内源性硫化氢(h2s)综述

内源性硫化氢(H2S)综述- 索引-1. 硫化氢的生物合成 11-1. Cystathionine-β-synthase(CBS)1-2. Cystathionine-γ-lyase(CSE)1-3. 3-Mercaptopyruvate sulfurtransferase(3-MST)1-4. 吡哆醛酶CBS、CSE的反应机理2. 硫化氢的生理功能 62-1. 血管舒张功能2-2. 细胞保护功能2-3. 神经传递（记忆、疼痛）2-4. 诱导凋亡2-5. 能量产生2-6. 热量限制及硫磺代谢3. 硫化氢释放试剂（供体）114. 硫化氢的检测方法125. 硫化氢和S-巯基化146. 硫化氢和NO的相互作用177. 今后的展望171导言硫化氢(H 2S)被公认为一种有毒气体，是除了一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)以外的第三种气体信号分子。

据报道内源性H 2S 在体内与血管舒张，细胞保护，胰岛素分泌，神经传导等生理功能有关。

近年科研人员越来越关注H 2S 的研究。

1)-4)（图1）。

研究表明H 2S 的体内合成主要是以L-半胱氨酸为基质，分别在Cystathionine-β-synthase(CBS)、Cystathionine-γ-lyase(CSE)、3-mercaptopyruvate sulfurtransferase(3-MST)三种酶的催化下合成，在体内发挥生理功能。

同时有一部分硫与蛋白质等半胱氨酸结合而存在于体内。

虽然H 2S 是和NO 、CO 一样的气体分子，但由于其p K a 在7左右，在生理pH 的情况下，大约80 ％的H 2S 是以HS -的状态存在（图1）。

由于HS-的S 在体内会以各种结合形式存在，目前仍未完全了解H 2S 影响细胞信号转导和其他生理活动的分子机制。

图1 体内硫化氢的生理功能1. 硫化氢的生物合成H 2S 的生物合成主要是以L-半胱氨酸和L-同型半胱氨酸为基质，分别在Cystathionine-β-synthase(CBS)、Cystathionine-γ-lyase(CSE)、3-mercaptopyruvate sulfurtransferase(3-MST)三种酶的催化下合成。

这些酶在各种组织和细胞中存在，它们的催化作用被很多种生理活性物质调控。

本章重点阐述这些酶的活性及功能。

图1-1 硫化氢的生物合成21-1. Cystathionine-β-synthase(CBS)CBS是一种由2个63 kDa的亚基组成的二聚体酶，每个亚基上有带有一个N末端的血红素结合区、一个中央吡哆醛磷酸盐结合的催化区和一个C末端的S-腺苷基甲硫氨酸(SAM)结合区，CBS的活性被吡哆醛磷酸盐、S-腺苷基甲硫氨酸、CO等各种因子高度调控。

当N末端的血红素结合区被结合时，活性会受到抑制5)。

CBS被公认是一种通过L-丝氨酸(L-serine)和L-同型半胱氨酸(L-homocysteine)合成L-胱硫醚(L-cystathionine)的酶。

但当以L-半胱氨酸(L-cysteine)或L-同型半胱氨酸作为基质时，在生成L-胱硫醚的同时，也会生成硫化氢。

而当仅以L-半胱氨酸作为基质时，在生成L-胱硫醚和L-羊毛硫氨酸(L-lanthionine)的同时，也会生成硫化氢6)-8)。

CBS主要在肝脏、肾脏9)及脑内表达10)。

图1-2 通过CBS合成硫化氢1-2. Cystathionine-γ-lyase (CSE)CSE是是一种由4个45 kDa的亚基组成的同源四聚体酶。

CSE是和CBS一样带有吡哆醛磷酸盐的酶，但不存在血红素结合区和S-腺苷基甲硫氨酸(SAM)结合区5)。

CSE催化L-半胱氨酸(L-cysteine) 合成L-胱硫醚(L-cystathionine)，在以L-半胱氨酸或L-同型半胱氨酸(L-homocysteine)作为基质时会生成硫化氢。

硫化氢主要通过CSE催化L-半胱氨酸(L-cysteine) 生成，但这取决于L-同型半胱氨酸的浓度，当L-同型半胱氨酸的浓度高时，会优先生成α-KB (α-ketobutyrate)和L-同型羊毛硫氨酸(L-homolanthionine)8,11)。

CSE在肝脏、肾脏、主动脉及脾脏等很多组织内表达9,12,13)。

但CSE的表达调控和CBS不同。

CBS会持续表达，但CSE会受外部刺激和细胞内环境诱导。

例如：在胰岛β细胞中，CSE表达会受到高血糖的影响14)。

3图1-3 通过CSE 生成硫化氢1-3. 3-巯基丙酮酸硫基转移酶(3-Mercaptopyruvate sulfurtransferase(3-MST))3-MST 是一种大约34 kDa 的单体酶，会催化3-巯基丙酮酸(3-mercaptopyruvate(3-MP))生成丙酮酸(pyruvate)。

在硫化氢生成反应中，3-MST 会与半胱氨酸氨基转移酶(cysteine aminotransferase(CAT))协同作用，这些酶催化L-半胱氨酸(L-cysteine)经由3-MP 产生硫化氢，这种反应机理和CBS 、CSE 完全不同，3-MST 结构中的半胱氨酸(cysteine)残基和3-MP 反应，生成巯基化的3-MST 会被还原剂，例如硫氧还蛋白(thioredoxin)还原，释放出硫化氢15,16)。

3-MST 在很多组织中存在，例如：肝脏、肾脏、心脏、内皮血管、平滑肌和神经元17,18)。

由于CBS 和CSE 仅存在于细胞质中，3-MST 除了存在于细胞质中，也存在于线粒体中，推测3-MST 具有特异性的功能16)。

图1-4 通过CAT/3-MST 产生的硫化氢41-4. 吡哆醛酶(pyridoxal enzyme) CBS, CSE 的反应机理CBS 和CSE 具有相同的反应机理，都是通过催化L-半胱氨酸(L-cysteine)产生硫化氢和中间体I （图1-5），L-半胱氨酸(L-cysteine)和辅酶PLP 反应形成一种Schiff 碱，羧基旁边的α-质子酸化后，会引起巯基的脱离。

此反应同时会产生硫化氢和中间体I ，这步反应CBS 和CSE 是相同的，但随后的反应途径是不同的。

图1-5 以L-Cys 作为基质时，通过CBS 、CSE 生成硫化氢的反应机理CBS 的反应途径：L-同型半胱氨酸和中间体I 结构上的烯烃部分反应生成胱硫醚（图1-6, path A ）。

通过同样反应，L-半胱氨酸(L-cysteine) 和中间体I 结合生成羊毛硫氨酸，如果水和中间体I 结合生成L-丝氨酸(L-Ser)。

CSE 的反应途径：CSE 催化中间体I ，水解生成丙酮酸和氨（图1-6, path B ）。

图1-6 以L-Cys 作为基质时的CBS 及CSE 反应机理在L-Hcy 浓度高的情况下，CSE 会催化L-Hcy 生成H 2S （图1-7）。

α-质子和β-质子都会解离，生成H 2S 和中间体Ⅱ。

5图1-7 以L-Hcy 作为基质时，通过CSE 生成硫化氢的机理随后的反应和L-半胱氨酸（L-Cys ，图1-6）相似，L-同型半胱氨酸(L-homocysteine)和中间体Ⅱ结合生成同型羊毛硫氨酸，中间体Ⅱ水解生成α-ketobutyrate(α-KB)（图1-8，path B ）。

图1-8 以L-Hcy 作为基质时的CBS 、CSE 的反应机理在体内，L-同型半胱氨酸(L-homocysteine)经由L-胱硫醚(L-cystathionine)生成L-半胱氨酸(L-cysteine) （图1-1）。

第一步反应是在CBS 的催化下，L-同型半胱氨酸(L-homocysteine)和中间体Ⅰ反应生成L-胱硫醚(L-cystathionine) （图1-6，path A ）。

随后在CSE 的催化下，生成L-半胱氨酸(L-cysteine)和中间体Ⅱ，最终生成α-醋酸乙脂(α-KB)和氨（图1-8，path B ）。

62. 硫化氢的生物学据报道硫化氢具有多种生理功能，但由于还没有搞清楚硫化氢的作用机理，所以还需要更深入的研究。

Snyder 等人提出硫化氢的一个最重要的反应是蛋白质的S -巯基化修饰19)，硫化氢硫巯基化修饰蛋白质半胱氨酸残基。

但从化学角度看HS -和半胱氨酸残基上的巯基直接反应是不太可能的。

因此有越来越多的研究人员研究蛋白质的S -巯基化修饰来试图解开硫化氢的作用机理。

- 硫化氢的主要生理功能 - ● 血管舒张● 细胞保护（抗氧化、抗老化、抗凋亡、细胞修复、蛋白质分解） ● 神经传导（记忆、疼痛） ● 凋亡 ● 糖代谢 ●胰岛素分泌图2-1 硫化氢的生理功能图2-2 蛋白质的S-巯基化修饰(S-sulfhydration)72-1. 血管舒张作用硫化氢和NO一样具有血管舒张作用，但两者的作用机理不一样。

硫化氢激活ATP依赖钾离子通道，引起平滑肌的超极化20)。

在内皮血管细胞和平滑肌细胞均报道有硫化氢，并且在平滑肌有可能是CSE 催化产生的硫化氢。

但在内皮血管细胞，还不清楚主要是哪种酶产生的硫化氢21-23)。

2-2. 细胞保护功能虽然认为硫化氢通过抑制细胞色素C的作用而引起细胞死亡，但有报道硫化氢在低浓度时也有保护细胞的作用，以下介绍硫化氢对细胞的保护功能。

1）促进cysteine/cystine掺入细胞内cysteine/cystine是合成细胞内主要的抗氧化物质-谷胱甘肽的原料，硫化氢可以激活转运蛋白，促进cysteine/cystine的掺入，提高谷胱甘肽的的水平23)。

2）GSH合成酶(γ-GCS)的活化γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-GCS)和谷胱甘肽合成酶(GS)是合成细胞内谷胱甘肽的酶，γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶利用L-谷氨酸盐和L-半胱氨酸合成γ-谷氨酰-半胱氨酸(γ-Glu-Cys)，谷胱甘肽合成酶利用γ-谷氨酰-半胱氨酸合成谷胱甘肽。

H2S激活γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶来提高谷胱甘肽的合成23)。

3）通过激活Keap1/Nrf2的抗氧化蛋白质表达诱导Nrf2是一种调节GSH合成酶、硫氧还蛋白(thioredoxin)、血红素氧合酶-1(HO-1)等抗氧化蛋白质表达的转录因子，Keap1是一种调节Nrf2核内转移的氧化应激应答性蛋白质。

Calvert等证明了硫化氢通过Keap1/Nrf2介导的激活Nrf2，抗氧化蛋白质表达来保护心肌细胞24)。

而且Koike等说明这种通过硫化氢的Keap1/Nrf2活化不是参与硫化氢本身，而是以通过硫化氢的氧化生成的多硫化物为实质的作用物质25)。

虽然Keap1一般与Nrf2形成复合体，阻碍Nrf2的核内转移，不过认为如果Nrf2的半胱氨酸硫醇基变成巯基，Nrf2会与Keap1离解后转移到核内26)。