植物和细菌氢化酶（氢酶4）

研究植物产氢气过程和氢气对植物细胞的效应，对理解氢气生物学效应基础有非常好的借鉴价值。植物细胞和动物细胞一样，都是真核细胞，植物细胞具有产生氢气的作用，提示动物细胞也具有产生氢气的潜力。氢气对植物细胞的效应和对动物细胞的效应应该存在类似的分子基础。所以研究植物氢气效应可给动物细胞学效应提供很好的借鉴意义。

三、植物细胞氢化酶

人们很早（1964）就了解，在植物和真核细胞存在铁铁氢化酶，这些酶具有代谢氢气的功能。

Renwick, G.M.; Giumarro, C.; Siegel, S.M. Hydrogen metabolism in higher plants. Plant Physiol. 1964, 39, 303–306

氢化酶这种金属蛋白可以催化氢气产生和氢气利用两种可逆过程。铁铁氢化酶似乎属于铁硫簇蛋白，一般对氧气敏感。基因敲除氢化酶基因会导致植物发育迟缓，研究提示这种酶参与控制细胞周期、糖代谢、转录和应激反应调节。

Mondy, S.; et al. GOLLUM [FeFe]-hydrogenase-like proteins are essential for plant development innormoxic conditions and modulate energy metabolism. Plant Cell Environ. 2014, 37, 54–69.

 

图 人类、拟南芥和黄花蒿氢化酶氨基酸序列对比。

真核细胞氢化酶一般称为核结构相关因子NAR，或不同氧水平影响形态蛋白GOLLUM。如蒺藜苜蓿的GOLLUM1和拟南芥的AtNAR1。正如衣藻氢化酶，活性氧等氧化还原信号分子可能对高等植物氢化酶产生影响。HYDA1和HYDA2序列分析提示，如果活性氧、一氧化氮和硫化氢可以调控这些酶活性，巯基可能是调控位点。拟南芥的AtNar1序列中有13个半胱氨酸残基，虽然和黄花蒿氢化酶69%的同源性，但所有半胱氨酸都是保守序列。将这些植物氢化酶和人类细胞浆铁硫簇组装原件3对比，发现有9个半胱氨酸保守序列。理论推测表明，这些序列中许多都可以被一氧化氮修饰调节，在人类氢化酶同源蛋白中也同样如此。这说明，一氧化氮可能对这些分子具有调节作用。当然这些蛋白的金属活性中心也可能是一氧化氮调控的位点。在蛋白修饰调节中三维结构更重要，但还没有氢化酶反面的研究文献。不过硫化氢对氢化酶的抑制性调节可能和金属活性中心有关。

  对人类或动物氢化酶的研究目前仍然比较少，但是从基因角度，通过生物信息学方法，对人类氢化酶同源蛋白，如人类细胞浆铁硫簇组装原件3或线粒体复合物中和氢化酶同源的亚单位，进行功能和相互作用分子的分析，然后通过细胞学实验，验证这种推测。特别是进行氢气调节或产氢气效应的理论分析和实验，可能对寻找氢气在人体效应分子机制提供重要帮助。

四、植物和细菌氢化酶

虽然肠道菌群和人体健康关系很大，但是微生物和植物的关系更密切。这里强调和植物相关，也是微生物和植物的关系比动物更密切，许多植物的生存离不开细菌的协助，有一些植物的功能就需要细菌或真菌参与。不过，植物和细菌关系的研究，特别是和氢气代谢相关的研究，对于理解和研究肠道菌群氢气相关效应也有启发意义。

虽然植物细胞能产生氢气，来自环境的外源性氢气也会发挥生理调节效应。自然情况下外源性氢气代谢主要是细菌和真菌等微生物。如研究表明，土壤内含有氧化氢气的细菌，这些细菌可能对植物生长有促进作用。土壤给植物提供营养物质和矿物质，植物和土壤相互作用是植物生长的重要条件。

1937年，Wilson 和 Umbreit主编的书中报道了氢气对固氮的影响。根瘤共生菌能产生氢气，但是氢气似乎对固氮有不利作用。内源性氢气是固氮酶副产物，大约50%的电子用于固氮，其他电子则产生了氢气，氢气产生后释放到周围环境，可能对农作物轮作中发挥正面作用。

氢气氧化菌和许多植物相关，这种微生物是链霉菌属用于氢化酶。这种菌因许多种是抗生素的产生菌而且产生抗生素的种类最多而著名（如链霉素），代表种为白色链霉菌。1943年美国加州大学伯克利分校博士、罗格斯大学教授赛尔曼·A·瓦克斯曼从链霉菌中析离得到 ，是继青霉素后第二个生产并用于临床的抗生素，瓦克斯曼也因此获得1952年诺贝尔生理学或医学奖。

Kanno等用链霉菌接种到水稻和拟南芥幼苗，发现细菌可被带入植物组织中，其氢气氧化活性仍然存在。用氢气处理土壤可改变土壤中微生物数量，也可对植物生长产生影响。

人们很早就知道，一氧化氮能抑制氢化酶活性，氧气、一氧化碳和乙炔也能抑制氢化酶活性。1954年报道一氧化氮对变形杆菌属氢化酶的作用，此后研究发现一氧化氮的这种作用是通过抑制铁硫簇功能，虽然一氧化氮和氢化酶的作用可能比较复杂，但这些研究能明确一氧化氮能抑制氢化酶活性。氢化酶也能被硫化氢抑制。植物细胞能产生一氧化氮和硫化氢，这给植物细胞影响细菌和植物细胞自身氢化酶提供了潜在可能。

人体肠道菌群的情况更为复杂，细菌中的硫酸还原菌本身就可以产生硫化氢，肠道组织内血管内皮细胞和免疫细胞也能产生一氧化氮，这些气体都能跨细胞扩散，如此肠道内产氢气的细菌受到环境信号分子影响的情况更为复杂。所以我一贯不支持通过肠道细菌产生氢气作为氢气医疗方式，虽然这看起来有利用菌群治疗疾病的逻辑，但氢气在细菌世界的地位太高了，我们根本无法准确调控细菌产生氢气的数量和方式，而产生的氢气对更多细菌代谢繁殖产生影响，这种不可控制性让氢气的安全性大打折扣，这完全失去了氢气安全圣洁的特征。当然作为一种研究方法，通过调节肠道菌群产生更多氢气，这完全没有问题。学术研究没有那么多的顾虑，但用于人类疾病治疗，就要谨慎小心为基本要求。