黃高峰　徐挺

摘要綜述不同酚類污染物對氧化磷酸化的毒性效應，總結不同酚類污染物對氧化磷酸化的毒性作用機制，同時就目前酚類污染物的氧化磷酸化毒性效應的研究存在的問題和不足進行探討，以期為此類污染物的相關毒性研究提供參考。

關鍵詞酚類污染物；氧化磷酸化；解偶聯劑；糖酵解【】-

中圖分類號X171.5文獻標識碼A文章編號0517-6611（2018）08-0031-05

Research Progress on Toxic Effects of Phenolic Pollutants on Oxidative Phosphorylation

HUANG Gaofeng， XU Ting

（ College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

AbstractThe toxic effects of different phenolic pollutants on oxidative phosphorylation and their toxicity mechanism were reviewed in this paper. At the same time， the problems and shortcomings in the study of toxic effects of oxidative phosphorylation of phenolic pollutants were discussed to provide reference for studying related toxicity of phenolic pollutants .

Key wordsPhenolic pollutants；Oxidative phosphorylation；Uncoupler；Glycolysis

能量是生命活動的基本動力來源，用以滿足生命體生存、繁衍和進化等各種需要。生物體產能主要通過2種途徑：氧化磷酸化（OXPHOS）和糖酵解（Glycolysis），其中真核細胞的絕大部分能量依賴于線粒體氧化磷酸化作用的供給。氧化磷酸化是指在有氧條件下，線粒體利用生物氧化過程中釋放的自由能，促使二磷酸腺苷（ADP）與無機磷酸鹽結合生成三磷酸腺苷（ATP）的過程[1-2]。內源性物質或環(huán)境污染物對于生物體氧化磷酸化的干擾作用，將影響細胞的正常產能，其后果輕則表現出肌無力、低血壓、發(fā)燒和心絞痛等病理現象；重則有生命危險。而細胞若在有氧狀態(tài)下功能方式由氧化磷酸化切換為糖酵解，則可能成為細胞癌變的重要發(fā)生條件（Warburg效應）[3]。在發(fā)育階段，由于整個發(fā)育過程的高度動態(tài)性，污染物甚至可能通過影響能量供給而改變細胞行為，最終造成發(fā)育程序的紊亂，導致嚴重的發(fā)育效應。

傳統上，部分酚類污染物一直被認為是典型的氧化磷酸化解偶聯劑，如五氯酚（PCP）和二硝基苯酚（DNP）等。然而近年來的研究逐步發(fā)現，酚類污染物的作用類型并不僅限于氧化磷酸化的解偶聯，涉及的酚類物質種類也不斷增加。為此，分析多種酚類污染物對生物體氧化磷酸化過程的影響，及其可能的作用機制，深入理解環(huán)境污染物對生物能量代謝過程的關鍵擾動及其后果，并為今后進一步研究污染物氧化磷酸化干擾作用提供思路。

1氧化磷酸化干擾作用的一般機制

氧化磷酸化由電子傳遞鏈和ATP合酶兩部分偶聯而成。呼吸鏈主要包含四大復合體：NADH脫氫酶（復合體I）、琥珀酸脫氫酶（復合體Ⅱ）、細胞色素c還原酶（復合體Ⅲ）和細胞色素c氧化酶（復合體Ⅳ）。其中，復合體I、Ⅲ、Ⅳ是質子泵，可以將呼吸鏈產生的氫離子從線粒體基質側泵送至線粒體內膜間隙側，在線粒體內膜兩側會形成氫離子濃度差（質子梯度）。而質子梯度又可驅動ATP合酶（復合體V）利用ADP與無機磷酸鹽結合生成ATP，從而實現氧化與磷酸化的偶聯[4-9]。

對氧化磷酸化造成影響的化合物大致可分為2類：氧化磷酸化抑制劑和氧化磷酸化解偶聯劑。兩者的區(qū)別在于氧化磷酸化抑制劑可對電子傳遞鏈或ADP磷酸化產生抑制作用；而氧化磷酸化解偶聯劑可以使氧化與磷酸化解偶聯，雖然氧化部分照常進行，但不能生成ATP，使呼吸鏈中電子傳遞產生的能量不能用于ADP的磷酸化，只能以熱的形式散發(fā)，亦解除氧化和磷酸化的偶聯。

1.1氧化磷酸化抑制

1.1.1呼吸鏈抑制。

在線粒體呼吸鏈的4種復合體中，復合體I最易遭受攻擊。目前，已知有超過60種物質可以抑制復合體I的活性，包括殺蟲劑、防腐劑、酚類污染物等[10-13]。這些復合體I抑制劑結構上均具有一種類似于泛醌的結構：循環(huán)結構的頭部和疏水性的尾部[10]。復合體Ⅲ是呼吸連中第2個質子泵，von Jagow等[14]根據作用部位的不同，總結4類主要的復合體Ⅲ抑制劑：對苯二酚拮抗劑類、十一烷基羥基醌類、抗霉素類和鋅離子。復合體Ⅳ是電子傳遞鏈末端的酶，具有質子泵的作用，同時可通過血紅素中鐵原子的氧化還原變化，把電子傳遞給還原的氧形成水。Nicholls等[15]將復合體Ⅳ抑制劑分為4類：①血紅素抑制劑，例如疊氮化物、氰化物和硫化物等；②氧競爭性抑制劑，例如一氧化碳和一氧化氮等；③細胞色素c競爭性抑制劑；④非競爭性抑制劑，例如磷酸鹽離子和堿性條件等。

1.1.2磷酸化抑制。

ATP合酶又稱為復合體Ⅴ，作用是將ADP和無機磷酸鹽合成ATP。已知有很多霉菌可以抑制ATP合酶的活性，典型的有金輪菌素、奧薩霉素、殺黑星菌素和寡霉素等。這些霉菌的作用機制是其可以結合到ATP合酶的F1或者F0亞族上，從而阻止氫離子的傳導[2]。除了霉菌類，還有許多其他物質同樣可以抑制ATP合酶的活性，如黃酮類[16]、百草枯[17]、DDT[18]、乙烯雌酚[19]、有機錫[20-21]等。

1.2氧化磷酸化解偶聯

氧化磷酸化解偶聯的作用類型分為化學解偶聯和解偶聯蛋白（UCP）。UCP是一種線粒體內膜蛋白，包含UCP1-5共5種亞型[22-25]，可以消除線粒體內膜兩側的跨膜質子濃度差，阻礙ATP的正常產生。關于UCP的解偶聯機理，目前有脂肪酸質子載體和質子通道2種模型[26]。前者由Skulachev[27]和Garlid等[28]提出，他們認為UCP可以催化脂肪酸陰離子，在線粒體膜電位的驅動下，脂肪酸陰離子進入線粒體內膜側后，從內膜側攜帶氫離子，穿過線粒體膜轉運至線粒體基質側。后者則由Winkler等[29]提出，其指出UCP可直接轉運質子，以轉位方式將其運送至UCP內部通道中的質子受體上，最后運送至基質。

化學解偶聯劑主要由親脂性弱酸構成，其作用機制為：解偶聯劑的陰離子態(tài)與線粒體內膜中的氫離子形成非解離的中性形態(tài)，攜帶原本無法通過內膜的氫離子進入線粒體基質側，解離釋放氫離子重新成為陰離子態(tài)后，借助電勢差返回線粒體內膜間隙側，如此循環(huán)往復，部分抵消質子梯度，抑制ATP的形成[30]。該類解偶聯劑的最典型代表即為取代酚類[31-33]。離子載體則是另一大類型解偶聯劑[34]，但解偶聯活性通常弱于親脂性弱酸。典型的離子載體型解偶聯劑有纈氨霉素、Cu（OP）2和tris-S-C4（5）等[35-36]。盡管化學解偶聯過程目前仍是研究關注的主要方向，筆者推測，可能存在污染物通過誘導UCP而間接影響氧化磷酸化的途徑。

2典型酚類污染物對氧化磷酸化的影響

2.1氯酚類污染物

氯酚類化合物是一類由氯原子取代苯酚苯環(huán)上氫原子所形成的化合物。由于氯酚的化學性質穩(wěn)定，具有顯著的殺菌效果，廣泛用于農藥、紡織印染、造紙印刷、醫(yī)療等行業(yè)及木材、皮革制品、食品等產品的殺菌消毒和防腐；故而在環(huán)境中分布廣泛，是典型的有機鹵代污染物。除致癌、致畸、致突變的“三致”作用外[37]，氯酚類污染物最受關注的毒性效應是其對氧化磷酸化過程的影響。傳統觀點認為，氯酚的氧化磷酸化毒性機制主要為解偶聯作用，其具有攜帶氫離子跨膜運輸的能力，可以消除質子梯度，影響ATP的合成[38-40]。Fernandez等[41]采用Vero細胞（非洲綠猴腎細胞）作為受試對象，利用熒光顯微鏡法和透射電子顯微鏡法研究五氯酚（PCP）對哺乳動物細胞內部結構的影響。結果表明PCP可以破壞細胞線粒體結構，干擾線粒體的膜電位；其機制被認為是PCP形成某種異二聚體，該異二聚體可以將氫離子攜帶穿過細胞膜，干擾質子梯度，最終對氧化磷酸化造成影響。Gravance等[42]通過熒光標記法研究PCP對大鼠精子線粒體的影響，發(fā)現大鼠精子線粒體膜電位在暴露后出現顯著變化，根據線粒體是氧化磷酸化的發(fā)生部位，推斷氧化磷酸化過程亦將受到PCP暴露的干擾。Aschmann等[43]研究PCP、2，3，4，5-四氯酚、2，4，5-三氯酚、2，4-二氯酚和對氯酚對Sprague-Dawley大鼠肝細胞的毒性作用。結果發(fā)現，這5種氯酚均能顯著降低大鼠肝細胞內的ATP濃度，推測ATP濃度減少是由于5種氯酚干擾大鼠肝細胞的氧化磷酸化過程而造成的。Narasimhan等[44]研究對氯酚、3，5-二氯酚、2，3，5-三氯酚、2，3，4，5-四氯酚和PCP對Sprague-Dawley大鼠線粒體的影響。利用液相氧電極測定分離提出的大鼠線粒體的態(tài)III呼吸和態(tài)IV呼吸，發(fā)現PCP、2，3，4，5-四氯酚、2，3，5-三氯酚在濃度大于1.33 μmol/L時，可以抑制ADP磷酸化和態(tài)IV呼吸，并表現出明顯的解偶聯作用。同時，這5種氯酚均能引起線粒體腫脹。

Xu等[45-46]觀察PCP早期暴露對Tuebingen品系斑馬魚胚胎的發(fā)育程序的影響，發(fā)現PCP對胚胎氧化磷酸化的影響源自斑馬魚原腸期和體節(jié)期（8-24 hpf），造成復合體I-V中大量同工酶編碼基因的表達抑制。與之相對應的是，氧化磷酸化的替代過程糖酵解的參加基因多數出現顯著的表達上調。由于糖酵解過程有利于細胞增殖，這可能是原腸期內PCP造成斑馬魚胚胎發(fā)育延遲的重要機制。相似的結果也出現在蛋白組學研究中，Carvalho等[47]發(fā)現經PCP暴露后，毛霉菌DSM 16513體內部分與糖酵解過程相關的酶的活性呈上調狀態(tài)，如丙酮酸脫氫酶、果糖二磷酸醛縮酶和3-磷酸甘油醛脫氫酶等。上述現象均可能是由PCP干擾線粒體功能、影響氧化磷酸化進程所導致。

2.2硝基酚類污染物

與PCP相似，硝基取代酚類也是極具代表性的線粒體毒性物質，其中2，4-二硝基苯酚（DNP）、4-對硝基苯酚（4-NP）和三氟甲硝酚（TFM）等化合物受關注較多，普遍認為是典型的氧化磷酸化解偶聯劑。其中，DNP對氧化磷酸化的毒性作用機制主要可能有2種：轉運氫離子透過線粒體細胞膜，從而改變質子梯度，進一步對氧化磷酸化造成影響[48]；阻止無機磷酸鹽進入線粒體內，減少生成的高能磷酸鍵的數量，從而進一步影響氧化磷酸化[49-50]。Bestman等[51]從ATP濃度、乳酸脫氫酶LDH活性、基因表達、呼吸作用等方面，系統地研究DNP對斑馬魚線粒體的影響。結果發(fā)現，DNP染毒致使斑馬魚體內的ATP濃度降低；LDH活性出現短期的升高；細胞耗氧率增加；與活性氧物質生成相關的部分基因如pgc1a、nrf2、hif1a等的表達水平出現波動，且多數呈抑制趨勢。研究者進一步分析認為，由于DNP對氧化磷酸化過程的干擾作用，使斑馬魚體內的ATP含量降低。此時，細胞會選擇激發(fā)替代產能途徑——糖酵解，用以維持體內正常的ATP水平。這樣DNP就產生與PCP類似的效應。Lam 等[52]利用基因芯片技術，主要從轉錄組水平研究4-NP對斑馬魚肝臟的毒性效應。經4-NP暴露后，基因表達譜中最突出的變化就是與氧化磷酸化和電子傳遞鏈相關的基因呈上調趨勢，并誘導后續(xù)的氧化應激、腫瘤抑制通路、DNA損傷和細胞凋亡等一系列生物學變化。結果顯示4-NP對斑馬魚氧化磷酸化確實可產生干擾，但并非常見的抑制作用。三氟甲硝酚（TFM）的結構和化學特性與DNP相類似，因此同樣具有氧化磷酸化解偶聯作用[53]。Birceanu 等[54]研究TFM和2，4-DNP對七鰓鰻Petromyzon marinus和虹鱒魚Oncorhynchus mykiss的毒性效應。結果表明，TFM能夠降低ATP的合成量，同時TFM和2，4-DNP均能刺激態(tài)Ⅳ呼吸，而對態(tài)Ⅲ呼吸未造成影響。TFM還能影響線粒體的跨膜電位（TMP），七鰓鰻的線粒體TMP降低22%，虹鱒魚的線粒體TMP降低28%。表明TFM是一種質子載體，可以消除質子梯度，從而影響ATP合成。

2.3雙酚類污染物

雙酚類化合物是指2個羥苯基由一個或多個碳原子相連的一類化合物，是聚合材料和橡膠工業(yè)的重要原料，主要用于人類日常生活所常見的奶瓶、食品包裝和塑料制品等[55-57]。由于對雙酚類物質的研究主要集中于致癌性、內分泌干擾活性等高關注度風險上，致使其在氧化磷酸化方面影響的報道相對較少，且基本集中于代表性物質雙酚A（BPA）。Bereketoglu等[58]采用基因芯片和定量PCR方法，研究酵母菌BY4742經BPA染毒后的轉錄組變化情況。結果發(fā)現，在BPA暴露后呈下調狀態(tài)的富集性術語中，顯著性最高的為跨膜轉運和線粒體組織兩項術語。由于其中的TIM18、TIM22、PAM18和IMP2等基因參與線粒體內膜的組成和物質轉運，該結果意味著BPA可能同樣對氧化磷酸化過程具有潛在的干擾作用。Jiang等[59]研究BPA對新生Wistar大鼠心臟線粒體功能的影響，發(fā)現即使是50 μg/（kg·d）（EPA參考劑量）的BPA暴露，也將導致琥珀酸脫氫酶（復合體II）的酶活性和基因表達量有所降低，線粒體的膜電位并相應減少；同時，部分氧化磷酸化相關基因及其編碼蛋白的表達量也發(fā)生不同程度的下調。研究者據此認為在傳統觀點安全的劑量下，BPA也可對仔鼠心臟線粒體造成損傷，影響能量代謝和ATP生成作用。

46卷8期黃高峰等酚類污染物對氧化磷酸化毒性效應的研究進展

2.4羥基化多溴聯苯醚

羥基化多溴聯苯醚（OH-PBDEs）是溴代阻燃劑多溴聯苯醚的自然代謝產物[60-62]，并被普遍認為毒性作用強于其母體。雖然神經行為毒性和甲狀腺干擾效應仍是目前OH-PBDEs毒性的研究重點，但OH-PBDEs影響氧化磷酸化的研究也已逐步展開。Van Boxtel等[63]以PAC2細胞（斑馬魚胚胎成纖維細胞）為模型，研究6-OH-BDE47在轉錄組水平的生物效應，發(fā)現6-OH-BDE47可以改變斑馬魚體內與質子傳遞和糖類代謝（包括能量代謝）相關基因的表達，同時使斑馬魚的線粒體膜電位降低；而BDE47母體和甲氧基化的BDE47均無此效應。進一步研究發(fā)現，6-OH-BDE47可能通過抑制復合體Ⅱ從而影響電子傳遞鏈，從而實現對氧化磷酸化過程的干擾。Legradi等[64]研究17種OH-PBDEs對斑馬魚胚胎的毒性效應，發(fā)現所有測試的OH-PBDEs均可導致劑量依賴性的胚胎發(fā)育延遲。該效應在斑馬魚發(fā)育的前24 h內尤其明顯，并伴隨胚胎耗氧率的增加，暗示其可能與氧化磷酸化過程相關。Legradi等[65]研究18種OH-PBDEs對小鼠心臟和PAC2細胞（斑馬魚胚胎成纖維細胞）氧化磷酸化的干擾作用，選擇線粒體呼吸作用、線粒體膜電位、LDH活性以及ATP濃度等多項指標綜合考量。結果表明，測試的18種OH-PBDEs均會干擾氧化磷酸化，且作用機制有所區(qū)別。6-OH-BDE47和3-OH-BDE154通過抑制電子傳遞鏈影響氧化磷酸化，5-OH-BDE47和6-OH-BDE90等通過驅散質子梯度影響氧化磷酸化，其余如6-OH-BDE85等則是通過上述2種途徑共同影響氧化磷酸化。研究者還發(fā)現盡管具體機制各異，但當多種OH-PBDEs混合暴露時，將產生顯著的協同作用。

3總結與展望

酚類污染物對于氧化磷酸化過程的干擾并不僅僅限于解偶聯作用，很多時候也具備氧化磷酸化抑制劑的特征。例如，多種酚類化合物均在一定劑量下，表現出對復合體I-V的活性和基因表達的顯著影響。4-NP暴露導致斑馬魚電子傳遞鏈相關的部分基因上調，意味著污染物對氧化磷酸化過程的影響甚至可能不僅限于傳統的解偶聯和抑制作用[52]。線粒體膜電位總體而言是靈敏度較高的一項指標，且可呈現一定的劑量-效應關系，但在個別暴露劑量極高的研究中并未顯示效應，則反映出解偶聯作用可能具有某些仍然未知的發(fā)生條件。

氧化磷酸化解偶聯劑和抑制劑的稱謂大約形成于20世紀五六十年代，盡管迅速得到學術界的普遍承認，但這些概念同時也局限了對氧化磷酸化干擾作用的認識；隨著學科的發(fā)展，蛋白和分子水平的效應逐漸成為生物科學關注的中心，人們對于內源物和外源污染物在不同生物學層面效應的認識程度大大加深，將傳統定義強行套入現今的研究中也愈發(fā)不適宜。如Legradi等[65]將線粒體膜電位降低且耗氧率增加定義為解偶聯作用，線粒體膜電位降低且耗氧率降低定義為呼吸鏈抑制作用。但事實上這種兩分式的定義難免有武斷之嫌?；谀壳耙延械难芯砍晒袛?，多數酚類污染物均可呈現解偶聯和抑制作用（同時或不同時），甚至可能在一定條件下表現為刺激作用。

考慮到氧化磷酸化過程的特點及其在生物體代謝體系中的特殊作用，當前僅從能量角度出發(fā)的思路似乎難以全面理解污染物對氧化磷酸化的干擾后果。以氧化磷酸化的核心產物ATP為例，ATP通常作為能量物質看待，然而事實上ATP不僅是細胞信號分子，也是一種神經遞質。還有與氧化磷酸化關系密切的細胞pH、活性氧物質等，雖然表面上看僅是基礎指標的變化，但其涉及的潛在影響卻范圍極廣。同時，伴隨著五氯酚、硝基酚等酚類污染物對氧化磷酸化過程的干擾效應，細胞的糖酵解作用均出現異常激活。這種激活很可能出自細胞供能不足的代償。通過對多項高通量研究結果的歸納分析，發(fā)現糖酵解變化甚至可能是生物體在環(huán)境污染物脅迫下的一種普遍現象[66-68]。糖酵解與氧化磷酸化的重要區(qū)別除ATP產能外，還有剩余大量未完全代謝的碳源（主要以乳酸、丙酮酸等形式），這些碳源物將進一步參與到更多的代謝過程，并為細胞增殖提供充足的物質基礎[69]。氧化磷酸化過程的受限將有可能促使細胞傾向選擇不斷增殖的策略，最終導致細胞癌變等一系列嚴重后果。因此，將氧化磷酸化干擾作用與細胞行為、細胞內環(huán)境等方面的變化進行關聯，有望對污染物毒性機制有更加深入的認識。

綜上所述，關于酚類污染物對氧化磷酸化過程的干擾作用及其可能導致的生物學后果，仍存在許多尚待揭示的科學問題。特別是多溴聯苯醚代謝產物OH-PBDEs干擾作用的發(fā)現，使得筆者開始意識到，威脅氧化磷酸化過程的不僅有酚類污染物本身，更可能包含那些在生物代謝過程中形成含酚羥基中間產物的污染物。如果該假設成立，考慮到羥基化正是生物體相I代謝的重要反應，環(huán)境污染物對于生物體能量代謝干擾應當引起學術界更多的關注。

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