全 文 ：第25卷 第7期
2013年7月
Vol. 25, No. 7
Jul., 2013
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2013)07-0707-09
收稿日期：2013-01-23；修回日期：2013-02-22
*通信作者：E-mail: fyang@chem.ecnu.edu.cn; Tel: 021-
62232764
线粒体解偶联剂的研究进展
金　甲1，张　凤1，杨玲玲2，张杰锋1，汤　杰1，杨　帆1*
(1 华东师范大学上海市分子治疗与新药创制工程技术中心，上海 200062；2 华东师范大学生命科学学院，上海 200062)
摘　要： 线粒体是人体细胞重要的细胞器之一，主要功能是合成 ATP，为细胞生命活动提供直接能量。线
粒体解偶联剂使氧化磷酸化解偶联，是线粒体内的关键调节剂。简要综述线粒体解偶联剂和以解偶联作用
为靶标的药物发现方面的研究进展。
关键词：线粒体；解偶联剂；化学解偶联剂；解偶联蛋白；温和解偶联
中图分类号：Q244　　文献标志码：A
Progress of study on mitochondrial uncoupler
JIN Jia1, ZHNAG Feng1, YANG Ling-Ling2, ZHANG Jie-Feng1, TANG Jie1, YANG Fan1*
(1 Shanghai Engineering Research Center of Molecular Theraputics and New Drug Development,
East China Normal University, Shanghai 200062, China; 2 School of Life Sciences,
East China Normal University, Shanghai 200062, China)
Abstract: Mitochondrion is one of the most important organelles in human body with the function of synthesizing
ATP to provide energy for cell life activities. Uncoupler of oxidative phosphorylation is the key regulator in the
mitochondria. The mitochondrial uncoupler and uncoupling as a target for drug discovery are briefly reviewed in
this paper.
Key words: mitochondrion; uncoupler; chemical uncoupler; uncoupling protein; mild uncoupling
1　线粒体与解偶联剂
1857年，瑞士科学家 Rudolf Albert von Kölliker
在肌肉细胞中发现了颗粒状结构，1898年德国科
学家 Karl Benda将这些颗粒命名为 mitochondrion，
即线粒体。线粒体是人体细胞最重要的细胞器之一，
其基质内含有三羧酸循环所需的全部酶类，内膜上
具有呼吸链酶系及 ATP酶复合体。线粒体是细胞内
氧化磷酸化和形成 ATP的主要场所，有细胞“动力
工厂”之称。
1961年，英国学者 Peter Mitchell提出化学渗
透假说，阐述了电子传递释放的能量形成跨线粒体
内膜的质子梯度 (H+梯度 )，这种梯度驱动 ATP的
合成，解释了氧化与磷酸化的关联。首先，电子传
递链各组分在线粒体内膜中的分布不对称。当高能
电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将 H+从线粒
体基质侧泵至膜间隙。由于线粒体内膜本身对 H+
不通透，致使线粒体内膜两侧的 H+浓度差的形成，
即电位差，从而推动 H+穿过 ATP合成酶返回基质，
形成 ATP并将电化学梯度蕴藏的能量转移至 ATP
中， 即氧化与磷酸化的关联。
线粒体膜电位能够最直接地衡量线粒体的能量
状态及其功能，与线粒体内钙离子摄取、ATP生成、
代谢物及蛋白质转运和线粒体内活性氧生成相关。
解偶联剂 [1]正是针对线粒体膜电位的一种氧化磷酸
化抑制剂，它以质子化的形式将膜间隙中的 H+带
回线粒体并释放到基质中，从而消除了线粒体内膜
两侧的 H+浓度梯度，使 ATP合成酶丧失质子驱动
力，氧化可以发生，而磷酸化不能进行，因而无
ATP生成。解偶联剂并不抑制呼吸链的电子传递，
甚至还加速电子传递，促进糖、脂肪和蛋白质的消
生命科学 第25卷708
耗，并刺激线粒体耗氧，但不形成 ATP，电子传递
过程中释放的自由能以热量的形式散失。
2　解偶联剂的研究进展
解偶联剂主要分为两种类型：化学解偶联剂和
解偶联蛋白。
2.1　化学解偶联剂
根据结构特点可将小分子化合物分为弱酸质子
型解偶联剂和离子载体型解偶联剂，其中弱酸质子
型解偶联剂最具有代表性。
2.1.1　弱酸质子型化学解偶联剂
弱酸质子型解偶联剂包括酚、苯并咪唑、N-苯
基邻氨基苯甲酸、N-水杨酰苯胺、苯腙、水杨酸、
氧杂茚和芳香胺等 [2-3]，它们可以在不同的 pH环境
中解离或者结合质子。尽管芳香胺类化合物如局部麻
醉剂丁哌卡因、辛可卡因的解偶联机理还有争议 [4-5]，
但它们的解偶联作用被认为源于其质子行为。代表
性的弱酸质子型解偶联剂结构式如图 1所示。
其中，2,4-二硝基苯酚 (2,4-dinitrophenol, DNP)
是最受关注的弱酸质子解偶联剂，并且首次以线
粒体为靶标治疗肥胖。斯坦福大学 Tainter等 [6]和
Cutting等 [7]研究发现 DNP能够极大程度地增加代谢
速率。1933年至 1938年期间，DNP被广泛用作减
肥药，该药上市一年后，仅美国使用人数已达到 10
万。DNP的作用原理仍有待研究，以寻求潜在的治
疗肥胖症药物 [8]。此外，DNP可对神经损伤起到保
护作用，因为它可以降低活性氧 (reactive oxygen
species, ROS)的生成，从而保护缺血再灌注状态下
图1 代表性的弱酸质子型解偶联剂结构式
金　甲，等：线粒体解偶联剂的研究进展第7期 709
的心脏和大脑 [9-11]。DNP同样可以改善 N-甲基 -D-
天冬氨酸 (N-methyl-D-aspartate, NMDA)受体激活
造成的脑损伤，并且可以缓解由蛋白凝聚累积引起
的神经退行性疾病情况下的损伤 [12-13]。
然而，DNP用量受限制，因为解偶联过程中
产生热量会使体温大幅度升高并引起致命的中暑。
由于 DNP的有效剂量与有毒剂量很接近，使其很
容易服用过量而引起副作用。服用高剂量的 DNP
可导致不可控的高烧，由此引起的体温过高会使细
胞中的酶变性失活，使 ATP过度消耗，从而不能满
足正常生命活动的需求，进而导致细胞和器官死亡。
大规模细胞死亡可诱导高血钾症、肾损伤以及系统
性炎症反应综合征 (systemic inflammatory response
syndrome, SIRS)，最终导致多器官功能障碍综合征
(multiple organ dysfunction syndrome, MODS)[14]。人类
一次性服用 20~50 mg/kg DNP可直接导致死亡 [15]，
DNP的副作用还包括迅速发展的白内障等症状。基
于对诸多副作用的担忧， 1938年末，DNP被迫从美
国市场下架并被禁止用于人类肥胖症的治疗。1968
年，Pugh和 Stone[16]报道 DNP的衍生物 2,4-二硝
基 -1-萘酚 (2,4-dinitro-1-naphthol, 玛蒂乌斯黄 )具
有解偶联作用，用于制造混合炸药和作为分析试剂，
同时作者评估了其对胆汁分泌和体温的影响。1997
年，Castilho等 [17]报道了 DNP的另一个衍生物 4,6-
二硝基 -邻 -甲酚 (4,6-dinitro-o-cresol, DNOC, 维多
利亚黄 )，被用作果树杀虫剂和除草剂；其作为解
偶联剂，在大鼠肝脏线粒体中的解偶联活性为
10~50 μmol/L。
由图 1数据可知，弱酸质子解偶联活性最强的
化合物是 SF6847和 S-13，10 nmol/L即有解偶联活
性，而其他化合物均要求 1 µmol/L以上。在一条呼
吸链中 0.05 mol SF6847或者 0.2 mol S-13可以完成
彻底的解偶联。以上数据表明：解偶联剂是以催化
剂的形式起作用，而并非固定于线粒体膜的某一靶
点上。
SF6847和 S-13化学结构特征表现为：可解离
的酸性基团、吸电子基团或分子片段和庞大的疏水
基团。这三类基团的几何排布对于解偶联活性有非
常重要的影响。可解离酸性基团被替换后可导致解
偶联活性的完全丧失 [18]。
质子型解偶联剂的作用机理如图 2所示：在
pH 7.0的环境中，质子型解偶联剂以解离形式存在
U-和 H+，H+不能透过线粒体内膜；在线粒体膜间
隙的酸性环境中 U-质子化，变为脂溶性的非解离
形式 UH，能透过线粒体内膜的磷脂双分子层，同
时在线粒体基质中的碱性条件下解离释放 H+, 从而
把一个质子从膜外侧带入到膜内侧，降低电子传递
形成的跨膜质子电化学梯度，部分消除质子浓度梯
度，将能量以热能的形式释放，抑制ATP的形成 [19]。
图2 质子型解偶联剂的作用机理
这种循环基于 Brown酸碱理论，因此其理论
最大速率为 1 000次 /s，解偶联剂活性亦受限于此。
例如，在一般实验条件下，SF6847发挥最大功效
时循环速率大约为 800次 /s[20]，而 S-13的循环速率
大约为 400次 /s[21]。
此外，近期有许多新的弱酸类质子型解偶联
剂被发现，如酚类氟姜黄色素衍生物可以降低线
粒体膜电位，促进线粒体呼吸，减少活性氧的生
成以及促进 Ca2+释放等。以上过程可被 6-酮康唑
逆转，而环孢霉素 A对此不起作用，说明氟姜黄
色素衍生物具有解偶联作用 [22]。
2.1.2　离子载体型化学解偶联剂
其他具有解偶联作用的化合物不含有可解离的
酸性基团，它们的解偶联活性通常要弱于弱酸质子
类解偶联剂，其活性一般在 μmol/L浓度范围，这
类化合物是一种离子载体。离子载体是一些能够极
大地提高膜对某些离子通透性的载体分子，主要为
除氢离子以外的一价阳离子。大多数离子载体是细
菌产生的抗生素，它们能够杀死某些微生物，其作
用机制是提高了靶细胞膜的通透性，使得靶细胞无
法维持细胞内离子的正常浓度梯度而死亡 [23]。
缬氨霉素 (valinomycin)是由链霉菌 (Streptomyces)
产生的一种抗菌素，属于典型的 K+载体，是由 12
个氨基酸残基组成的环形小肽，其化学结构含有
重复三次的 D-缬氨酸、L-乳酸、L-缬氨酸和 D-
羟基异戊酸盐序列，是一种脂溶性的抗生素。其
化学结构如图 3所示。
缬氨霉素插入脂质体后，通过环的疏水面与
生命科学 第25卷710
磷脂双分子层相连，极性的内部精确地固定 K+，
并与 K+配位结合形成脂溶性复合物，然后向内侧
移动，通过线粒体内膜磷脂双分子层 , 将 K+释放
到线粒体内膜基质中 [24]。缬氨霉素可使 K+的扩散
速率提高 105倍。
缬氨霉素是呼吸链离子载体抑制剂，通过增加
线粒体内膜对 K+的通透性，消除跨膜的电位梯度，
消耗电子传递过程中产生的自由能，抑制氧化磷酸
化作用，从而引起线粒体内膜膜通透性的改变和细
胞色素 C的释放并进一步导致细胞的死亡。基于该
机理，早期的研究认为缬氨霉素启动了细胞的程序
性凋亡 [25-26]，并测试了缬氨霉素对乳腺癌细胞的抑
制活性 [27]; 也有研究认为缬氨霉素对细胞膜通透性
的改变与细胞色素 C的释放无相关性，也就是与细
胞自我凋亡模式不相关 [28]，而最新研究认为缬氨霉
素促进细胞自噬 , 而非细胞程序性凋亡模式 [29]。
此外，其他阳离子，如Ca2+、Cu(OP)2、tris-S-C4(5)
可以作用于线粒体内膜，改变内膜对离子的通透性，
从而进行解偶联作用 [30]。
根据改变离子通透性的机制不同，离子载体又
分为两种类型：通道形成离子载体 (channel-forming
ionophore)和离子运载离子载体 (ion-carrying ionophore)。
一般亲脂性阳离子载体在线粒体中发挥解偶联作
用，但并不能在亚线粒体及叶绿体中起作用，这是
因为亚线粒体及叶绿体的膜蛋白靶向和膜电位信号
与线粒体相反 (线粒体内为负电荷，叶绿体内为正
电荷 )。另一方面，一些具有解偶联作用的亲脂性
阴离子载体，如苦味酸、四苯乙烯只存在于亚线粒
体及叶绿体中，其解偶联的作用原理是由于电子被
亲脂性的阴离子替代转移到膜内部空间而导致膜电
位的下降。
2.1.3　其他化学解偶联剂
除以上两种主要类型以外，还存在其他结构
骨架的化学解偶联剂。2,4-二 (对氯苯胺 )嘧啶 [31]
和3-乙烯基吲哚衍生物 [32](图4)也具有解偶联作用。
2.2　解偶联蛋白
解偶联蛋白 (uncoupling protein, UCP)是一种
线粒体内膜蛋白，这种蛋白能消除线粒体内膜两
侧的跨膜质子浓度差，使氧化磷酸化过程减慢，
阻碍三磷酸腺苷 (ATP)的正常产生。解偶联蛋白
发挥作用的本质是通过解除部分呼吸链中的电子
传递与磷酸化两者之间的偶联关系，使氧化磷酸
化过程进入空转状态。目前已发现的 UCPs包括
UCP1、UCP2、UCP3、UCP4和 UCP5。
啮齿动物非颤栗产热主要通过棕色脂肪组织的
产热功能实现，其发生机制源于一种特异的蛋
白——解偶联蛋白 1(uncoupling protein 1, UCP1)。
啮齿动物的 UCP1主要分布于棕色脂肪组织 (brown
adipose tissue, BAT)。当 BAT细胞未受到产热刺激
时，跨内膜的 H+梯度不受影响，ATP正常合成，
但速度较慢；如果进入解偶联状态，BAT线粒体的
呼吸速率及相应的产热将随即升高。研究显示，
BAT通过非颤栗产热的能量消耗比基础代谢速率增
加 60%[33]；寒冷及日常饮食刺激 BAT引起的产热
及能量消耗增加 [34-35]。UCP1缺失的小鼠对温度变
图3 缬氨霉素结构式
图4 2,4-二(对氯苯胺)嘧啶(左)和3-乙烯基吲哚衍生物(右)结构式
金　甲，等：线粒体解偶联剂的研究进展第7期 711
化更为敏感，其产热能力下降，因而 UCP1缺失与
肥胖有关 [36]。另有研究报道，内脏脂肪组织中
UCP1基因 mRNA表达量与胰岛素抵抗指数呈弱相
关，由此可见 UCP1与糖尿病也有相关性 [37-38]。
UCP1的表达取决于 UCP1基因片段，众多研究发现
UCP1基因与肥胖存在紧密关联性。然而，棕色脂
肪多存在于新生儿及儿童当中，在成年人中分布极
少，意味着 UCP1在成年人中分布极少 [39]。对目前
利用正电发射计算机断层扫描造影 (positron emission
tomography-computed tomography, PET-CT) 评估得
出棕色脂肪在人体内的含量只有大约 15 g，占人体
总重的 0.02%，而小鼠的棕色脂肪有大约 400 mg，
占其总重的 1%[40]。因此，人类相对于小鼠其棕色
脂肪所占比例减少约 98%，这也表明动物模型在真
实人体中的表现并不一定准确有效。人体呈热中
性 [41]，常温下 UCP1的解偶联作用很难被触发从而
引起体重减少，故 UCP1很难起到主导作用。但也
有研究者认为，利用 PET-CT方法得出的人体棕色
脂肪组织含量少的结论欠妥，因为研究显示寒冷环
境下的棕色脂肪组织是正常温暖环境下的 15倍，
目前的检测手段还无法探测其在人体中的真实含
量。因此，将其应用于减肥及糖尿病治疗依然具有
潜力 [34]。
解偶联蛋白家族的第二名成员 UCP2于 1997
年被 Fleury等 [42]和 Gimeno等 [43]分别报道，UCP2
定位于线粒体内膜上，其功能包括线粒体内膜电位、
ATP 合成、呼吸链 ROS 产生、线粒体钙库的存储
和释放等。UCP2和 UCP1在蛋白质水平有 59%的
同源性，然而 UCP2在人体组织中表达更广泛，主
要存在于肾、胰、脾等人体器官以及中枢神经系统
和免疫系统成分中。这种广泛性也使得 UCP2与人
体多个过程 (调节 ROS的产生、食物摄入、胰岛素
的分泌免疫 )和疾病 (动脉硬化、癌症、糖尿病和
神经损伤 )相关联。在体重增加敏感度不同的鼠群
中，UCP2的表达程度与体重增加潜能成正比。小
鼠 UCP2的基因与第七条染色体上有关肥胖的数量
性状座位接近 [35]。目前，UCP2 介导的质子漏机理
并不清楚，但体内实验表明，UCP2 活性可被过氧
化物激活。特别是近年来 UCP2 调控胰岛素分泌方
面的研究取得了重要进展 [44]。
UCP3不同于 UCP2，其表达也受到生物体组
织的限制，绝大多数在骨骼肌中表达，少部分在
BAT和心脏表达。骨骼肌是人体重要的产热组织，
而 UCP3也是其唯一表达的解偶联蛋白 [45]。可是
Harper和 Himms-Hagen [46]在敲除 UCP3基因小鼠
中发现，小鼠既没有对寒冷表现出敏感，又没有表
现出肥胖；与野生小鼠对比，其营养状态表现很正
常。UCP3通常在生物处于特殊的生理状态需要全
身产热时才表达，这也证明了 UCP3并不作为调剂
基本的质子传导以及产热的主要角色。因此，
UCP3的激活调节以及真正的功能角色正是目前研
究人员关注的重点，毕竟 UCP3主要表达的骨骼肌
是解偶联调节代谢速率的重要组织。
UCP的解偶联机理主要有两种模型 [47]：脂肪
酸质子载体模型 (fatty acid protonophore model)和质
子通道模型 (proton buffering model)。
众所周知，UCP1可以催化核苷酸抑制的阴离
子单向转运。又有研究表明，UCP1可以转运烷基
磺酸盐，并且随着烷基链的增长，UCP与磺酸盐的
亲和力、转运速率均会增加。烷基磺酸盐的 pKa值
为零，无法结合质子。除此之外，烷基磺酸盐和脂
肪酸有很大的相似性，据此有人推测：UCP同样可
以转运脂肪酸阴离子，即脂肪酸质子载体模型，首
先由 Skulachev[48]和 Garlid等 [49]提出，后续的报道
对此见解不一。如图 5所示，完整的解偶联过程包
含以下 5个步骤。(1)脂肪酸阴离子一个端基通过
酰基与丙三醇作用固定于磷脂双分子层中，另一端
基位于磷脂双分子层表面以下，这种定位隔离了水
溶液，使得脂肪酸的 pKa值提高了 3~4个单位。此
时，磷脂双分子层的能垒较高，呈现明显的脂肪酸
阴离子跨膜。(2)脂肪酸阴离子旁移到达 UCP结合
位点。(3)在 UCP通道中，脂肪酸阴离子通过微弱
的键合点降低能垒，在膜电位的驱动下，脂肪酸阴
离子达到所需能垒并且跨越双分子层。由于 UCP
对疏水基团的作用较强，故在传导过程中，脂肪酸
阴离子的疏水基团始终停留在双分子层中。(4)通
过翻转机理，脂肪酸阴离子的酰基一端转至双分子
层的另一端，然后发生移动远离结合位点。(5)脂
图5 UCP催化的质子载体循环
生命科学 第25卷712
肪酸阴离子与质子结合，在此翻转并以中性分子的
形式到达，释放质子完成循环。并不是所有的脂肪
酸都可以完成此循环，由于在循环过程中利用了膜
的翻转机理，脂肪酸中的极性基团会阻止翻转，从
而无法完成解偶联过程。通过对烷基磺酸盐的研究
表明：脂肪酸阴离子必须满足以下条件才可完成转
运：(1)必须为一价阴离子；(2)极性基团必须靠近
电荷，即对烷基链或者芳基链没有吸引力 [50]。
质子通道模型由Winkler和 Klingenberg[51]提
出，他们认为 UCP直接转运质子。脂肪酸中的羧
基部分与质子结合，然后以转位方式将其运送至
UCP内部通道中的质子受体上，最后运送至基质中。
其中脂肪酸作为辅助因子参与了氨基酸 (例如组氨
酸 )介导的质子转运。UCP介导的 H+转运过程中，
烷基磺酸盐是脂肪酸的竞争性抑制剂，这个事实与
质子通道模型相符。因为烷基磺酸盐属于强酸，不
能作为缓冲因子。但是，烷基磺酸盐阴离子可以跨
膜却无法用这种模型解释，目前亦没有明确的机理
解释烷基磺酸盐可以转运而脂肪酸阴离子不能转运
质子的这个事实。
解偶联蛋白介导质子漏依赖于营养状态，过量
饮食时由UCP1介导，而饥饿状态下由UCP2、UCP3
介导质子漏，提示 UCP2和 UCP3的功能代谢适应
于空腹。虽然已经确认当需要产热时 UCP1在 BAT
中有明显表达，但是 UCP2、UCP3和其他组织中
的 UCP1并没有显著的产热作用。目前对于 UCP2
的调控活性及水平的相关知识已经越来越多为人们
所知，然而，对于 UCP3的调控途径目前还很模糊。
解偶联蛋白与多种生理病理过程相关，这使得它可
能成为重要的药物靶标。
3　解偶联剂与药物发现
随着线粒体解偶联剂研究的深入，以解偶联作
用为靶标的多种疾病治疗药物的研究也被广泛开
展，诸如代谢综合征、神经退行性疾病、衰老、缺
血再灌注、癌症等疾病治疗药物的发现。
3.1　代谢综合征
Harper等 [52]指出，在基础代谢速率 (basal me-
tabolic rate, BMR)的基础上继续增加线粒体的解偶
联是很好的治疗肥胖的策略。Befroy等 [53]证明经
过耐力训练的个体肌肉中虽然能量的生成没有发生
变化，但是底物氧化有明显增加，导致了线粒体氧
化磷酸化解偶联。他们进一步指出增加线粒体的解
偶联很可能是通过增加脂肪酸氧化和胞内能量消耗
来增加肌肉中的胰岛素敏感性，使得胞内的甘油二
脂含量降低。
2006年，Spiegelaman[54]提出可以使用某些方
法确定解偶联剂的安全剂量水平，例如羰基氰对 -
三氟甲氧基苯腙 (trifluoromethoxycarbonylcyanide ph-
enylhydrazone, FCCP)等解偶联剂在一定的安全剂
量下，可用于治疗肥胖相关的代谢综合征。
3.2　神经退行性疾病
线粒体解偶联剂对神经退行性疾病同样有改善
作用。线粒体呼吸功能的障碍是许多神经退行性疾
病发病早期共识的病理现象，探索线粒体在疾病发
生过程中的变化，对研究 AD 等神经退行性疾病的
发病机理，甚至设计和开发创新药物都具有重要的
指导意义 [55]。Lim等 [56]在患帕金森征的小鼠中进
行固醇合成中间产物检测时发现羊毛甾醇明显降
低。经研究证明，羊毛甾醇可以诱导线粒体温和解
偶联，起到神经保护的作用。
3.3　衰老
Andrews 和 Horvath[57]提出 UCP2与寿命相关。
他们通过研究发现，UCP2缺失的小鼠较 UCP2正
常的小鼠寿命明显缩短。同时，转人类 UCP2基因
小鼠的寿命与野生型小鼠相比并没有明显延长，但
是可以确定的是 UCP2的缺失与寿命相关。Camille
da Silva等 [58]用低浓度的解偶联剂 DNP (1 mg/L于
饮用水中 )饲喂雌性 Swiss小鼠，结果发现小鼠体
重有明显降低，脑、肝脏和心脏组织耗氧速率增加，
ROS生成减少，蛋白质和 DNA氧化减少，血浆中
葡萄糖、甘油三酯和胰岛素含量明显降低，小鼠寿
命较对照组有明显延长。
3.4　缺血再灌注
Sack[59]指出线粒体膜电位的降低可减少活性
氧的产生，利用药物使线粒体氧化磷酸化短暂解偶
联可引起线粒体膜电位一定程度的去极化，进而降
低活性氧的生成，可对缺血 -再灌注起到保护作用。
3.5　癌症
2000年，Kim[60]在使用解偶联剂 DNP对癌细
胞进行氧化磷酸化试验时发现：可以通过解偶联剂
控制癌细胞的葡萄糖吸收和 ATP产生，达到治疗癌
症的目的。
Pardo-Audreu等 [61]通过对抗癌药物 Nemorosone
的研究发现，Nemorosone可降低 HepG2细胞的线
粒体膜电位，抑制 ATP的生成。在分离的大鼠肝原
代线粒体中，表现出与经典的线粒体解偶联剂羰基
氰化物间氯苯腙 (CCCP)相似的特征，包括增加琥
金　甲，等：线粒体解偶联剂的研究进展第7期 713
珀酸为底物的状态 4的耗氧速率，降低线粒体膜电
位，促进线粒体钙池中钙离子的释放，降低钙离子
的吸收，抑制 ATP的生成和促进线粒体通道蛋白打
开等。因此 Nemorosone是一个线粒体解偶联剂，
并且它的这个特性很可能是导致肿瘤细胞死亡的原
因之一。另有研究发现，UCP2在各种耐药性的癌
细胞系及人类结肠癌细胞中表达。用化疗药物处理
过表达 UCP2的人类结肠癌细胞 HCT116，发现
UCP2抑制了ROS的累积和ROS诱导的凋亡。此外，
在化疗条件下，裸鼠身体上过表达 UCP2的 HCT116
移植瘤仍然会继续生长。因此，UCP2很可能与肿
瘤细胞的耐药性相关，靶向 UCP2的药物很可能成
为癌症治疗的新靶点 [62]
Si等 [63]研究证明，在小鼠胚胎成纤维细胞 (3T3L1)
中过表达 UCP1可使来源于葡萄糖的碳源不再进行
脂合成，而转换到乳酸的生成。后人在此基础上用
化学解偶联剂 FCCP处理 3T3L1脂肪细胞，发现并
没有改变脂分解的两个关键基因：过氧化物酶体增
殖子激活受体γ (peroxisome proliferator-activated receptor,
PPARγ)和甘油 -3-磷酸脱氢酶 (glycerol-3-phosphate
dehydrogenase, GPDH)的转录。化学解偶联剂 FCCP
降低了甘油三酯的累积，增加了葡萄糖吸收和乳酸
分泌 [64]。但是增加乳酸分泌可能会造成乳酸中毒，
这也是很多线粒体调节剂面临的共同问题。
4　温和解偶联剂
1996年，Skulachev[65]提出了温和解偶联剂的
观点，即线粒体膜电位的适度降低，这对于细胞是
有益的，尤其在一些病理条件下，包括肥胖、甲状
腺机能减退、衰老和某些类型的癌症，这表明温和
解偶联剂 (质子载体 )可发展成为治疗相关疾病的
候选药物。前两种疾病的治疗效果是由于解偶联剂
促进了线粒体呼吸，减少了 ATP的生成；而对于衰
老，可能是因为降低了活性氧的生成。癌症方面，
诱导细胞凋亡的因子与解偶联剂引起的膜电位降低
密不可分 [66]。分离的线粒体中，可通过添加低剂量
的质子载体型解偶联剂达到这种状态，这种方式称
为 “温和的解偶联”，已经被证明可以延长果蝇和小
鼠的寿命 [58, 67]。
线粒体膜电位很小程度的降低即可很大程度地
降低 ROS的产生 [68]，而不会显著阻碍 ATP的合成，
所以温和的解偶联剂可以作为治疗 ROS引起的组
织损伤的候选药物 [69]。值得注意的是，解偶联必须
是温和的，不能明显影响到 ATP的生成。在脂肪酸
或者可渗透阳离子浓度增加的情况下可以达到温和
的解偶联。由于线粒体内膜内外的质子梯度可促进
脂肪酸或可渗透阳离子透膜，而这两者进入线粒体
基质会引起线粒体膜电位降低。当脂肪酸或可渗透
阳离子在线粒体基质内积累到一定程度后反过来会
阻止线粒体膜电位的进一步降低，这就是 Blaikie
等 [70]提出的“线粒体质子载体自我限制”(self-
limiting mitochondrial protonophone)假设。他们把
DNP与三苯基膦用丙基连接起来，发现重组的这个
化合物虽然在线粒体内有累积，但是并没有继续促
进解偶联。由此可见，这种 me-too式的改造想要
从根本上对解偶联活性产生改变还是很难实现的。
与 DNP等解偶联作用比较强的解偶联剂不同，
温和解偶联剂只是温和地降低细胞的膜电位，因此
不会明显抑制 ATP的合成，也不会导致体温过度
升高，不会对正常的生命活动造成不良影响等 [71]。
但目前对于这类生物活性的化学结构还需要进一步
寻找。
[参　考　文　献]
Valmas N, Zuryn S, Ebert PR. Mitochondrial uncouplers [1]
act synergistically with the fumigant phosphine to disrupt
mitochondrial membrane potential and cause cell death.
Toxicology, 2008, 252(1-3): 33-9
Hanstein WG. Uncoupling of oxidative phosphorylation. [2]
Biochim Biophys Acta, 1976, 456(2): 129-48
Terada H. The interaction of highly active uncouplers with [3]
mitochondria. Biochim Biophys Acta, 1981, 639(3-4):
225-42
Garlid KD, Nakashima RA. Studies on the mechanism of [4]
uncoupling by amine local anesthetics. Evidence for
mitochondrial proton transport mediated by lipophilic ion
pairs. J Biol Chem, 1983, 258(13): 7974-80
Dabadie P, Bendriss P, Erny P, et al. Uncoupling effects of [5]
local anesthetics on rat liver mitochondria. FEBS Lett,
1987, 226(1): 77-82
Tainter ML, Cutt ing WC, Stockton AB. Use of [6]
dinitrophenol in nutritional disorders : a critical survey of
clinical results. Am J Public Health Nations Health, 1934,
24(10): 1045-53
Cutting WC, Rytand DA, Tainter ML. Relationship [7]
between blood cholesterol and increased metabolism from
dinitrophenol and thyroid. J Clin Invest, 1934, 13(4): 547-
52
Harper JA, Dickinson K, Brand MD. Mitochondrial un-[8]
coupling as a target for drug development for the treat-
ment of obesity. Obes Rev, 2001, 2(4): 255-65
De Felice FG, Ferreira ST. Novel neuroprotective, neuri-[9]
togenic and anti-amyloidogenic properties of 2,4-dinitrop-
henol: the gentle face of Janus. IUBMB Life, 2006, 58(4):
185-91
生命科学 第25卷714
Rodrigo GC, Lawrence CL, Standen NB. Dinitrophenol [10]
pretreatment of rat ventricular myocytes protects against
damage by metabolic inhibition and reperfusion. J Mol
Cell Cardiol, 2002, 34(5): 555-69
Korde AS, Pettigrew LC, Craddock SD, et al. The mi-[11]
tochondrial uncoupler 2,4-dinitrophenol attenuates tissue
damage and improves mitochondrial homeostasis follo-
wing transient focal cerebral ischemia. J Neurochem,
2005, 94(6): 1676-84
Korde AS, Sullivan PG, Maragos WF. The uncoupling [12]
agent 2,4-dinitrophenol improves mitochondrial ho-
meostasis following striatal quinolinic acid injections. J
Neurotrauma, 2005, 22(10): 1142-9
Liu D, Pitta M, Mattson MP. Preventing NAD[13] + depletion
protects neurons against excitotoxicity: bioenergetic
effects of mild mitochondrial uncoupling and caloric
restriction. Ann N Y Acad Sci, 2008, 1147: 275-82
Bartlett J, Brunner M, Gough K. Deliberate poisoning [14]
with dinitrophenol (DNP): an unlicensed weight loss pill.
Emerg Med J, 2010, 27(2): 159-60
Hsiao AL, Santucci KA, Seo-Mayer P, et al. Pediatric [15]
fatality following ingestion of dinitrophenol: postmortem
identification of a "dietary supplement". Clin Toxicol:
Phila, 2005, 43(4): 281-5
Pugh PM, Stone SL. The effect of 2,4-dinitrophenol and [16]
related compounds on bile secretion. J Physiol, 1968,
198(1): 39-49
Castilho RF, Vicente JA, Kowaltowski AJ, et al. [17]
4,6-Dinitro-o-cresol uncouples oxidative phosphorylation
and induces membrane permeability transition in rat liver
mitochondria. Int J Biochem Cell Biol, 1997, 29(7): 1005-
11
Terada H, Nagamune H, Morikawa N, et al. Uncoupling [18]
of oxidative phosphorylation by divalent cationic cyanine
dye. Participation of phosphate transporter. Biochim Bio-
phys Acta, 1985, 807(2): 168-76
Ozaki S, Kano K, Shirai O. Electrochemical elucidation [19]
on the mechanism of uncoupling caused by hydrophobic
weak acids. Phys Chem Chem Phys, 2008, 10(30): 4449-
55
Terada H, Vand K. On the stoichiometry between [20]
uncouplers of oxidative phosphorylation and respiratory
chains. The catalytic action of SF 6847 (3,5-di-tert-butyl-
4-hydroxy-benzylidenemalononitrile). Biochim Biophys
Acta, 1975, 387(3): 507-18
Terada H, Goto S, Yamamoto K, et al. Structural [21]
requirements of salicylanilides for uncoupling activity in
mitochondria: quantitative analysis of structure-
uncoupling relationships. Biochim Biophys Acta, 1988,
936(3): 504-12
Ligereta H, Barthelemy S. Fluoride curcumin derivatives: [22]
new mitochondrial uncoupling agents. FEBS Lett, 2004,
569: 37-42
Mohammad G, Kowluru RA. Matrix metalloproteinase-2 [23]
in the development of diabet ic ret inopathy and
mitochondrial dysfunction. Lab Invest, 2010, 90(9): 1365-
72
Yamada A, Yamamoto T, Yamazaki N, et al. Differential [24]
permeabilization effects of Ca2+ and valinomycin on the
inner and outer mitochondrial membranes as revealed by
pro teomics ana lys i s o f p ro te ins re leased f rom
mitochondria. Mol Cell Proteomics, 2009, 8(6): 1265-77
Shinohara Y, almofti MR, Yamamoto T, et al. Permeability [25]
transit ion independent release of mitochondrial
cytochrome c induced by valinomycin. Eur J Biochem,
2002, 269(21): 5224-30
Furlong IJ, Mediavilla CL, Ascaso R, et al. Induction of [26]
apoptosis by valinomycin: mitochondrial permeability
transition causes intracellular acidification. Cell Death
Diff, 1998, 5(3): 214-21
Smith TAD, Blaylock MG. Treatment of breast tumor [27]
cells in vitro with the mitochondrial membrane potential
dissipater valinomycin increases F-18-FDG incorporation.
J Nucl Med, 2007, 48(8): 1308-12
Shinohara Y, Almofti MR, Ishida T, et al. Valinomycin [28]
induces permeability transition independent release of
mitochondrial cytochrome C. Mol Biol Cell, 2002, 13:
128a
Klein B, Worndl K, Lutz-Meindl U, et al. Perturbation of [29]
intracellular K+ homeostasis with valinomycin promotes
cell death by mitochondrial swelling and autophagic
processes. Apoptosis, 2011, 16(11): 1101-17
Shinohara Y, Bandoua S. Cationic uncouplers of oxidative [30]
phosphoryla t ion are inducers of mi tochondr ia l
permeability transition. FEBS Lett, 1998, 428: 89-92
Ghosh D, Ghosh AK. 2,4 bis (p-chloroanilino)-pyrimidine, [31]
an uncoupler of oxidative phosphorylation. FEBS Lett,
1969, 4(3): 157-9
Christiansen LB, Tagmose TM, Olesen PH, et al. Indole [32]
derivatives for use as chemical uncoupler. PCT WO
2005051908[P], 2005-06-09
Foster DO, Frydman ML. Nonshivering thermogenesis in [33]
the rat. II. Measurements of blood flow with microspheres
point to brown adipose tissue as the dominant site of the
calorigenesis induced by noradrenaline. Can J Physiol
Pharmacol, 1978, 56(1): 110-22
Lidell ME, Enerbäck S. Brown adipose tissue - a new role [34]
in humans? Nat Rev Endocrinol, 2010, 6(6): 319-25
Clapham J. New use: PCT WO 0207754[P], 2002-01-31[35]
Jia JJ, Tian YB, Cao ZH, et al. The polymorphisms of [36]
UCP1 genes associated with fat metabolism, obesity and
diabetes. Mol Biol Rep, 2010, 37(3): 1513-22
Lindholm E, Klannemark M, Agardh E, et al. Putative role [37]
of polymorphisms in UCP1-3 genes for diabetic
nephropathy. J Diab Comp, 2004, 18(2): 103-7
Vimaleswaran KS, Radha V, Ghosh S, et al. A haplotype [38]
at the UCP1 gene locus contributes to genetic risk for type
2 diabetes in Asian Indians (CURES-72). Metab Syndr
Relat Disord, 2010, 8(1): 63-8
Gonzalez-Barroso M, Pecqueur C, Gelly C, et al. [39]
Transcriptional activation of the human ucp1 gene in a
rodent cell line. Synergism of retinoids, isoproterenol, and
thiazolidinedione is mediated by a multipartite response
element. J Biol Chem, 2000, 275(41): 31722-32
金　甲，等：线粒体解偶联剂的研究进展第7期 715
Cypess AM, Lehman S, Williams G, et al. Identification [40]
and importance of brown adipose tissue in adult humans.
N Engl J Med, 2009, 360(15): 1509-17
Feldmann HM, Golozoubova V, Cannon B, et al. UCP1 [41]
ablation induces obesity and abolishes diet-induced
thermogenesis in mice exempt from thermal stress by
living at thermoneutrality. Cell Metab, 2009, 9(2): 203-9
Fleury C, Neverova M, Collins S, et al. Uncoupling [42]
protein-2: a novel genet linked to obesity and hyperinsu-
linemia. Nat Genet, 1997, 15(3): 269-72
Gimeno RE, Dembski M, Weng X, et al. Cloning and [43]
characterization of an uncoupling protein homolog: a
potential molecular mediator of human thermogenesis.
Diabetes, 1997, 46(5): 900-6
周辉[44] , 张旭家. 线粒体解偶联蛋白UCP2 的研究进展. 生
命科学, 2008, 20(4): 545-59
Affourtit C. Novel uncoupling proteins. Novartis Found [45]
Symp, 2007, 287(1): 70-91
Harper ME, Himms-Hagen J. Mitochondrial efficiency: [46]
lessons learned from transgenic mice. Biochim Biophys
Acta, 2001, 1504(1): 159-72
Garlid KD, Jabuîrek M, Jezíek P. The mechanism of [47]
proton transport mediated by mitochondrial uncoupling
proteins. FEBS Lett, 1998, 438: 10-4
Skulachev VP. Fatty acid circuit as a physiological [48]
mechanism of uncoupling of oxidative phosphorylation.
FEBS Lett, 1991, 294(3): 158-62
Garlid KD, Orosz DE, Modriansky M, et al. On the [49]
mechanism of fatty acid-induced proton transport by
mitochondrial uncoupling protein. J Biol Chem, 1996,
271(5): 2615-20
Jezek P, Jaburek M, Garlid KD. Channel character of [50]
uncoupling protein-mediated transport. FEBS Lett, 2010,
584: 2135-41
Winkler E, Klingenberg M. Effect of fatty acids on H[51] +
transport activity of the reconstituted uncoupling protein.
J Biol Chem, 1994, 269(4): 2508-15
Harper JA, Dickinson K, Brand MD. Mitochondrial [52]
uncoupling as a target for drug development for the
treatment of obesity. Obes Rev, 2001, 2(4): 255-65
Befroy DE, Petersen KF, Dufour S, et al. Increased [53]
substrate oxidation and mitochondrial uncoupling in
skeletal muscle of endurance-trained individuals. Proc
Natl Acad Sci USA, 2008, 105(43): 16701-6
Spiegelman BM. Methods and compositions for treating [54]
obesity. PCT, WO 2006014529[P]. 2006-2-9
高欣[55] , 唐希灿. 神经退行性疾病的早期信号：线粒体功
能障碍. 生命科学, 2006, 18(2): 138-44
Lim L, Jackson-Lewis V, Wong LC, et al. Lanosterol [56]
induces mitochondrial uncoupling and protects
dopaminergic neurons from cell death in a model for
Parkinsons disease. Cell Death Diff, 2012, 19(3): 416-27
Andrews ZB, Horvath TL. Uncoupling protein-2 regulates [57]
lifespan in mice. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2009,
296(4): E621-7
Caldeira da Silva CC, Cerqueira FM, Barbosa LF, et al. [58]
Mild mitochondrial uncoupling in mice affects energy
metabolism, redox balance and longevity. Aging Cell,
2008, 7(4): 552-60
Sack MN. Mitochondrial depolarization and the role of [59]
uncoupling proteins in ischemia tolerance. Cardiovasc
Res, 2006, 72(2): 210-9
Kim JK. Method for curing cancer: Korea, KR2000-[60]
30196[P]. 2000-06-01
Pardo-Andreu GL, Nunez-Figueredo Y, Tudella VG, et al. [61]
The anti-cancer agent nemorosone is a new potent
protonophoric mitochondrial uncoupler. Mitochondrion,
2011, 11(2): 255-63
Derdak Z, Mark NM, Beldi G, et al. The mitochondrial [62]
uncoupling protein-2 promotes chemoresistance in cancer
cells. Cancer Res, 2008, 68(8): 2813-9
Si Y, Palani S, Jayaraman A, et al. Effects of forced [63]
uncoupling protein 1 expression in 3T3-L1 cells on
mitochondrial function and lipid metabolism. J Lipid Res,
2007, 48(4): 826-36
Si Y, Shi H, Lee K. Metabolic f lux analysis of [64]
mitochondrial uncoupling in 3T3-L1 adipocytes. PloS
One, 2009, 4(9): e7000
Skulachev VP. Role of uncoupled and non-coupled [65]
oxidations in maintenance of safely low levels of oxygen
and its one-electron reductants. Q Rev Biophys, 1996,
29(2): 169-202
Severin FF, Severina II, Antonenko YN, et al. Penetrating [66]
cation/fatty acid anion pair as a mitochondria-targeted
protonophore. Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107(2):
663-8
Padalko VI. Uncoupler of oxidative phosphorylation [67]
prolongs the lifespan of Drosophila. Biochem: Mosc,
2005, 70(9): 986-9
Korshunov SS, Skulachev VP, Starkov AA. High protonic [68]
potential actuates a mechanism of production of reactive
oxygen species in mitochondria. FEBS Lett, 1997, 416(1):
15-8
Skulachev VP. Uncoupling: new approaches to an old [69]
problem of bioenergetics. Biochim Biophys Acta, 1998,
1363(2): 100-24
Blaikie FH, Brown SE, Samuelsson LM, et al. Targeting [70]
dinitrophenol to mitochondria: limitations to the
development of a self-limiting mitochondrial protonophore.
Biosci Rep, 2006, 26(3): 231-43
Antonenko YN, Avetisyan AV, Cherepanov DA, et al. [71]
Derivatives of rhodamine 19 as mild mitochondria-
targeted cationic uncouplers. J Biol Chem, 2011, 286(20):
17831-40