氢气效应机制该靠微生物和植物学(氢化酶和植物氢效应)

氢气生物医学研究涵盖范围非常大,从细菌微生物、真菌到动植物。其中对人和动物效应的研究比较多,主要是希望将氢气应用于人类疾病治疗和健康促进,这是从应用角度考虑的。如果从氢气的作用地位考虑,氢气在微生物中的地位最高,因为我们明确知道细菌能制造氢气,也能利用氢气。而且制造和利用氢气的分子过程都非常清楚。氢气在微生物世界的地位显然具有极高地位,接近氧气在人体的作用地位。如果要弄清楚氢气生物学效应的分子基础,可能使用细菌更容易获得线索。例如只考虑代谢氢气的氢化酶,就可以找到氢气对这种分子的变构调节模式,因为理论上任何代谢产物都有可能对影响这种产物的化学过程产生反馈调节。氢化酶分子上应该存在受到氢气调控的亚分子结构。

如果认为细菌是低等生命,其作用模式不能代表高等生物,那么植物细胞应该是足够复杂和接近动物细胞,因为植物细胞具有合成氢气的基础,也有研究证据发现植物具有制造氢气的能力,而氢气对植物细胞的效应也非常多样。这都给研究氢气的亚细胞作用和分子作用机制提供了重要条件。中国植物效应研究学者在国际上也有独特的优势,这方面过去具有独创性和研究积累。例如最近十年氢气植物效应研究的学术论文几乎全部来自中国的学术机构,特别是南京农业大学在这方面的贡献尤其突出。

北京工业大学马雪梅教授课题组在植物细胞线粒体合成氢气的研究中取得了进展,这给氢气效应从线粒体为靶点开展研究提供了示范效应。相信将来会有更多植物效应分子基础方面的工作面市。

最近英国西英格兰大学学者John T. Hancock在《植物》杂志发表综述Hydrogenases and the Role of Molecular Hydrogenin Plants,对植物氢气效应进行了综述,这也给我们的学者提醒,中国学者在这方面的工作很多,但在思想引领方面仍然需要努力。又如该文章中使用生物信息学工具,感到我们这方面的工作比较少,这应该适合于氢气生物学这种跨物种的研究。由于该文章有一定参考价值,我们将分几个部分给大家介绍。

氢气对人体和植物等多种生物都可以产生有益作用。氢化酶能催化氢气的产生和氧化利用,在细菌和植物等细胞内都存在这种催化氢气代谢的酶。氢气具有选择性抗氧化作用,能中和羟基自由基和亚硝酸阴离子。氢化酶和氢气活性在植物领域的效应值得探讨,这对于寻找氢气效应的分子基础有帮助。在氧化还原平衡调控中,蛋白质巯基能被一氧化氮信号调节,而一氧化氮合成酶可能会受到氢化酶调节。生物信息学研究结果提示,一种选择性氢化酶抑制剂可能对调节氧化还原信号具有调节作用。用氢气处理植物可以产生多种效应,主要包括提高生长速度,应对伤害反应,但分子作用细节仍然不够清楚

越来越多研究证据表明,氢气在动物植物和菌类等多种生物中具有正面效应。考虑到地球人口的不断增加,人类食物需求不断增加,寻找经济可持续的高质量农产品对于避免食品短缺问题十分必要。氢气医学方面,人们主要关注对人类疾病的治疗作用。在农业方面,氢气作用不仅是作物健康,也包括土壤改良,这对畜牧业和耕地的价值更突出。研究发现氢气能促进植物根发育和抗逆能力,如对重金属、干旱和高盐等的反应能力。不仅如此,氢气还能帮助农产品保鲜如猕猴桃、草莓和荔枝等水果,可能对于某些粮食和食品存储也有帮助。上述效应中,具体如何使用能取得最佳效果,是走向实用必需回答的问题。

研究证据越来越明确,氢气应该被视为一类特殊的气体生物信号分子,因为这种分子能影响和控制多种细胞功能。这类信号分子还包括活性氧、一氧化氮和硫化氢气体信号。在氧化应激反应过程中,细胞能产生多种活性氧,例如如超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基等。活性氧会影响细胞内外环境,影响细胞功能。活性氮也具有重要生物学活性氧,例如一氧化氮和过氧亚硝酸。硫化氢也是一种重要的信号分子,通常与活性氧活性氮在应激反应中一起产生。氢气对生物氧化应激具有明确的影响,能减少过度氧化应激损伤,必然在多个层面影响氧化应激生物学效应。(氢思语:可否将调节氧化还原平衡分子如铁铜离子、萝卜硫素、活性氧、一氧化氮、一氧化碳、硫化氢和氢气一起作为氧化应激调控因子,或氧化还原调控分子。)

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植物细胞可以产生这些分子,且存在时间和空间特异性。非常有可能的是,这些分子之间存在相互作用,当然和氢气也可能存在双向相互作用。如氢气可影响一氧化氮的水平和作用,而一氧化氮可以调节氢气的代谢。有时候,信号调控可产生短期和长期细胞效应。氢气分子体积极小,活性相对稳定,导致氢气很难和蛋白质分子形成共价键,产生共价键活性调节效应,这种调节常见于一氧化氮和硫化氢的生物效应过程。但是氢气能有效清除特定类型的活性氧如羟基自由基和亚硝酸阴离子,氢气在生物组织强大的扩散能力可能会显著提高这种效应强度(氢思语),这是其他活性物质不具备的特殊能力。据研究发现,氢气可影响血红素蛋白活性如血红素加氧酶( HO-1)。曾经有学者提出氢气的物理特性可能会对植物和动物生物学效应产生影响。

我们现在对氢气生物作用的分子本质仍然缺乏了解,要弄清除这个问题,需要大量投入开展氢气和生物系统相互作用的深入研究。作用于植物细胞的氢气有两个来源,内源性合成和外源性补充。外源性补充氢气可以理解为一种植物药物或农药。但是植物细胞本身含有氢化酶,具有合成和分解氢气的能力和潜力。氢化酶是典型的金属酶,如铁、铁铁和铁镍氢化酶都含有金属活性中心,酶的本质是利用这些金属活性催化合成和分解氢气。

动物的胃肠道内细菌也是氢气的主要来源,而且胃肠道以外如口腔、鼻腔、生殖道内细菌也具有合成氢气的能力。真可谓人体的氢气来源多样,氢气无处不在。当然植物的氢气也有可能来自其共生菌。

虽然氢气生物学作用机制不完全清楚,但氢气对动物植物的生物学效应基础仍然有非常丰富的研究积累。例如大量研究发现,氢气能减少各种氧化损伤,具有抑制炎症反应的作用,也能避免氧化应激相关的细胞凋亡等。这对于氢气的医学效应,完全能满足机制解释的需要。

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

来源:原创 孙学军  氢思语 

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