關(guān)于線粒體的系列文章，有朋友說專業(yè)太強(qiáng)了，不好懂，盡管如此，這些文章的閱讀量仍然能過千次，說明總有一些人能看懂，當(dāng)然也有一些朋友即使不懂也堅持看下去的。為了能讓大家對線粒體系列有更好理解，這里我對線粒體進(jìn)行一些白話解釋。
我們的細(xì)胞維持功能需要不斷消耗能量，細(xì)胞能量來自對能量營養(yǎng)素分解產(chǎn)生的化學(xué)能。能量營養(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)胞沒有汽缸，只有利用酶的催化一步步對這些能量化合物進(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)動細(xì)胞內(nèi)的各種工作，例如肌肉運動，神經(jīng)放電，合成DNA分子等工作。線粒體就是一個ATP電池制造廠，不斷提取營養(yǎng)物質(zhì)的化學(xué)能制造這種小電池。這個過程非常神奇，先從能量物質(zhì)的提取高能級電子，然后利用電子能級的下降經(jīng)過細(xì)胞膜電的驅(qū)動合成ATP，雖然ATP仍然是化學(xué)能，但線粒體合成ATP過程真是利用的電能。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。因為氫氣作為還原底物，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)估計為2 x 10-13 M。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。
這里描述的假說中，氫氣在兩個方向上，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方向，和各種醌分子反應(yīng)將半醌變成氫醌。這個反應(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。兩個方向的電子流動能減少缺血再灌注的氧化爆發(fā)風(fēng)險，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)過鐵硫簇傳遞給氧化FMN或/和還原NAD+為NADH。通過氫氣的正向電子流動，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，另外一個可能位點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)時最狹窄部位直徑為1.9-2.2 Å，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)或通道未完全開放時，醌頭部必須穿越狹窄部分，這個過程可碾壓氫氣分子，有可能會通過類似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。這個狹窄部位靠近SQNs，可通過EPR檢測出慢弛豫信號，SQNs和N2 簇間距離為30Å。
圖1氫氣在醌室內(nèi)激活的模式圖。
l 黃色箭頭相反指向代表氫氣激活后兩個電子超不同方向傳遞。
l 紅色箭頭代表氫氣提供質(zhì)子（氫離子）。
l 淡橙色框代表醌室（活性中心），醌的基本結(jié)構(gòu)包括苯醌頭部和類異戊二烯尾，苯醌是含有兩個羰基的苯環(huán)，Q是醌英文的縮寫簡稱。醌中間體有多種類型，最基本的有醌，半醌，氫醌。
l 紅實心圓代表堿性氨基酸，是復(fù)合物I催化功能的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
l 黑空心圓代表酪氨酸殘基，是N2電子傳遞的必須結(jié)構(gòu)。
l 藍(lán)色大橢圓范圍包含復(fù)合物I參與氫氣激活的相互作用過程。
l 雙藍(lán)色圓代表氫氣分子。
l Q室內(nèi)藍(lán)色箭頭代表醌中間體活動對氫分子的研磨（碾壓）。
氫力泉吸氫機(jī)采用SPE方式電解技術(shù)核心是，并采用美國杜邦117膜，鉑金鍍層。可實現(xiàn)99.99%以上的氫氣純度。并獲得歐盟CE國際認(rèn)證書及吸氫機(jī)的純度、流量的數(shù)據(jù)檢測報告，保證吸氫機(jī)輸出氫氣純度高、壓力穩(wěn)定、持續(xù)。
