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了解氫分子:線粒體在健康中的重要角色

在現代醫學中,氫分子(H₂)已經成為一個引人注目的研究領域。自2007年首次發現氫氣能夠選擇性清除氫氧自由基並保護大腦免受缺血再灌注(I/R)損傷以來,氫氣療法的研究如雨後春筍般迅速發展。分子氫作為一種新型抗氧化劑,其生物效應在動物、植物和微生物中得到了廣泛的研究和證實。

探索分子氫:線粒體在醫學中的核心作用

線粒體被譽為“細胞的發電廠”,不僅負責ATP的生產,還在細胞的多種功能中發揮重要作用,包括信號傳導、活性氧(ROS)生成的調節、細胞凋亡、細胞增殖和脂質運輸...等。然而線粒體功能障礙與多種疾病密切相關,如心血管疾病、退行性神經疾病、代謝紊亂和癌症。氫分子通過影響線粒體功能,展示了其在生物體中多樣的生物效應。目前研究表明,氫分子可以通過多種機制影響線粒體的質量控制。例如,氫氣能減少由疾病或外部壓力引起的線粒體損傷,通過提高線粒體ATP生產、增強線粒體呼吸、抑制線粒體通透性開啟和促進線粒體自噬等途徑來改善線粒體功能。這些研究強調了氫分子在維持線粒體功能和減少細胞損傷方面的潛力。 您可能感興趣:🔗線粒體:細胞能量工廠的奧秘


氫氣療法的臨床應用前景廣闊。目前已有超過2000項研究,包括超過100項臨床試驗,探討了氫氣在多種疾病模型中的潛在治療效果,如神經退行性疾病、代謝疾病、炎症性疾病、線粒體疾病和癌症等。常見的氫氣干預方法包括吸入氫氣、飲用氫水和靜脈注射富氫鹽水。其通過線粒體途徑展現的生物效應為治療多種疾病提供了新的希望。


粒線體:氫分子生物功能的重要樞紐之一


Zhang X, Xie F, Ma S, Ma C, Jiang X, Yi Y, Song Y, Liu M, Zhao P, Ma X. Mitochondria: one of the vital hubs for molecular hydrogen's biological functions. Front Cell Dev Biol. 2023 Nov 7;11:1283820. doi: 10.3389/fcell.2023.1283820. PMID: 38020926; PMCID: PMC10662307.
Zhang X, Xie F, Ma S, Ma C, Jiang X, Yi Y, Song Y, Liu M, Zhao P, Ma X. Mitochondria: one of the vital hubs for molecular hydrogen's biological functions. Front Cell Dev Biol. 2023 Nov 7;11:1283820. doi: 10.3389/fcell.2023.1283820. PMID: 38020926; PMCID: PMC10662307.

一文獻發表於2023年11月7日,發表在《細胞與發育生物學前沿,Frontiers in Cell and Developmental Biology》期刊上,粒線體:氫分子生物功能的重要樞紐之一(Mitochondria: one of the vital hubs for molecular hydrogen’s biological functions),在這篇文獻中,研究者探討了分子氫(H2)如何影響線粒體功能及其潛在機制,並通過多張圖表形象地展示了這一過程。這些圖表和相關研究結果共同揭示了氫分子在線粒體功能中的重要角色,展示了氫氣在應對線粒體損傷和維持細胞健康方面的潛力。

圖1:氫氣通過多種途徑調節線粒體質量控制來減輕線粒體損傷
圖1:氫氣通過多種途徑調節線粒體質量控制來減輕線粒體損傷

第一張圖顯示了氫氣通過多種途徑調節線粒體質量控制來減輕線粒體損傷的機制。氫氣能夠直接清除自由基、抑制自由基生成及提高細胞抗氧化能力,從而減少線粒體中的ROS生成。此外,氫氣還能調節細胞凋亡,上調抗凋亡因子Bcl-2,下調促凋亡因子Bax,並抑制細胞色素c釋放和Bax向線粒體的轉位,從而抑制細胞凋亡。氫氣還通過抑制線粒體分裂、促進線粒體融合及增強線粒體自噬來調節線粒體動態,並通過調控相關基因的表達來促進線粒體生物生成。這些調節機制共同作用,使氫氣能夠有效減輕線粒體損傷,改善線粒體功能。


圖2:氫氣在不同程度的線粒體損傷下減輕線粒體功能障礙的可能機制
圖2:氫氣在不同程度的線粒體損傷下減輕線粒體功能障礙的可能機制

第二張圖進一步總結了氫氣在不同程度的線粒體損傷下,減輕線粒體功能障礙的具體機制。氫氣不僅能減少ROS的生成,還能促進ATP的生成,從而改善細胞能量狀態。此外,氫氣能通過多種途徑調控細胞凋亡,促進細胞存活。這些機制表明,氫氣在應對線粒體損傷和維持細胞功能方面具有重要潛力。



圖3:MBH、Complex I和Mrp抗轉運蛋白之間的已建立的進化關係
圖3:MBH、Complex I和Mrp抗轉運蛋白之間的已建立的進化關係

第三張圖展示了膜結合氫化酶(MBH)、複合物I(Complex I)和Mrp抗轉運蛋白之間的進化關係。MBH和Complex I在結構上具有高度相似性,都包含一個周邊臂和一個膜臂,分別參與電子傳遞和質子轉運。這些結構特徵表明,這些蛋白質可能通過組裝預先存在的模塊進化而來。這一進化關係強調了線粒體與氫化酶之間的潛在聯繫,並為理解氫氣在生物體中的作用提供了新的視角。


表格1:在正常和病理狀況下氫氣對線粒體的影響
表格1:在正常和病理狀況下氫氣對線粒體的影響

這個表格顯示了氫氣能夠顯著提高線粒體的ATP生成能力。這意味著氫氣在提高細胞能量代謝方面潛力,特別是在疾病或壓力條件下,ATP生成的增加可以幫助細胞維持正常功能。同時,氫氣還能增強線粒體的呼吸功能,進一步支持細胞的能量需求。此外,氫氣還能抑制線粒體通透性轉變孔(mPTP)的開啟,這在保護線粒體膜完整性方面起著至關重要的作用。線粒體膜電位(MMP)的提高也是氫氣的重要作用之一,它幫助維持線粒體的正常運作,減少氧化應激對線粒體的損害。值得注意的是,氫氣能夠顯著減少線粒體內活性氧(mtROS)的生成,這可以減少氧化壓力引起的細胞損傷。這一特性使得氫氣在治療各種與氧化壓力相關的疾病中具有應用價值。研究還發現,氫氣能夠提高線粒體復合物的活性,這進一步支持了其在增強線粒體能量生成能力方面的作用。


表格2:線粒體相關胞器
表格2:線粒體相關胞器

氫除了對線粒體功能積極的影響,氫氣在不同類型的線粒體相關胞器(MROs)中的作用也引起了科學家的關注。根據Muller等人的研究,MROs可以根據其能量代謝特徵和氫氣生成能力分為五類。這些類型包括有氧線粒體、厭氧線粒體、產氫線粒體、氫化小體和絲氨酸體。每一類MROs在能量生成和氫氣代謝方面有其獨特的特徵。

有氧線粒體能夠通過電子傳遞鏈使用氧氣作為終端電子受體來生成ATP,而厭氧線粒體則在缺氧環境下運行,雖然仍然能生成ATP,但不產生氫氣。產氫線粒體則能在厭氧條件下生成氫氣,這表明其具備特殊的代謝能力。氫化小體則是一種特殊的MROs,通過發酵代謝產生氫氣,而不具備典型的電子傳遞鏈特徵。絲氨酸體則不參與ATP生成和氫氣代謝。這些研究結果揭示了氫氣在不同MROs中的作用及其在不同氧環境中的適應性和多樣性。理解這些機制有助於我們更好地利用氫氣在醫學上的潛力,特別是在治療與線粒體功能障礙相關的疾病中。隨著研究的深入,氫氣在生物體中的作用機制將會被進一步揭示,為未來的臨床應用提供堅實的理論基礎。


氫分子對線粒體具有正面積極的作用


這些圖表和相關研究結果共同展示了氫分子在線粒體功能中的重要角色,展示了氫氣在應對線粒體損傷和維持細胞健康方面的潛力。隨著研究的深入,我們有望進一步詳細解釋氫氣的具體作用機制,並為其在臨床應用中提供更多的實驗依據。這些發現不僅有助於理解氫氣的生物功能。隨著研究的深入,氫氣在生物體中的作用機制將會被進一步揭示,為未來的臨床應用提供堅實的理論基礎。


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