甲烷是否属于气体信号分子？

科学研究就应该有独辟蹊径的勇气，匈牙利科学院的学者最近几年一直在研究甲烷的生物学效应，并提出甲烷是一种抗炎症气体的概念。虽然这种看法目前没有受到学术领域的重视和关注，但这种勇气和精神值得称赞。

需氧生物已经进化出适应大气氧浓度的理想代谢模式，一方面能利用氧气作为氧化分解能量物质的底物，帮助细胞产生足够的ATP，另一方面具备消除氧气参与代谢产生活性氧的能力。不过一些相对数量较少的气体分子也参与细胞稳态的调节。最典型的是一氧化氮作为信号调节作用的活性氧自由基，参与许多生理功能和病理过程。一氧化碳和硫化氢是最近研究比较多的另外两种内源性气体信号分子。是否有更多气体也属于气体信号分子也成为科学家重视的课题，针对这个问题，科学家提出气体信号分子的4个特征和6个标准。4个特征分别是简单性、在位性、可变性和有用性(simplicity,availability, volatility and effectiveness)。气体递质或气体信号分子的6个标准是加拿大著名华人生理学家王睿教授提出来的，我曾经专门介绍过：http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-791229.html

气体递质或气体信号分子的6个标准：

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。

甲烷是否符合气体信号分子的上述标准？最近匈牙利科学院研究甲烷生物学的学者MihályBoros米哈伊.鲍罗斯在其最新文章Therole of methane in mammalian physiology—is it a gasotransmitter?中全面论述了这一问题。

一、甲烷是否为气体信号分子

（一）甲烷是一种小气体分子，可在体液中溶解

大气中臭氧和水在光线催化产生羟基自由基，甲烷在可以与羟基自由基发生反应，变成二氧化碳。一氧化氮、一氧化碳和硫化氢在生物组织内非常容易和其他分子发生反应，产生毒性或发挥生物学效应。甲烷是一种单纯窒息性气体，本身在生物体系内相对稳定，没有毒性。动物实验结果表明，呼吸2.5%的甲烷3小时不会对血气生化和血液动力学产生任何毒性影响。

同位素C14标记甲烷实验发现，大约0.33%的甲烷会在山羊体内转化为二氧化碳（DoughertyR W, O’Toole J J and Allison M J 1967 Oxidation of intra-arteriallyadministered carbon 14-labelled methane in sheep Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 1241155–7），最近用大鼠呼吸同位素标记的甲烷实验证明，甲烷在动物体内，尤其是肝脏内的氧化转化率可能很高（CarlisleS M et al 2005 Biokinetics of inhaled radioactive methane in rats: a pilotstudy Appl. Radiat. Isot. 62 847–60），这种转化可能发生在线粒体内。

（二）甲烷可以不依赖分子通道自由跨细胞膜扩散。

根据最近研究，过去认为许多可自由扩散的气体分子可能也通过水通道等气体通道跨膜扩散。在哺乳动物大肠内，细菌通过厌氧发酵产生甲烷，这些甲烷可以被肠黏膜吸收进入血液，随后经过血液循环运输到肺，通过呼吸排除体外。临床上通过检测呼吸气中甲烷的浓度作为检测肠道菌群异常的一种方法。考虑到甲烷的自由扩撒能力较强，甲烷也能通过皮肤向外界释放。呼吸气体中甲烷的浓度超过1ppm的人大约为30–60%，最近研究发现，30分钟内人皮肤释放甲烷的速度大约为100 mmol／平方米（16），这说明甲烷只能在血液中浓度超过一定水平后才会经过呼吸释放到体外（氢气应该由类似规律）。这种经过皮肤释放气体的现象也发生在其他气体，如皮肤每分钟每平方厘米释放约1100 fmol丙酮、250 fmol乙醛、133 fmol 6-甲基-5-庚烯-2-酮、60 fmol正壬醛和5 fmol异戊二烯（17）。

外源呼吸甲烷能通过肺扩散到血液，然后经过血液循环运输到全身各个部位。甲烷在血液中的溶解度比较低，大约为6.6%，但在脂类成分如细胞膜中的溶解度可达到20%（19）。由于正常空气中甲烷浓度极低，大约为1–2 ppb，人体内甲烷大部分来自大肠细菌代谢产生，甲烷在细胞内的分布特征目前没有定论，但组织和细胞内存在大量亲水和疏水界面如细胞膜可能是甲烷集中分布的区域，这种不均匀分布可能会对细胞内结构和分子的功能产生一定影响。不过，这种分布是暂时的，如果没有甲烷的持续供应，最终甲烷会按照浓度梯度经过循环向肺和身体周围扩散。

（三）大肠内细菌可以产生内源性甲烷

在非生物的化学体系中，甲烷制造往往需要高温高压的条件，在人的肠道内，细菌可以大量利用二氧化碳和氢气合成甲烷，催化甲烷合成的酶是甲基辅酶M还原酶，合成甲烷的细菌是产甲烷菌，是一种与普通细菌和真菌不同的古细菌。（古细菌又称古核生物或称原细菌，是一些生长在极端特殊环境中的细菌，过去根据其内部构造没有核膜、具环状DNA结构以及细胞产能、细胞分裂、新陈代谢等生活方式与原核细胞相似，将古细菌归入原核生物。古细菌属于最古老的生物群，为地球原始大气缺氧时代生存下来的活化石。与细菌一样无真正的核，但染色体含有组蛋白，RNA聚合酶组成比细菌的复杂，翻译时以甲硫氨酸为蛋白质合成的起始氨基酸，细胞壁中无肽聚糖，不同于真细菌，核糖体蛋白与真核细胞的类似。许多种类生活在极端严酷的环境中。与真核生物、原核生物并列构成现今生物三大进化谱系。）

作为专性厌氧菌，产甲烷菌只能在氧化还原电位低于−300mV条件下生长，在哺乳动物肠道内符合这种生长条件，稻田和湿地的水下也符合这种条件。哺乳动物体内甲烷产生有两种代谢类型，一种是氢气和二氧化碳合成，另外一种是乙酸代谢，代谢方式决定于周围存在产氢气或产乙酸细菌。产甲烷菌也需要与其他微生物如硫酸盐还原细菌竞争共同底物。无菌动物没有甲烷，接种了产甲烷动物粪便后无菌动物就可以产生甲烷，提示哺乳动物体内甲烷都来自肠道细菌。根据甲烷呼吸检测可将成年人分成两类，一类是产甲烷者，另一类是不产甲烷者。划分标准是呼吸气中甲烷浓度是否超过1ppm（其实并没有严格的不产生甲烷者，甲烷和氢气检测属于肠道菌群类型和代谢产物层面，从生物学意义上讲，比简单划分细菌类型的所谓元基因组学研究都更有意义）。导致这种差异的原因目前仍然不清楚，不过对西方人群最近几十年的研究结果中两者的比例相对保持稳定，饮食和药物也会对甲烷产生有影响。虽然大部分人认为只有细菌才具有合成甲烷的能力，但也有一些研究证明，植物和动物细胞在缺氧等条件下也具有合成甲烷的能力。2003年，有人发现线粒体在体外缺氧条件下能合成甲烷。增加过氧化氢和维生素C可以促进甲烷产生，过氧化氢酶因为能代谢过氧化氢会减少甲烷产生。提示过氧化氢是线粒体合成甲烷的重要条件。有学者用植物细胞也发现存在类似现象，体外培养的细胞在多种应激条件下也能产生甲烷（41-45）。在烟草、葡萄藤和甜菜等培养的植物细胞也可以产生甲烷，在应激条件下如使用叠氮钠时，甲烷产生增加，叠氮钠能直接与细胞色素C氧化酶上的血红素结合，阻断该酶活性（一氧化碳、硫化氢也应该有类似效应吧），导致电子传递在最后阶段被中断，从而产生线粒体氧化应激。2008年作者对培养内皮细胞在低氧条件产生甲烷的代谢规律进行了研究。这些研究丰富了非细菌途径真核细胞产生甲烷的知识，并提示线粒体合成甲烷可能代表线粒体的一种应激反应。和这一研究类似的证据是，在缺氧条件下整体动物产生甲烷的数量也增加。作者经过大量研究证明，动物体内甲烷的产生不仅来自肠道细菌，也会因为机体发生应激反应而合成增加。

二、不符合气体信号的标准

按照气体信号的标准，信号气体除上述三个标准外，还必须在生理浓度下具有特定生理功能、生理功能可以被外源性类似物模拟以及产生生理功能的特定细胞分子靶点。甲烷目前没有上述三个标准的可靠证据，因此仍然不能明确属于气体信号分子。由于这些证据并非不可能存在，甲烷完全可以作为候选气体信号分子。

甲烷的体内水平不同个体差异比较大，生理浓度目前并不清楚。虽然过去许多人认为甲烷属于生理惰性气体，但也有一些研究认为来自肠道内的甲烷对肠道运动具有调节作用，甲烷浓度高容易导致肠道蠕动减慢，促进便秘的发生，而炎症性肠炎患者甲烷浓度往往减少。使用肠管进行的体外实验证明，甲烷溶液灌流能明显降低肠管蠕动。

作为一种进化古老的生物气体分子，甲烷在高等生物中发挥作用也是一种必然，但过去对甲烷的研究并不充分，针对甲烷的毒性和生物学效应的研究对认识生物进化的规律，以及从进化层面寻找治疗疾病促进健康的手段，都有可能发挥重要作用。