法國化學(xué)家拉瓦錫Antoine Lavoisier(1743-1794)：呼吸就是一種緩慢的對(duì)碳和氫的燃燒作用，這完全類似在一盞煤油燈和蠟燭中發(fā)生的事……因此一個(gè)人可以說，從降生到這個(gè)世界并開始呼吸開始，生命的火炬點(diǎn)亮了他自己，直到死亡火炬才會(huì)熄滅。

氫能源被認(rèn)為是21世紀(jì)的“終極能源”，其特征是氫和氧燃燒生成水釋放化學(xué)能，氫氣可儲(chǔ)存、可再生、可電可燃、零污染、零碳排，是一種清潔的二次能源。生命體是否可以利用氫氣作為能源呢?答案是肯定的!生命既是物質(zhì)的，也是能量的，生命意味著有機(jī)體必須維持生存、生長和遺傳。能源是生命機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力之源，吸收能量并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樯锕κ撬猩幕咎卣鳌Ｉ锘瘜W(xué)反應(yīng)和普通化學(xué)反應(yīng)的最大區(qū)別是多數(shù)生化反應(yīng)是在酶的催化下進(jìn)行，反應(yīng)條件溫和可控?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的很多生物如細(xì)菌、古細(xì)菌、藍(lán)藻等可以產(chǎn)生氫氣或利用氫氣作為能源，這得益于它們體內(nèi)存在的氫化酶(Hydrogenase)。目前，很多從事氫能源研究的學(xué)者在研究氫化酶，主要是改造微生物或藻類產(chǎn)生氫氣，也有學(xué)者做氫化酶仿生研究，通過體外重構(gòu)氫化酶活性中心從而可以脫離生物活體催化產(chǎn)氫，這些研究的目的主要是大量產(chǎn)生氫氣作為一種能源供給方式。關(guān)于高等生物的細(xì)胞是否存在氫化酶活性的研究很少，尚沒有動(dòng)物細(xì)胞代謝氫氣的報(bào)道。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)植物可以產(chǎn)生氫氣，有報(bào)道植物的葉綠體可以產(chǎn)生氫氣，葉綠體可能起源于具有氫代謝功能的藻類，它能產(chǎn)氫是可以理解的，但并沒有關(guān)于植物線粒體和質(zhì)膜代謝氫氣的研究。我們在這方面的一些探索性研究會(huì)在后邊的文中闡述。既然“氫氣是推動(dòng)真核生物進(jìn)化的關(guān)鍵”，真核生物是由微生物進(jìn)化而來，本文將從微生物氫化酶的研究及與能量代謝的關(guān)系進(jìn)行分析，從而可能對(duì)真核細(xì)胞的氫代謝功能分析提供線索。

[NiFe]和[FeFe]氫化酶的結(jié)構(gòu)。Lubitz Wolfgang，2014

微生物中的氫化酶

據(jù)估計(jì)，有99%的生物體具有分子氫(H2)代謝功能，這是令人驚訝的!這些物種中的大多數(shù)是微生物，包括細(xì)菌、古細(xì)菌、藍(lán)藻和某些真核生物(如原蟲)等，它們代謝H2的能力來自于體內(nèi)氫化酶的表達(dá)。氫化酶是一類含有鐵、鎳等金屬元素能夠催化H2可逆氧化的金屬酶。早期的地球中富含氫氣(40%)，可以賦予細(xì)胞利用氫氣功能的氫化酶在這個(gè)時(shí)期的原始生命產(chǎn)生過程中被“創(chuàng)造”出來是合乎邏輯的。氫化酶根據(jù)活性中心所含金屬組成的不同，可以分為三類，即鎳鐵([NiFe])，鐵鐵([FeFe])和唯鐵([Fe])氫化酶等(Lubitz Wolfgang，2014)。

三種氫化酶活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。By Smokefoot - Own work, CC BY-SA 4.0,

大多數(shù)[NiFe]氫化酶是吸氫型的，[FeFe]氫化酶主要產(chǎn)生分子氫，唯[Fe]氫化酶催化利用氫的特定反應(yīng)?，F(xiàn)有發(fā)現(xiàn)的氫化酶的活性中心至少含有一個(gè)鐵原子，[NiFe]和[FeFe]氫化酶在結(jié)構(gòu)上有一些共同的特點(diǎn)：每種酶都有一個(gè)活性位點(diǎn)和一些埋在蛋白質(zhì)中的鐵硫簇(Fe-S)，活性中心鐵原子被小的無機(jī)配體(CO和CN−)連接。唯[Fe]氫化酶只含有一個(gè)單鐵活性位點(diǎn)，沒有鐵硫簇，它們只能在第二底物存在下才能活化H2。另一種分類通常是根據(jù)參與反應(yīng)的氧化還原對(duì)的不同進(jìn)行分類，如NAD(P)、細(xì)胞色素b型、或細(xì)胞色素c型等類型。氫化酶催化H2的可逆氧化還原反應(yīng)，即氫氣氧化為質(zhì)子和電子，或者質(zhì)子還原生成氫氣的反向反應(yīng)。(1) H2( ? H+ + H- )? 2H+ + 2e-反應(yīng)發(fā)生在氫化酶的金屬中心，目前比較認(rèn)可的是異裂機(jī)制。在酶的金屬中心H2的酸性顯著增加，并導(dǎo)致氫分子的異裂反應(yīng)，附近堿的存在極大的加速了該異裂反應(yīng)。H2的產(chǎn)生是逆反應(yīng)，涉及H+和H-的耦合。

生命的能源

氫是最輕的元素，它既能與其它元素共享電子(如C-H)，也能失去電子變成質(zhì)子(H+)，因?yàn)闅涞脑有驍?shù)是 1，H+不帶電子，只有由一個(gè)質(zhì)子組成的原子核，是一個(gè)“赤裸的電荷”，具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性。氫化酶聯(lián)結(jié)了氫分子(H2)、質(zhì)子(H+)和電子(e)這三個(gè)在生命能量代謝中的核心構(gòu)件，想要理解氫化酶在生命系統(tǒng)的作用，就不得不去理解生命的能量基礎(chǔ)。能量的轉(zhuǎn)換和交換是生物體維持生存和自我繁殖的基礎(chǔ)。活的有機(jī)體相互依存，它們從周圍環(huán)境中獲取能量的方式有兩種：(1)它們從陽光中吸收能量;(2)它們從環(huán)境中攝取化學(xué)燃料并通過氧化這些燃料獲取能量。細(xì)胞是完美的能量轉(zhuǎn)換器。能夠?qū)⒒瘜W(xué)的、電磁的、機(jī)械的及滲透形式的能量有效地進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。電子的流動(dòng)為生命體提供能量從物質(zhì)中移去電子(一或多個(gè))叫做氧化反應(yīng)，而物質(zhì)接受電子(一個(gè)或多個(gè))叫做還原反應(yīng)。在生化反應(yīng)中，氧化還原作用既指電子傳遞，又指氫原子(含一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子)的傳遞。氧化還原反應(yīng)中的電子流動(dòng)是活細(xì)胞中能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。電子是一種神奇的帶電粒子，電子可以共享，也可以轉(zhuǎn)移，一些類型的原子容易失去(如Na+)或共享電子，而另一些原子則容易接受電子(如Cl-)。由于電子不能在溶液中存在，它們必須是原子或分子的一部分，這樣，在氧化還原反應(yīng)(oxidation-reduction reaction)中，同時(shí)需要電子供體和受體。這就是說，任何一個(gè)氧化反應(yīng)(失去電子)的發(fā)生必須伴隨一個(gè)相應(yīng)的還原反應(yīng)(獲得電子)，被氧化的物質(zhì)就是電子供體，而被還原的物質(zhì)就是電子受體。細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的核心過程是電子傳遞鏈。細(xì)胞內(nèi)所有的能量轉(zhuǎn)換都能追蹤到電子從一種分子到另一種分子的流動(dòng),這是通過一個(gè)“下坡的”從較高電化學(xué)勢到較低電化學(xué)勢的電子流動(dòng)，它與電路中的電子流動(dòng)形式上是類似的。

生命系統(tǒng)某些重要的半反應(yīng)在25℃和pH7下的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢

表中表示了生物體系中一些重要的氧化還原對(duì)的還原電勢(E\'0/V)，底部的具有較大的負(fù)值，因而具有較強(qiáng)的提供電子的傾向，而頂端的具有較大的正值，因而具有較強(qiáng)的接受電子的傾向，因此，底部右側(cè)的物質(zhì)為最強(qiáng)的還原劑，而頂部左側(cè)的物質(zhì)為最強(qiáng)的氧化劑。一般來說，電子自下而上進(jìn)行傳遞，但是在外加能量的情況下，生物也有可以進(jìn)行逆向電子傳遞。有如此之多的不同還原電位的氧化還原對(duì)，這就為生化反應(yīng)中多種多樣的電子傳遞鏈(包含多個(gè)中間電子載體)的存在提供了可能。我們現(xiàn)在講的呼吸主要指有氧呼吸，也就是氧氣作為末端電子受體，中間經(jīng)歷電子沿著由氧化還原組分組成的電子傳遞鏈的傳遞。呼吸作用也可以發(fā)生在沒有氧的情況下，這時(shí)候硝酸鹽、硫酸鹽、Fe3+ 等作為末端電子受體，稱之為厭氧呼吸，具體來說，稱為硫酸鹽呼吸、硝酸鹽呼吸等。有些電子載體與膜緊密結(jié)合，有些則能自由擴(kuò)散，如NAD+和NADP+(它們還是氫原子的載體)。從表中可以看出來，H2的 E\'0 負(fù)值很高，達(dá)到-0.414 V，O2 則具有較大的正值，達(dá)到+0.816 V。H2被O2氧化提供的能量是最高的。但在生物體不會(huì)直接發(fā)生這么強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，能量一般是在酶的催化下溫和轉(zhuǎn)化。ATP和被稱為還原力的NADH等都是生物能的重要組成分子。氫化酶推動(dòng)氫氣作為生命的能源根據(jù)氫化酶的催化特性,可分為吸氫酶、放氫酶和雙向氫化酶等類型，許多氫化酶是雙向的，也就是說，它們既是攝取H2的酶，也是產(chǎn)生H2的酶，這取決于細(xì)胞中的生理環(huán)境。式(1)氫化酶催化的氧化還原反應(yīng)可以分解為如下方程式：(2) H2 + Aox → 2H+ + Ared

(3) 2H+ + Dred → H2 + Dox

式(2)是氫氣的氧化過程(吸氫酶活性)，氧氣、硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳、富馬酸等都可以作為電子受體(氧化劑，Aox);式(3)是質(zhì)子還原為氫氣的過程(放氫酶活性)，鐵氧還蛋白(ferredoxin，F(xiàn)d)等作為電子供體(還原劑，Dred)。可以看出，在生物體內(nèi)，小的無機(jī)或有機(jī)分子、蛋白質(zhì)如硫氧還蛋白、細(xì)胞色素c3和細(xì)胞色素c6等都可以作為氫化酶的生理電子供體或者受體(Vignais, Paulette M. 2001)。氫化酶以可溶形式或膜結(jié)合形式存在于細(xì)胞周質(zhì)或細(xì)胞質(zhì)中;在真核細(xì)胞中，它們通常位于專門的區(qū)域。氫化酶的主要功能是通過氧化H2為生物體提供能量，并且也用于處理細(xì)胞中的多余電子，平衡細(xì)胞的氧化還原電位。生物體代表能量的分子(如NADH等)過多會(huì)產(chǎn)生氧化壓力，氫化酶可以通過接受電子產(chǎn)生分子氫來去除還原當(dāng)量減輕氧化壓力。能量缺乏時(shí)氫化酶通過分解H2來提供電子，它們還可能參與建立代表生物勢能的跨膜質(zhì)子(H+)梯度。例如，真氧產(chǎn)堿桿菌 (Ralstonia eutropha，Re)中發(fā)現(xiàn)有膜結(jié)合和可溶性氫化酶。Re 的膜結(jié)合氫化酶(MBH)，位于細(xì)胞膜的周質(zhì)側(cè)，具有三個(gè)亞基HoxG、K和Z，[NiFe]活性中心分解H2產(chǎn)生質(zhì)子(H+)和電子，電子經(jīng)FeS簇傳遞給細(xì)胞色素b(Cyt b)，質(zhì)子形成跨膜質(zhì)子梯度推動(dòng)能量貨幣ATP的產(chǎn)生。

Re膜結(jié)合氫化酶。Lubitz Wolfgang，2014 Re中發(fā)現(xiàn)的可溶性氫化酶(SH)定位于細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，SH具有四個(gè)主要亞基HoxH、U、Y和F，F(xiàn)也稱為NAD+還原氫化酶。[NiFe]活性中心分解H2產(chǎn)生質(zhì)子(H+)和電子，電子經(jīng)FeS簇傳遞給NAD+產(chǎn)生NADH。

Re膜結(jié)合氫化酶。Lubitz Wolfgang，2014

氫化酶驅(qū)動(dòng)的微生態(tài)系統(tǒng)種類繁多的微生物不僅可以通過吸氫酶利用H2作為能源，而且還具有產(chǎn)生H2的能力，并有可能建立由H2驅(qū)動(dòng)不依賴有機(jī)碳和分子氧的生態(tài)系統(tǒng)。

在水生分層系統(tǒng)中的厭氧和好氧細(xì)菌代謝。從底部往上氫氣越來越少。Vignais，2007 圖中顯示了在湖泊、池塘等微生物生態(tài)中，能夠產(chǎn)生或消耗H2的微生物群落催化的不同氧化還原反應(yīng)的垂直分布，氧化還原電位在缺氧的底部負(fù)值更高，在與空氣接觸含氧氣的水面附近為正值。在沉積物中，梭狀芽孢桿菌通過發(fā)酵有機(jī)物釋放H2和CO2。產(chǎn)甲烷古菌利用H2作為主要能量(還原力)還原CO2產(chǎn)生甲烷。硫酸鹽、Fe3+、硝酸鹽等電子受體的存在改變了微生物群落結(jié)構(gòu)。例如脫硫弧菌，使用H2將硫酸鹽還原成硫化物。某些細(xì)菌在缺氧條件下Fe3+接受電子氧化H2，還可以使用硝酸鹽和氧作為電子受體。在水體表面附近，由于接觸空氣和藍(lán)藻在光照下產(chǎn)生氧氣，有氧細(xì)菌利用氧氣將氫氣氧化成水。厭氧和好氧環(huán)境中的H2的氧化主要是由氫化酶催化。另一個(gè)氫化酶作為能量代謝重要節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)是腸道微生物群落。成人腸道中聚居著大量的微生物，數(shù)量大概是人體體細(xì)胞總數(shù)的10倍，所編碼的基因是人類編碼基因數(shù)的150多倍。產(chǎn)氫和用氫的微生物在腸道內(nèi)組成了龐大的氫交換市場。

人類結(jié)腸中已知主要的H2產(chǎn)生和氧化途徑。Patricia G. Wolf et al., 2016 微生物發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)氫微生物包括產(chǎn)甲烷古菌、硫酸鹽還原菌(SRB)等。在產(chǎn)氫途徑中，最主要的是[FeFe]-氫化酶催化的鐵氧還蛋白(Fd)依賴的H2釋放，也存在[NiFe]-氫化酶催化的NADPH或甲酸鹽(Format)依賴的H2釋放。產(chǎn)生的H2會(huì)被利用氫氣為營養(yǎng)的微生物利用。大部分氫氣是通過[FeFe]-氫化酶(A3組)與鐵氧還蛋白(Fd)的呼吸耦合而被再次氧化，這是迄今為止在腸道中發(fā)現(xiàn)的最豐富的以氫為營養(yǎng)的氫化酶，能夠可逆地將電子從H2傳遞給鐵氧還蛋白和NAD，生成的還原劑可用于維持合成代謝過程、固定CO2為乙酸、甲烷，還原硫酸鹽為硫化氫等。氫化酶與腸道內(nèi)微生物的代謝平衡密切相關(guān)，由氫化酶介導(dǎo)的產(chǎn)氫和用氫代謝是腸道微生物群落內(nèi)菌群能量代謝的重要媒介，整個(gè)腸道菌群的代謝活力和我們的一個(gè)器官的代謝活力是基本相當(dāng)?shù)?，?duì)于健康的影響巨大。攝入氫氣對(duì)腸道微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)有怎樣的影響，又是如何通過腸道微生物影響健康的，這方面的內(nèi)容值得深入研究。結(jié)語氫化酶的家族非常龐大。既然99%的生物體有氫化酶的活性，真核生物是由細(xì)菌和古細(xì)菌進(jìn)化而來，真核生物中是否有氫化酶的類似結(jié)構(gòu)?答案是肯定的，線粒體復(fù)合物 I 與氫化酶高度同源。我們研究發(fā)現(xiàn)植物的線粒體可能具有產(chǎn)生氫氣的能力，這是第一個(gè)高等生物線粒體具有氫代謝能力的研究，這為我們在高等真核生物中尋找氫化酶多了點(diǎn)信心。
 

參考文獻(xiàn)

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