氫氣被線粒體復(fù)合物I激活分解的理論分析

文章來(lái)源：孫學(xué)軍氫思語(yǔ)發(fā)布日期：2021-04-20 16:09瀏覽次數(shù)：

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我們的細(xì)胞維持功能需要不斷消耗能量，細(xì)胞能量來(lái)自對(duì)能量營(yíng)養(yǎng)素分解產(chǎn)生的化學(xué)能。能量營(yíng)養(yǎng)素就是我們吃的糖脂肪和蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)類似汽車的汽油，汽車消耗汽油是用燃燒的方法，但我們的細(xì)胞沒(méi)有汽缸，只有利用酶的催化一步步對(duì)這些能量化合物進(jìn)行分解，一邊分解一邊把能量變成可使用的化學(xué)能小分子ATP。我們可以理解為這些ATP就是電池，可以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)的各種工作，例如肌肉運(yùn)動(dòng)，神經(jīng)放電，合成DNA分子等工作。線粒體就是一個(gè)ATP電池制造廠，不斷提取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的化學(xué)能制造這種小電池。這個(gè)過(guò)程非常神奇，先從能量物質(zhì)的提取高能級(jí)電子，然后利用電子能級(jí)的下降經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜電的驅(qū)動(dòng)合成ATP，雖然ATP仍然是化學(xué)能，但線粒體合成ATP過(guò)程真是利用的電能。我們將的線粒體復(fù)合物I就是一種利用高能電子轉(zhuǎn)移質(zhì)子，制造細(xì)胞化學(xué)能的最典型代表。

關(guān)鍵的關(guān)鍵是，這個(gè)復(fù)合物I和氫氣代謝的氫化酶就是一家人，所以這才引起我們的重視。氫氣曾經(jīng)是低等生物的能量轉(zhuǎn)化樞紐，能量轉(zhuǎn)化的分子介質(zhì)就是氫化酶，這分子能合成氫氣，也能分解氫氣。作用線粒體復(fù)合物I這種氫化酶的后代，代謝氫氣的潛力應(yīng)該仍然存在。

今天是線粒體和氫化酶進(jìn)化故事的最后一個(gè)內(nèi)容了，感謝大家的持續(xù)支持。今天的內(nèi)容主要從化學(xué)原理上解釋了氫氣完全具有給線粒體提供電子的可能性。因?yàn)闅錃庾鳛檫€原底物，擁有還原輔酶Q張力，且能釋放足夠能量，這是反應(yīng)可以持續(xù)的基礎(chǔ)。

2H+/H₂的中點(diǎn)氧化還原電位大約+420mV，Q/QH2大約+90 mV，N2簇(pH 依賴: -59 mV/pH)大約為(-150)-(-250) mV。半醌陰離子和醌陰離子轉(zhuǎn)化的同時(shí)給質(zhì)子泵提供能量，從熱力學(xué)角度看，氫氣激活能給穩(wěn)定的醌分子提供氧化還原能。這種情況下，質(zhì)子泵可重新被激活。半醌Em=（-200）~(-300) mV，氫氣分子具有給半醌等提供電子的潛力。醌負(fù)離子脫質(zhì)子的分解常數(shù)估計(jì)為2 x 10^-13M。作為質(zhì)子接受體醌陰離子有激活氫氣的潛力，半醌陰離子則能作為親電子，也能作為親質(zhì)子分子。堿性殘基(如His59)能吸引質(zhì)子；在醌的擠壓作用下，Thy108相關(guān)親電子N2簇也能極化和激活氫氣。氫氣給醌分子轉(zhuǎn)移電子的可能性有多種，醌Q、半醌陰離子Q•-、質(zhì)子化半醌Q•H和醌陰離子QH-等。H+-base代表親質(zhì)子堿性基如His59和，N2ox-e-代表接受電子的氧化N2簇。

氫氣轉(zhuǎn)移電子給Q：

Q + H2 → Q•-+ H+-base + H•→ Q•H + H+-base + e-→QH- + H+- base→ QH2 (1)

氫氣轉(zhuǎn)移電子給Q•-

Q•-+H₂→ Q2- + H+-base + N2ox-e-+H+→QH- + H+-base + N2_red→ QH2 + N2 red (2)

氫氣轉(zhuǎn)移質(zhì)子到Q•-

Q•-+H2 → Q•H + N2ox -e- + H+-base + e- → QH-+ N2 red + H+-base→ QH2 + N2 red (3)

氫氣轉(zhuǎn)移電子給 Q•H

Q•H+H2 → QH- + H+-base + N2ox -e- + H+ → QH2 + N2red + H+-base (4)

氫氣轉(zhuǎn)移質(zhì)子給QH-

QH-+ H2 → QH2 + N2ox-e- + e- + H+-base → QH2 + N2 red + e-+H+-base (5

反應(yīng)(1)需要周圍堿性基和親電子N2簇先激活氫氣。反應(yīng)（2）到（5）依賴于從電子的雙向傳遞，包括N2ox經(jīng)過(guò)N2red逆向給NAD+傳遞電子，從醌中間體向氫醌正向轉(zhuǎn)遞電子。在（1）、（2）和（4）反應(yīng)的第一步，氫氣作為還原劑和提供電子參與反應(yīng)，在（3）和（5）反應(yīng)中，氫氣作為氧化劑提供質(zhì)子參與反應(yīng)。（3）和（5）反應(yīng)的多步驟機(jī)制中，可命名為氧化劑誘導(dǎo)的還原反應(yīng)，這是復(fù)合物III發(fā)生的典型氧化還原反應(yīng)。

開(kāi)始，氫氣作為質(zhì)子提供者和氧化劑和醌陰離子反應(yīng)。然后，氧化N2簇接受來(lái)自氫氣的電子被還原。在反應(yīng)（3），質(zhì)子化中性半醌最終仍被還原成氫醌。

這里描述的假說(shuō)中，氫氣在兩個(gè)方向上，分別以提供電子的還原劑和提供質(zhì)子的氧化劑整頓電子流動(dòng)方向，和各種醌分子反應(yīng)將半醌變成氫醌。這個(gè)反應(yīng)能避免電子傳遞鏈向病理死胡同發(fā)展，減少缺血再灌注損傷的發(fā)生。氫氣中間電位低于NADH Em 320 mV，熱力學(xué)上有向NADH逆向傳遞電子的可能。兩個(gè)方向的電子流動(dòng)能減少缺血再灌注的氧化爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，一是還原醌中間體為醌，二是給氧化N2簇提供電子，隨后電子經(jīng)過(guò)鐵硫簇傳遞給氧化FMN或/和還原NAD+為NADH。通過(guò)氫氣的正向電子流動(dòng)，醌中間體被還原為氫醌，這將能減少醌池內(nèi)半醌自由基產(chǎn)生超越陰離子的水平。

逆向電子首先被氧化N2簇接受，接受電子的是PH依賴氧化還原N2簇。氫氣的氧化還原能可被還原不穩(wěn)定醌中間體部分消耗，如果N2的Em高于鐵硫簇~250 mV，根據(jù)氧化還原玻爾效應(yīng)，部分能量也可被N2利用，N2簇有更高的Em（-150 mV）。相反在沒(méi)有醌中間體和膜電位提供的質(zhì)子梯度，低Em N2簇可與氫氣發(fā)生反應(yīng)。

除了在催化中心分解氫氣，另外一個(gè)可能位點(diǎn)是氫氣在醌室口頸部，這里分布著Arg71、Arg274和 hydroxy-Arg77等堿性氨基酸，羥基精氨酸是精氨酸的氧化中間體，在一氧化氮合成過(guò)程精氨酸被氧化產(chǎn)生，隨后變成亞硝酸和瓜氨酸。失活態(tài)時(shí)最狹窄部位直徑為1.9-2.2Å，醌頭的寬度為6 Å。這樣醌頭部被鎖定在醌室深部N2催化位。在失活態(tài)或通道未完全開(kāi)放時(shí)，醌頭部必須穿越狹窄部分，這個(gè)過(guò)程可碾壓氫氣分子，有可能會(huì)通過(guò)類似FLP機(jī)制激活氫氣。這涉及醌頭部催化活性、精氨酸堿性基親質(zhì)子和羥基精氨酸的供質(zhì)子體。這個(gè)狹窄部位靠近SQNs，可通過(guò)EPR檢測(cè)出慢弛豫信號(hào)，SQNs和N2 簇間距離為30Å。

氫氣被線粒體復(fù)合物I激活分解的理論分析