近年來(lái)，許多臨床實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氫分子具有抗氧化活性，但在原子水平上其作用機(jī)制尚未完全闡明。為了闡明氫分子的抗氧化機(jī)制，我們對(duì)原血紅素-氫配合物進(jìn)行了系統(tǒng)的從頭計(jì)算。我們建立了鐵原卟啉與咪唑、FeP(Im)及其氫和二氫配合物以及活性氧/氮(RONS)的分子模型。我們進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和Mulliken電荷分析，揭示了FeP(Im)和氫分子之間的兩種成鍵特征:氫分子的端對(duì)不對(duì)稱構(gòu)型的二氫鍵和側(cè)對(duì)對(duì)稱構(gòu)型的Kubas鍵。氫分子對(duì)FeP(Im)的吸附、解離和氫原子進(jìn)一步解吸的活化障礙最多低于2.78 eV，顯著低于游離氫分子中H-H鍵斷裂能4.64 eV。我們發(fā)現(xiàn)FeP(Im)-H2和-H配合物的氫鍵解離能低于RONS-H配合物的氫鍵解離能，表明原血紅素作為一種有效的催化劑在體內(nèi)氫分子對(duì)RONS的抗氧化作用中起決定性作用。

 

 

氫分子醫(yī)學(xué)功效首次報(bào)道以來(lái)，作為一種有效的抗氧化藥物，一直備受關(guān)注。事實(shí)上，氫氣可以選擇性地減少高細(xì)胞毒性的活性氧/氮(ROS/RNS或RONS)，而ROS/RNS是細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的主要原因，如羥基自由基(OH)和過(guò)氧亞硝酸鹽(ONOO)。此外，許多細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，氫分子對(duì)多種病理具有明確的預(yù)防和治療作用，包括代謝綜合征、糖尿病、癌癥、慢性乙型肝炎、缺血/再灌注損傷、放射性損傷等。氫氣除具有抗氧化作用外，還具有抗炎、抗凋亡、抗過(guò)敏、刺激能量代謝等有益功能。因此，氫分子具有無(wú)毒、生物安全性等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的研究和臨床應(yīng)用中具有廣闊的前景。氫氣作用的具體分子機(jī)制仍存在爭(zhēng)議。

 

氫分子是自然界體積和質(zhì)量最小的分子，比氧分子還小。此外，它是無(wú)色，無(wú)味，無(wú)臭，無(wú)極性/電中性。這些獨(dú)特物理性質(zhì)使其易于穿過(guò)細(xì)胞膜并快速擴(kuò)散到線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞核，這些恰好是產(chǎn)生RONS的主要部位。在進(jìn)化過(guò)程中，細(xì)胞外的一些酶如NADPH氧化酶和一氧化氮合酶控制著RONS的生成，從而形成固有免疫系統(tǒng)來(lái)殺滅細(xì)菌，而它們的過(guò)度釋放或作為代謝過(guò)程的協(xié)同產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)釋放被認(rèn)為會(huì)對(duì)宿主生物分子造成氧化損傷，稱為氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激被認(rèn)為在很大程度上促進(jìn)了多種疾病的進(jìn)展，尤其是與年齡相關(guān)的疾病。據(jù)報(bào)道，當(dāng)二氫通過(guò)各種方式遞送時(shí)，如吸入氫氣、飲用富含氫氣的水和注射富含氫氣的生理鹽水，二氫只能選擇性地清除細(xì)胞毒性和強(qiáng)過(guò)量的RONS，而不會(huì)與參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞代謝氧化還原反應(yīng)或生理酶和代謝反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)RONS發(fā)生反應(yīng)。也有報(bào)道稱，即使在高于臨床治療劑量的較高濃度下，氫氣也沒(méi)有毒性和不良反應(yīng)。

 

氫氣抗氧化作用的分子機(jī)制主要有兩種。第一種方式是直接機(jī)制，氫氣與羥基自由基(OH)和過(guò)氧亞硝酸鹽(ONOO)反應(yīng)，導(dǎo)致RONS減少。第二種間接途徑是通過(guò)誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng)，如髓過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶和血紅素加氧酶-1 (HO-1)來(lái)減輕氧化應(yīng)激。這些酶被發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和改變基因表達(dá)來(lái)介導(dǎo)氫氣效應(yīng)。有報(bào)道基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)是氫氣效應(yīng)的有效介質(zhì)。事實(shí)上，據(jù)報(bào)道，吸入氫分子可以顯著降低MMP-9的表達(dá)，而MMP-9通過(guò)腦血管爆炸促進(jìn)大鼠出血性梗死。Shi等提出了一個(gè)假說(shuō)，氫氣可以作為配體與特定金屬蛋白中的金屬結(jié)合，并通過(guò)M-氫氣結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)金屬蛋白。關(guān)于二氫-金屬蛋白復(fù)合物，以前已有一些研究。然而，與氫氣的抗氧化作用相關(guān)的二氫金屬蛋白復(fù)合物的形成和分子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還有待完全理解。

 

在這項(xiàng)工作中，我們通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算原血紅素-氫配合物，旨在闡明氫分子在體內(nèi)的抗氧化作用機(jī)制。我們優(yōu)化了配合物的分子結(jié)構(gòu)，并評(píng)估了它們的形成以及氫氣分子在原血紅素上的吸附、解離和解吸的活化能。通過(guò)計(jì)算配合物與其他抗氧化劑的鍵解離能(BDE)來(lái)評(píng)估其抗氧化效能。我們分析了反應(yīng)過(guò)程中的電子電荷轉(zhuǎn)移、前沿分子軌道(包括最高占據(jù)軌道和最低未占據(jù)軌道)以及電荷布居。