科學(xué)研究就應(yīng)該有獨(dú)辟蹊徑的勇氣，匈牙利科學(xué)院的學(xué)者最近幾年一直在研究甲烷的生物學(xué)效應(yīng)，并提出甲烷是一種抗炎癥氣體的概念。雖然這種看法目前沒(méi)有受到學(xué)術(shù)領(lǐng)域的重視和關(guān)注，但這種勇氣和精神值得稱贊。更多信息請(qǐng)點(diǎn)擊：，或者撥打我們的熱線電話：400-6277-838

  需氧生物已經(jīng)進(jìn)化出適應(yīng)大氣氧濃度的理想代謝模式，一方面能利用氧氣作為氧化分解能量物質(zhì)的底物，幫助細(xì)胞產(chǎn)生足夠的ATP，另一方面具備消除氧氣參與代謝產(chǎn)生活性氧的能力。不過(guò)一些相對(duì)數(shù)量較少的氣體分子也參與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。最典型的是一氧化氮作為信號(hào)調(diào)節(jié)作用的活性氧自由基，參與許多生理功能和病理過(guò)程。一氧化碳和硫化氫是最近研究比較多的另外兩種內(nèi)源性氣體信號(hào)分子。是否有更多氣體也屬于氣體信號(hào)分子也成為科學(xué)家重視的課題，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家提出氣體信號(hào)分子的4個(gè)特征和6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。4個(gè)特征分別是簡(jiǎn)單性、在位性、可變性和有用性(simplicity,availability, volatility and effectiveness)。氣體遞質(zhì)或氣體信號(hào)分子的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是加拿大著名華人生理學(xué)家王睿教授提出來(lái)的.

  氣體遞質(zhì)或氣體信號(hào)分子的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

  1.小分子氣體，可以或不能在生物組織中溶解；

  2.可自由穿過(guò)細(xì)胞膜。由于具有這個(gè)特點(diǎn)，氣體分子跨細(xì)胞運(yùn)輸不依靠細(xì)胞膜受體和轉(zhuǎn)運(yùn)體（最近研究發(fā)現(xiàn)，這些氣體其實(shí)也需要經(jīng)過(guò)氣體通道運(yùn)輸）。

  3.哺乳動(dòng)物細(xì)胞需要特定酶和底物合成這些氣體。合成這些氣體的數(shù)量嚴(yán)格按照信號(hào)傳遞功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

  4.這些氣體的發(fā)揮生理功能需要特定生理濃度。

  5.內(nèi)源性氣體分子功能能被外源性氣體模擬。

  完成生理功能依賴于特定細(xì)胞和分子。

  甲烷是否符合氣體信號(hào)分子的上述標(biāo)準(zhǔn)？最近匈牙利科學(xué)院研究甲烷生物學(xué)的學(xué)者M(jìn)ihályBoros米哈伊.鮑羅斯在其最新文章Therole of methane in mammalian physiology—is it a gasotransmitter?中全面論述了這一問(wèn)題。

  一、甲烷是否為氣體信號(hào)分子

  （一）甲烷是一種小氣體分子，可在體液中溶解

  大氣中臭氧和水在光線催化產(chǎn)生羥基自由基，甲烷在可以與羥基自由基發(fā)生反應(yīng)，變成二氧化碳。一氧化氮、一氧化碳和硫化氫在生物組織內(nèi)非常容易和其他分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生毒性或發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。甲烷是一種單純窒息性氣體，本身在生物體系內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有毒性。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，呼吸2.5%的甲烷3小時(shí)不會(huì)對(duì)血?dú)馍脱簞?dòng)力學(xué)產(chǎn)生任何毒性影響。

  同位素C14標(biāo)記甲烷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大約0.33%的甲烷會(huì)在山羊體內(nèi)轉(zhuǎn)化為二氧化碳（DoughertyR W, O’Toole J J and Allison M J 1967 Oxidation of intra-arteriallyadministered carbon 14-labelled methane in sheep Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 1241155–7），最近用大鼠呼吸同位素標(biāo)記的甲烷實(shí)驗(yàn)證明，甲烷在動(dòng)物體內(nèi)，尤其是肝臟內(nèi)的氧化轉(zhuǎn)化率可能很高（CarlisleS M et al 2005 Biokinetics of inhaled radioactive methane in rats: a pilotstudy Appl. Radiat. Isot. 62 847–60），這種轉(zhuǎn)化可能發(fā)生在線粒體內(nèi)。

  （二）甲烷可以不依賴分子通道自由跨細(xì)胞膜擴(kuò)散。

  根據(jù)最近研究，過(guò)去認(rèn)為許多可自由擴(kuò)散的氣體分子可能也通過(guò)水通道等氣體通道跨膜擴(kuò)散。在哺乳動(dòng)物大腸內(nèi)，細(xì)菌通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，這些甲烷可以被腸黏膜吸收進(jìn)入血液，隨后經(jīng)過(guò)血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)椒?，通過(guò)呼吸排除體外。臨床上通過(guò)檢測(cè)呼吸氣中甲烷的濃度作為檢測(cè)腸道菌群異常的一種方法?？紤]到甲烷的自由擴(kuò)撒能力較強(qiáng)，甲烷也能通過(guò)皮膚向外界釋放。呼吸氣體中甲烷的濃度超過(guò)1ppm的人大約為30–60%，最近研究發(fā)現(xiàn)，30分鐘內(nèi)人皮膚釋放甲烷的速度大約為100 mmol／平方米（16），這說(shuō)明甲烷只能在血液中濃度超過(guò)一定水平后才會(huì)經(jīng)過(guò)呼吸釋放到體外（氫氣應(yīng)該由類似規(guī)律）。這種經(jīng)過(guò)皮膚釋放氣體的現(xiàn)象也發(fā)生在其他氣體，如皮膚每分鐘每平方厘米釋放約1100 fmol丙酮、250 fmol乙醛、133 fmol 6-甲基-5-庚烯-2-酮、60 fmol正壬醛和5 fmol異戊二烯（17）。

  外源呼吸甲烷能通過(guò)肺擴(kuò)散到血液，然后經(jīng)過(guò)血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)饺砀鱾€(gè)部位。甲烷在血液中的溶解度比較低，大約為6.6%，但在脂類成分如細(xì)胞膜中的溶解度可達(dá)到20%（19）。由于正常空氣中甲烷濃度極低，大約為1–2 ppb，人體內(nèi)甲烷大部分來(lái)自大腸細(xì)菌代謝產(chǎn)生，甲烷在細(xì)胞內(nèi)的分布特征目前沒(méi)有定論，但組織和細(xì)胞內(nèi)存在大量親水和疏水界面如細(xì)胞膜可能是甲烷集中分布的區(qū)域，這種不均勻分布可能會(huì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和分子的功能產(chǎn)生一定影響。不過(guò)，這種分布是暫時(shí)的，如果沒(méi)有甲烷的持續(xù)供應(yīng)，最終甲烷會(huì)按照濃度梯度經(jīng)過(guò)循環(huán)向肺和身體周圍擴(kuò)散。

  （三）大腸內(nèi)細(xì)菌可以產(chǎn)生內(nèi)源性甲烷

  在非生物的化學(xué)體系中，甲烷制造往往需要高溫高壓的條件，在人的腸道內(nèi)，細(xì)菌可以大量利用二氧化碳和氫氣合成甲烷，催化甲烷合成的酶是甲基輔酶M還原酶，合成甲烷的細(xì)菌是產(chǎn)甲烷菌，是一種與普通細(xì)菌和真菌不同的古細(xì)菌。（古細(xì)菌又稱古核生物或稱原細(xì)菌，是一些生長(zhǎng)在極端特殊環(huán)境中的細(xì)菌，過(guò)去根據(jù)其內(nèi)部構(gòu)造沒(méi)有核膜、具環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞產(chǎn)能、細(xì)胞分裂、新陳代謝等生活方式與原核細(xì)胞相似，將古細(xì)菌歸入原核生物。古細(xì)菌屬于最古老的生物群，為地球原始大氣缺氧時(shí)代生存下來(lái)的活化石。與細(xì)菌一樣無(wú)真正的核，但染色體含有組蛋白，RNA聚合酶組成比細(xì)菌的復(fù)雜，翻譯時(shí)以甲硫氨酸為蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸，細(xì)胞壁中無(wú)肽聚糖，不同于真細(xì)菌，核糖體蛋白與真核細(xì)胞的類似。許多種類生活在極端嚴(yán)酷的環(huán)境中。與真核生物、原核生物并列構(gòu)成現(xiàn)今生物三大進(jìn)化譜系。）

  作為專性厭氧菌，產(chǎn)甲烷菌只能在氧化還原電位低于−300mV條件下生長(zhǎng)，在哺乳動(dòng)物腸道內(nèi)符合這種生長(zhǎng)條件，稻田和濕地的水下也符合這種條件。哺乳動(dòng)物體內(nèi)甲烷產(chǎn)生有兩種代謝類型，一種是氫氣和二氧化碳合成，另外一種是乙酸代謝，代謝方式?jīng)Q定于周圍存在產(chǎn)氫氣或產(chǎn)乙酸細(xì)菌。產(chǎn)甲烷菌也需要與其他微生物如硫酸鹽還原細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)共同底物。無(wú)菌動(dòng)物沒(méi)有甲烷，接種了產(chǎn)甲烷動(dòng)物糞便后無(wú)菌動(dòng)物就可以產(chǎn)生甲烷，提示哺乳動(dòng)物體內(nèi)甲烷都來(lái)自腸道細(xì)菌。根據(jù)甲烷呼吸檢測(cè)可將成年人分成兩類，一類是產(chǎn)甲烷者，另一類是不產(chǎn)甲烷者。劃分標(biāo)準(zhǔn)是呼吸氣中甲烷濃度是否超過(guò)1ppm（其實(shí)并沒(méi)有嚴(yán)格的不產(chǎn)生甲烷者，甲烷和氫氣檢測(cè)屬于腸道菌群類型和代謝產(chǎn)物層面，從生物學(xué)意義上講，比簡(jiǎn)單劃分細(xì)菌類型的所謂元基因組學(xué)研究都更有意義）。導(dǎo)致這種差異的原因目前仍然不清楚，不過(guò)對(duì)西方人群最近幾十年的研究結(jié)果中兩者的比例相對(duì)保持穩(wěn)定，飲食和藥物也會(huì)對(duì)甲烷產(chǎn)生有影響。雖然大部分人認(rèn)為只有細(xì)菌才具有合成甲烷的能力，但也有一些研究證明，植物和動(dòng)物細(xì)胞在缺氧等條件下也具有合成甲烷的能力。2003年，有人發(fā)現(xiàn)線粒體在體外缺氧條件下能合成甲烷。增加過(guò)氧化氫和維生素C可以促進(jìn)甲烷產(chǎn)生，過(guò)氧化氫酶因?yàn)槟艽x過(guò)氧化氫會(huì)減少甲烷產(chǎn)生。提示過(guò)氧化氫是線粒體合成甲烷的重要條件。有學(xué)者用植物細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)存在類似現(xiàn)象，體外培養(yǎng)的細(xì)胞在多種應(yīng)激條件下也能產(chǎn)生甲烷（41-45）。在煙草、葡萄藤和甜菜等培養(yǎng)的植物細(xì)胞也可以產(chǎn)生甲烷，在應(yīng)激條件下如使用疊氮鈉時(shí)，甲烷產(chǎn)生增加，疊氮鈉能直接與細(xì)胞色素C氧化酶上的血紅素結(jié)合，阻斷該酶活性（一氧化碳、硫化氫也應(yīng)該有類似效應(yīng)吧），導(dǎo)致電子傳遞在最后階段被中斷，從而產(chǎn)生線粒體氧化應(yīng)激。2008年作者對(duì)培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞在低氧條件產(chǎn)生甲烷的代謝規(guī)律進(jìn)行了研究。這些研究豐富了非細(xì)菌途徑真核細(xì)胞產(chǎn)生甲烷的知識(shí)，并提示線粒體合成甲烷可能代表線粒體的一種應(yīng)激反應(yīng)。和這一研究類似的證據(jù)是，在缺氧條件下整體動(dòng)物產(chǎn)生甲烷的數(shù)量也增加。作者經(jīng)過(guò)大量研究證明，動(dòng)物體內(nèi)甲烷的產(chǎn)生不僅來(lái)自腸道細(xì)菌，也會(huì)因?yàn)闄C(jī)體發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)而合成增加。

  二、不符合氣體信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)

  按照氣體信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)氣體除上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外，還必須在生理濃度下具有特定生理功能、生理功能可以被外源性類似物模擬以及產(chǎn)生生理功能的特定細(xì)胞分子靶點(diǎn)。甲烷目前沒(méi)有上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的可靠證據(jù)，因此仍然不能明確屬于氣體信號(hào)分子。由于這些證據(jù)并非不可能存在，甲烷完全可以作為候選氣體信號(hào)分子。

  甲烷的體內(nèi)水平不同個(gè)體差異比較大，生理濃度目前并不清楚。雖然過(guò)去許多人認(rèn)為甲烷屬于生理惰性氣體，但也有一些研究認(rèn)為來(lái)自腸道內(nèi)的甲烷對(duì)腸道運(yùn)動(dòng)具有調(diào)節(jié)作用，甲烷濃度高容易導(dǎo)致腸道蠕動(dòng)減慢，促進(jìn)便秘的發(fā)生，而炎癥性腸炎患者甲烷濃度往往減少。使用腸管進(jìn)行的體外實(shí)驗(yàn)證明，甲烷溶液灌流能明顯降低腸管蠕動(dòng)。

  作為一種進(jìn)化古老的生物氣體分子，甲烷在高等生物中發(fā)揮作用也是一種必然，但過(guò)去對(duì)甲烷的研究并不充分，針對(duì)甲烷的毒性和生物學(xué)效應(yīng)的研究對(duì)認(rèn)識(shí)生物進(jìn)化的規(guī)律，以及從進(jìn)化層面尋找治療疾病促進(jìn)健康的手段，都有可能發(fā)揮重要作用。