科學研究就應(yīng)該有獨辟蹊徑的勇氣，匈牙利科學院的學者最近幾年一直在研究甲烷的生物學效應(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有受到學術(shù)領(lǐng)域的重視和關(guān)注，但這種勇氣和精神值得稱贊。更多信息請點擊：，或者撥打我們的熱線電話：400-6277-838

  需氧生物已經(jīng)進化出適應(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。不過一些相對數(shù)量較少的氣體分子也參與細胞穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。最典型的是一氧化氮作為信號調(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)源性氣體信號分子。是否有更多氣體也屬于氣體信號分子也成為科學家重視的課題，針對這個問題，科學家提出氣體信號分子的4個特征和6個標準。4個特征分別是簡單性、在位性、可變性和有用性(simplicity,availability, volatility and effectiveness)。氣體遞質(zhì)或氣體信號分子的6個標準是加拿大著名華人生理學家王睿教授提出來的.

  氣體遞質(zhì)或氣體信號分子的6個標準：

  1.小分子氣體，可以或不能在生物組織中溶解；

  2.可自由穿過細胞膜。由于具有這個特點，氣體分子跨細胞運輸不依靠細胞膜受體和轉(zhuǎn)運體（最近研究發(fā)現(xiàn)，這些氣體其實也需要經(jīng)過氣體通道運輸）。

  3.哺乳動物細胞需要特定酶和底物合成這些氣體。合成這些氣體的數(shù)量嚴格按照信號傳遞功能進行調(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胞和分子。

  甲烷是否符合氣體信號分子的上述標準？最近匈牙利科學院研究甲烷生物學的學者MihályBoros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題。

  一、甲烷是否為氣體信號分子

  （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)相對穩(wěn)定，沒有毒性。動物實驗結(jié)果表明，呼吸2.5%的甲烷3小時不會對血氣生化和血液動力學產(chǎn)生任何毒性影響。

  同位素C14標記甲烷實驗發(fā)現(xiàn)，大約0.33%的甲烷會在山羊體內(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記的甲烷實驗證明，甲烷在動物體內(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胞膜擴散。

  根據(jù)最近研究，過去認為許多可自由擴散的氣體分子可能也通過水通道等氣體通道跨膜擴散。在哺乳動物大腸內(nèi)，細菌通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，這些甲烷可以被腸黏膜吸收進入血液，隨后經(jīng)過血液循環(huán)運輸?shù)椒?，通過呼吸排除體外。臨床上通過檢測呼吸氣中甲烷的濃度作為檢測腸道菌群異常的一種方法。考慮到甲烷的自由擴撒能力較強，甲烷也能通過皮膚向外界釋放。呼吸氣體中甲烷的濃度超過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），這說明甲烷只能在血液中濃度超過一定水平后才會經(jīng)過呼吸釋放到體外（氫氣應(yīng)該由類似規(guī)律）。這種經(jīng)過皮膚釋放氣體的現(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肺擴散到血液，然后經(jīng)過血液循環(huán)運輸?shù)饺砀鱾€部位。甲烷在血液中的溶解度比較低，大約為6.6%，但在脂類成分如細胞膜中的溶解度可達到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)甲烷大部分來自大腸細菌代謝產(chǎn)生，甲烷在細胞內(nèi)的分布特征目前沒有定論，但組織和細胞內(nèi)存在大量親水和疏水界面如細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對細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和分子的功能產(chǎn)生一定影響。不過，這種分布是暫時的，如果沒有甲烷的持續(xù)供應(yīng)，最終甲烷會按照濃度梯度經(jīng)過循環(huán)向肺和身體周圍擴散。

  （三）大腸內(nèi)細菌可以產(chǎn)生內(nèi)源性甲烷

  在非生物的化學體系中，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，合成甲烷的細菌是產(chǎn)甲烷菌，是一種與普通細菌和真菌不同的古細菌。（古細菌又稱古核生物或稱原細菌，是一些生長在極端特殊環(huán)境中的細菌，過去根據(jù)其內(nèi)部構(gòu)造沒有核膜、具環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)以及細胞產(chǎn)能、細胞分裂、新陳代謝等生活方式與原核細胞相似，將古細菌歸入原核生物。古細菌屬于最古老的生物群，為地球原始大氣缺氧時代生存下來的活化石。與細菌一樣無真正的核，但染色體含有組蛋白，RNA聚合酶組成比細菌的復雜，翻譯時以甲硫氨酸為蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸，細胞壁中無肽聚糖，不同于真細菌，核糖體蛋白與真核細胞的類似。許多種類生活在極端嚴酷的環(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，在哺乳動物腸道內(nèi)符合這種生長條件，稻田和濕地的水下也符合這種條件。哺乳動物體內(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)乙酸細菌。產(chǎn)甲烷菌也需要與其他微生物如硫酸鹽還原細菌競爭共同底物。無菌動物沒有甲烷，接種了產(chǎn)甲烷動物糞便后無菌動物就可以產(chǎn)生甲烷，提示哺乳動物體內(nèi)甲烷都來自腸道細菌。根據(jù)甲烷呼吸檢測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。劃分標準是呼吸氣中甲烷濃度是否超過1ppm（其實并沒有嚴格的不產(chǎn)生甲烷者，甲烷和氫氣檢測屬于腸道菌群類型和代謝產(chǎn)物層面，從生物學意義上講，比簡單劃分細菌類型的所謂元基因組學研究都更有意義）。導致這種差異的原因目前仍然不清楚，不過對西方人群最近幾十年的研究結(jié)果中兩者的比例相對保持穩(wěn)定，飲食和藥物也會對甲烷產(chǎn)生有影響。雖然大部分人認為只有細菌才具有合成甲烷的能力，但也有一些研究證明，植物和動物細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。增加過氧化氫和維生素C可以促進甲烷產(chǎn)生，過氧化氫酶因為能代謝過氧化氫會減少甲烷產(chǎn)生。提示過氧化氫是線粒體合成甲烷的重要條件。有學者用植物細胞也發(fā)現(xiàn)存在類似現(xiàn)象，體外培養(yǎng)的細胞在多種應(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)的植物細胞也可以產(chǎn)生甲烷，在應(yīng)激條件下如使用疊氮鈉時，甲烷產(chǎn)生增加，疊氮鈉能直接與細胞色素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年作者對培養(yǎng)內(nèi)皮細胞在低氧條件產(chǎn)生甲烷的代謝規(guī)律進行了研究。這些研究豐富了非細菌途徑真核細胞產(chǎn)生甲烷的知識，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物產(chǎn)生甲烷的數(shù)量也增加。作者經(jīng)過大量研究證明，動物體內(nèi)甲烷的產(chǎn)生不僅來自腸道細菌，也會因為機體發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)而合成增加。

  二、不符合氣體信號的標準

  按照氣體信號的標準，信號氣體除上述三個標準外，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胞分子靶點。甲烷目前沒有上述三個標準的可靠證據(jù)，因此仍然不能明確屬于氣體信號分子。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分子。

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

  作為一種進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，但過去對甲烷的研究并不充分，針對甲烷的毒性和生物學效應(yīng)的研究對認識生物進化的規(guī)律，以及從進化層面尋找治療疾病促進健康的手段，都有可能發(fā)揮重要作用。