我對磁場生物學(xué)研究是外行，但我認(rèn)為磁場也屬于生命進(jìn)化的最基本環(huán)境條件，甚至有一些生物能對磁場產(chǎn)生感受，磁場對生物產(chǎn)生影響也應(yīng)該是必然的。只是這種影響比較隱秘，類似于重力對生物體的影響，在微重力情況下人體會產(chǎn)生非常多的不適反應(yīng)才能說明重力的重要環(huán)境意義。磁場效應(yīng)往往對金屬，尤其是有一定磁性的金屬可產(chǎn)生影響。而單獨金屬離子存在磁性也是一個必然的表現(xiàn)，在生物體系中，蛋白質(zhì)內(nèi)金屬離子都是單獨分布，這些金屬對磁場的改變比較敏感。氫氣也存在不同的磁場狀態(tài)，這種狀態(tài)是由于不同自旋狀態(tài)的氫原子核產(chǎn)生的，在密度比較高的情況下，氫氣的這種效應(yīng)會被平均。但是在量子化條件下的生物體系中，氫氣的這種磁性質(zhì)可能值得重視和研究。
如果氫氣屬于信號分子，細(xì)胞如何感知氫氣就是非常重要的問題。氫氣在水中的溶解度比較低，化學(xué)活性想對比較惰性。研究認(rèn)為氫氣在溶液內(nèi)可和羥基自由基反應(yīng)，但不與其他活性氧直接反應(yīng)。但是這不應(yīng)是氫氣的所有作用。HO-1是小鼠體內(nèi)重要的功能分子，有許多報道發(fā)現(xiàn)氫氣能影響HO-1，如果氫氣沒有受體，這種作用就需要通過非受體途徑。由于氫氣非常小，而化學(xué)活性穩(wěn)定，很難想象氫氣如何被受體蛋白識別。與氫氣比較接近的氣體信號分子是一氧化氮(氧氣才接近)，一氧化氮也沒有經(jīng)典的受體，但是一氧化氮能通過影響血紅素影響鳥苷酸環(huán)化酶活性，或者直接與硫醇基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)。氫氣不可能出現(xiàn)類似一氧化氮與硫醇基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)的情況，因為氫氣缺乏化學(xué)反應(yīng)活性(這可能有誤會)，但是氫氣完全有可能出現(xiàn)類似一氧化氮影響血紅素樣的直接效應(yīng)。
氫氣的核自旋狀態(tài)也是一種非常重要的特性。多數(shù)氫原子核是一個質(zhì)子，氫分子是兩個氫原子組成，就是兩個質(zhì)子和兩個電子組成。質(zhì)子也不是完全一樣的，有兩種旋轉(zhuǎn)方向，這樣就會產(chǎn)生兩類不同的氫分子，如果兩個質(zhì)子的自旋方向一樣，這樣的氫分子被稱為正氫ortho hydrogen;如果兩個質(zhì)子自旋方向不同，這樣的氫分子被稱為仲氫para hydrogen。氫在常溫下含75%的正氫和25%的仲氫。Rychlewski等曾經(jīng)論述了這種氫核旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的磁效應(yīng)，并提出這種最簡單分子系統(tǒng)表現(xiàn)出的相互排斥作用。值得重視的是，兩種狀態(tài)的氫分子可以被順磁催化轉(zhuǎn)化。Steiner 和Ulrich曾經(jīng)寫過一個關(guān)于磁場效應(yīng)的長篇綜述，其中包括氫自旋異構(gòu)體轉(zhuǎn)換和磁場生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)系。其中涉及到某些活性氧代謝和信號作用，例如氧分子、一氧化氮和二氧化氮等。
一氧化氮是非常重要的信號分子，一氧化氮也有不同存在形式，生物體內(nèi)有NOˉ、NO˙和NO+三種存在方式(我的理解只有NO˙才是真正的自由基)，不同存在方式的一氧化氮化學(xué)性質(zhì)差別很大，它們的生物學(xué)效應(yīng)也有很大不同。
與活性氧和自由基類似，氣態(tài)氫在存在過渡金屬或有機金屬化合物催化下能發(fā)生正仲態(tài)轉(zhuǎn)化，液態(tài)氫則在沒有催化劑的情況下自會自發(fā)緩慢地發(fā)生。值得重視的是，許多催化自由基反應(yīng)的酶都包含金屬活性中心(表1)。當(dāng)然不僅是催化自由基反應(yīng)的酶，含有金屬活性基團(tuán)的蛋白非常多，例如最常見的血紅蛋白，更多見的是各種催化酶。這些具有金屬活性中心的蛋白質(zhì)和酶，不僅是催化活性的重要部位，也是小分子參與調(diào)節(jié)的重要目標(biāo)。一氧化氮對酶活性的調(diào)節(jié)如此，氫氣對酶活性的調(diào)節(jié)也許同樣如此。
表1涉及活性氧信號和代謝的金屬活性中心蛋白
最著名的活性氧代謝酶和信號調(diào)節(jié)酶是SOD，其功能是將超氧陰離子變成過氧化氫，超氧陰離子是電子傳遞鏈電子泄露導(dǎo)致氧氣被還原產(chǎn)生。SOD存在不同的類型，全部都含有過渡金屬離子活性中心，有的是銅/鋅，也有的含有鐵、錳和鎳。有研究提示銅原子能催化氫自旋異構(gòu)體轉(zhuǎn)換，或者SOD活性也會受到物理因素磁場強度的影響。
過氧化氫酶是細(xì)胞和組織內(nèi)清除過氧化氫的酶，這種酶可以降低過氧化氫信號，也能減少氧化應(yīng)激。過氧化氫擁有一個鐵血紅素活性中心，這種結(jié)構(gòu)非常容易受到氫氣的影響。在0.8T磁場條件下，過氧化氫被分解的速度可以增加20%左右。
另外活性氧和一氧化氮的產(chǎn)生也可能會收到磁場的影響。NADPH氧化酶和一氧化氮合成酶含有鐵血紅素，硝酸還原酶含有鉬，這些含過渡金屬離子活性中心的活性氧和一氧化氮合成酶活性可能會受磁場影響。
這些可能收到磁場影響的酶同樣也可能會受到氫氣分子的影響。
雖然氫氣分子沒有磁性，但是順磁性物質(zhì)也可能通過磁場效應(yīng)產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。磁場生物學(xué)效應(yīng)并不是一個新領(lǐng)域，但是研究的規(guī)模比較小。Steiner和Ulrich曾經(jīng)寫過一個磁場效應(yīng)的長篇綜述，其中包括生物學(xué)效應(yīng)的部分。例如光合作用反應(yīng)活性中心，也包含過渡金屬活性中心，也能因為電子泄露產(chǎn)生活性氧自由基。固定磁場能促進(jìn)小球藻生長，其中部分原因是因為磁場導(dǎo)致的光合作用能力和呼吸率提高。這里相關(guān)性比較大的是氧化應(yīng)激提高和抗氧化能力的降低。
動物內(nèi)皮細(xì)胞對磁場比較敏感，降低磁場到某個強度能移植內(nèi)皮細(xì)胞分裂，加入SOD可以降低120μT磁場造成的分裂增強。這說明靜磁場是通過活性氧影響內(nèi)皮細(xì)胞分裂。使用磁性羥磷灰石骨架可以促進(jìn)細(xì)胞分裂，這種效應(yīng)是通過MAPK信號途徑激活實現(xiàn)的，該信號通過一般是MEK1/2和ERK1/2有關(guān)，但是這些相關(guān)酶并不包含過渡金屬離子，提示這種效應(yīng)可能來自更上游信號。
磁場也可以增加細(xì)胞死亡信號，用磁性納米材料可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。也有完全相反的報道是發(fā)現(xiàn)磁場能移植細(xì)胞凋亡提高細(xì)胞存活。有研究發(fā)現(xiàn)，磁場能提高細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流，這可能是誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的原因。磁場的生物學(xué)效應(yīng)目前仍然存在許多未知，雖然有許多研究發(fā)現(xiàn)，弱磁場能影響細(xì)胞信號分子，如提高海馬神經(jīng)元內(nèi)Gi蛋白水平、肌醇-三磷酸肌醇、PKA、PKC和鈣離子水平。但是這些信號分子和相關(guān)酶除鈣離子外和PKC含有鋅離子外，一般不包含金屬離子。更多磁場效應(yīng)的相關(guān)研究和抗氧化劑有關(guān)。如小鼠成纖維細(xì)胞在0.1T-0.7T永磁場下培養(yǎng)，會導(dǎo)致SOD和GPx活性降低。磁場對束縛應(yīng)激大鼠也能產(chǎn)生作用，在0.8 mT磁場連續(xù)5天，每天分別暴露30、60和240分鐘，使一氧化氮、蛋白過氧化物、和糖基化產(chǎn)物下降，研究結(jié)果提示磁場具有抗氧化應(yīng)激效應(yīng)。相關(guān)證據(jù)還包括某些抗氧化酶如SOD活性和抗氧化劑GSH水平提高。氫氣對束縛應(yīng)激產(chǎn)生的硬化損傷也具有類似對抗效應(yīng)。
總之，氫氣具有廣泛的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)，對動物和植物都能產(chǎn)生影響。氫氣的主要作用特點是減少細(xì)胞應(yīng)激，降低植物對各種外來傷害刺激的反應(yīng)，治療動物疾病。雖然有研究認(rèn)為氫氣能直接中和有毒自由基，但是從化學(xué)性質(zhì)上考慮，氫氣相對惰性，并不應(yīng)該具有理想的抗氧化活性。氫氣分子的兩個原子核具有兩種不同的自旋異構(gòu)體，分別為正氫和仲氫，這種特殊自旋狀態(tài)可能使氫氣具有直接和其他信號分子相互作用的可能，氫氣可能的目標(biāo)調(diào)節(jié)分子是一氧化氮和含金屬有機物。一些參與活性氧代謝和信號傳遞作用的含金屬酶，如過氧化氫酶活性可受到磁場影響，這些酶的金屬活性中心可能會和氫分子發(fā)生相互作用。因此，氫氣和磁場在生物學(xué)效應(yīng)方面的相互作用值得探索，氫氣分子和各種代謝活性氧的酶如SOD和過氧化氫酶之間的相互作用也值得重視。
JohnT. Hancock,Thomas H. Hancock.Hydrogen Gas, ROS Metabolism, and Cell Signaling:Are Hydrogen Spin States Important?
