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英国学者强调氢气和磁生物学的关系

我对磁场生物学研究是外行,但我认为磁场也属于生命进化的最基本环境条件,甚至有一些生物能对磁场产生感受,磁场对生物产生影响也应该是必然的。只是这种影响比较隐秘,类似于重力对生物体的影响,在微重力情况下人体会产生非常多的不适反应才能说明重力的重要环境意义。磁场效应往往对金属,尤其是有一定磁性的金属可产生影响。而单独金属离子存在磁性也是一个必然的表现,在生物体系中,蛋白质内金属离子都是单独分布,这些金属对磁场的改变比较敏感。氢气也存在不同的磁场状态,这种状态是由于不同自旋状态的氢原子核产生的,在密度比较高的情况下,氢气的这种效应会被平均。但是在量子化条件下的生物体系中,氢气的这种磁性质可能值得重视和研究。
 

如果氢气属于信号分子,细胞如何感知氢气就是非常重要的问题。氢气在水中的溶解度比较低,化学活性想对比较惰性。研究认为氢气在溶液内可和羟基自由基反应,但不与其他活性氧直接反应。但是这不应是氢气的所有作用。HO-1是小鼠体内重要的功能分子,有许多报道发现氢气能影响HO-1,如果氢气没有受体,这种作用就需要通过非受体途径。由于氢气非常小,而化学活性稳定,很难想象氢气如何被受体蛋白识别。与氢气比较接近的气体信号分子是一氧化氮(氧气才接近),一氧化氮也没有经典的受体,但是一氧化氮能通过影响血红素影响鸟苷酸环化酶活性,或者直接与硫醇基团发生反应。氢气不可能出现类似一氧化氮与硫醇基团发生反应的情况,因为氢气缺乏化学反应活性(这可能有误会),但是氢气完全有可能出现类似一氧化氮影响血红素样的直接效应。
 

氢气的核自旋状态也是一种非常重要的特性。多数氢原子核是一个质子,氢分子是两个氢原子组成,就是两个质子和两个电子组成。质子也不是完全一样的,有两种旋转方向,这样就会产生两类不同的氢分子,如果两个质子的自旋方向一样,这样的氢分子被称为正氢ortho hydrogen;如果两个质子自旋方向不同,这样的氢分子被称为仲氢para hydrogen。氢在常温下含75%的正氢和25%的仲氢。Rychlewski等曾经论述了这种氢核旋转状态的磁效应,并提出这种最简单分子系统表现出的相互排斥作用。值得重视的是,两种状态的氢分子可以被顺磁催化转化。Steiner 和Ulrich曾经写过一个关于磁场效应的长篇综述,其中包括氢自旋异构体转换和磁场生物学效应的关系。其中涉及到某些活性氧代谢和信号作用,例如氧分子、一氧化氮和二氧化氮等。
 

一氧化氮是非常重要的信号分子,一氧化氮也有不同存在形式,生物体内有NOˉ、NO˙和NO+三种存在方式(我的理解只有NO˙才是真正的自由基),不同存在方式的一氧化氮化学性质差别很大,它们的生物学效应也有很大不同。
 

与活性氧和自由基类似,气态氢在存在过渡金属或有机金属化合物催化下能发生正仲态转化,液态氢则在没有催化剂的情况下自会自发缓慢地发生。值得重视的是,许多催化自由基反应的酶都包含金属活性中心(表1)。当然不仅是催化自由基反应的酶,含有金属活性基团的蛋白非常多,例如最常见的血红蛋白,更多见的是各种催化酶。这些具有金属活性中心的蛋白质和酶,不仅是催化活性的重要部位,也是小分子参与调节的重要目标。一氧化氮对酶活性的调节如此,氢气对酶活性的调节也许同样如此。
 

表1涉及活性氧信号和代谢的金属活性中心蛋白

英国学者强调氢气和磁生物学的关系
 

最著名的活性氧代谢酶和信号调节酶是SOD,其功能是将超氧阴离子变成过氧化氢,超氧阴离子是电子传递链电子泄露导致氧气被还原产生。SOD存在不同的类型,全部都含有过渡金属离子活性中心,有的是铜/锌,也有的含有铁、锰和镍。有研究提示铜原子能催化氢自旋异构体转换,或者SOD活性也会受到物理因素磁场强度的影响。
 

过氧化氢酶是细胞和组织内清除过氧化氢的酶,这种酶可以降低过氧化氢信号,也能减少氧化应激。过氧化氢拥有一个铁血红素活性中心,这种结构非常容易受到氢气的影响。在0.8T磁场条件下,过氧化氢被分解的速度可以增加20%左右。
 

另外活性氧和一氧化氮的产生也可能会收到磁场的影响。NADPH氧化酶和一氧化氮合成酶含有铁血红素,硝酸还原酶含有钼,这些含过渡金属离子活性中心的活性氧和一氧化氮合成酶活性可能会受磁场影响。
 

这些可能收到磁场影响的酶同样也可能会受到氢气分子的影响。
 

虽然氢气分子没有磁性,但是顺磁性物质也可能通过磁场效应产生生物学效应。磁场生物学效应并不是一个新领域,但是研究的规模比较小。Steiner和Ulrich曾经写过一个磁场效应的长篇综述,其中包括生物学效应的部分。例如光合作用反应活性中心,也包含过渡金属活性中心,也能因为电子泄露产生活性氧自由基。固定磁场能促进小球藻生长,其中部分原因是因为磁场导致的光合作用能力和呼吸率提高。这里相关性比较大的是氧化应激提高和抗氧化能力的降低。
 

动物内皮细胞对磁场比较敏感,降低磁场到某个强度能移植内皮细胞分裂,加入SOD可以降低120μT磁场造成的分裂增强。这说明静磁场是通过活性氧影响内皮细胞分裂。使用磁性羟磷灰石骨架可以促进细胞分裂,这种效应是通过MAPK信号途径激活实现的,该信号通过一般是MEK1/2和ERK1/2有关,但是这些相关酶并不包含过渡金属离子,提示这种效应可能来自更上游信号。
 

磁场也可以增加细胞死亡信号,用磁性纳米材料可以诱导细胞凋亡。也有完全相反的报道是发现磁场能移植细胞凋亡提高细胞存活。有研究发现,磁场能提高细胞外钙离子内流,这可能是诱导细胞死亡的原因。磁场的生物学效应目前仍然存在许多未知,虽然有许多研究发现,弱磁场能影响细胞信号分子,如提高海马神经元内Gi蛋白水平、肌醇-三磷酸肌醇、PKA、PKC和钙离子水平。但是这些信号分子和相关酶除钙离子外和PKC含有锌离子外,一般不包含金属离子。更多磁场效应的相关研究和抗氧化剂有关。如小鼠成纤维细胞在0.1T-0.7T永磁场下培养,会导致SOD和GPx活性降低。磁场对束缚应激大鼠也能产生作用,在0.8 mT磁场连续5天,每天分别暴露30、60和240分钟,使一氧化氮、蛋白过氧化物、和糖基化产物下降,研究结果提示磁场具有抗氧化应激效应。相关证据还包括某些抗氧化酶如SOD活性和抗氧化剂GSH水平提高。氢气对束缚应激产生的硬化损伤也具有类似对抗效应。
 

总之,氢气具有广泛的生物医学效应,对动物和植物都能产生影响。氢气的主要作用特点是减少细胞应激,降低植物对各种外来伤害刺激的反应,治疗动物疾病。虽然有研究认为氢气能直接中和有毒自由基,但是从化学性质上考虑,氢气相对惰性,并不应该具有理想的抗氧化活性。氢气分子的两个原子核具有两种不同的自旋异构体,分别为正氢和仲氢,这种特殊自旋状态可能使氢气具有直接和其他信号分子相互作用的可能,氢气可能的目标调节分子是一氧化氮和含金属有机物。一些参与活性氧代谢和信号传递作用的含金属酶,如过氧化氢酶活性可受到磁场影响,这些酶的金属活性中心可能会和氢分子发生相互作用。因此,氢气和磁场在生物学效应方面的相互作用值得探索,氢气分子和各种代谢活性氧的酶如SOD和过氧化氢酶之间的相互作用也值得重视。
 

JohnT. Hancock,Thomas H. Hancock.Hydrogen Gas, ROS Metabolism, and Cell Signaling:Are Hydrogen Spin States Important?
 

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