在糖尿病高血糖情况下,体内许多蛋白质可通过非酶糖化过程与葡萄糖结合形成糖基化蛋白质,而使这些蛋白质的结构改变,运输受阻,如果其在细胞间与受体结合发生粘附,更促进细胞功能障碍,从而导致各种糖尿病慢性并发症。例如:形成糖化血红蛋白(HbA1c)可引起红细胞氧解离能力下降,导致组织细胞缺氧变性;糖化后的纤维蛋白受其溶酶分解减少,于组织中沉积增加,这是引起血管管腔狭小、闭塞和组织缺氧的原因之一;眼晶体蛋白糖化是糖尿病白内障发生的主要原因之一;末梢神经内髓磷脂糖化是引起神经病变,尤其是节段性脱髓鞘现象的主要原因之一;糖化后的低密度脂蛋白(LDL)在细胞内的分解能力下降,可引起高LDL血症,易致动脉硬化;血小板糖化后其凝集功能亢进等。
特别引起关注的是糖尿病肾病(DN),因其已成为糖尿病病人尤其是年轻的1型糖尿病病人死亡的重要原因。正常肾小球基底膜(GBM)与系膜基质为胶原糖蛋白构成,胶原的所有肽链都能参与葡萄糖介导的这种共价交联,形成稳定的分子构型。糖尿病高血糖时,由于胶原蛋白过度糖化,使肾小球基底膜胶原生成增加,降解减慢,导致肾小球基底膜增厚和系膜基质增加,以致造成肾小球硬化症。
3.蛋白激酶C激活
一般情况下,血管内皮细胞对葡萄糖的摄入是非胰岛素依赖的。
糖尿病时,随着血糖水平的增高,已糖激酶难以发挥作用,而耗氧低的无氧代谢——糖酵解代谢增强,造成细胞内糖酵解代谢的中间产物乳酸和二酯酰甘油(DAG)增多(图3)。增多的DAG是蛋白激酶C(PKC-β、PKC-δ)活化的主要原因。PKC是体内信号传导系统的重要组成成分。PKC-β、PKC-δ被DAG激活,可产生一系列生物功能变化。如:一氧化氮合酶(eNOS)活性降低和内皮素-1(ET-1)增加可致血流异常;血管内皮生长因子(VEGF)增多,改变了内皮细胞的屏障功能,使血管通透性增加;转化生长因子-β(TGF-β)增加促使胶原和纤维结合蛋白增加,可造成毛细血管闭塞;纤溶酶原激活物抑制物-1(PAI-1)增加可导致纤维蛋白溶解降低,造成血管闭塞;更重要的是核因子-κB(NF-κB)的激活,导致炎症因子产生,促进了促炎症反应的基因表达;NADPH氧化酶活性增强,使ROS增加,促发多种氧化效应。因此,炎症因子的产生是在氧化应激的基础上由于PKC的激活,再通过氧化应激导致的一系列变化。
4.己糖胺通路(HBP)激活
在生物体内,葡萄糖无法自由通过细胞膜的脂质双层结构,必须借助于细胞膜上葡萄糖转运蛋白(GLUT、SGLT)的作用,因此,葡萄糖转运蛋白是调控细胞糖代谢的第一道关卡。细胞内己糖胺通路是细胞糖代谢的途径之一(图4),参与调节细胞糖代谢信号途径,是调节葡萄糖转运蛋白功能的枢纽,参与胰岛素抵抗的形成。
高血糖时GLUT1过度表达,可能活化葡萄糖己糖胺通路。谷氨酰胺6磷酸果糖乙酰转移酶(GFAT)是HBP第一步反应的限速酶,其催化6磷酸果糖(Fruc-6-P)与谷氨酰胺作用,生成6-磷酸葡萄糖胺和谷氨酸。6-磷酸葡萄糖胺在O-乙酰葡糖胺转移酶(OGT)催化下,与细胞内丝氨酸和苏氨酸作用生成二磷酸尿苷-N-乙酰葡糖胺(UDP-GLcNAc)。过多的GlcNAc可与转录因子的丝氨酸、苏氨酸磷酸化位点结合,从而促进纤溶酶原激活物-1(PA-1)和TGF-β1的产生。
阻断上述途径可以减轻糖尿病并发症。如醛糖还原酶抑制剂可以防止糖尿病引起的神经传导速度减慢,使神经传导速度恢复正常;AGE抑制剂可以阻止糖尿病视网膜病变的晚期结构改变,尤其是近年对PKC抑制剂的研究非常活跃,其已成为药物研究的新热点,PKC抑制剂可以阻断早期糖尿病视网膜病变等。
氧化磷酸化是机体重要的机制,在糖代谢中产生能量,并以ATP的形式储存,以备在关键时刻发挥作用。体内还有一个相反的作用即线粒体解偶联蛋白-1(UCP-1)分离氧化磷酸化的作用。解偶联蛋白家族(UCPs)是线粒体内膜的转运蛋白,具有解离氧化磷酸化偶联的功能,对机体能量平衡涉及的体重(肥胖)、静止代谢率和食物转化效率等性状具有显著的影响。甲亢就是由于UCP-1的发达使能量产生后不能以ATP的形式储存,所以病人消瘦。如果让UCP-1发挥作用,那么高糖的副作用就可消除。即如果过度表达线粒体UCP-1和含锰超氧化物歧化酶(MnSOD),就可以调节线粒体电子传递链,减少高血糖诱发的ROS。所以UCP-1的研究成为内分泌领域用于减肥研究的重要靶点。同样,高表达UCP-1,可以减少对PKC、HBP和NF-κB的激活,降低高糖的毒性作用。
