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植物氫化酶

氫化酶催化氫氣的可逆氧化，存在于許多生物中，包括植物。氫氣的細(xì)胞效應(yīng)之一是選擇性去除活性氧和活性氮，特別是羥基自由基和過氧亞硝酸鹽。因此，需要在一系列氧化還原活性化合物的信號(hào)傳遞作用的背景下回顧氫化酶的功能和氫氣的作用。酶可以通過硫醇基團(tuán)的共價(jià)修飾來控制，雖然在氫化酶序列中可以預(yù)測一氧化氮所靶向的基序，但金屬輔基很可能是抑制的目標(biāo)。
 

一、介紹

氫氣對(duì)一系列人類疾病可產(chǎn)生治療作用，在農(nóng)業(yè)方面，氫氣的應(yīng)用已被證明可提高農(nóng)作物健康和產(chǎn)量，這是可能特別有利于耕地和飼料工業(yè)的重要因素。為了說明這一點(diǎn)，有證據(jù)表明氫氣能夠介導(dǎo)植物的根系發(fā)育和脅迫響應(yīng)，特別是對(duì)重金屬和干旱的脅迫。它也可以用于改善收獲后的作物儲(chǔ)存，例如獼猴桃。因此，了解植物等生物體如何暴露于氫氣，以及它們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)氫氣產(chǎn)生反應(yīng)，是很重要的問題，可能導(dǎo)致未來更好的使用和獲得更好效果。
 

根據(jù)正在進(jìn)行的研究，氫氣應(yīng)該被視為一類生物活性小分子，這類物質(zhì)可以影響和控制細(xì)胞功能。眾所周知，活性氧，如超氧陰離子、過氧化氫和羥基自由基(·OH)，這些小分子量物質(zhì)可在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生，能影響細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的活性，例如在應(yīng)激反應(yīng)中。更重要的是活性氮，如一氧化氮(·NO)和過氧亞硝酸鹽(ONOO−)。硫化氫也是一個(gè)重要的信號(hào)分子，通常硫化氫與活性氧和活性氮一起在應(yīng)激反應(yīng)中產(chǎn)生。
 

由于這些分子可以在時(shí)間和空間上同時(shí)在植物細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生，它們之間很可能存在相互作用，也可能與氫氣相互作用。當(dāng)然，這種作用可以是雙向的，例如氫氣可能會(huì)干擾NO信號(hào)，活性氧和NO也可能改變氫氣代謝。無論哪種情況，信號(hào)事件都會(huì)受到影響，這將影響短期和長期的細(xì)胞活動(dòng)。

氫氣是一個(gè)非常小的(分子量2.016 g/mol)和相對(duì)惰性分子。因此，氫氣幾乎不可能被經(jīng)典受體蛋白感知，或者說不可能存在經(jīng)典的氫氣受體，也不可能通過共價(jià)修飾參與蛋白質(zhì)控制。而這些作用在NO則是理所當(dāng)然的化學(xué)過程，NO可通過s -亞硝化與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用。
 

然而，氫氣已被證明通過選擇性清除活性氧，特別是羥基自由基，以及清除活性氮，特別是過氧亞硝酸鹽的作用。氫氣也可通過作用于血紅素加氧酶(如HO-1)而起作用。也有人認(rèn)為，氫氣具有的特殊物理性質(zhì)（如量子隧穿效應(yīng)）可能介導(dǎo)了在高等植物和動(dòng)物中看到的一些效應(yīng)。
 

細(xì)胞可從內(nèi)源性和外源性來源暴露于氫氣。外源性來源，如來自環(huán)境的氫氣，是需要考慮的重要因素，特別是這可能是氫氣作為藥物或農(nóng)業(yè)肥料的方式。然而，已知許多生物體含有離散的氫化酶，負(fù)責(zé)分子氫的可逆氧化。這些酶通常根據(jù)它們的金屬螯合特性進(jìn)行分類，例如Fe、FeFe和NiFe，它們可以在細(xì)胞系統(tǒng)中產(chǎn)生或去除分子氫。在動(dòng)物中，腸道微生物區(qū)系也是氫氣的重要來源。然而，非腸道如口腔等部位的細(xì)菌也可能有助于生物系統(tǒng)中氫氣的產(chǎn)生。

 

二、高等植物的氫化酶

人們?cè)缇椭栏叩戎参锬艽x氫氣，包括植物在內(nèi)的真核生物中存在FeFe -氫化酶。這些金屬蛋白復(fù)合物似乎能夠催化氫氣合成分解的正向和反向反應(yīng)，有效地利用或生成氫氣。它們似乎還參與了(Fe-S)簇的適當(dāng)生物合成和對(duì)氧氣的敏感性。

氫化酶編碼基因的敲除可導(dǎo)致植物發(fā)育不良，這些酶似乎參與了細(xì)胞周期和糖代謝的控制，以及轉(zhuǎn)錄控制和應(yīng)激反應(yīng)。真核氫化酶通常被稱為NAR(核結(jié)構(gòu)相關(guān))或GOLLUM(不同氧水平影響形態(tài)發(fā)生)蛋白。例如，在植物中，Medicago truncatula中有GOLLUM1，擬南芥中有AtNAR1，盡管目前這種命名似乎可以互換。
 

就像細(xì)菌C. reinhardtii中的氫化酶一樣，氧化還原信號(hào)分子可能對(duì)高等植物氫化酶的作用產(chǎn)生影響。與上面的HYDA1和HYDA2序列一樣，如果這些氫化酶受到活性氧、NO或硫化氫的控制，那么硫醇基可能是被修飾的目標(biāo)。
 

例如，這可能是與活性氧或NO的共價(jià)修飾，但任何多肽序列都不包含任何- sno基序((IL)- x - c - x - x -(DE)[24])，這表明通過這種方式控制NO是不可能的。對(duì)擬南芥AtNar1基因序列進(jìn)行簡要分析，顯示了13個(gè)半胱氨酸殘基。當(dāng)與青蒿中的鐵氧還蛋白氫化酶對(duì)齊時(shí)，序列同源性為69%。有趣的是，除了一個(gè)半胱氨酸殘基外，其他都是保守序列，表明它們進(jìn)化被保留是有原因的。
 

將這些植物序列與人類胞質(zhì)鐵硫組裝組分3同型1的序列比對(duì)，使用Clustal Omega，仍然有9個(gè)保守的半胱氨酸殘基。令人驚訝的是，Cys 380在擬南芥AtNAR1中保守，而在蒿屬中卻不保守，卻包含在人類序列中(圖1)。人類序列中也包含了3個(gè)在植物序列中沒有發(fā)現(xiàn)的半胱氨酸殘基，但它們?nèi)匀徊粚儆?SNO保守區(qū)域。但是，將序列放到iSNO-PseAAC預(yù)測工具中得到的數(shù)據(jù)如表1所示。
 

3個(gè)序列中有4個(gè)保守的半胱氨酸殘基被NO修飾。利用擬南芥的序列編號(hào)，分別為Cys24、Cys177、Cys233和Cys362。有趣的是，其中兩個(gè)在人類序列中也發(fā)生了轉(zhuǎn)換:Cys177和Cys233(表1和圖1)。在廣泛的物種中，這種保護(hù)表明它們可能發(fā)揮著重要的作用，可能是通過NO信號(hào)傳遞來控制的。
 

當(dāng)然，這需要注意的是，有人認(rèn)為氨基酸的三維方向比區(qū)域的序列更重要。此外，如上所述，NO的靶標(biāo)很可能是金屬輔基，而不是氨基酸硫醇側(cè)鏈。 

 

 

圖1所示。氫化酶的氨基酸序列比對(duì)。Clustal Omega用于比對(duì)三個(gè)氫化酶序列:人胞質(zhì)鐵硫組裝組分3 -1;AtNar1;黃花蒿鐵氧還蛋白氫化酶。

 

 

表1. 使用iSNO-PseAAC預(yù)測工具預(yù)測四種氫化酶蛋白的s -亞硝化位點(diǎn)。擬南芥:鐵氧還蛋白氫化酶(Arabidopsis thaliana);Medicago: NAR1蛋白 (Medicago truncatula) ;青蒿:鐵氧還原酶(Artemisia annua) ;人類:胞質(zhì)鐵硫組裝組分3 -1(智人)。

 

氨基酸的三維取向可能對(duì)這些蛋白質(zhì)s過硫化作用也很重要，盡管在文獻(xiàn)中似乎沒有證據(jù)表明氫化酶以這種方式共價(jià)修飾。這就是說，我們知道氫化酶被硫化氫抑制，可能是通過攻擊金屬中心，就像NO所暗示的那樣。
 

所有這三個(gè)序列(人類、擬南芥和蒿屬:圖1)都有8個(gè)保守的酪氨酸殘基。它們可能用于硝基酪氨酸的形成，但沒有證據(jù)表明Urmey和Zondlo使用的保守區(qū)域。以類似方式，尋找可能是谷胱甘肽化的半胱氨酸殘基，沒有證據(jù)表明這個(gè)序列存在于這里研究的氫化氨基酸序列中(圖1)。高等生物中的氫化酶可能通過硫醇修飾被NO抑制，也可能被活性氧抑制，但迄今為止，很少有證據(jù)表明這種控制是重要的。
 

已知?dú)浠副籒O抑制。盡管可以使用iSNO-PseAAC等算法在氫化酶序列中預(yù)測-SNO形成位點(diǎn)，但幾乎沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它們是以這種方式被使用的，而不是金屬中心可能是其調(diào)節(jié)目標(biāo)。同樣，已知?dú)浠副涣蚧瘹湟种?，但同樣沒有證據(jù)表明這種蛋白質(zhì)被過硫化。NO、活性氧、硫化氫對(duì)植物細(xì)胞中氫氣產(chǎn)生的影響是今后研究的重點(diǎn)。
 

一種植物氫的生物利用度也會(huì)受到環(huán)境的影響，可能會(huì)受到相關(guān)生物的影響?，F(xiàn)在大家都知道，氣候變化引起的非生物脅迫事件，如干旱、洪水，特別是土壤不育癥，正在對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著這種具有挑戰(zhàn)性的情況發(fā)生頻率增加，不可避免地需要尋求提高產(chǎn)量的戰(zhàn)略，以滿足糧食安全目標(biāo)，養(yǎng)活不斷增長的人口。有利于利用分子氫等無毒物質(zhì)的另一個(gè)方面是目前和繼續(xù)使用化肥以提高產(chǎn)量。考慮到人類可持續(xù)發(fā)展，這些做法是不可行的，因?yàn)檫@些產(chǎn)品中使用的化學(xué)品被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境具有破壞性，無論是在陸地上還是在水區(qū)，因?yàn)閺闹車r(nóng)田中淋出的有毒化學(xué)品對(duì)生命構(gòu)成威脅。圖2簡要介紹了分子氫如何有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和壽命，同時(shí)降低生產(chǎn)和環(huán)境成本。
 

三、結(jié)論和觀點(diǎn)

越來越多證據(jù)表明，氫氣可被生物體感知并產(chǎn)生有益的影響。低等植物,如c reinhardtii已知能產(chǎn)生大量氫氣，以至于它們被用于能源氫氣生產(chǎn)的工具。高等植物也含有催化氫氣可逆氧化的氫化酶。氫氣可能與其他用于細(xì)胞信號(hào)傳遞的活性分子(如活性氧、NO和硫化氫)一起在空間和時(shí)間上存在于細(xì)胞中。因此，氫氣酶與代謝之間的相互作用需要在未來研究中重點(diǎn)考慮。需要對(duì)參與信號(hào)傳遞的所有反應(yīng)分子進(jìn)行空間和時(shí)間測量，這可能需要開發(fā)新的熒光探針。只有知道信號(hào)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)中所有相關(guān)成員在何時(shí)何地出現(xiàn)，才能充分理解他們?nèi)绾螀f(xié)調(diào)響應(yīng)。
 

已知?dú)浠副籒O抑制。盡管可以使用iSNO-PseAAC[35]等算法在氫化酶序列中預(yù)測-SNO形成位點(diǎn)，但幾乎沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它們是以這種方式被使用的，而不是金屬中心可能是其調(diào)節(jié)目標(biāo)。同樣氫化酶被硫化氫抑制，同樣沒有證據(jù)表明這種蛋白質(zhì)被過硫化。NO、活性氧、硫化氫對(duì)植物細(xì)胞中氫氣積累的影響是今后研究的重點(diǎn)。
 

一種植物氫的生物利用度也會(huì)受到環(huán)境的影響，可能會(huì)受到相關(guān)生物的影響。然而，現(xiàn)在大家都知道，氣候變化引起的非生物脅迫事件，如干旱、洪水，特別是土壤不育癥，正在對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著這種具有挑戰(zhàn)性的情況發(fā)生頻率的增加，就不可避免地需要尋求提高產(chǎn)量的戰(zhàn)略，以滿足糧食安全的目標(biāo)，養(yǎng)活不斷增長的人口。有利于利用分子氫等無毒物質(zhì)的另一個(gè)方面是目前和繼續(xù)使用化肥以提高產(chǎn)量?？紤]到長遠(yuǎn)的未來計(jì)劃，這些做法是不可持續(xù)的，因?yàn)檫@些產(chǎn)品中使用的化學(xué)品被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境具有破壞性的，無論是在陸地上還是在水區(qū)，因?yàn)閺闹車r(nóng)田中淋出的有毒化學(xué)品對(duì)生命構(gòu)成威脅。圖2簡要介紹了分子氫如何有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和壽命，同時(shí)降低生產(chǎn)和環(huán)境成本。

 

圖2在植物系統(tǒng)中氫氣作為保護(hù)劑的可能機(jī)制。氫氣可以通過幾種方式發(fā)揮作用，同時(shí)突出其對(duì)農(nóng)業(yè)和環(huán)境可持續(xù)性的好處

 

植物科學(xué)特別感興趣的是如何具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，就是使用氫氣商業(yè)意義，能否增加附加值的同時(shí)減少環(huán)境壓力或費(fèi)用。由于氫氣具有高度易燃性，安全使用也是重要問題。氫水噴霧可能是最方便、最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的方法，理論上可以直接施用在土壤上或直接施用在葉片上。鑒于此，并考慮到未來的垂直種植，未來的調(diào)查還應(yīng)包括氫在水培栽培中的應(yīng)用。
 

氫氣對(duì)植物的作用方式不太可能是通過某個(gè)能感受氫氣的受體分子。
 

氫氣對(duì)一些反應(yīng)性信號(hào)分子的水平有影響，特別是羥基自由基和過氧亞硝酸鹽，而其他活性氧和RNS相對(duì)不受的影響。也有報(bào)道稱對(duì)血氧合酶活性的影響，同時(shí)假設(shè)氫氣的物理性質(zhì)可能在介導(dǎo)HO-1活性中起重要作用。當(dāng)然，還需要進(jìn)行更多工作來確定氫氣如何影響細(xì)胞內(nèi)的生化過程。許多酶和調(diào)節(jié)蛋白具有氧化還原敏感性，氫氣與細(xì)胞內(nèi)氧化還原環(huán)境相互作用的方式需要探索。因此，未來的工作可能還需要關(guān)注氫氣如何改變細(xì)胞中的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成。當(dāng)然，這在不同植物組織中可能是不同的，所以工作可能需要在根和葉上進(jìn)行，例如，也需要使用這些組織中的特殊細(xì)胞，如保衛(wèi)細(xì)胞。
 

氫氣對(duì)植物具有深遠(yuǎn)影響，可促進(jìn)植物的生長發(fā)育，并有助于緩解脅迫反應(yīng)。不像活性氧、NO和硫化氫這些都是劇毒的信號(hào)分子，氫分子，無論是作為氣體還是溶于水(HRW)，被認(rèn)為是具有生物安全性。因此，氫分子完全可用于植物等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，深入理解氫氣作用機(jī)制應(yīng)優(yōu)先考慮，未來植物科學(xué)努力開展氫氣植物效應(yīng)研究工作很可能在未來提高植物生長和作物產(chǎn)量具有重要價(jià)值。