神奇是兩個(gè)極端，卻是將氫分子反應(yīng)活性弱以及生物活性強(qiáng)的特性準(zhǔn)確地描述出來。

這么多疾病的機(jī)理完全不同，氫氣怎么可能都有作用？這是很多人的疑問。

這個(gè)問題的回答我認(rèn)為應(yīng)該從哲學(xué)的角度思考。惰性和神奇必然預(yù)示著氫氣應(yīng)該在最基礎(chǔ)的生命過程層面發(fā)揮作用，不可能是簡單的氫氣和自由基的化學(xué)反應(yīng)。

從化學(xué)的角度，氫氣是惰性的。氫氣如果在生物體的溫和條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)則應(yīng)該是與高氧化性的物質(zhì)反應(yīng)，所以也就很自然會想到羥自由基。氫氣和羥自由基發(fā)生反應(yīng)清除自由基發(fā)揮抗氧化功能，這一想法分別在Science（1975）、Nature（1996）和Nature Medicine（2007）被提出來，到目前也是氫氣生物學(xué)機(jī)理方面被普遍接受的觀點(diǎn)。

我的觀點(diǎn)是，用如此簡單的化學(xué)反應(yīng)來理解的話有點(diǎn)太小看神奇的氫分子了。

從哲學(xué)的角度，氫氣是生命的基本元素。回到生命產(chǎn)生之初，我們的地球是一個(gè)富氫的環(huán)境，含有40%的氫氣，沒有氧氣，生命在這樣一個(gè)環(huán)境下起源和進(jìn)化，必然帶上氫氣的烙印。目前地球上依然有90%以上的生命（主要是微生物）保留有代謝氫氣的能力，也就是具有分解和產(chǎn)生氫氣的能力，也從另一方面提供了證據(jù)。其實(shí)我們的腸道微生物每天都在產(chǎn)生和利用氫氣，也就是說我們的細(xì)胞一直都是沐浴在氫氣中的。真核生物是從微生物進(jìn)化而來，在最基礎(chǔ)的生命過程層面保留氫氣的痕跡是合乎邏輯的。

從氫元素出發(fā)，最基礎(chǔ)的生命過程包括什么呢？這就是第四和第五個(gè)主題詞：

四是“酶”。生命體內(nèi)眾多的生物化學(xué)反應(yīng)之所以能夠有條不紊高效率地進(jìn)行，就是由于大多數(shù)生命的反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行。酶的活性中心具有特殊的微環(huán)境和高反應(yīng)活性，特別是氫鍵網(wǎng)絡(luò)和特殊分子結(jié)構(gòu)的存在，氫分子是有可能進(jìn)入酶分子內(nèi)發(fā)揮作用的。我們發(fā)現(xiàn)氫氣可以提高乙酰膽堿酯酶和辣根過氧化物酶的酶活性，并進(jìn)行了初步的分析，提示氫分子可能通過生物酶影響更多的生化反應(yīng)和生命過程。

五是“能量”。氫氣是惰性的很高冷，要打開兩個(gè)氫原子之間的連接需要很大的能量，這也是為什么化學(xué)家要去找自由基和氫氣配對。但是有一類酶可以讓氫氣在溫和的條件下打開“心扉”，所謂的柔能克剛，這就是氫化酶。一旦氫氣分子被打開變成質(zhì)子（H⁺）和電子（e），能量就被傳遞出來，生命體所有的能量轉(zhuǎn)換都能追蹤到電子從一種分子到另一種分子的流動。真核細(xì)胞線粒體的復(fù)合物I與氫化酶有很多相似的結(jié)構(gòu)，線粒體是細(xì)胞的能量工廠，是否可能還有氫化酶的活性呢？

基于這樣的思考，我們在真核細(xì)胞里尋找能夠代謝氫氣的線索。我們發(fā)現(xiàn)植物的線粒體可以產(chǎn)生氫氣，在動物細(xì)胞的線粒體也發(fā)現(xiàn)了代謝氫氣的線索。另外，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜上可能具有代謝氫氣的酶活性，離子通道也可能受到氫氣的調(diào)節(jié)。氫氣的作用可能正因?yàn)榘l(fā)生在這些最基礎(chǔ)的生物學(xué)過程層面，所以影響深遠(yuǎn)。

我們提出“以線粒體為代表高等生物可能依然保留氫代謝功能”的假說，現(xiàn)在的證據(jù)還比較初步。如果這一假說最終能被確證，人們對于基礎(chǔ)生物學(xué)的理解，對于醫(yī)學(xué)的理解，可能都需要重新思考。

下一篇將重點(diǎn)介紹關(guān)于氫氣和線粒體。

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