氢气具有广泛的生物医学作用已经有大量研究证据，但是氢气发挥作用的分子机制仍然没有完全清楚。考虑到氢气化学化学比较稳定，作者提出氢气可能存在物理效应，类似其他惰性气体的生物学效应。例如氙气就是一种被广泛研究的麻醉作用非常强的惰性气体。其基本作用模式就是嵌入蛋白质结构内，通过影响蛋白质的变构效应产生生物学作用。氢气在扩散能力方面有更大优势，是否也能产生类似的蛋白质变构调节作用。虽然这种想法还不成熟，也一定存在漏洞。既然机制不清楚，大胆提出想法当然应该提倡。

氢气(氢分子，H2)对从植物到人类的一系列生物体都有显著影响。据报道，许多惰性气体都有类似的作用，当细胞受到压力时，这种反应可能最为明显。例如，氙气(Xe)是一种众所周知的麻醉剂。在大多数情况下，这些气体的直接目标仍然难以捉摸。众所周知，肌红蛋白和血红蛋白通过与金属(O2, NO, CO)的协同作用以及硫醇(NO, H2S)和胺(CO2)的共价修饰在气体运输中发挥作用。这在NO与血红素铁(形成铁亚硝基血红素)和半胱氨酸(形成生物活性的s -亚硝基硫醇)的生物营养反应中得到了很好的证明。在这里，我们考虑了另一种“第三种模式”的气体运输被称为“氙气袋”，惰性气体可能有功能影响。许多蛋白质都有类似的空腔，可能的影响包括改变蛋白质的变构性质(可能改变蛋白质的水合作用)。在这里，我们认为氢气与其他惰性气体相似，也具有利用这些蛋白质结构的生物效应。这需要进一步研究，在一系列的物种中，以确定这是否是氢气的作用模式。

Hancock J T, Russell G, Craig T J, et al. Understanding Hydrogen: Lessons to Be Learned from Physical Interactions between the Inert Gases and the Globin Superfamily[J]. Oxygen, 2022, 2(4): 578-590.

人们对氢气(分子氢:H2)对生物系统的影响越来越感兴趣，有人认为氢气可用于生物医学[1]和农业[2]的治疗。例如，有人认为H2治疗可能有助于减轻神经退行性疾病[3]的影响，并可作为COVID-19的一种治疗方法[4,5]。在植物科学领域，田间试验表明H2可以改善水稻[6]的品质。

H2可以通过多种方式供应给生物系统。在医院内治疗时，它可以作为气体给予，通常与氧气结合，称为氢氧(HHO: H2/O2)[7]。另一种方法是，将氢气泡入水中，形成氢气富集的溶液，称为富氢水(HRW)， Lin等人[8]在研究小鼠酒精引起的脂肪肝时就使用了这种方法。其变体是富氢盐水(HRS)，如[9,10]。其他变化包括使用氢纳米气泡水(HNW)[11]，据报道，它有更多的氢溶解，并在溶液中保留氢气更长时间。许多氢气处理的问题之一是氢气气体迅速进入大气，因此其生物活性有限。它倾向于提供一种丸状的效果。高氢钨可能有助于将其转化为一个更生理的过程，将氢气释放到生物材料中更慢、更长的时间。在人类中，氢气似乎可以被用于[12]的肺部，作为饮料[13]，甚至可以用作局部治疗[14]。对植物而言，HRW可向土壤[15]、饲料[16]或叶片[17]提供，并可向大气中添加氢气气[18]。或者，氢气可以通过供体分子供应到生物组织中，供体分子将在需要的位置释放氢气。其中一种供体是氢氧化镁(Mg氢气)，如Li等人所使用。[19]。这种供体与高氢氢钨相似，可延长扩散时间，因此生物体或组织更大/持续地生理暴露于氢气。

氢气处理生物材料的方法如此之多，已经报道了一系列的生理效应，但其潜在机制仍有争议。氢气增加细胞的抗氧化能力已被广泛报道[21,22,23]。例如，超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶和过氧化氢酶(Cat)等酶增加了基因表达和活性，同时谷胱甘肽(GSH)代谢的变化也被注意到。然而，氢气的直接作用导致细胞内源性抗氧化剂的这种变化，从而导致细胞内氧化还原状态，还没有被定义。

其他人注意到在氢气处理过程中血红素加氧酶的活性发生了变化。这在黄瓜不定根发育[25]和炎症性肠病[26]的治疗中都有报道。在后一篇文章中，HRW诱导HO-1基因表达，降低氧化应激、内质网应激，抑制免疫反应，均可减轻疾病[26]的影响。然而，和前面一样，氢气对这些变化的直接作用并没有被揭示。

有人认为氢气直接作为一种抗氧化剂，特别是清除羟基自由基(•OH)，一种活性氧(ROS)和过氧亚硝酸盐(ONOO−)，一种活性氮(RNS)。然而，其他的ROS和RNS，如超氧阴离子(O2•−)，过氧化氢(H2O2)和一氧化氮(•NO)，在控制细胞功能方面都比•OH或ONOO−更重要[27,28]。然而，即使氢气对•OH或ONOO−的作用也存在争议。Penders等人对动力学进行了更深入的研究，认为氢气的这些反应在生理条件下并不显著。

如果不知道氢气如何控制基因表达、细胞的抗氧化能力或血红素加氧酶的活性，以及与ROS和RNS的直接相互作用受到质疑，则需要氢气作用的其他机制。

有人认为氢气/H+偶的氧化还原中点电位低到足以驱动某些生物分子[30]的氧化还原状态的变化，可能是那些含有血红素和参与线粒体功能的分子。在细菌系统中似乎有这样的先例，细胞色素c3被氢气[31]还原。没有实验证据表明类似的反应发生在动物或植物身上，但现在排除这种可能性似乎为时过早。

由于氢气[32]的自旋状态，有人提出了另一种机制。同样，没有实验证据证明氢气的这种作用模式，但惰性气体的原子状态的想法将在下面讨论Xe时重新讨论，所以也许我们不应该急于排除这种可能性。有趣的是，血红蛋白中的铁(Hb)长期以来一直被认为具有顺磁性，如最近讨论的[33]。根据最初的论文，当氧分子与血红蛋白[34]相互作用时，它经历了“电子结构的深刻变化”。最近有人提出，氢气有可能直接与血红蛋白[35]血红素中的铁相互作用。在这项工作中，作者从理论上探索了血红素可能改变氢气分子电子构型的方式，这取决于相互作用是对称的还是不对称的。他们进一步提出，有可能产生氢自由基(H)，然后有能力与羟基自由基或过氧亚硝酸盐反应，因此这可能是这些活性化合物被清除出细胞的机制。然而，尽管这很有趣，但它确实提出了许多问题。在脱氧血红蛋白中，氢气结合到Fe2+的六位是否改变了体内O2运输的整体能力，这里没有报道。当氧与脱氧血红蛋白结合时，铁转变为Fe3+状态，氧是结合的超氧阴离子。Kim等人[35]还认为Fe在氢气结合上失去负电荷，类似于观察到的氧的机制。当各种形式的血红蛋白用氢气处理时，观察血红蛋白的一整套可见波长光谱将是有趣的。如果氢气可以像Kim等人[35]所建议的那样与血红素假体基团结合，那么探索这种方法可以外推到一系列其他含血红素的蛋白质将是很有趣的。其中一些蛋白质也结合氧气，如一氧化氮合酶(NOS)和NADPH氧化酶。其他的则不与氧反应，如细胞色素c。在一些蛋白质中，血红素与多肽共价结合(如细胞色素c)，而在另一些蛋白质中则不是，如细胞色素b。这样的问题不仅与动物有关，也与植物有关，植物中不存在真正的血红蛋白，尽管同源物[36]存在。它们是否能够经历Kim等人提出的类似机制[35]?在提出这个问题时，目前的工作是有趣的，并可能为不久的将来的一系列实验提供信息。

因此，氢气显然具有生物效应，但它的作用方式仍不清楚。然而，其他几种惰性气体也有生物效应，包括氩(Ar)、氙(Xe)、氦(He)、氪(Kr)和氖(Ne)。这种气体不太可能对生物材料产生化学作用;作为惰性气体，它们在化学上是惰性的，但它们可能有物理影响。在这里，我们提出氢气的作用可能是相似的，生物对氢气的反应可能是在氢气与蛋白质相互作用的下游，这可能与惰性气体的作用有直接的比较。一些重要的活性信号分子，包括NO气体，通过蛋白质和其他生物分子的共价修饰发挥作用。这种蛋白质修饰包括氧化(通过ROS) [37]， s -亚硝基化，硝化(通过RNS)[39]或过硫化(通过硫化氢(H2S))[40]。然而，稀有气体不太可能参与这种反应，氢气也不太可能参与这种生物分子改变的催化。因此，如果不可能发生直接的化学反应，则氢气和其他惰性气体的作用可能是由更多的物理相互作用造成的。下面对证据进行审查。