氫氣改善疾病是基于選擇性抗氧化。理論基礎(chǔ)是活性氧本身對身體有功能，但過度氧化會有害健康，尤其是某些活性強大的毒性自由基，氫氣只中和有毒自由基，保留活性氧信號功能。這無疑是讓活性氧去惡揚善。氫氣和活性氧結(jié)合是氫氣巨大生物學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)，氫氣有許多生物功能是借助于活性氧實現(xiàn)的，活性氧的生物功能強大，但也會誤傷身體，氫氣把活性氧的這種不利作用去除，不僅能保留活性氧的功能，甚至可以讓活性氧的功能更大。例如吸氧氣能改善某些缺氧性疾病，但氧氣本身也有毒，那么對持續(xù)缺氧疾病不能持續(xù)吸高壓氧氣，如果利用氫氣抗氧化的特點，理論上可以延長吸氧時間或增加壓力，這對于發(fā)揮氧氣改善缺氧的效果就能大大提高。
活性氧和自由基曾經(jīng)被認為是導(dǎo)致身體損傷和疾病的元兇，這導(dǎo)致抗氧化改善疾病的概念十分流行。其實，活性氧的生理功能早就十分明確，例如對殺死病原菌，產(chǎn)生生長因子信號傳導(dǎo)效應(yīng)，是細胞死亡，代謝過程不可缺少的成員。盡管如此，活性氧自由基也確實會引起氧化損傷。一方面具有損傷作用，一方面具有生理功能，這就是活性氧的兩面性。兩面性也幾乎是一切生物活性分子的特點，生理濃度下發(fā)揮生理作用，濃度不足會出現(xiàn)缺乏，弄多過高會產(chǎn)生毒性。面對活性氧這樣的生物活性分子，最理想的策略是通過各種方式調(diào)節(jié)到正常生理濃度，而不是簡單的抗氧化。基于這些發(fā)現(xiàn)，自由基生物學(xué)領(lǐng)域提出調(diào)節(jié)氧化還原平衡等多種策略，并在實際應(yīng)用中獲得很多成績。選擇性抗氧化的氫氣也屬于在不破壞活性氧生理濃度的情況下，實際是不干擾活性氧功能的情況下，減少活性氧毒性的一種策略。所謂毒性類型活性氧，在整體上代表活性氧有毒的那個層面，氫氣有產(chǎn)生減少毒性的作用。
曾經(jīng)看過一個文獻，題目“Does More MnSOD Mean More HydrogenPeroxide?”，文章來自University of Arkansas的Macmillan-Crow LA和Crow JP發(fā)表在Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry(2011,11, 178-180)。文章很有意思，引起我興趣的主要原因是將我多年的一個疑問給解釋清楚了。
如果不了解這個問題，請先了解一下關(guān)于氧氣和活性氧的一般背景。氧氣是需氧生物重要的物質(zhì)，氧氣的重要性是因為它是生物體系的唯一的最終電子接受體。(我曾經(jīng)問過許多醫(yī)學(xué)生物學(xué)教授，氧氣為什么重要?很少有人能回答出這個問題)生物體內(nèi)能接受電子的物質(zhì)很多，這些物質(zhì)就是氧化性物質(zhì)，例如許多金屬離子和活性氧等。可以釋放電子的物質(zhì)也有很多，這些就是還原性物質(zhì)，許多維生素和能量物質(zhì)。當然也有一些物質(zhì)既可以接受電子，也可以釋放電子，他們具有氧化和還原兩種性質(zhì)。從廣義上考慮，具有雙性的分子更普遍。而生物體系受到物質(zhì)濃度的有效管制，許多物質(zhì)主要發(fā)生其中一種反應(yīng)。也就是說只擔負氧化物質(zhì)或還原物質(zhì)，這是生物化學(xué)反應(yīng)的最主要特征。
氧氣作為唯一的電子最終接受體，一個氧氣分子可以同時接受4個電子，與氫離子結(jié)合產(chǎn)生水。氧氣的重要性在于它是最終電子接受體。氧氣的另一個重要性是在于生物體系進化出可以同時把4個電子一起傳遞的氧化磷酸化過程。這個還原氧氣的最重要任務(wù)是由細胞色素c還原酶完成的。從這個角度看，這個酶的成功進化可能是生命進化過程中最最關(guān)鍵的一個過程，有了這個酶，才有了氧氣的利用，才有了高等生物進化的基礎(chǔ)。
氧氣是非常重要的氧化劑，而且是一種非常安分的分子。幾乎所有(98%或更多)的氧氣都是先與血紅蛋白結(jié)合，被運輸?shù)浇M織細胞，然后在細胞內(nèi)的氧氣結(jié)合蛋白(如肌紅蛋白)協(xié)助下，轉(zhuǎn)移到細胞的線粒體，最后接受四個電子完成使用。
98%是完全被一次性還原成水，但其中1-2%的氧氣沒有同時接受4個電子，而是只接受1個電子(注意不是接受2或3個)。接受一個電子的氧氣與接受4個電子的氧氣的后果完全不同。接受4個電子的氧氣變成水，就完成了使命。而接受一個電子的氧氣變成了超氧陰離子。當然這個接受一個電子過程也往往不是自發(fā)產(chǎn)生，也是一種酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)。例如NADPH氧化酶，就是這種著名的常見的產(chǎn)生方式。這類過程有個重要特征，是要酶把還原性物質(zhì)的一個電子轉(zhuǎn)移給氧氣。
氧氣獲得一個電子變成超氧陰離子，就不像氧氣那么安分了，這是一個可以主動接受和釋放電子的角色，也就是說可以在沒有酶的協(xié)助下與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而且，作為一個離子，在細胞內(nèi)由于存在各類膜結(jié)構(gòu)的限制，往往不容易自由擴散，這往往具有在局部產(chǎn)生高濃度的趨勢。生物體系最不希望的事情就是無法控制的化學(xué)反應(yīng)。解決這個問題的辦法仍需要借助酶。生物體系進化出一類專門清除這個分子的物質(zhì)，那就是SOD。而且要保證有兩個效果，一是把超氧陰離子的濃度降低到最低，這需要濃度比較高。另外可以把它們轉(zhuǎn)變成另一個活性相對比較弱，而且可以自由擴散的分子過氧化氫，后者可以通過擴散迅速把局部的活性氧濃度降低到安全濃度。為了保證效果可靠，在細胞的各個角落都存在，就連細胞外也有這類物質(zhì)，而且濃度
這個文章主要闡述了一個常見誤解，那就是認為：如果SOD多了，細胞內(nèi)的過氧化氫就一定會高。這個問題也困惑我多年，今天看到此文章，很有相見恨晚的感覺。首先一個疑問是SOD只催化一種反應(yīng)嗎?答案是不。主要的反應(yīng)是將超氧陰離子變成氧氣和過氧化氫。在一定條件下，也可以將過氧化氫催化成超氧陰離子。這符合化學(xué)反應(yīng)的雙向特征。另外在存在一氧化氮的情況下，可以將過氧化氫變成亞硝酸陰離子(毒性遠遠超過上述幾個分子，說明SOD絕對不是只做好事不辦壞事的)。這個文章對理解SOD是非常好的一個資料。
為什么SOD增加，過氧化氫不一定增加?為什么不會發(fā)生這樣似乎很應(yīng)該發(fā)生的事情?原因很簡單，因為正常情況下，SOD已經(jīng)足夠多，遠遠超過超氧陰離子的需要量。就是說已經(jīng)達到飽和，再繼續(xù)增加也不會增加催化效果了。這道理似乎很簡單，催化劑有一個濃度上限很正常。不過在生物體內(nèi)這種情況并不常見，往往都不是達到飽和濃度。在這個催化的生物化學(xué)反應(yīng)中，反映速度幾乎完全決定于超氧陰離子濃度。
從過氧化氫角度考慮，其濃度不僅決定于產(chǎn)生速度，也就是說超氧陰離子濃度。也受到降解速度的影響，而影響和負責(zé)過氧化氫降解速度有過氧化氫酶(最快)、谷胱甘肽過氧化物酶peroxidases和過氧化還原物酶peroxiredoxins(兩個英文表達不同)。
關(guān)于檢測過氧化氫的方法，文獻中最常用的是DCDHF-DA，但我們要知道這個分子對檢測過氧化氫不具有特異性。如果要進行特異性檢測過氧化氫，建議采用Amplex Red assay。不過，這個問題過去經(jīng)常有人論述。
如何解釋SOD過量表達的細胞保護作用，如果SOD增加可以促進過氧化氫產(chǎn)生，產(chǎn)生的后果有可能產(chǎn)生毒性。為什么沒有產(chǎn)生?許多研究表明其作用可能與降低亞硝酸陰離子產(chǎn)生減少有關(guān)系。這個過程是這樣發(fā)生的，當生物系統(tǒng)內(nèi)存在一氧化氮，NO可以迅速與超氧陰離子發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生亞硝酸陰離子。后者譽也可以對SOD產(chǎn)生直接毒性作用，降低酶活性。而這個時候由于超氧陰離子迅速下降，可以通過SOD動員過氧氫轉(zhuǎn)化成超氧陰離子(逆反應(yīng)發(fā)生)。原來是這樣!
