氢分子机制学习笔记之九

对活性氧物种和抗氧化能力的影响

植物的应激反应通常涉及活性氧代谢。活性氧的积累通常会增加，在某些情况下，会引发植物中的程序性细胞死亡（PCD）。活性氧在重金属存在下积累，如镉、汞和铜，也会在盐、极端温度和病原体的存在下积累。在应激条件下，细胞内活性氧的增加通常伴随着细胞中抗氧化剂水平的增加，例如，在盐、重金属和极端温度的存在下。因此，活性氧代谢的调节对于应激反应至关重要：活性氧的增加会导致细胞功能的改变，而抗氧化剂会调节和抑制这种反应。

氢已被证明能够帮助植物细胞缓解压力挑战。氢有助于减少盐胁迫，并减少铝、镉和汞造成的胁迫。氢还有助于缓解干旱胁迫和百草枯诱导的氧化应激。

Xie等人提出，氢通过锌指转录因子ZAT10/12的作用调节植物细胞的抗氧化能力。这将抑制活性氧的积累和相关的脂质过氧化。他们还提出，氢将作用于负责排除Na+的反向转运蛋白和质子泵，特别是过度敏感的蛋白盐1（SOS1）。最后，有人提出SOS1和胞质抗坏血酸过氧化物酶1（cAPX1）都是氢介导信号的分子靶点。此外，Xu等人还提出氢可能改变基因表达。在一项铝胁迫研究中，他们发现氢改变了赤霉素酸（GA）和脱落酸（ABA）的比例，其中GA生物合成（GA20ox1和GA20ox2）和ABA分解（ABA8ox1和ABA8O2）的基因表达由氢诱导。氢还改变了miRNA表达，下游效应增加了超氧化物歧化酶（SOD）的表达，增加细胞中的抗氧化剂水平。然而，尽管这些发现都支持氢保护细胞的概念，但尚未建立与氢的直接相互作用。

从上面的讨论可以看出，应激反应和氢效应都与细胞中的活性氧代谢和抗氧化剂水平有关。因此，氢被认为是抗氧化剂，这一点尤为重要。尽管本研究在临床环境中讨论了氢的影响，但植物细胞中的氧化还原化学将是相同的。在动物环境中，一项研究表明，氢是一种抗羟基自由基（·OH）的抗氧化剂，但对其他活性氧没有影响。这是最重要的，因为通常过氧化氢（氢O2）被认为是主要的细胞间和细胞内信号。重要的是，氢清除·OH的特异性存在争议，因为体外研究表明氢可以清除氢O2。然而，氢不能清除超氧阴离子。在一项研究水的辐解的实验中，当添加氢分子时，氢O2的形成或消耗可忽略不计。

如果氢的作用部分由·OH清除介导，则可能会提出一系列问题：细胞中羟基自由基的水平有多大影响，氢是否可以通过其调节发挥作用？这能解释所看到的效果吗？

羟基自由基已知对植物细胞有影响。Richards等人将羟基自由基描述为“植物细胞生物学中的有效调节因子”。他们讨论了这种分子在植物的许多生理机制中的作用，包括萌发、气孔的控制、繁殖和对逆境的适应。·OH对根中的离子电流也很重要。在动物细胞中，·OH被证明是丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）和转录因子（ERK2和NF-κB）的上游，植物中可能存在类似的机制。因此，有证据表明·OH具有积极的细胞信号作用，可能是氢的靶点。

在生物系统中，活性氧通常是分子氧顺序还原的产物，最终导致4电子还原为水（方程式（1））。

氧气→e− 氧气− →e− 过氧化氢→e− 2（·OH）→e− 2氢O

(1)

超氧阴离子（O2·–）可以通过酶法产生，例如通过NADPH氧化酶的作用。氢O2可通过超氧化物歧化酶（SOD）的酶家族随后的O2·歧化产生。

随后可以产生·OH，特别是在金属离子存在的情况下。该生成可以来自氢O2的Fenton反应（等式（2））：

氢O2+Fe2+→ ·OH+HO–+Fe3+

(2)

或在过渡金属存在下通过Haber–Weiss反应使用超氧阴离子和氢O2（方程式（3））：

氢O2+O2-→ ·OH+OH–+O2

(3)

如果活性氧的产生开始，例如，在如上所述的应激反应期间，·OH的产生可能继续进行。羟基自由基可以在植物细胞中检测到，并已被发现具有多重效应。

氢的应用在应激期间具有减轻影响的作用，因此，如果氢的作用是通过去除·OH来介导的，那幺假设氢在这些情况下作为903a;OH清除剂起作用，则可以预期在这些应激反应期间需要产生903g;OH自由基。事实上，在这些情况下可以找到·OH。例如，羟基自由基在金属离子激发期间增加，这是一种细胞激发，其中氢已被证明具有有益的作用。以类似的方式，在百草枯处理植物期间产生·OH，另一种情况由氢[64]缓解。在低温胁迫和干旱胁迫期间，已记录到游离铁和氢O2的增加，这意味着下游细胞反应中产生羟基自由基。同样，氢在干旱条件下以及低温胁迫下具有有益的作用。·OH和氢在热应激中也有类似的作用。因此，可以看出，有许多应激条件引起·OH的积累，并且也因氢的存在而缓解，这表明氢的903a;OH清除活性可能导致细胞活性的变化。这当然没有考虑不同胁迫期间·OH积累的任何时空差异，也没有考虑植物物种的变化，但903a;OH作用和氢效应的相关性可能指向一种可能的机制。

为了支持氢去除·OH可能具有生物学意义的观点，看看其他903g;OH清除剂可能是有用的。这种清除被认为对动物健康有益，而在植物中，甘露醇被认为通过这种机制具有保护作用。已经研究了糖如三氯蔗糖在拟南芥中的·OH清除作用，而β-卡波林生物碱和更多新化合物已用于动物系统。这些研究表明，在细胞中调节·OH有其优点，因此支持氢的这种作用可能是显著的这一观点。

另一方面，重要的是，有人认为氢与·OH的反应太慢，不具有生理相关性，尽管作者正在讨论临床设置。本文中，氢与·OH反应生成氢O和H903e的速率常数仅为4.2×107m−1秒−1（来自）。其他自由基反应的速率常数为109 M−1秒−1.有人提出，在与氢反应之前·OH会与其他生物分子反应，从而使氢的存在无关。其他人怀疑氢是否通过清除·OH发挥作用，尽管这是从人类健康的角度来看的。假设这是正确的，应激反应期间·OH产生和氢效应的相关性也将是不相关的，这就引出了一个问题，如果903a;OH清除不是机制，是什么？