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蛋白非酶糖化反应产物——蛋白糖化终末产物(AGEs)(糖尿病学 糖尿病并发症的生物化学研究)

导语:蛋白非酶糖化反应产物——蛋白糖化终末产物(AGEs)属于糖尿病学下的糖尿病并发症的生物化学研究分支内容。本篇围绕糖尿病学 蛋白非酶糖化反应产物——蛋白糖化终末产物(AGEs)主题,主要讲述蛋白质非酶糖化反应,蛋白质等方面医学知识。

除蛋白非酶糖化-氧化反应本身可以造成机体器官形态功能的损伤外,这一反应的产物——蛋白糖化终末产物(advanced glycation end products,AGEs)也是参与糖尿病并发症发生的重要物质。本节将介绍AGEs在体内生成后所经历的一系列过程与作用。

AGEs在体内清除及再循环过程

像体内大多数物质一样,即使是稳定的蛋白糖化产物也有一个被降解清除的过程。进入体内的外源性非酶糖化产物主要通过消化道及肾脏排出。14C葡萄糖和酪蛋白生成的可溶于水的premelanoidins可被层析分为大分子及小分子物质。30%~40%的小分子物质可被吸收并以CO2形式经尿液排出。仅5%~10%大分子物质可被吸收,其余89%~96%经肠道排出。这一研究不仅在食品科学中对评价非酶糖化食品营养价值具有意义,因其可被吸收进入体内转化,还需特别引起临床工作者在指导患者饮食方面的注意。在体内生成或吸收入体内的AGEs可由特异AGEs受体系统及非特异系统降解清除。AGEs受体由一完整的膜蛋白和一lactoferrin样多肽非共价结合组成,有V字型下接两个C字型细胞外区域。为免疫球蛋白大家族中一新成员。这一蛋白质具有高度生物保守性。牛和人之间有90%同源性。

人类AGEs受体基因定位于6号染色体P21. 3附近,免疫组化研究表明AGEs受体系统存在于循环系统中的巨噬细胞、单核细胞、红细胞、血管内皮和肌细胞、肾小球的细胞膜、心、肝脏、肺、肌肉、子宫及脑组织上。其中以骨骼肌细胞上最为丰富。AGEs在和这些细胞上受体结合后可激活细胞内一系列反应而被分解成小分子量的可溶性AGEs多肽,再经细胞外基质成分中蛋白水解作用变成一组小分子量的AGEs修饰物质进入循环系统,经肾脏排出。实验表明血液循环中AGEs多肽水平与肾脏功能有关。AGEs是一类很稳定的物质,机体内存在这样一个特异AGEs受体系统可以便于有效清除这类物质,保证组织器官功能正常。这些被分解的AGEs小分子量的多肽产物中,可能有一类具有高活性的中间产物可与血管壁上或血管内的蛋白靶点结合,如胶原蛋白、脂蛋白导致生成第二代AGEs。这一过程称为AGEs再循环。AGEs再循环被认为与糖尿病并发症中血管病变有密切联系(详见后)。目前认为在体内组织器官上广泛存在的AGEs受体系统,其主要功能为清除体内生长过程中自然产生的AGEs。有关AGEs受体系统存在的生理学意义仍在探索之中。其病理生理意义将在本文后部讨论。

可以这样认为,AGEs可以是在生物发育、生长、衰老过程中产生的一类自然产物。但当其在体内蓄积过多或者当机体处在某些病理生理状况下过量产生时,则成为一类有害物质,如衰老过程中,糖尿病血糖持续升高时可使AGEs增加。这些AGEs及AGEs代谢修饰物可和体内细胞上的成分直接或间接发生作用,甚至是长时间的作用,影响组织器官形态与功能而致病。向正常动物体内注入AGEs可以诱发与糖尿病或衰老类似的病理改变。这使得人们对AGEs所致的病理生理过程更感兴趣。

AGEs的理化、免疫原特性及毒性

理化及免疫原性质

AGEs是一类稳定的棕色物质。其中一些类型有荧光性。小部分不溶于水。在结构上其形态为多样性。迄今为止,已有数个化学结构被确定,如2(2furaldehyde)-4(5)-(2-furanyl)-1H-imidazole(FFI),alkylformyl-diglysoxylpyrrole(AFGP),pyrraline,carboxymethylysine (CML),pentosidme。

糖化血红蛋白的结构也已为人知。体外试验中亦曾获得过两个赖氨酸相互交联并掺入两个碳水化合物的结构,称之为A交联和B交联。但这种结构从未在体内发现过。AGEs作为一类可能与机体病变有密切关系的修饰蛋白质,它的免疫测定研究一直受到重视。应用葡萄糖、6-磷酸葡萄糖、果糖和RNA酶在体外制备的AGEs来免疫动物,其抗血清可和体内生成的AGEs产生交叉反应。表明不同蛋白质被糖所修饰后可能存在某一相同结构,拥有共同的抗原决定簇。但应用此类抗血清不能与上述已知结构的化学AGEs产生交叉反应。这也表明自然产生的AGEs与化学AGEs在免疫结构上的不同。现仍采用多克隆的抗血清来检测循环中AGEs水平。直至目前为止,除糖化血红蛋白、糖化血清蛋白检测方法较为人们熟悉外,还没有商品化的AGEs检测试剂盒问世。

外源性AGEs的毒性作用

非酶糖化反应可发生在食品加工及储藏的过程中,产生的AGEs可随食品进入人体。AGEs也可直接在生物体内产生,它所造成的影响是多方面的。如果糖化反应发生在食品储藏过程中,它可以使食品本身营养价值下降。蛋白质可消化程度、氨基酸和碳水化合物的活性及蛋白质生物价值均有所下降。鸡蛋白蛋白在37℃情况下与等量的葡萄糖共同作用40天后,用以评价营养价值的赖氨酸水平下降57%。另一项指标,蛋白效率比(protein efficiency ratio,PER),指食物可维持生长的能力,在发生非酶糖化反应一天后下降33%,10天后下降63%,在第40天几乎不存在。用这种低PER食物所喂饲的大鼠可以生存,但发育不良,各器官功能欠佳。这一状态并不能完全被在此之后所补充的非糖化食物所纠正。

用含10%糖化的鸡蛋白蛋白喂食大鼠一年,可致大鼠体重明显低于对照组大鼠体重。大鼠体内与糖代谢有关的酶,如乳糖酶、蔗糖酶及麦芽糖酶活性均下降。血糖、血氨、血清转氨酶及酸性磷酸酶活性上升,提示肝脏损伤。免疫组化染色发现,静脉注射糖化白蛋白至非糖尿病兔体内可致兔主动脉粥样硬化损伤。这些作用不能单用食物营养成分减低来解释。用添加了必需氨基酸的糖化食物喂食大鼠同样出现上述病变。这种作用被称为非酶糖化产物的毒性作用。这一毒性作用的强弱与糖化反应时间的长短、棕色产物颜色的深浅没有固定关系。