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气体信号分子

已有 11573 次阅读 2014-5-4 15:36 |个人分类:甲烷生物学|系统分类:科普集锦

Methane and Hydrogen Positivity on Breath Test Is Associated With Greater Body M.pdf

气体递质Gasotransmitters是内源性气体信号分子,包括一氧化氮、一氧化碳和硫化氢。一氧化氮是第一个被确定的气体信号分子。在多种哺乳动物细胞中,L精氨酸和氧气作为底物,在多种一氧化氮合成酶的氧化催化下产生一氧化氮。一氧化氮生物学效应的发现是一次革命,使人类第一次认识到气体也可作为重要细胞信号分子。认识到百年来使用的一种重要药物硝酸甘油产生作用的分子原理,并在这个基础上意外研究出一种神奇药物伟哥。一氧化氮是内皮细胞释放的可扩张血管的重要分子。

一氧化碳是血红素的代谢产物,也是第二个被确定的气体信号分子。血红素加氧酶是体内制造一氧化碳的关键酶,包括血红素加氧1和2两种类型。血红素加氧1是诱导型,而血红素加氧2是结构型。在很多方面,一氧化碳的功能和一氧化氮类似。例如,一氧化碳也能扩展血管、降低血压,能保护心脏缺血再灌注损伤。

硫化氢是被第三个发现的气体信号分子。这种臭鸡蛋味道的气体能在哺乳动物细胞内产生,制造硫化氢的关键酶包括胱硫醚g裂解酶、胱硫醚b合成酶和3巯基丙酮酸硫转移酶。L半胱氨酸、同型半胱氨酸和这些分子的衍生物是产生硫化氢代谢过程的原料。硫化氢几乎在所有器官具有多种生理调节功能, 硫化氢是大脑内神经递质和神经调质信号分子,参与学习、记忆和疼觉调节功能。硫化氢也是氧气的感受器,能调节各种低氧生物学效应。和一氧化氮、一氧化碳一样,硫化氢也是血管调节分子。

关于一氧化氮生物学生理学的研究在1984-1993年期间逐渐增多,在这期间关于一氧化碳和硫化氢的大量研究论文主要是关于非生理性毒性效应的研究,关于一氧化氮生物学生理学的研究在1994-2003年达到极端辉煌高度,这个期间关于一氧化碳和硫化氢的功能性研究开始逐渐受到关注。2002年,气体递质gasotransmitter的概念被提出,使这一领域的研究饱受鼓舞。2004-2013年期间,科学家开始重视这些气体广泛应用和生理效应。对气体信号分子的持续关注已经使这个领域的研究热度进一步提高,许多论文和专著相继发表出版。在加拿大某些大学就设置有专门的大学生和研究生培训项目http://www.usask.ca/healthsci/cardiovascular/gasotransmitters/gasotransmitters1.htm。欧洲2012年也建立了气体信号分子研究网络http://gaso-transmitters.eu/。许多科学家和实验室相继加入这个领域。

气体递质或气体信号分子的标准

1.小分子气体,可以或不能在生物组织中溶解;

2.可自由穿过细胞膜。由于具有这个特点,气体分子跨细胞运输不依靠细胞膜受体和转运体(最近研究发现,这些气体其实也需要经过气体通道运输)。

3.哺乳动物细胞需要特定酶和底物合成这些气体。合成这些气体的数量严格按照信号传递功能进行调节。

4.这些气体的发挥生理功能需要特定生理浓度。

5.内源性气体分子功能能被外源性气体模拟。

6.完成生理功能依赖于特定细胞和分子。

世界著名气体信号分子研究学者加拿大华人教授王睿最近撰写了一篇综述对这个领域的一些重要进展进行分析。感谢王教授提供全文。文章对氨气、甲烷和氢气的研究也进行了介绍,提出这些气体也有可能是气体信号分子的侯选者。

甲烷是结构最简单的有机物,也是一种温室气体。所有有机物腐败时都可被细菌代谢并合成出甲烷。人体内厌氧产甲烷菌能合成大量甲烷,合成甲烷的关键酶是甲基辅酶M还原酶,氢气、二氧化碳和醋酸是合成甲烷的原料。甲酸、甲醇、一氧化碳和甲胺。除细菌以外,真菌也能在厌氧条件下利用蛋氨酸合成甲烷。Lenhart K, Bunge M, Ratering S, et al. Evidence for methane production by saprotrophic fungi[J]. Nature communications, 2012, 3: 1046. 植物培养细胞线粒体也能在无氧条件下产生甲烷。Wishkerman A, Greiner S, Ghyczy M, et al. Enhanced formation of methane in plant cell cultures by inhibition of cytochrome c oxidase[J]. Plant, cell & environment, 2011, 34(3): 457-464.有意思的是,哺乳动物细胞也能制造甲烷。用抗生素抑制大肠细菌不会影响大鼠甲烷的产生。哺乳动物产生甲烷可能来自蛋氨酸和胆碱与正电氮原子连接的亲电子甲基。

http://refhub.elsevier.com/S0968-0004(14)00051-6/sbref0180

哺乳动物产生的甲烷可以进入血液循环,并通过呼吸排除体外(类似二氧化碳)。在体和离体研究发现,甲烷也具有生物学效应和信号功能。狗呼吸2.5%甲烷能治疗小肠缺血再灌注损伤导致的氧化损伤,同时可以抑制炎症因子说明甲烷具有抗炎症效应。低氧或阻断线粒体电子传递复合物IV能提高大鼠线粒体和牛血管内皮细胞的氧化应激水平,提高甲烷的产生数量。活性氧水平和甲烷产生存在相关关系提示甲烷的产生可能需要活性氧。小肠内注入甲烷能抑制狗小肠蠕动,研究人员认为小肠内甲烷产生过多导致小肠平滑肌收缩或收缩节律被破坏,并可导致餐后血清素水平下降。Ob/Ob肥胖小鼠和肥胖人会因为大肠内产甲烷细菌过度增生产生高水平甲烷,提示大肠细菌甲烷产生和肥胖存在联系。不过,肥胖时甲烷产生来自大肠细菌还是来自组织细胞目前并没有最后确定。甲烷和其他气体信号分子具有不同的化学性质,其他气体信号分子都属于无机气体分子,甲烷是有机气体分子。另外,甲烷具有四面体对称性分子结构,缺乏非共享电子对(非极性分子)。

虽然甲烷不可能发生亲核反应,也没有酸硷性,但是甲烷能参与许多化学反映,例如可以与卤族元素进行加卤反应。根据气体信号分子的标准,甲烷符合前两个标准。但是最终确定甲烷为信号分子仍需要明确甲烷产生的生物化学反应途径以及特异性合成酶。其生理功能和生理浓度,以及目标效应分子都没有确定。

 

Gasotransmitters growing pains and joys.pdf

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-791229.html

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