氧化還原反應(yīng)是生物化學(xué)最重要的反應(yīng)方式，細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡是生物衰老的基礎(chǔ)，也是疾病發(fā)生的重要原因。氧化劑和抗氧化劑在細(xì)胞內(nèi)失去平衡一般用氧化應(yīng)激來(lái)表達(dá)，一般是因?yàn)榛钚匝趸蜃杂苫黾?，無(wú)法被抗氧化劑有效控制，細(xì)胞自身成分的生物分子被氧化破壞，導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂。

氫和氧是比較特殊的原子，氧氣本質(zhì)上屬于自由基。氧原子和其他元素結(jié)合時(shí)，稱為氧化，這種過(guò)程可以釋放出較多能量。細(xì)胞能量代謝往往是經(jīng)過(guò)許多步驟逐漸進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，步驟多表現(xiàn)為能量的緩慢釋放。

在元素周期表上，氧的原子序數(shù)是8，這意味著一個(gè)氧原子擁有8個(gè)電子。氧原子核外電子是按照以下順序排列的:第一個(gè)軌道上有2個(gè)電子，第二個(gè)軌道上有6個(gè)電子。兩個(gè)氧原子組成的氧分子共有16個(gè)電子。每個(gè)氧原子外層都有2個(gè)未配對(duì)電子在不同軌道上。這種電子結(jié)構(gòu)使氧氣特別容易形成自由基。自由基是任何在其外層軌道上含有未配對(duì)電子的化學(xué)物質(zhì)，根據(jù)自由基的定義，有人認(rèn)為氧氣本身就是一種特殊的自由基。

氫原子在元素周期表上排名第一。它由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)未配對(duì)的電子組成，因此氫原子是一個(gè)典型的自由基。當(dāng)氫原子失去一個(gè)電子時(shí)，剩下的只有一個(gè)質(zhì)子。它變成帶正電的氫離子，也就是氫氣。

氫氣是一種氣體，當(dāng)兩個(gè)氫原子結(jié)合成一個(gè)氫分子，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子組成。因?yàn)闅錃夥肿拥膬蓚€(gè)電子形成共價(jià)鍵，沒(méi)有未成對(duì)電子，不屬于自由基，但如果氫氣分解為兩個(gè)氫原子，則可以產(chǎn)生兩個(gè)自由基。

氫氧化物(OH−)，也被稱為羥基離子，不是自由基。分子氧的連續(xù)還原導(dǎo)致形成一組活性氧，如超氧陰離子和羥基自由基。羥基自由基•OH是氫氧離子(OH -)的中性形式，是一種活性很強(qiáng)的自由基。超氧陰離子(O2−•)在細(xì)胞生物學(xué)中具有重要意義，因?yàn)樗軐?dǎo)致其他活性氧的形成，可以認(rèn)為是生物體系活性氧源頭。O2 -•可以自發(fā)地或在超氧化物歧化酶(SOD)催化的反應(yīng)中蛻變?yōu)榉肿友?O2)和過(guò)氧化氫。過(guò)氧化氫通過(guò)幾種途徑轉(zhuǎn)化為•OH，通過(guò)Haber-Weiss反應(yīng)和Fenton反應(yīng)催化金屬(圖1)。

人使用氫氣產(chǎn)品后，氫氣如何進(jìn)入細(xì)胞發(fā)揮作用是許多人希望了解的知識(shí)。

氫氣擴(kuò)散到細(xì)胞質(zhì)中，迅速到達(dá)細(xì)胞核和線粒體。內(nèi)源性氫氣是腸道菌群發(fā)酵碳水化合物時(shí)產(chǎn)生的厭氧代謝副產(chǎn)品。腸內(nèi)產(chǎn)生氫氣，是碳水化合物發(fā)酵的主要?dú)怏w標(biāo)記物。雖然很明顯身體內(nèi)氫氣是由腸道產(chǎn)生的，但是否氫氣存在于呼出的氣體中仍是爭(zhēng)論的話題。呼氣測(cè)試包括攝入碳水化合物(乳果糖或葡萄糖)，并測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)呼出的氫氣氣體濃度。細(xì)菌產(chǎn)生氫氣的另一個(gè)途徑是在人類腸道中丙酮酸裂解成甲酸鹽，但這一途徑尚未被證實(shí)。氫化酶可以利用氫氣作為底物，也可以通過(guò)2H+ + 2e−?H2的反應(yīng)還原質(zhì)子來(lái)產(chǎn)生氫氣。

微生物通過(guò)與一氧化碳(CO)的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣: CO + H2O→CO2 + H2。一些光合細(xì)菌的獨(dú)特之處在于它們含有一氧化碳(CO)氧化途徑，可以將一氧化碳和H2O轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳。在生物介導(dǎo)的反應(yīng)中，一氧化碳脫氫酶(CODH)氧化一氧化碳，釋放電子。隨后，偶聯(lián)氫化酶將釋放的電子還原為氫氣。在缺氧條件下，動(dòng)物和人血管平滑肌細(xì)胞可以制作一氧化碳，且可以通過(guò)cGMP調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。