表4. 氢气在植物细胞中作用的拟议机制。

6.1 Fe-卟啉介导的羟基自由基清除

氢气在细胞中有几种潜在的作用模式。Ohsawa等人在2007年的论文中显示，氢气可以从溶液中去除•OH，但对一些其他反应性信号分子如H₂O₂或NO•没有影响。由于•OH可以作为细胞信号，这可能解释了氢气的一些效果。实际上，许多报告已经发表，显示在氢气处理期间细胞的抗氧化能力增加，例如在盐胁迫和氮缺乏期间。

正如所述，Ohsawa等人在2007年发表的一篇开创性论文之一，尽管是在动物细胞中。随后的论文强调了血红素在这一过程中去除羟基自由基的作用。例如，Kim等人（2022）提出了一种机制，其中氢气与血红素反应，其结果产物介导•OH的清除。最近，一篇论文提出了类似的机制。在这里，作者确定Fe-卟啉是氢气的一个靶点，并且自由或蛋白质结合状态的Fe-卟啉可以使用氢气来清除羟基自由基。这是一个非常重要的结果，因为它可以解释氢气的许多下游效应。例如，这样的机制可以导致转录因子核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）的激活，如Ohta（2023）所建议的，Nrf2已知参与氧化应激反应，并涉及一个基本的亮氨酸拉链（bZIP）转录因子。同样重要的是Jin等人（2023）的论文，它显示氢气与卟啉的相互作用可以导致CO₂转化为CO，因此，他们建议氢气在CO信号传导中处于上游。这也是有趣的，因为已知与CO代谢相关的酶，即血红素氧合酶，是氢气效应的目标。

尽管发现了氢气与Fe-卟啉分子之间的相互作用，但为了解释所有生物体中报告的所有氢气反应，很可能还有其他机制也在起作用。例如，当考虑到•OH的产生位置和氢气从细胞外部扩散时——通常外源性应用——Fe-卟啉介导的清除作用不太可能解释所有观察到的效果。因此，氢气的其他作用机制，如Fe-卟啉介导的CO产生或其他非Fe-卟啉机制，很可能是同时发生的。

6.2 H₂调节血红素加氧酶的作用

一种被提出的机制是，氢气调节血红素加氧酶的作用，特别是HO-1（例如Shen等人，2017）。这将涉及通过CO介导效应，另一种已知具有细胞效应的气体。然而，氢气如何直接影响HO-1的活性尚不清楚。与ROS和RNS不同，氢气不太可能像氧化（通过ROS）和S-亚硝化（通过RNS）那样通过共价修饰蛋白质来控制任何蛋白质，而不仅仅是HO-1。由于氢气直接修饰蛋白质的可能性不大，这进一步凸显了Fe-卟啉分子作为氢气目标的吸引力，因为这种相互作用确实会导致CO的产生。

6.3 H₂通过其氧化还原作用

某些蛋白质的功能依赖于其辅基，这些机制通常依赖于这些非蛋白基团的氧化还原状态的变化。典型的例子是血红蛋白、细胞色素等的血红素辅基。氢气本身可以进行氧化还原反应，据报道，这种作用可以改变细菌细胞色素中铁的血红素基团的氧化还原状态，例如细胞色素c3。尽管其他人排除了这种氧化还原活动作为氢气作用的解释，但没有研究所有可能的氧化还原相互作用，特别是在植物中。因此，现在完全排除这种可能性还为时过早。

6.4 氢电子的分子自旋效应

一种提议的但未经证实的机制是氢气在生物系统中的不同自旋状态的影响（图5）。

图5. 电子分子自旋的示意图（H₂）。

氢气有可能改变其他分子特别是自由基的电子配置。热极化有利于三重态（正交）状态，在室温下约75%的H₂分子处于这种状态。正交自旋产生微弱的逆磁性力，使其不太可能通过过渡金属还原直接影响ROS的形成。

氢气的单重态可能不会直接形成自由基对，但可能通过与金属蛋白的相互作用具有活性氧化还原潜力。当正向电子转移被抑制时（例如线粒体的复合体1），就会发生自由基对形成，这有助于ROS的形成。例如，一个带有单重自旋的黄素-超氧化物对形成F + H₂O₂，而三重态则解离成自由基FH•和O₂•-。如果H₂与蛋白质中的过渡金属成分相互作用，如Hancock和Hancock（2018）、Kim等人（2022）、Jin等人（2023）以及Ohta（2023）所建议的那样，且电子处于反平行配置，那么金属基团可能会更容易通过降低自由H₂的解离能量（∼4.64 eV–∼2.35 eV）来催化自由基的还原。从逻辑上讲，H₂自由基可以与自由基氧化剂如O₂•-和•OH反应，降低细胞的促氧化状态，但也可能影响包括NO•在内的生物学上重要的自由基。因此，尽管较少见，但H₂的顺（单重）状态可能在较冷的土壤温度中发挥重要作用。然而，如前所述，这将受到感知自由基和H₂的空间和时间可用性的调节。

由于弱逆磁性力的存在，H₂的三重态可能会通过稳定蛋白质结构（蛋白质口袋理论）来影响细胞活动，如细胞信号传导、基因调控和代谢。H₂可能通过影响蛋白质磷酸化来介导信号传导，这取决于蛋白质的时间配置。假设虽然单重态分子可以影响氧化还原平衡，三重态可能支持蛋白质功能，但目前没有证据支持这一点，唯一基于证据的H₂靶标仍然是Fe-卟啉靶标。

6.5 H₂与蛋白质口袋的相互作用

无论H₂采用哪种机制带来生物效应，它们都必须解释几个现象。H₂需要能够从其给药位置（治疗）移动到作用部位。它需要启动的反应可能远远大于细胞感知到的H₂浓度，并且反应必须持续长于溶液中H₂气体的可能稳定性。因此，有一个清除机制，其中去除•OH似乎不太可能是H₂作用的唯一方式。尽管羟基自由基在植物中有信号传导作用，但它可能远不如其他ROS或RNS那样重要，许多ROS或RNS在信号传导方面似乎有更大的意义，例如NO•和H₂O₂，而这两者都没有报道受到H₂的影响。

一种可能的机制可以解释向生物系统添加H₂后看到的许多现象，即如果H₂直接与蛋白质相互作用。例如，在球蛋白家族的蛋白质中，已知惰性气体可以与蛋白质结构内的空腔相互作用。甚至已经显示这些气态原子能够通过空腔结构迁移进入蛋白质。其他惰性气体，如氩，也已知具有生物学效应。因此，认为一个小的相对惰性分子如H₂也能参与与蛋白质的这种相互作用并不奇怪。最近，还提出这样的机制可能解释在ROS和RNS存在下看到的一些效应。因此，这可能是控制蛋白质功能的比之前认为更广泛的机制。H₂在这里的参与将非常有意义，并解释了H₂如何具有如此广泛的作用，可以在生物体内四处移动，并在任何治疗后长时间产生影响。

氢气作用的机制还需要解释植物在许多发育阶段（从种子到花再到果实）以及一系列应激反应（从盐胁迫、重金属耐受性到干旱耐受性）中看到的众多效应。因此，几乎可以肯定H₂参与的路径不止一条。这使得其阐明更具挑战性，但可以解释看到的一系列效应，从对植物有利到能够在人类中具有治疗效果。