【馬雪梅教授】氫氣生物學機理之生命中的氫元素

2021-01-20 科力恩

引言：「氫璞」首篇文章得到很多領導、專家和朋友的鼓勵，並提了很多好的建議，深感工作的意義和責任，也深感壓力，唯有更加努力才不辜負大家的支持。

第一個專題定為「氫氣生物學機理」，幾日來一直在思考如何組織專題的架構？氫氣生物學機制的完全解析必然依靠多學科共同的努力，需要更多青年才俊的加入，包括正在這一領域探索的研究生的熱愛，也需要知識界、產業界等各層面的支持。因而決定從理解氫氣在生命系統中地位的相關基礎知識入手，慢慢理清我們目前對於氫氣生物學機理的認識，理解已經解決了哪些問題？未來還有哪些問題需要探討？......


氫元素（H，Hydrogenium）排在化學元素周期表的第一位，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，約佔宇宙質量的75%。宇宙中90%、人體中63%的元素都是氫。地球早期的二氧化碳濃度很高，但同時也含有大量的氫氣，高達40%，在這樣的高氫、高二氧化碳環境中，加大了有機化合物生長和碳基生命產生的可能性。

活的生命體乾重的大部分為有機化合物，是由富含碳、氫、氧、氮、磷的化合物所組成。在超過90種天然存在的化學元素中大約只有30種是生命體所必須的。生命體中大部分元素的原子序數較低，僅有五種原子的序數在34號元素硒之後。按元素含量的百分數計算，生命體中最豐富的4種元素是氫、氧、氮、碳，共佔了大多數細胞質量的99%以上。生命有機體是圍繞著碳組織起來的，即碳骨架和其他碳、氫、氧、氮等元素結合而成的分子。碳原子可以和氫原子形成單鍵，也可以與氧和氮原子形成單鍵和雙鍵，能以共用電子對的的形式形成非常穩定的碳碳單鍵，兩個碳原子也可以共用2（或3）個電子對，從而形成雙（或三）鍵。


      

生命分子在三維空間上有獨特的構象和構型，水分子的引力以及微弱的電離傾向對於生物大分子的結構和功能至關重要。細胞內大分子，特別是蛋白質和核酸的許多物理性質和生物活性都是通過與其所處環境中的水分子相互作用而表現的。在生命的進化中，水起到了深遠而決定性的作用。

水溶液中的大分子內及大分子間存在4種弱相互作用力: 離子鍵、疏水作用、範德華力和氫鍵。雖然它們單獨存在時作用力非常弱，但大量這些弱作用有機結合起來卻對生物大分子如蛋白質、核酸、多糖和膜脂的三維結構有巨大的影響，有效地維持了蛋白質、核酸和膜的穩定。弱相互作用力（非共價鍵）還在酶的催化、抗原抗體識別以及受體與配體結合中發揮重要作用。

  氫鍵賜予水分子獨特的性質。水是有機體中含量最豐富的組分，多數生命體含有70%以上的水分。水的熔點、沸點以及汽化熱高於多數常見溶劑，該特性是由於相鄰水分子間的的氫鍵作用使得水分子間存在強烈的引力造成的, 它使液態水中產生巨大的內聚力。這是理解生命系統運行邏輯的重要一環。

液態水頗具短程秩序，由半衰期都很短的氫鍵簇組成。水分子中的每個氫原子與氧原子共享一對電子。水分子的空間結構可以通過氧原子的外層電子軌道來表示，它是一個不規則的四面體結構，其中兩角各有一個氫原子，另外兩角各為一孤對電子對。由於氧的電負性更強，氧原子核對電子吸引力比氫核（一個質子）大，結果導致氫原子和氧原子間的共享電子對分布不均，這對電子出現在氧原子附近的概率高於氫原子附近。這種分布不均造成了水分子中沿兩條 H—O 鍵方向形成兩個電偶極, 其中氧原子帶有部分負電荷（2δ-），每個氫原子帶有部分正電荷（δ+），因此，水分子中的氧原子和相鄰水分子中的氫原子之間存在靜電作用力，即氫鍵（hydrogen bond）。氫鍵較共價鍵長且弱，液態水的鍵能約為20kJ/mol。在室溫下，水溶液的熱能與斷裂氫鍵的鍵能為同一數量級，單個氫鍵的壽命只有1×10-9 s,處於不斷的形成與破壞中，大部分子都處於動態氫鍵網絡中，但分子間所有氫鍵的集合使水溶液內存在巨大的凝聚力。


  氫鍵不僅僅存在於水分子之間。在一個強電負性原子（氫受體,通常是有一對孤對電子的氧或氮）與另一個結合在強電負性原子上的氫原子（氫供體）之間容易形成氫鍵，與碳原子（非電負性）共價相連的質子不能形成氫鍵。

 

水的極性性質和氫鍵性質使其成為許多帶電和極性物質的有效溶劑，而非極性物質，包括CO2，O2及N2等氣體均難溶於水。生物體衍生出水溶性的載體蛋白（如血紅蛋白、肌紅蛋白）運載O2，而CO2則在液相中形成碳酸（H2CO3）並以碳酸根離子（HCO3-）的方式運輸。

但是，生物體系特別是很多的生物大分子含有大量的非極性基團，如非極性胺基酸的側鏈、脂肪鏈等，為了減少暴露在水中的非極性表面積，任何兩個在水中的非極性表面積將傾向於結合在一起，疏水作用成為促使非極性區相互聚集的力量。許多生物分子是兩性的。蛋白質、色素、某些維生素以及膜上的固醇和磷脂均含有極性和非極性表面區。這些分子內非極性區的疏水作用穩定其結構。脂質分子之間以及脂分子與蛋白質之間的疏水作用是決定生物膜結構的最重要因素。同樣，非極性胺基酸間的疏水作用也穩定了蛋白質的三維摺疊構象。例如，水溶液中具有極性頭部和非極性脂肪鏈的兩性磷脂形成生物體膜系統，完美地充當了生物體與外界的隔離並交換信息的屏障，並且是高等生物細胞內部區隔化功能分區的建造者。


        氫氣作為一種非極性的分子，在水中的溶解度很低，關於氫氣在水溶液中的存在方式有不同的觀點，如氫分子、氫離子、負氫離子、氫原子等等。2010年Belpassi L 等在JACS發表研究認為，水和氫氣的相互作用伴隨著電荷轉移（Charge Transfer,CT），CT有很強的立體選擇性、各向異性現象，水在不同的方向上既可以充當電子供體也可以充當電子受體。在生物體系中氫氣對水的性質會產生怎樣的影響還需要進一步研究。

 

 

氫氣被生物體利用，最終還是以溶解在水中的方式，氫水是氫氣先溶解在水中被吸收利用，吸氫氣也是氫氣要溶解在體液中再被利用。理解了水在生物體的重要地位後，生物體系中氫氣對水的弱相互作用特別是氫鍵系統、對生物大分子的結構是否有擾動，氫氣是否能進入生物大分子內部，這些問題的重要性就體現出來了，但是現在氫氣在此方面的作用尚不明確。我們在氫氣與生物酶的研究中發現氫氣可以提高多種酶的活性，初步表明存在氫氣影響生物體系弱相互作用的可能性，這一點在後邊的文章中將會專門討論。

另外，氫氣是非極性分子，細胞膜脂質雙分子層內部是疏水區，氫氣在細胞內不同的親水、疏水區域的分布是否會有不同，包括細胞膜、線粒體膜、葉綠體膜、以及各類細胞器膜等內膜系統中氫氣是否會更聚集，從我們研究線粒體和細胞膜發現氫氣對膜系統的蛋白（酶）發揮作用明顯來看，我認為這種可能性是存在的，值得深入研究，後邊我也會討論到。我們現在缺乏的是研究和追蹤氫氣的工具，這對氫氣研究是很大的制約因素。

下一篇將從進化的角度討論氫氣在真核生物進化中的位置。

 

參考文獻

1. Nelson D L , Cox M M . Lehninger Principles of Biochemistry[M]. W.H. Freeman, 2013.

2. Belpassi L , Reca M L , Tarantelli F , et al. Charge-Transfer Energy in the WaterHydrogen Molecular Aggregate Revealed by Molecular-Beam Scattering Experiments, Charge Displacement Analysis, and ab Initio Calculations[J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(37):13046-13058.




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