氢气医学效应的量子化学研究

　　为了认识氢气生物学效应的分子机制,采用量子化学的M06-2X/6-311+G(d,p)和CCSD(t)/aug-cc-pVTZ方法模拟了人体条件(310K、液相)下氢分子与超氧阴离子自由基的反应机理。研究表明,反应的吉布斯自由能变化值为117.2kJ·mol~(-1),活化自由能垒为156.2kJ·mol~(-1),从热力学及动力学角度该反应都不容易进行。然后从电子结构和轨道作用层面对反应的微观机制进行了探讨,发现从反应物变为过渡态过程中,复合物轨道的组成和轨道能级发生显著变化(尤其是第8号轨道能级升高最多,达到2.73eV),O~-_2片段向H_2片段的电子转移数增加了0.1760个,并且转移的电子主要集居于第8号轨道,这削弱了H_2片段两个H原子间的化学键,也是反应活化能的主要来源。
 

　　虽然研究者声称是为氢气生物学效应，研究内容是在溶液中氢气和超氧阴离子反应的量子化学机制，但是这个反应并不是氢气生物学领域认可的观点。氢气生物学效应被广泛接受的观点是选择性抗氧化，就是氢气不直接和超氧阴离子反应，但可和羟基自由基直接发生反应。超氧阴离子虽然是自由基，但也具有正常生理信号作用，氢气不和超氧阴离子反应，也就是氢气不会影响正常生理功能。羟基自由基则是导致生物分子氧化损伤的关键，氧化活性强，能直接氧化氢气分子，或者氢气可以中和羟基自由基。由于羟基自由基只能夺取一个电子，让氢气分子变成一个氢离子和一个氢原子，在生物体系中，氢原子会和氧气反应产生超氧阴离子。所以氢气在生物体系不仅不和超氧阴离子反应，而且可以和羟基自由基反应产生更多超氧阴离子。超氧阴离子增加意味着生物系统氧化活性或氧化张力提高，这正是氧化应激提高。这也可能是氢气所以能导致氧化应激信号增强的重要因素。总之，如果从生物医学角度，更应该利用量子化学的原理，分析氢气选择性抗氧化的基础。
 

　　近年来氢气医学受到广泛关注，过去人们认为氢气是一种内源性惰性气体，不能和组织发生生物学效应。2007 年，Ohsawa 等首次报道呼吸低浓度氢气可以显著抑制大鼠脑缺血再灌注损伤，氢气很快成为医学气体研究中的一个热点。迄今，人们已经在众多动物模型和人类疾病中对氢气开展了研究，例如: 抗缺血再灌注损伤、抗细胞凋亡、抗器官损伤、抗器官移植损 伤、抗 肿 瘤 生 长、延长秀丽线虫寿命、调节细胞信号通路、抗炎症 等。近10 年氢气医学的大量研究结果表明: ( 1) 氢气可以作为一种安全、有效的疾病改善手段; ( 2) 氢气是通过抗氧化、减少细胞凋亡、抑制炎症反应等来发挥改善作用的; ( 3) 氢气的生物学效应得到了广泛认识，但是氢分子结构简单，缺乏有效的方法观察和研究其与生物分子的相互作用，尚未从分子水平上阐明氢气的生物学机制。
 

　　目前关于氢气生物学效应的作用基础有几种不同观点: Iton 等认为氢气是一种“酶活性调节剂”; Shi 等提出氢气是一种“新的气体信号分子”; 认可度较高的仍然是 Ohsawa 等提出的“选择性抗氧化”假说。
 

　　由于缺乏氢气作用基础的直接证据，氢气医学尚不能被普遍接受，阐明氢气生物学效应的分子机制成为氢气医学关注的焦点。超氧阴离子 自由基是活性氧的重要组成部分，与很多生理和病理过程密切相关，本文采用量子化学方法从电子结构水平研究了氢气和 超氧阴离子自由基的反应机理，为尽快认识氢气生物学效应的分子机制提供助力。
 

　　本研究采用量 子 化 学 M06-2X /6-311 + G ( d，p) 和CCSD ( t) /aug-cc-pVTZ 方法，基于 SMD 模型计算了 310K 温度下水溶液环境中氢分子与超氧阴离子自由基的反应机理。氢气与超氧阴离子反应的吉布斯自由能变化值为117. 2kJ·mol-1，活化自由能垒为 156. 2kJ·mol-1，从热力学及动力学角度该反应都不容易进行。通过电荷分解分析和轨道作用分析深入考查反应机理，发现从反应物变为过渡态过程中: 两片段间相互作用的轨道发生变化，复合物轨道的组成发生变化，轨道能级发生明显变化; 超氧阴离子片段向氢气片段的电子转移数增加，并且主要集居于能级升高值最多的第 8 号轨道中，削弱了氢气片段两个氢原子间的旧化学键，它是反应活化能的主要来源。
 

　　主要参考文献

　　孟祥军,王秀阁,和芹,王磊. 氢分子与超氧阴离子自由基反应的微观机理[J]. 化学通报. 2020(08) :755-760

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