為了認(rèn)識(shí)氫氣生物學(xué)效應(yīng)的分子機(jī)制,采用量子化學(xué)的M06-2X/6-311+G(d,p)和CCSD(t)/aug-cc-pVTZ方法模擬了人體條件(310K、液相)下氫分子與超氧陰離子自由基的反應(yīng)機(jī)理。研究表明,反應(yīng)的吉布斯自由能變化值為117.2kJ·mol~(-1),活化自由能壘為156.2kJ·mol~(-1),從熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)角度該反應(yīng)都不容易進(jìn)行。然后從電子結(jié)構(gòu)和軌道作用層面對(duì)反應(yīng)的微觀機(jī)制進(jìn)行了探討,發(fā)現(xiàn)從反應(yīng)物變?yōu)檫^渡態(tài)過程中,復(fù)合物軌道的組成和軌道能級(jí)發(fā)生顯著變化(尤其是第8號(hào)軌道能級(jí)升高最多,達(dá)到2.73eV),O~-_2片段向H_2片段的電子轉(zhuǎn)移數(shù)增加了0.1760個(gè),并且轉(zhuǎn)移的電子主要集居于第8號(hào)軌道,這削弱了H_2片段兩個(gè)H原子間的化學(xué)鍵,也是反應(yīng)活化能的主要來源。
 

　　雖然研究者聲稱是為氫氣生物學(xué)效應(yīng)，研究內(nèi)容是在溶液中氫氣和超氧陰離子反應(yīng)的量子化學(xué)機(jī)制，但是這個(gè)反應(yīng)并不是氫氣生物學(xué)領(lǐng)域認(rèn)可的觀點(diǎn)。氫氣生物學(xué)效應(yīng)被廣泛接受的觀點(diǎn)是選擇性抗氧化，就是氫氣不直接和超氧陰離子反應(yīng)，但可和羥基自由基直接發(fā)生反應(yīng)。超氧陰離子雖然是自由基，但也具有正常生理信號(hào)作用，氫氣不和超氧陰離子反應(yīng)，也就是氫氣不會(huì)影響正常生理功能。羥基自由基則是導(dǎo)致生物分子氧化損傷的關(guān)鍵，氧化活性強(qiáng)，能直接氧化氫氣分子，或者氫氣可以中和羥基自由基。由于羥基自由基只能奪取一個(gè)電子，讓氫氣分子變成一個(gè)氫離子和一個(gè)氫原子，在生物體系中，氫原子會(huì)和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生超氧陰離子。所以氫氣在生物體系不僅不和超氧陰離子反應(yīng)，而且可以和羥基自由基反應(yīng)產(chǎn)生更多超氧陰離子。超氧陰離子增加意味著生物系統(tǒng)氧化活性或氧化張力提高，這正是氧化應(yīng)激提高。這也可能是氫氣所以能導(dǎo)致氧化應(yīng)激信號(hào)增強(qiáng)的重要因素?？傊?，如果從生物醫(yī)學(xué)角度，更應(yīng)該利用量子化學(xué)的原理，分析氫氣選擇性抗氧化的基礎(chǔ)。
 

　　近年來氫氣醫(yī)學(xué)受到廣泛關(guān)注，過去人們認(rèn)為氫氣是一種內(nèi)源性惰性氣體，不能和組織發(fā)生生物學(xué)效應(yīng)。2007 年，Ohsawa 等首次報(bào)道呼吸低濃度氫氣可以顯著抑制大鼠腦缺血再灌注損傷，氫氣很快成為醫(yī)學(xué)氣體研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。迄今，人們已經(jīng)在眾多動(dòng)物模型和人類疾病中對(duì)氫氣開展了研究，例如: 抗缺血再灌注損傷、抗細(xì)胞凋亡、抗器官損傷、抗器官移植損 傷、抗 腫 瘤 生 長、延長秀麗線蟲壽命、調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)通路、抗炎癥 等。近10 年氫氣醫(yī)學(xué)的大量研究結(jié)果表明: ( 1) 氫氣可以作為一種安全、有效的疾病改善手段; ( 2) 氫氣是通過抗氧化、減少細(xì)胞凋亡、抑制炎癥反應(yīng)等來發(fā)揮改善作用的; ( 3) 氫氣的生物學(xué)效應(yīng)得到了廣泛認(rèn)識(shí)，但是氫分子結(jié)構(gòu)簡單，缺乏有效的方法觀察和研究其與生物分子的相互作用，尚未從分子水平上闡明氫氣的生物學(xué)機(jī)制。
 

　　目前關(guān)于氫氣生物學(xué)效應(yīng)的作用基礎(chǔ)有幾種不同觀點(diǎn): Iton 等認(rèn)為氫氣是一種“酶活性調(diào)節(jié)劑”; Shi 等提出氫氣是一種“新的氣體信號(hào)分子”; 認(rèn)可度較高的仍然是 Ohsawa 等提出的“選擇性抗氧化”假說。
 

　　由于缺乏氫氣作用基礎(chǔ)的直接證據(jù)，氫氣醫(yī)學(xué)尚不能被普遍接受，闡明氫氣生物學(xué)效應(yīng)的分子機(jī)制成為氫氣醫(yī)學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)。超氧陰離子 自由基是活性氧的重要組成部分，與很多生理和病理過程密切相關(guān)，本文采用量子化學(xué)方法從電子結(jié)構(gòu)水平研究了氫氣和 超氧陰離子自由基的反應(yīng)機(jī)理，為盡快認(rèn)識(shí)氫氣生物學(xué)效應(yīng)的分子機(jī)制提供助力。
 

　　本研究采用量 子 化 學(xué) M06-2X /6-311 + G ( d，p) 和CCSD ( t) /aug-cc-pVTZ 方法，基于 SMD 模型計(jì)算了 310K 溫度下水溶液環(huán)境中氫分子與超氧陰離子自由基的反應(yīng)機(jī)理。氫氣與超氧陰離子反應(yīng)的吉布斯自由能變化值為117. 2kJ·mol-1，活化自由能壘為 156. 2kJ·mol-1，從熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)角度該反應(yīng)都不容易進(jìn)行。通過電荷分解分析和軌道作用分析深入考查反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)從反應(yīng)物變?yōu)檫^渡態(tài)過程中: 兩片段間相互作用的軌道發(fā)生變化，復(fù)合物軌道的組成發(fā)生變化，軌道能級(jí)發(fā)生明顯變化; 超氧陰離子片段向氫氣片段的電子轉(zhuǎn)移數(shù)增加，并且主要集居于能級(jí)升高值最多的第 8 號(hào)軌道中，削弱了氫氣片段兩個(gè)氫原子間的舊化學(xué)鍵，它是反應(yīng)活化能的主要來源。
 

　　主要參考文獻(xiàn)

　　孟祥軍,王秀閣,和芹,王磊. 氫分子與超氧陰離子自由基反應(yīng)的微觀機(jī)理[J]. 化學(xué)通報(bào). 2020(08) :755-760

　　以上內(nèi)容摘自《孫學(xué)軍 氫思語》，僅限于知識(shí)科普，不代表對(duì)本公司產(chǎn)品的宣傳。