蛋白质的非酶糖基化

许多研究证明，长期高血糖是发生糖尿病慢性并发症的关键因素，然而又很难解释高血糖诱导糖尿病慢性并发症以后，血糖控制正常后并发症仍继续存在和发展，即高血糖记忆。提示高血糖能诱导生存期长的分子产生延期的，甚至是不可逆的改变，这些改变可持续存在，在高血糖得到控制后仍继续发生病理变化。机体内的过高血糖与蛋白质之间的非酶性糖基化反应及其终产物的不可逆性的发现，较好的解释了高血糖诱发糖尿病慢性并发症的高血糖记忆特点，从而使糖尿病基础生化研究取得了重大进展。

（一）蛋白质糖基化反应及其产物

血液中葡萄糖能与蛋白质分子中ε－氨基在非酶促条件下互相结合，即糖分子中的醛基与蛋白质分子中的氨基结合形成醛亚胺（shiff碱），这是一个不稳定的中间产物，可以返回原来的反应状态，也可以再发生一个分子结构的重排反应，变成较稳定的酮胺化合物。由于蛋白质分子结构复杂，存在较多的游离氨基，因此糖基化反应可以继续进行，而且糖基化后的蛋白质与未被糖基化的蛋白质之间，可以互相结合，使酮胺化合物不断增大、堆积并互相交联，形成溶解度很低的进一步的糖基化蛋白质终产物（AGE）。这种进一步的糖基化反应过程非常缓慢，且不具可逆性，从而永久性改变了组织大分子物质的结构。糖基化反应可发生在机体几乎所有的蛋白质，但进一步的糖基化多发生在更换期非常长的蛋白质上，如晶体蛋白、胶原蛋白、弹性硬蛋白及髓鞘蛋白等，进一步的糖基化蛋白质终产物的增多和堆积，造成组织结构发生形态和功能的改变，从而诱发糖尿病慢性并发症的发生和发展。

AGE的生成受血糖水平的影响，生成速度与葡萄糖浓度呈非线性关系，是血糖的二次方，故中等度的糖升高，即可显著增加AGE的生成。此外与高浓度葡萄糖接触时间及蛋白质的半衰期密切相关，接触时间越长生成越多，蛋白质半衰期越长生成积聚量越大。

（二）蛋白质糖基化对机体的直接作用

蛋白质的非酶糖基化直接改变了蛋白质结构，从而影响其正常功能，造成组织器官的损害。

1．血红蛋白　血红蛋白β链N末端缬氨酸的氨基与葡萄糖的醛基发生酶促的加成反应，生成中间产物醛亚胺，称前HΒA1c，继而电子重排形成稳定的酮氨化合物HΒA1c，红细胞寿命全程（120d）中，HΒA1c缓慢而连续不可逆生成，因此测定HΒA1c含量可反映采样前4～8周血糖平均水平。血红蛋白糖基化的最初部位是β链终端氨酸残基，也正是2，3－二磷酸甘油酸的结合部位，因此HΒA1c可抑制2，3－二磷酸甘油酸与正荷电子基团的反应，导致血红蛋白对氧的亲和力增加，氧离曲线左移，造成组织缺氧。

2．白蛋白　白蛋白的N末端与葡萄糖结合，形高分子的酮氨结构，类似果糖胺，因此文献常将糖化血清蛋白的测定称为果糖胺测定，它反映采样前1～4周血糖控制指标，糖化白蛋白不影响白蛋白的分解代谢及其在循环中的半衰期，但因糖化所致的结构变化影响其配位结合能力。糖化白蛋白易被内皮细胞摄取，易通过肾小球滤过屏障，造成糖尿病的蛋白尿。

3．红细胞膜蛋白　红细胞膜上的蛋白质也可被糖基化，糖基化后，一些重要的生理功能也可以发生变化，如膜流动性减小、细胞变形性减弱、氧的释放量下降，同时使膜上一些酶的活性下降，如膜中Ca2＋－ATP酶和（Na＋－K＋）ATP酶等。这些变化直接影响毛细血管的血液循环，以及组织的供氧，造成组织损伤。因此，红细胞膜蛋白糖基化，可认为是糖尿病慢性症发病一个重要因素。

4．胶原蛋白　胶原蛋白是广泛分布于人体结缔组织，大小血管及全部基底膜的蛋白质，换期较长，易出现糖基化终产物的形成，AGE形成后Ⅳ型胶原分子内共价交联增加，其中富含螺旋的结构减少，从而引起胶原弹性下降及胶原变硬。AGE的不断增加，Ⅰ型胶原体积增大并逐渐丧失其原有作用。糖基化胶原还可共价吸附一些可溶性血浆蛋白，如血浆低密度脂蛋白、免疫球蛋白和白蛋白等，血浆低密度脂蛋白的局部积聚并引起脂质棸集，促进血管粥样硬化的发生。免疫球蛋白可在局部形成免疫复合物，造成血管狭窄以致闭塞。白蛋白和免疫球蛋白的积聚，也造成基底膜的不断增厚。基质中玻璃粘连蛋白糖基化后，使硫酸肝素糖蛋白和胶原的特异结合减少，并刺激周围其它基质成分的大量增生。基质蛋白糖基化后还可发生一系列生化功能改变，引起内皮源性释放因子和抗增殖因子减少，血管收缩，平滑肌细胞和肾小球膜细胞增殖。总之，胶原蛋白的糖基化可能是糖尿病视网膜病变、肾脏病变和动脉粥样硬化的重要原因。另外，结缔组织中胶原蛋白的糖基化，造成一些组织的弹性下降，如心、肺和动脉等，降低了这些器官的生理功能，加速了糖尿病并发症的形成和自身老年性变化。

5．晶体蛋白　糖尿病患者白内障发病率很高，且发生年龄较早。而晶体蛋白的糖基化是糖尿病白内障发生的一个重要环节，晶体蛋白是一种更换期很长的蛋白质，长时期的高血糖，使晶体蛋白糖基化，并形成进一步糖基化终产物，使晶体蛋白空间结构发生改变，出现蛋白质聚集和交联化，造成晶状体的浑浊、棕化和不断加厚及硬化，形成白内障。这种过程也可以在体外实验中证实。1988年Oimomi发现2型糖尿病和非糖尿病老年白内障患者，白内障的外表、皮层及内核中都含有大量的晶体蛋白糖基化终产物，提示晶体蛋白的非酶糖基化，在糖尿病和非糖尿病白内障患者中都起重要的作用。

6．神经蛋白　糖尿病患者神经系统内的髓磷脂及有关蛋白质也可糖基化，髓磷脂糖基化后，体内巨噬细胞把它当作异体抗原，从而损伤髓磷脂，引起脱髓磷脂病变。神经板的蛋白质糖基化后，可引起蛋白质再生能力下降，并可改变神经板分子的结构，使神经轴突的正常生长速度变慢。非酶促糖基化也影响神经系统的微管蛋白，从而影响神经分泌及轴突传导，而糖化后引起的细胞膜钠泵功能障碍，则可造成细胞肿胀，进而发生脱髓鞘病变。

7．核酸　最近研究发现核酸也可发生糖基化，被糖基化的DNA可引起DAN的突变和错位、DNA链断裂以及DNA修复、复制、转录能力下降，造成细胞死亡，加速细胞的衰老过程。

8．酶　有些酶及辅助因子也可发生糖基化，从而使其活性降低，如胰岛细胞内裂解前胰岛素形成胰岛素的组织蛋白酶Β的糖基化，使活性下降，胰岛素的产量减少。纤维蛋白溶酶的糖基化，使纤维蛋白降解减少，造成体内纤维蛋白的堆积。

（三）AGE受体的间接效应

多种细胞膜存在AGE的特异结合位点，即AGE受体，如巨噬细胞、内皮细胞，肾系膜细胞。AGE与这些细胞膜的特异受体结合后，促使这些细胞对AGE的内吞和降解，当AGE产生大量增多，超过细胞的清除能力时，可使大量的AGE积聚，AGE与细胞膜受体结合，也可引起细胞因子、激素、自由基等可溶性信号物质含量改变，导致多种蛋白质基因表达水平的改变，从而产生一系列的病理生理学改变。

AGE与单核巨噬细胞、血管平滑肌细胞表面受体结合后，诱导IL－1、IGF－α及β基因水平的表达增多，引其细胞增生，血管壁增厚，血管弹性下降。AGE与人或鼠的肾基质细胞共同培养，培养液中的纤维连接蛋白、基质蛋白、Ⅳ型胶原、层黏蛋白、HS－PG的mRNA表达及蛋白质产量均明显增加，从而导致肾脏基底膜增厚。AGE与内皮细胞表面受体结合后，内皮素和组织因子合成增多，血栓调节蛋白生成减少，导致血管收缩，激活凝血系统，易出现血栓形成。