氢气和氧气在生物系统中的作用

 氢气和氧气能燃烧产生水，氧气在生物体系中具有极其重要的作用，植物光合作用利用阳光能量产生化学能量物质释放氧气，动物则能摄取氧气氧化营养物质，构成生命世界的能量循环和基础。氢气作为天然能量物质，也参与微生物和许多物种的能量代谢。氢气也是生命演化的基础和动力之一。最近大量研究发现氢气对人类和各种生物都能产生效应。作为自然界最重要的氢气和氧气，在生物体系是否可以相互影响和作用，这真是一个值得研究和重视的问题。最近英国学者撰文对这个问题进行初步探讨。

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摘要

氧气（O₂）是通过光合作用产生的，在生物系统中是一种至关重要的气体，它在呼吸作用中扮演着末端电子受体的角色，并通过产生活性氧物种（ROS）参与宿主防御。氢气（H₂）在一些生物体的代谢中发挥作用，例如在热液喷口和肠道环境中，但它也在控制生长和发育以及植物和动物的疾病状态中发挥作用。氢气被建议用作医疗疗法和提高农业产量。然而，氢气在生物系统中的确切作用机制尚未完全明确。此外，氧气和氢气在生物体中存在相互关系。这些气体可能会影响彼此在溶液中的存在，并且可能与相同的细胞组分（如血红素辅基）相互作用。还有研究表明，氢气可能会影响一些蛋白质（如球蛋白）的结构，从而可能影响氧气在生物体中的运动。最后，治疗方法可能基于同时提供氧气和氢气，例如使用氢氧化气。因此，值得考虑生物系统如何感知和响应氧气和氢气，以及所观察到的相互关系，并将在此处进行讨论。

Russell G, May J, Hancock J T. An Interplay of Gases: Oxygen and Hydrogen in Biological Systems[J]. Oxygen, 2024, 4(1): 37-52.

1 前言

氧气（O₂）自18世纪后半叶被发现以来，人们对其在生物系统中的作用一直很感兴趣，包括其检测[2]和毒性[3]。氧气约占大气的21%，对于需氧生命至关重要。氧气是植物生理过程中光合作用的副产品，并在呼吸过程中被使用，是线粒体电子传递链（复合物IV将氧气转化为水）的末端电子受体。氧气在正常生理中还有许多其他用途，尤其是作为活性氧物种（ROS）的起点，如图1所示。

图1. 氧气可以被还原成活性氧物种（ROS），如超氧阴离子（O₂•−）、过氧化氢（H₂O₂）和羟基自由基（•OH）。在线粒体呼吸中，氧气通过4电子反应转化为水。

超氧阴离子（O₂^•−）被视为主要的ROS，因为其形成已知会导致其他ROS的产生，包括羟基自由基（•OH），以及诸如过氧亚硝酸盐（ONOO−）的RNS。超氧阴离子的歧化由超氧化物歧化酶（SOD）催化产生过氧化氢（H₂O₂），后者可以通过下面方程(1)和(2)所述的下游反应生成•OH：

哈伯-魏斯反应：

O₂^•− + H₂O₂ → O₂ + •OH + OH⁻（由铁离子催化）（1）

芬顿反应：

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + •OH + OH⁻（2）

•OH进一步还原生成水，而线粒体复合物IV通过4电子还原氧气旨在避免ROS的产生。这些活性分子在化学上相对不稳定，因为许多分子在外层轨道携带未配对电子，这些电子对氢原子有很强的亲和力。这可能导致从重要生物分子（如保护性脂质膜）中提取质子，从而破坏它们的结构并改变功能。ROS/RNS还能够通过修饰必需蛋白质和保护膜影响包括基因转录和线粒体活动在内的基本过程，因此在细胞稳态中具有重要作用。有几篇关于ROS功能的出色综述可供参考[4,5,6]。

氢气也在18世纪被发现，自那时起在生物学研究中时隐时现[7,8]。然而，氢气近来在科学文献中越来越受到关注，特别是自2007年《自然医学》论文发表以来[9]，不仅作为可再生能源的替代来源，还作为人类和动物的健康和生活方式补充品，在外科[10]、康复[11]和老年医学[12]领域具有潜在的用途。研究表明，将H₂纳入农食品工业，可以多种方式使用，并能增强植物抗逆性[13,14]、作为生长刺激剂[15]或作为植物和食品产品的保鲜剂[16,17]。表1和表2概述了分子氢在动物和植物中可能产生的显著效果。

表1. 分子氢处理后在动物中看到的效果示例。

HRS：富氢盐水；HRW：富氢水 MDA：丙二醛；SOD：超氧化物歧化酶；Nrf-2：核因子红细胞2相关因子2；HO-1：血红素加氧酶-1；NQO-1：NAD(P)H醌氧化还原酶1；VEGF：血管内皮生长因子；PDGF：血小板源生长因子；RBC：红细胞；WBC：白细胞；COX-2：环氧合酶-2；8-oxo-dG：8-氧代-2′-脱氧鸟苷；CLDN3：紧密连接蛋白3。

表2.氢分子的植物效应。

APX: ascorbate peroxidase; CAT: catalase; POD: peroxide; SOD: superoxide dismutase.

生物体可以通过多种方式接触到H₂，其中一些物种含有产氢酶，这些酶可以产生H₂[33]。产氢酶中有一些会被O₂抑制（例如，IV组NiFe产氢酶[34]），它们负责催化H₂的可逆氧化/还原反应（H₂ ↔ 2H⁺ + e）。这些产/用氢酶存在于所有单细胞和大量多细胞生物中（例如，真菌、植物[35]），并且可以根据特定的系统发育分类，即仅含铁Fe、铁-铁Fe-Fe和镍-铁NiFe。另一方面，其他生物在胃肠道中寄宿了一系列代谢H₂的微生物群落。氢气也可能是自然存在的，例如在热液喷口[36]和其他自然来源[37]中。氢气与氧气一样，生物体也可以用氢分子进行治疗处理，可以直接气态吸入使用，或者作为溶解状态的富氢水（HRW: [38]），或以氢气纳米气泡的形式（HNW）。此外，生物体可以同时接触O₂和H₂，形式为氧/氢化溶液，以及通过氧氢混合气（66% H₂/33% O₂）。

尽管O₂在细胞中的作用已经确立，但在许多情况下H₂如何影响细胞仍不清楚。如表3所列，有几种可能的机制，但单一作用不太可能解释所有已报告的细胞反应。最初认为H₂仅作为一种抗氧化剂，许多生物学效果来自于清除羟基自由基（•OH），但对几种重要的小型活性信号分子，如超氧阴离子（O₂•−）、H₂O₂或一氧化氮（NO）几乎没有或根本没有影响。然而，正如表3所示，已经提出了氢气的几种其他机制，或者至少可能有多种机制，且在H₂浓度上升时可能会同时启动多种机制。这些机制中的一些可能涉及O₂，讨论这可能带来的任何后果似乎是及时的。

表3. H₂在细胞和组织中作用的一些可能机制。

水由氢和氧原子组成，是一种最常见最普遍的生物溶剂，对碳基生命的出现和持续至关重要[49]。H₂O是通过O₂和氢气（H₂）的热催化形成的（反应2H₂ + O₂ → 2H₂O），但重要的是水分子也可以分解产生O₂和H₂，比例为1:2。通过电解水是一种便宜且成熟的H₂产生方法，甚至氢经济领域也把水电解产氢气作为重要手段。然而，两种气体都可以一起使用，称为氧氢混合物。氧氢可以在许多生物领域使用，包括作为疾病治疗[50]。这样的工作说明了为什么应该一起考虑O₂和H₂，如下所述。

2.氢气和氧气在水中的溶解度

当在溶液中使用O₂或H₂时，必须考虑气体的溶解度。标准条件下，纯水中O₂的溶解度报告在1.18至1.25×10⁻³ mol/L之间[51]。H₂在类似条件下，~1 atm和25°C时，溶解度约为0.8×10⁻³ mol /L。 如果水与空气达到平衡，预测的O₂浓度将约为2.56×10⁻⁴ mol/L，而H₂的浓度将预测为可以忽略不计，因为在地面水平大气中几乎不存在氢气H₂。如果水中的O₂或H₂浓度增加，应该考虑的一个问题是，这种人为提高的气体浓度能持续多久？如图2所示，溶液中O₂的提高水平开始下降，如果将回归线外推，与基线浓度相比，它给出了溶液中提高的氧气的半衰期约为420分钟。因此，如果要将这样的溶液用作任何生物体的治疗，无论是植物还是动物，都需要考虑随时间氧气释放的问题，建议使用这样的溶液选择新鲜制备。（采用耐压密闭包装，则不必如此）

图2. 溶液中O₂浓度的估计。根据外推法，可获得高浓度氧气溶液的半衰期。溶液用450 mL/min的氢氧溶液吹泡30 min制备，用clark型电极测量O₂。红色虚线为外推法，水平线表示增加的中间点。箭头表示一个半衰期的估值。

同样，如果溶液中的氢气升高，就会更迅速重新进入空气并丢失。同样，显示了具有代表性的数据（图3），显示在所使用条件下，H₂在溶液中的半衰期只有大约32 min。因此，在使用前长期储存这种溶液，除非保存在头部空间小的密封容器中。在这里至关重要的是，溶液中的O₂和H₂的浓度应该由研究人员在使用前使用可靠设备和方法进行测量。

图 3. 用450 mL/min的氧氢气鼓泡30 min后溶液中H₂浓度的估计。H₂用亚甲基蓝基测定系统进行测定。水平虚线是测量的最大浓度和预期的最大浓度与预期的最小浓度之间的中间。红色虚线是外推，而水平线表示增加的中间点。箭头表示一个大约的半衰期。

关于质子交换膜（PEM）水电解的最新研究[52]表明，来自不同来源的水中增加的H₂的半衰期大约在60到140分钟之间，这比我们研究中涉及的碱性电解（产生并注入H₂和O₂）的半衰期（约32分钟）要长。有趣的是，根据所使用的水源，结果差异很大。半衰期最短的是作者所描述的“圣泉”水，最长的是自来水。研究还发现，他们能够获得的最高H₂浓度大约为1.3 ppm。在70分钟的电解过程中，pH值上升了大约1个单位，氧化还原电位（ORP）显著下降，从大约+200 mV降至-500 mV。关于不同水源的研究强调了了解溶液中溶解了什么以及在报告溶解气体数据时测量确切工作浓度的必要性。

一种气体在水溶液中的溶解可能会影响其他气体的存在，无论是纯水、盐水还是缓冲液。例如，图4中展示了一个代表性的例子。在这里，我们可以看到，当镁基片通过水的水解催化产生H₂时，溶液中的O₂浓度显著下降，但随着氧气从大气中吸收，氢气释放到大气中，O₂水平又慢慢恢复。以这种方式制备新鲜的H₂溶液可能会产生一个相对厌氧的环境，那么，当这样的溶液在农业和生物医学研究中使用，或者作为医疗/运动医学领域的疗法时，是否应该考虑这种厌氧环境本身产生的生物效应？（低氧的生物学效应是非常巨大的！）

图4.溶液中O₂和H₂的浓度。h₂是使用镁基片剂生产的。将片剂放入一个非密封的圆锥形烧瓶（500 mL）中的去离子水（15 MΩ/cm²）中。H₂用亚甲基蓝基测定系统进行测定。用clark型电极测量O₂.

3. 氢氧气

在上述讨论O₂和H₂溶解度的基础上，正如已经提到的，这两种气体通常一起使用，被称为氢氧气。布朗气、H₂/O₂、HHO和氢氧都是相同化学配比的氢氧混合气（66% H₂和33% O₂）的术语。氢氧混合气可以使用鼻导管或面罩作为气体吸入，也可以摄入水溶液，或者作为气体供应给植物等密封容器。显然，在这些条件下，O₂的含量显著增加，但H₂的浓度也非常高。

众所周知，只要维持足够O₂浓度，人体可以很好地容忍高H₂，这是早期气体研究者如Humphry Davy未意识到的[7]。作为深海潜水气体，自1940年代以来一直使用H₂[53]，且没有已知的有害健康影响。非常早期的所谓“医用气体”实验确实有潜在的致命效果，部分原因是研究人员从不确定他们的实验气体的纯度或确切成分。Humphry Davy在多次试验中差点杀死自己[7]。对于氢氧气，如果这样的O₂/H₂混合气要被人类使用，或在农业或兽医场景中使用，重要的是确切知道正在使用什么，并且没有错误或存在有毒成分。然而，至少在我们手中的氢氧混合气体，其组成如表4所示。因此，没有显著浓度的有毒气体或杂质，但与呼吸空气相比，O₂和H₂都有所提高。

表4显示了碱性水电解的气体和推断输出。气体由HydroVitality（Wakefield, UK）氢氧发生器制备，收集在Tedlar袋中，并送往SGS Gas Analysis Services（Bristol, UK）进行分析。

表4中的气体分析表明，氢氧混合气中有略高于10%的N₂存在。虽然这在直觉上不会预期，但N₂并不有毒，只会降低O₂和H₂的“工作”浓度，尽管在分析中这两者都比大气浓度（分别是29.5%和60%）高。考虑到（i）大气空气含有78%的氮气，（ii）气体评估本质上有大气污染的风险，以及（iii）HydroVitality设备是一个密封单元（根据亨利定律，流体中溶解的空气量与系统的压力成正比，因此在储液器中预期会有诸如N₂、O₂和CO₂等溶解气体），假设氮含量可能是由于供应HydroVitality机器所用水中原本溶解的气体残留所致。

还应该注意的是，氢氧发生器的适应只能产生H₂，其中使用膜来限制气体在电解质中的扩散，O₂则作为废气排放。因此，这种相对便宜且易于使用的技术可以用来生成氢氧混合气或H₂，然后两者都可以用于吸入或创建富集溶液用于治疗。

当考虑直接吸入H₂和氢氧混合气以及H₂置换O₂的影响来计算吸入的H₂百分比时，可以应用一个简单的公式。

(mL/s): H₂/(Breath−H₂)×100      

为了说明，一个平均人（女性：身高1.64米，体重72.7公斤，BMI 27.1；男性：身高1.78米，体重86.7公斤，BMI 27.4；英国数据）[54]每次呼吸吸入500毫升的空气，吸气持续大约2秒。以测试设备的最大流速计算，HydroVitality可产生450 mL/min的氢氧混合气。因此，女性每次呼吸将吸入2.5%的H₂，而男性将摄入大约2%。如果应用相同的公式，针对流速和O₂消耗量增加的百分比（33%）进行调整，女性的氧气摄入量增加了1.27%（22.27%），男性增加了1.01%（22.01%），表5。

表5显示了当正常呼吸时，通过比较普通空气与吸入氢氧混合气和纯氢呼吸时，平均女性和男性吸入的气体百分比（www.worlddata.info: 2024年1月31日访问）。为了匹配HydroVitality氢氧发生器的流速，使用了纯H₂的流速300 mL/min。

降低O₂消耗量可能对新陈代谢过程产生不利影响；正如上文提到的，O₂在生物系统中也有作用，它是有氧呼吸和ATP生产的末端电子受体，并且是活性氧(ROS)生成的起点。因此，长时间的减少可能导致组织损伤。

由于添加了O₂，氢氧气体可以缓解与低氧有关的状况，并因H₂的应用而减少高氧发生率。这一假设得到了中国医疗专业人员在COVID-19大流行期间获得的临床数据支持，其中显示氢氧混合气吸入可以减少气道阻力并改善重病负担（NCT04336462结果：[55]）。相比之下，对于慢性阻塞性肺疾病（COPD）的治疗，纯O₂吸入引起的高氧会导致生理不适，氢氧混合气被证明在减少喘息、咳嗽和痰液方面更有效。总共报告的不良事件也比O₂吸入组少了14.8%（NCT04000451结果：[56]）。在气管狭窄的临床研究（NCT02961387结果：[57]）中，这是一种表现为气道严重炎症的状况，用氢氧气体治疗比单独使用O₂更能有效减少吸气努力。这些结果表明，H₂和O₂的结合在纠正低氧方面有良好效果，且不会引起高氧效应，上述研究报告未提及不良事件。

众所周知，H₂对生物体有深远影响，如表1和表2所示。还进行了利用富含H₂和O₂的水在生物系统中的研究。例如，Shin等人[18]给肉鸡喂食富氧水或富氢水（即分别富含O₂或H₂），然后随着小鸡的成长测量了一系列特征。他们的数据摘要见表6。

表6. 富氧水或富氢水处理对肉鸡成长过程中的一些影响示例（来自Shin人[18]）。

数据显示，饮用H₂（作为溶解溶液）对小鸡的成长有多种影响。考虑到表1和表2中的数据，这并不令人惊讶。然而，饮用富氧溶液也有类似的一系列影响。因此，饮用富含氢氧的溶液时，是H₂还是O₂造成了观察到的效果？或者同时富集O₂和H₂是否更好？这需要进一步甄别。也许，就像上面详细介绍的氢氧混合气吸入一样，提高两种气体的水平比单独提高H₂水平（例如通过Mg片剂制备）要好。需要进行比较这类溶液的研究，记录使用的气体确切浓度，以回答这个问题。毕竟，不仅是在鸡身上报道了富氧水的积极效果。Handajani等人[58]发现饮用这样的溶液对糖尿病有益，尽管其他报告持怀疑态度。例如，Gruber等人[59]表示，尽管对人类的肝脏、血液或免疫系统没有长期不良影响，但血液中自由基的存在增加了，虽然是短暂的。Piantadosi[60]说：“不能认真对待富氧水的兴奋剂说法”，然后回顾了证据。所有关于富氧水的说法都需要谨慎对待，可能需要进行更多工作。有趣的是，Shin等人[18]使用竹茎准备他们的富集溶液，这样O₂和H₂以纳米气泡的形式进入水中。这应该会使溶液更稳定，或许部分解释了它们的效果。其他人在体外和体内使用纳米气泡也取得了成功[39]。

4.氢气对血红素作用及疑惑

氧气(O₂)作为细胞中末端电子受体的作用已经被充分证实。除了作为线粒体电子传递链(ETC)复合物IV的四个电子受体之外[45]，O₂也是某些NADPH依赖性氧化酶(NOX)复合物中gp91-phox的末端受体[61]。实际上，Kiyoi等人[62]描述了在通过H₂吸入处理的小鼠模型中，•OH和ONOO−的产生减少。有趣的是，同一研究[62]指出，在细胞应激事件中负责产生超氧阴离子的NADPH氧化酶(NOX-1)酶在H₂组中显著下调。然而，关键激活组分p40-phox和p47-phox的表达未受影响，这表明H₂可能会影响NOX-1复合物内蛋白质的表达或作用。这些酶促进O₂向O₂•−的转化，利用Fe过渡金属作为电子转移的催化剂，因此可能为H₂相互作用提供一个有效的靶点[63]，尽管需要实证数据来确认这一点。最近已经有人撰写了NOX酶的优秀综述[64,65]。

在血红蛋白中，O₂与血红素的第六配位位置结合，其方式取决于溶液中的氧张力，O₂可以结合和解离。肌红蛋白有类似的作用，但具有不同的O₂结合常数。

H₂也可以直接与血红素中心的Fe原子相互作用。这在脱硫脱硫弧菌的细胞色素c3中被发现[44]，其中发生了电子转移，同时Fe³⁺还原为Fe²⁺。正如Singh等人[66]所指出的，这样的电子转移如果发生，将会将高铁血红蛋白转化为血红蛋白状态（Fe³⁺到Fe²⁺），从而促进O₂的结合。尽管在患有血红蛋白病和酶病的个体中，高铁血红蛋白的比例可能更高，生理条件下高铁血红蛋白并不常见，健康成人中占<10%[67]。然而，其他血红素蛋白中Fe的还原也有可能增强它们的功能，正如之前所争论的[45]。

最近，使用密度泛函理论(DFT)计算，有报道称H₂有可能直接与Fe/血红素相互作用[40]；在这种情况下，也会有电子转移到血红素。对血红素的影响不是重点，而是H•自由基的形成以及它们与•OH等自由基相互作用的可能性。如果H₂带电子直接与蛋白质的过渡金属组分相互作用，如Hancock[46]、Kim等人[40]和Ohta[42]所描述的，那么金属离子可能会催化自由基的还原，通过降低游离H₂的解离能（~4.64 eV–~2.35 eV）以及形成受体/H•复合物。逻辑上，H•自由基会与诸如•OH的自由基氧化剂以及非自由基物质如过氧亚硝酸盐迅速反应，尽管这将受到所感知自由基的空间和时间可用性的调节。有趣的是，Kim等人[40]指出，“从Fe–O₂结合的累积研究中，我们可以预期H₂也会与Fe结合……”。这是否意味着如果H₂以类似于O₂的方式（虽然是短暂的）与血红素结合，就会破坏O₂的结合？肌红蛋白是否也是如此？有报道称H₂处理可以增加血液氧合[68]，这与H₂/血红素相互作用破坏O₂结合的说法相矛盾。

Jin等人[41]提出了H₂与血红素的类似相互作用。Fe-卟啉，无论是游离的还是与蛋白质结合的，都可以与H₂反应，并且他们报告了CO₂向CO的转化，因此暗示CO代谢是介导H₂效应机制的一部分（这也可能涉及血红素加氧酶）。他们得出结论：“Fe-卟啉是H₂的氧化还原相关生物传感器”。Ohta[42]认为，一个H₂的目标分子，与-OH基团结合的Fe-卟啉（PrP-Fe(III)-OH），可能介导转录因子Nrf2的激活，从而缓解氧化应激效应[69]。当然，H₂与血红素的相互作用需要进一步研究。

另外需要考虑的是CAT（血红素：[70]）和SOD（Cu/Zn或Mn基础：[71]）等抗氧化酶的金属催化中心，据报道这些酶在暴露于H₂后活性增强。因此可以推测，H₂也可能通过保持催化金属元素的还原能力来改善这类金属酶的功能，这可能解释了Zeng等人[72]在植物中和Yu等人[73]在小型哺乳动物中报道的H₂效应。当然，还有许多其他基于金属的酶反应，尤其是细胞色素和叶绿素。Kim等人[40]和Jin等人[41]提出的机制是否仅限于他们研究的血红素辅基，还是有广泛使用这些机制的潜力？

5.氢气和蛋白质的直接相互作用 

为了回答这个问题，需要对氢气(H₂)在生物系统中的作用和分布进行探讨。一个流行的理论是蛋白质口袋理论，该假说基于在蛋白质构象中识别出离散的疏水通道和表面口袋。这些特征通常由亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸或缬氨酸等氨基酸排列而成，这些氨基酸通常在长度超过100个氨基酸的蛋白质中形成（由Roose等人综述[74]）。疏水口袋使得与惰性气体如氩(Ar)、氪(Kr)、更大的原子氙(Xe)[75]以及可能的分子氢[48]发生非共价/范德华相互作用成为可能。使用X射线晶体学对最大的惰性气体之一氙进行的研究表明，疏水性和输送气体的体积是决定气体-蛋白结合的主要因素，这种结合通过弱的伦敦色散力发生[76]。伦敦色散力是范德华相互作用的一个量子组成部分，是一种描述原子间暂时的分子间吸引力的弱作用力。这些原子通常在电气上是对称的，导致在非极性分子中形成瞬态偶极子[77]。

像H₂一样，由于电子轨道充满，惰性气体在生物系统中被认为是惰性的，意味着它们不能参与电子交换。然而，许多研究表明Ar [78,79]、Kr [80]、Xe [81,82]和氦(He) [83,84]可以产生不同的生理效应。然而，这些效应是如何启动的尚未完全理解。下面，将探讨直接蛋白/气体相互作用的可能性。

对抹香鲸精液衍生的含有血红素的蛋白质肌红蛋白的氧化形式——高铁肌红蛋白的研究观察到蛋白质内有四个独立的129Xe结合位点[85]。每个129Xe结合的内部蛋白通道都位于与血红素辅基铁相邻的O₂结合位点的对面。在结核分枝杆菌的血红蛋白中，已经确定了两个通道，O₂和Xe通过这些通道穿过蛋白质到达各自的结合位点[86]。对二氧动态的原子级模拟识别出通道1作为这些分子和一氧化氮(NO)的进入通道，而通道2主要用作出口通道，尽管这部分被认为是双向的。作者还展示了O₂在穿过空腔到达血红素界面和对接位点(DS2/活性位点)时利用了氙气口袋Xe1a和Xe2。有趣的是，NO仅占据Xe2位点，这可能会进一步影响，可能是通过抑制O₂通过通道2释放。

正是考虑到上述研究类型，才提出了这样的建议：H₂虽然相对惰性，但在与蛋白质的相互作用中可能表现出与惰性气体如Xe一致的行为[47]。然而，当评估蛋白质/分子相互作用的非化学效应时，还应考虑的另一个因素包括原子和分子的大小和重量，因为这些物理属性可能在所观察到的效应中起关键作用。这些数据的例子总结在表7中。

表7. 气态物质的质量与直径，生物分子的物理性质、原子质量和动力学直径。

正如所见，已知具有生理效应的Xe，包括作为麻醉剂[92]、磁感应和神经保护剂[82]，其分子体积明显大于H₂，后者被认为有类似的行动模式，即使用蛋白质中的Xe口袋。然而，H₂与He不无相似之处，He在近100年前就被提出是一种治疗性气体[93]，并且自那以后一直被研究其生物学效应[94]。因此，H₂的这种作用模式无疑值得进一步研究，对于一系列小的——有些是气态的——信号分子也是如此[48]。如果像H₂这样的气体正在与蛋白质中的疏水口袋相互作用，比如用于研究这种效应的模型蛋白血红蛋白和肌红蛋白，那么这是否会影响动物中的O₂运输？当然，增加的O₂饱和度、H₂效应和疾病模型都已经一起被考虑过[62]。这是否是H₂产生生物学效应的方式之一，它是否可以通过改变O₂代谢来介导？

6. 未来展望和结论

氧气和氢气都是在18世纪被发现的，安托万·拉瓦锡、约瑟夫·普利斯特利、托马斯·贝多斯和汉弗里·戴维等杰出科学家早期的工作很快就开始研究这些气体以及其他气体，如一氧化二氮[7]的生物效应。氧气已成为研究有氧生命的一部分，对光合作用至关重要，并且与植物和动物的宿主防御有关。例如，人类缺乏将O₂转化为活性氧(ROS)的酶会导致慢性肉芽肿病[95]。

最近十余年，H₂被认为是一种医用治疗方法[96]，并且作为农业中植物的有益处理[97]，自2007年太田小组的论文[9]以来，人们对H₂气体的生物效应的兴趣极大。

然而，相对较少的文献中同时考虑了O₂和H₂，以及这两种气体的作用如何可能相互作用或甚至干扰彼此。这两种气体都已在溶液中使用，有时一起作为氢氧混合气使用，但人们并不总是考虑到一种气体的溶解是否改变了溶液中另一种气体的可测量浓度。H₂似乎会减少溶液中的O₂，而这两种气体在水中的高浓度半衰期都相对较短。这很少被考虑，这样的溶液需要在它们预计的高浓度半衰期之前的时间框架内使用。

至少部分地，H₂被认为通过清除•OH来发挥作用，一种解释这一机制的是H₂与血红素的相互作用。然而，众所周知，O₂也与许多血红素蛋白相互作用，包括血红蛋白家族和产生ROS的NADPH氧化酶。那么，这里的H₂和O₂之间的相互作用是什么？一个会影响另一个的作用吗？如果是这样，这是否解释了H₂处理所观察到的效果？

此外，H₂可以被视为一种惰性气体，那么它是否会以与其他惰性气体（如Xe和Ar）相称的方式改变蛋白质功能？在这里，用于研究的模型蛋白是球蛋白，这些蛋白在氧气的运输和储存中非常重要。植物也有球蛋白[98]。已经有人提出，球蛋白、氧气和重要的信号气体一氧化氮(NO)之间存在相互作用。H₂也可能参与其中吗？

H₂的确切作用尚不清楚。通常认为清除•OH是一种作用模式，但也提出了几种其他机制，其中一些可能会影响O₂代谢。这里建议，随着未来氢气对生物系统的研究继续进行，应该进一步考虑H₂和O₂之间的相互作用。

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