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植物氢化酶
氢化酶催化氢气的可逆氧化，存在于许多生物中，包括植物。氢气的细胞效应之一是选择性去除活性氧和活性氮，特别是羟基自由基和过氧亚硝酸盐。因此，需要在一系列氧化还原活性化合物的信号传递作用的背景下回顾氢化酶的功能和氢气的作用。酶可以通过硫醇基团的共价修饰来控制，虽然在氢化酶序列中可以预测一氧化氮所靶向的基序，但金属辅基很可能是抑制的目标。
一、介绍
氢气对一系列人类疾病可产生治疗作用，在农业方面，氢气的应用已被证明可提高农作物健康和产量，这是可能特别有利于耕地和饲料工业的重要因素。为了说明这一点，有证据表明氢气能够介导植物的根系发育和胁迫响应，特别是对重金属和干旱的胁迫。它也可以用于改善收获后的作物储存，例如猕猴桃。因此，了解植物等生物体如何暴露于氢气，以及它们如何应对氢气产生反应，是很重要的问题，可能导致未来更好的使用和获得更好效果。
根据正在进行的研究，氢气应该被视为一类生物活性小分子，这类物质可以影响和控制细胞功能。众所周知，活性氧，如超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基(·OH)，这些小分子量物质可在细胞内产生，能影响细胞内外环境的活性，例如在应激反应中。更重要的是活性氮，如一氧化氮(·NO)和过氧亚硝酸盐(ONOO−)。硫化氢也是一个重要的信号分子，通常硫化氢与活性氧和活性氮一起在应激反应中产生。
由于这些分子可以在时间和空间上同时在植物细胞内产生，它们之间很可能存在相互作用，也可能与氢气相互作用。当然，这种作用可以是双向的，例如氢气可能会干扰NO信号，活性氧和NO也可能改变氢气代谢。无论哪种情况，信号事件都会受到影响，这将影响短期和长期的细胞活动。
氢气是一个非常小的(分子量2.016 g/mol)和相对惰性分子。因此，氢气几乎不可能被经典受体蛋白感知，或者说不可能存在经典的氢气受体，也不可能通过共价修饰参与蛋白质控制。而这些作用在NO则是理所当然的化学过程，NO可通过s -亚硝化与蛋白质发生相互作用。
然而，氢气已被证明通过选择性清除活性氧，特别是羟基自由基，以及清除活性氮，特别是过氧亚硝酸盐的作用。氢气也可通过作用于血红素加氧酶(如HO-1)而起作用。也有人认为，氢气具有的特殊物理性质（如量子隧穿效应）可能介导了在高等植物和动物中看到的一些效应。
细胞可从内源性和外源性来源暴露于氢气。外源性来源，如来自环境的氢气，是需要考虑的重要因素，特别是这可能是氢气作为药物或农业肥料的方式。然而，已知许多生物体含有离散的氢化酶，负责分子氢的可逆氧化。这些酶通常根据它们的金属螯合特性进行分类，例如Fe、FeFe和NiFe，它们可以在细胞系统中产生或去除分子氢。在动物中，肠道微生物区系也是氢气的重要来源。然而，非肠道如口腔等部位的细菌也可能有助于生物系统中氢气的产生。
二、高等植物的氢化酶
人们早就知道高等植物能代谢氢气，包括植物在内的真核生物中存在FeFe -氢化酶。这些金属蛋白复合物似乎能够催化氢气合成分解的正向和反向反应，有效地利用或生成氢气。它们似乎还参与了(Fe-S)簇的适当生物合成和对氧气的敏感性。
氢化酶编码基因的敲除可导致植物发育不良，这些酶似乎参与了细胞周期和糖代谢的控制，以及转录控制和应激反应。真核氢化酶通常被称为NAR(核结构相关)或GOLLUM(不同氧水平影响形态发生)蛋白。例如，在植物中，Medicago truncatula中有GOLLUM1，拟南芥中有AtNAR1，尽管目前这种命名似乎可以互换。
就像细菌C. reinhardtii中的氢化酶一样，氧化还原信号分子可能对高等植物氢化酶的作用产生影响。与上面的HYDA1和HYDA2序列一样，如果这些氢化酶受到活性氧、NO或硫化氢的控制，那么硫醇基可能是被修饰的目标。
例如，这可能是与活性氧或NO的共价修饰，但任何多肽序列都不包含任何- sno基序((IL)- x - c - x - x -(DE)[24])，这表明通过这种方式控制NO是不可能的。对拟南芥AtNar1基因序列进行简要分析，显示了13个半胱氨酸残基。当与青蒿中的铁氧还蛋白氢化酶对齐时，序列同源性为69%。有趣的是，除了一个半胱氨酸残基外，其他都是保守序列，表明它们进化被保留是有原因的。
将这些植物序列与人类胞质铁硫组装组分3同型1的序列比对，使用Clustal Omega，仍然有9个保守的半胱氨酸残基。令人惊讶的是，Cys 380在拟南芥AtNAR1中保守，而在蒿属中却不保守，却包含在人类序列中(图1)。人类序列中也包含了3个在植物序列中没有发现的半胱氨酸残基，但它们仍然不属于-SNO保守区域。但是，将序列放到iSNO-PseAAC预测工具中得到的数据如表1所示。
3个序列中有4个保守的半胱氨酸残基被NO修饰。利用拟南芥的序列编号，分别为Cys24、Cys177、Cys233和Cys362。有趣的是，其中两个在人类序列中也发生了转换:Cys177和Cys233(表1和图1)。在广泛的物种中，这种保护表明它们可能发挥着重要的作用，可能是通过NO信号传递来控制的。
当然，这需要注意的是，有人认为氨基酸的三维方向比区域的序列更重要。此外，如上所述，NO的靶标很可能是金属辅基，而不是氨基酸硫醇侧链。
图1所示。氢化酶的氨基酸序列比对。Clustal Omega用于比对三个氢化酶序列:人胞质铁硫组装组分3 -1;AtNar1;黄花蒿铁氧还蛋白氢化酶。
表1. 使用iSNO-PseAAC预测工具预测四种氢化酶蛋白的s -亚硝化位点。拟南芥:铁氧还蛋白氢化酶(Arabidopsis thaliana);Medicago: NAR1蛋白 (Medicago truncatula) ;青蒿:铁氧还原酶(Artemisia annua) ;人类:胞质铁硫组装组分3 -1(智人)。
氨基酸的三维取向可能对这些蛋白质s过硫化作用也很重要，尽管在文献中似乎没有证据表明氢化酶以这种方式共价修饰。这就是说，我们知道氢化酶被硫化氢抑制，可能是通过攻击金属中心，就像NO所暗示的那样。
所有这三个序列(人类、拟南芥和蒿属:图1)都有8个保守的酪氨酸残基。它们可能用于硝基酪氨酸的形成，但没有证据表明Urmey和Zondlo使用的保守区域。以类似方式，寻找可能是谷胱甘肽化的半胱氨酸残基，没有证据表明这个序列存在于这里研究的氢化氨基酸序列中(图1)。高等生物中的氢化酶可能通过硫醇修饰被NO抑制，也可能被活性氧抑制，但迄今为止，很少有证据表明这种控制是重要的。
已知氢化酶被NO抑制。尽管可以使用iSNO-PseAAC等算法在氢化酶序列中预测-SNO形成位点，但几乎没有实验证据表明它们是以这种方式被使用的，而不是金属中心可能是其调节目标。同样，已知氢化酶被硫化氢抑制，但同样没有证据表明这种蛋白质被过硫化。NO、活性氧、硫化氢对植物细胞中氢气产生的影响是今后研究的重点。
一种植物氢的生物利用度也会受到环境的影响，可能会受到相关生物的影响。现在大家都知道，气候变化引起的非生物胁迫事件，如干旱、洪水，特别是土壤不育症，正在对农业产量产生负面影响。随着这种具有挑战性的情况发生频率增加，不可避免地需要寻求提高产量的战略，以满足粮食安全目标，养活不断增长的人口。有利于利用分子氢等无毒物质的另一个方面是目前和继续使用化肥以提高产量。考虑到人类可持续发展，这些做法是不可行的，因为这些产品中使用的化学品被认为是对环境具有破坏性，无论是在陆地上还是在水区，因为从周围农田中淋出的有毒化学品对生命构成威胁。图2简要介绍了分子氢如何有效地提高产品质量、产量和寿命，同时降低生产和环境成本。
三、结论和观点
越来越多证据表明，氢气可被生物体感知并产生有益的影响。低等植物,如c reinhardtii已知能产生大量氢气，以至于它们被用于能源氢气生产的工具。高等植物也含有催化氢气可逆氧化的氢化酶。氢气可能与其他用于细胞信号传递的活性分子(如活性氧、NO和硫化氢)一起在空间和时间上存在于细胞中。因此，氢气酶与代谢之间的相互作用需要在未来研究中重点考虑。需要对参与信号传递的所有反应分子进行空间和时间测量，这可能需要开发新的荧光探针。只有知道信号网络反应中所有相关成员在何时何地出现，才能充分理解他们如何协调响应。
已知氢化酶被NO抑制。尽管可以使用iSNO-PseAAC[35]等算法在氢化酶序列中预测-SNO形成位点，但几乎没有实验证据表明它们是以这种方式被使用的，而不是金属中心可能是其调节目标。同样氢化酶被硫化氢抑制，同样没有证据表明这种蛋白质被过硫化。NO、活性氧、硫化氢对植物细胞中氢气积累的影响是今后研究的重点。
一种植物氢的生物利用度也会受到环境的影响，可能会受到相关生物的影响。然而，现在大家都知道，气候变化引起的非生物胁迫事件，如干旱、洪水，特别是土壤不育症，正在对农业产量产生负面影响。随着这种具有挑战性的情况发生频率的增加，就不可避免地需要寻求提高产量的战略，以满足粮食安全的目标，养活不断增长的人口。有利于利用分子氢等无毒物质的另一个方面是目前和继续使用化肥以提高产量。考虑到长远的未来计划，这些做法是不可持续的，因为这些产品中使用的化学品被认为是对环境具有破坏性的，无论是在陆地上还是在水区，因为从周围农田中淋出的有毒化学品对生命构成威胁。图2简要介绍了分子氢如何有效地提高产品质量、产量和寿命，同时降低生产和环境成本。
图2在植物系统中氢气作为保护剂的可能机制。氢气可以通过几种方式发挥作用，同时突出其对农业和环境可持续性的好处
植物科学特别感兴趣的是如何具有经济价值，就是使用氢气商业意义，能否增加附加值的同时减少环境压力或费用。由于氢气具有高度易燃性，安全使用也是重要问题。氢水喷雾可能是最方便、最经济、最实用的方法，理论上可以直接施用在土壤上或直接施用在叶片上。鉴于此，并考虑到未来的垂直种植，未来的调查还应包括氢在水培栽培中的应用。
氢气对植物的作用方式不太可能是通过某个能感受氢气的受体分子。
氢气对一些反应性信号分子的水平有影响，特别是羟基自由基和过氧亚硝酸盐，而其他活性氧和RNS相对不受的影响。也有报道称对血氧合酶活性的影响，同时假设氢气的物理性质可能在介导HO-1活性中起重要作用。当然，还需要进行更多工作来确定氢气如何影响细胞内的生化过程。许多酶和调节蛋白具有氧化还原敏感性，氢气与细胞内氧化还原环境相互作用的方式需要探索。因此，未来的工作可能还需要关注氢气如何改变细胞中的基因表达和蛋白质合成。当然，这在不同植物组织中可能是不同的，所以工作可能需要在根和叶上进行，例如，也需要使用这些组织中的特殊细胞，如保卫细胞。
氢气对植物具有深远影响，可促进植物的生长发育，并有助于缓解胁迫反应。不像活性氧、NO和硫化氢这些都是剧毒的信号分子，氢分子，无论是作为气体还是溶于水(HRW)，被认为是具有生物安全性。因此，氢分子完全可用于植物等农业生产，深入理解氢气作用机制应优先考虑，未来植物科学努力开展氢气植物效应研究工作很可能在未来提高植物生长和作物产量具有重要价值。
