氢气生物学机理（8）：氢气与线粒体的能量

北京工业大学氢分子生物医学团队

近期一直处于繁忙状态，单位的工作之余参加了几个研讨和会议，也和很多不同领域的朋友有交流，有些感触。

不管来自哪个领域，大家普遍关注我强调的观点：生命起源和进化于富氢的环境，氢不仅是构成生命物质的基本元素，也是构成生命功能的基本元素，在生命的底层逻辑发挥重要功能。

很多人尤其关心氢气是否和生命的能量有关？这也是让我魂牵梦绕多年的问题。

按照我们现在初步的研究结果，我倾向于认为氢气在生命体中是重要的能量物质，正如在远古生命体系中氢气扮演能量中枢的角色一样。

之前介绍的是植物线粒体的氢代谢能力，动物细胞的线粒体是否也有代谢氢气的能力呢？这两个问题的研究基本上是同时开展的。

氢气可以提高线粒体膜电位。

线粒体内膜的质子泵可将基质内质子（H+）泵入膜间隙，质子跨膜转运使得线粒体膜间隙积累大量质子，形成跨线粒体内膜的跨膜电位 (ΔΨ)，简称为线粒体膜电位（Mitochondrial membrane potential，MMP）。当质子返回时推动生命体最重要的能量货币ATP的产生，人体的ATP有95%为线粒体所提供。还有一部分能量会以热量的形式散发。

说到氢元素和能量代谢再补充一点：以葡萄糖为例，高等生物的细胞的能量代谢是经过一系列的脱氢酶催化的反应，氢被传递给NAD+变成NADH等氢载体，NADH 在线粒体内把电子通过电子传递链传递给氧气，同时把质子泵出到线粒体膜外。可见，氢元素生来就和能量连接在一起。

图片源自网络 

线粒体复合物Ⅰ是主要的质子泵，每传递一对电子就会泵出4个质子，线粒体复合物Ⅰ也是氢化酶的结构类似物。

在植物线粒体的研究中我们定位复合物Ⅰ为最有可能产生氢气的位点。在动物细胞的研究中，我们发现氢气处理可以明显增强多种细胞线粒体的膜电位（图），表明氢气促进了质子梯度的形成。

几年前第一次看到这个结果时我很兴奋，马上做了这张ppt片子，起名“点燃生命之火”。图中红色代表线粒体膜电位。线粒体膜电位升高往往是代表高能量状态，也常常是与活性氧增加相关联，但这一过程并不增加活性氧水平。

氢水沐浴的热效性。

最近我关注到日本学者的一个研究。这一研究用24名健康志愿者为研究对象，采用热成像分析仪研究氢热水沐浴后体温改变的情况（图）。结果发现用氢水沐浴带来的热量保持效果明显高于非氢水沐浴。 

图.热成像仪分析氢气浴后体温的变化（Kato S，2020）。在相同条件下，41℃ 泡浴10 min，对照水氢气浓度为0.8微克/升（图，上）研究中使用的氢水氢气浓度有两种，分别为185微克/升（图，中）和548微克/升（图，下）。 

该论文对毛细血管宽度分析发现，氢水沐浴可以扩展微循环，增加血流速度；论文还对受试者体型，皮下脂肪，代谢率等因素进行了分析，认为这些因素和热潴留的关系并不能明确。

氢气和线粒体的能量。

这个结果让我很兴奋，因为这是热成像的结果，我从中“看到了能量，看到了线粒体的活化，看到了代谢的加速……”。当然这还是推测，但却是对“氢气能量假说”的很好的注释。

如果氢气真的在“生命的能量”有地位的话，它将超越所有分子（包括抗氧化剂），和氧气共同构成高等生命细胞能量代谢的核心。

氧气的作用是在线粒体能量代谢的最后一步接受电子形成水，是进化过程中的一种高效能量利用方式。

氢气作为能量则更久远，在没有氧气的时候就已经存在，并且形式也更多样，氢气可以与众多的物质构成提供和接受电子的氧化还原对，从而与能量代谢联接。

随着高等生物的进化和氢气在地球上的减少，高效的有氧能量代谢占据主导地位，并带给高等生物进化上的优势，但伴随而来的副作用则是强氧化自由基的产生，动物体衰老的自由基假说因此诞生。

抗氧化被广泛接受，成了抗衰老追求长寿的法宝。氢气的选择性抗氧化假说也因此一经提出就很容易被大众所接受。

如果氢气以能量分子的形式出现无疑是对现有理论的颠覆。但是这可以解释“氢气作为还原剂通过和自由基反应清除自由基”这一假说无法解释的很多现象，比如：多个用氢后白发返黑的案例，氢气解酒的现象（我们几年前的初步研究结果，因一些原因还没有投稿），氢气“减肥”，氢气对肿瘤放化疗副作用的减轻而又不降低药物的作用……

我们在这个方向上还在探索，希望不久有更多的结果可以公开，并进行详细的解析。

下一篇将介绍氢气和细胞的屏障——细胞膜的部分研究。

参考文献

² 马雪梅,张鑫,谢飞,赵鹏翔,张昭,仪杨,张晓康,马胜男,李秦剑,吕宝北,刘梦昱,YAO Mawulikplimi Adzavon,孙学军,李英贤.氢气生物学作用的生物酶基础[J].生物技术进展,2020,10(1):15-22.

² Kato S, Takada Y, Miwa N. Heat-retention effects of hydrogen-rich water bath assessed by thermography for humans[J]. Journal of Thermal Biology, 2020: 102805.