氫氣選擇性抗氧化是氫氣生物學(xué)效應(yīng)的流行解釋，但氫氣具有眾多生物學(xué)效應(yīng)不能完全用選擇性抗氧化來(lái)解釋。許多學(xué)者試圖尋找氫氣效應(yīng)的新機(jī)制，如曾經(jīng)有人提出氫氣是一種信號(hào)分子，也有人認(rèn)為氫氣能激活內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)，但這些說(shuō)法都能用選擇性抗氧化來(lái)解釋，難以作為獨(dú)立假說(shuō)。最近有研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可能通過(guò)線粒體復(fù)合物I分解，同時(shí)減少線粒體產(chǎn)生活性氧數(shù)量，由于這一過(guò)程經(jīng)過(guò)酶催化，這完全不同于選擇性抗氧化不需要酶催化的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此是全新的機(jī)制假說(shuō)。
 

氫氣是一種非極性分子，在許多疾病中，如神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病和炎癥相關(guān)疾病顯示具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值。氫氣在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的作用，被認(rèn)為是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)中和毒性活性氧?；钚匝醮_實(shí)參與許多疾病病理過(guò)程，但是完全清除活性氧并不能真正發(fā)揮改善疾病作用。作者認(rèn)為，單純減少損傷因子只會(huì)阻斷損傷過(guò)程，不能解決再生和重建已經(jīng)破壞和紊亂的組織，這也可能是抗氧化無(wú)法實(shí)現(xiàn)改善疾病的原因。和活性氧相關(guān)的組織細(xì)胞再生過(guò)程主要與線粒體有關(guān)，線粒體內(nèi)最有可能和氫氣發(fā)生相互作用的是復(fù)合物I。如果氫氣能激活線粒體或氫氣直接被線粒體利用，這將不同于過(guò)去認(rèn)為氫氣中和活性氧的假說(shuō)。
 

線粒體復(fù)合物I和能量轉(zhuǎn)換膜結(jié)合鎳鐵-氫化酶在進(jìn)化上有同源性，據(jù)推測(cè)氫化酶是復(fù)合物I的祖先分子。線粒體復(fù)合物和氫化酶存在親密血緣關(guān)系，復(fù)合物I也許仍保留氫化酶的潛在活性，存在代謝氫氣的可能。氫化酶氫氣催化中心和復(fù)合物I輔酶Q催化中心也高度類似，復(fù)合物I祖先可能具體同時(shí)使用氫氣和輔酶Q兩種物質(zhì)作為電子或質(zhì)子傳遞體。鎳和鐵是氫化酶催化活性的必須條件，由于缺乏這些金屬離子，復(fù)合物I失去了代謝氫氣的能力。但最近研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)金屬離子有可能通過(guò)frustratedLewis pair機(jī)制激活氫氣。復(fù)合物I催化活性中心存在堿性氨基酸和提供酸性基團(tuán)的泛酸(輔酶Q)，使復(fù)合物具備發(fā)生FLP條件。如果在輔酶Q室使氫氣激活，將能改變電子朝兩個(gè)方向流動(dòng)，一是從輔酶Q N2簇逆向流至NAD+，二是正向流向單氫醌，后者在電子氧化還原能量向質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)能量偶聯(lián)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，過(guò)程包括醌中間體變成雙氫輔酶Q和進(jìn)一步向復(fù)合物III轉(zhuǎn)運(yùn)電子。
 

為確定這些可能，最新研究探索了氫氣能改變線粒體電子流動(dòng)方向，通過(guò)測(cè)定NADH濃度，觀察氫氣是否能抑制超氧陰離子產(chǎn)生，在NAD+誘導(dǎo)逆向電子轉(zhuǎn)運(yùn)情況下。從復(fù)合物I因?yàn)閺臍浠傅綇?fù)合物I在能量轉(zhuǎn)換進(jìn)化上的保守性，都是利用電子氧化產(chǎn)生能量偶合線粒體膜電位，這導(dǎo)致氫氣對(duì)線粒體產(chǎn)生超氧陰離子和膜電位有比較大的影響。
 

本研究展示了氫氣對(duì)人類線粒體電子轉(zhuǎn)運(yùn)和超氧陰離子產(chǎn)生和線粒體膜電位的影響，提供了對(duì)線粒體功能調(diào)節(jié)的氫氣作用機(jī)制新視角。由于這個(gè)研究假說(shuō)中有氫氣被復(fù)合物激活分解為氫原子的過(guò)程，且這種分解產(chǎn)生的電子會(huì)變成線粒體電子傳遞鏈的一個(gè)成員，這樣氫氣顯然可發(fā)揮電子供體的作用，或者氫氣能通過(guò)線粒體給細(xì)胞提供ATP。
 

圖 4. a是線粒體復(fù)合物產(chǎn)生超氧陰離子。
 

復(fù)合物I中的黃色方框?yàn)檩o酶Q室，右側(cè)灰藍(lán)色圓是輔酶Q池，無(wú)氫Q、單氫Q、雙氫Q。氧氣用藍(lán)色標(biāo)注，超氧陰離子用橘色標(biāo)注。這個(gè)圖代表從Q提供電子給復(fù)合物I，然后將NAD+還原為NADH，這和線粒體電子傳遞方向相反的逆向電子傳遞，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生更多超氧陰離子，是組織缺血再灌注過(guò)程中的典型改變。
 

b氫氣作用使復(fù)合物I功能恢復(fù)正常。
 

Q室內(nèi)一對(duì)藍(lán)色小圈代表氫氣分子，藍(lán)色虛線箭頭代表復(fù)合物I電子在FMN和N簇之間兩個(gè)方向流動(dòng)，Q室內(nèi)兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子代表氫氣分子被激活后分解產(chǎn)物。從Q池來(lái)的紅色虛線箭頭表示異常的電子逆向轉(zhuǎn)運(yùn)被氫氣打破，變成了正常的電子正向流動(dòng)的FET。
 

背景知識(shí)1：酸堿電子理論，是1923年美國(guó)物理化學(xué)家吉爾伯特·牛頓·路易斯(Lewis G N)提出的一種酸堿理論，它認(rèn)為凡是可以接受外來(lái)電子對(duì)的分子、基團(tuán)或離子為酸;凡可以提供電子對(duì)的分子、離子或原子團(tuán)為堿。酸是電子對(duì)的受體，堿是電子對(duì)的給體，它們也稱為路易斯酸和路易斯堿。酸堿反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是堿提供電子對(duì)與酸形成配位鍵，反應(yīng)產(chǎn)物稱為酸堿配合物。frustratedLewis pair(FLP)是一個(gè)最近出現(xiàn)的新名詞，指分子內(nèi)或混合體系中同時(shí)具有路易斯酸和路易斯堿兩個(gè)位點(diǎn)，由于空間位阻較大而使得分子內(nèi)這兩個(gè)位點(diǎn)不能結(jié)合形成路易斯酸堿加合物，但可以和其他分子分別發(fā)生形成酸堿加合物。
 

背景知識(shí)2：琥珀酸是線粒體檸檬酸循環(huán)的中間產(chǎn)物和線粒體復(fù)合物Ⅱ的底物。缺氧鼠心臟中觀察到琥珀酸的蓄積。Chouchani等發(fā)現(xiàn)，缺氧條件下琥珀酸由蘋果酸/天冬氨酸穿梭和嘌呤核氨酸循環(huán)途徑產(chǎn)生的延胡索酸轉(zhuǎn)化而成。作者提出琥珀酸蓄積是由琥珀酸脫氫酶(SDH)的逆轉(zhuǎn)造成的假說(shuō)。該研究發(fā)現(xiàn)注射丙二酸二甲酯(SDH競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑)使琥珀酸蓄積的狀態(tài)得到緩解，這證明缺血期間琥珀酸蓄積是由SDH的逆轉(zhuǎn)效應(yīng)造成。線粒體內(nèi)超氧陰離子生成的與反向電子傳遞(RET)有關(guān)。
 

參考文獻(xiàn)

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Volbeda A , Fontecilla-Camps J C .The Evolutionary Relationship Between Complex I and [NiFe]-Hydrogenase[M]// AStructural Perspective on Respiratory Complex I. Springer Netherlands, 2012.復(fù)合物I和氫化酶同源。