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对葡萄糖转运蛋白的讨论

来源:国外医学临床生物化学与检验学分册
摘要:葡萄糖转运蛋白是细胞转运葡萄糖的载体。研究发现,葡萄糖转运蛋白(后简称GLUT)是一个蛋白家族,包括多种蛋白,它们在体内的公布以及与葡萄糖分子的亲合力差异显著。其中GLUT2和GLUT4尤为重要。GLUT2是胰岛B细胞膜上的转运蛋白,在血糖浓度升高时,促进GLUT2对葡萄糖的转运功能,继而刺激胰岛素释放。...

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  葡萄糖转运蛋白是细胞转运葡萄糖的载体。研究发现,葡萄糖转运蛋白(后简称GLUT)是一个蛋白家族,包括多种蛋白,它们在体内的公布以及与葡萄糖分子的亲合力差异显著。其中GLUT2和GLUT4尤为重要。GLUT2是胰岛B细胞膜上的转运蛋白,在血糖浓度升高时,促进GLUT2对葡萄糖的转运功能,继而刺激胰岛素释放。GLUT4在脂肪细胞和肌细胞中表达,胰岛素刺激GLUT4在脂肪细胞和肌细胞或表达,胰岛素刺激GLUT4分子转移到细胞膜上,促进葡萄糖分子的转运过程。GLUT2和GLUT4分子的研究对于糖尿病的胰岛素释放障碍和胰岛素抵抗有重要意义。

  1 GLUT的分类

  除了肾和肠道有能量依赖性的钠-葡萄糖协同转运外,其它大多数细胞都有非能量依赖的转运体存在。它们将葡萄糖分子从高浓度向低浓度载过细胞膜。现已发现至少存在五种这样的转运蛋白,它们对葡萄糖的转运有各自不同的特点,分为GLUT1、GLUT2、GLUT3、GLUT4和GLUT5。

  GLUT1分子在人类所有组织中均存在,它调节葡萄糖摄取。它对葡萄糖分子有很高的亲合力,因此在相对低浓度葡萄糖的状态下也能转运葡萄糖分子。由于这个原因,GLUT1是一种重要的脑血管系统成分,保证足够血浆葡萄糖分子转运进入中枢神经系统。

  与GLUT1不同,GLUT2分子对葡萄糖亲合力极低,似乎仅在血浆葡萄糖水平相对较高时才作为转运体发挥载体功能。例如饭后,胰岛B细胞和肝细胞中起葡萄糖转运功能的分子就是GLUT2。这种生理功能抑制了正常状态或饥饿条件下肝脏对葡萄糖分子的摄取和胰岛素不正常分泌。OgawaY等人研究发现,对于Ⅱ型、Ⅰ型早期糖尿病人和胰腺移植失败的病人,在血糖浓度升高时,普通B细胞中GLUT2分子的表达有所下降。因此他们得出结论:对于上述病人,高血糖通过对GLUT2的下调作用减少葡萄糖诱导的胰岛分泌,加重病情。虽然,GLUT2分子是葡萄糖刺激胰岛素分泌的一个关键因子,但其他环节如糖激酶异常,ADP-核糖生成障碍等均与胰岛素分泌障碍有关,因此上述实验只能说明GLUT2分子在胰岛B细胞的葡萄糖转运中起着重要作用,其它结论还有待研究。

  GLUT3分子在所有组织中均已发现,主要作为神经元表面的葡萄糖转运体,它对葡萄糖分子也有高亲合性,负责将葡萄糖从脑脊液转运至神经元细胞。

  GLUT4主要存在于骨骼肌、脂肪细胞的胞浆中,一般情况下,不能起转运葡萄糖的作用,仅在胰岛素的信号刺激下,才能通过易位作用转运到细胞膜上,促进饭后葡萄进入上述组织中储存起来。

  GLUT5在人类小肠刷状缘上表达,主要作为果糖转运体,在肝脏也高度表达。

  2 GLUT4分子是研究的一个热点

  糖尿病的发病机制归纳而言无外乎两个方面,一是胰岛素分泌不足,二是胰岛素抵抗。胰岛素抵抗的结果,血浆中胰岛素水平虽高,但血糖浓度还是比正常情况高。葡萄糖转运机制障碍是胰岛素抵抗的一个重要方面,也是现今研究的一个热点。

  在骨骼肌和脂肪细胞,胰岛素刺激葡萄糖转运过程如下:首先胰岛素与细胞膜上的受体结合,然后通过至今仍不明确的信号传递过程使含有GLUT4分子的囊泡从胞内池移动到细胞膜,然后与膜融合,将GLUT4分子固定在细胞膜上,从而发挥转运葡萄糖等C1-C3位置有相同结构的其它糖分子(如L-阿拉伯糖、D-木糖、半乳糖)的作用。

  胰岛素抵抗虽然包括GLUT4转运活性的下降,但这种缺陷是否是GLUT4分子数量不足引起的呢?Garvey wT等人研究证实,无论是在糖尿病人还是非糖尿病患者,只要存在胰岛素抵抗,GLUT4的数量并无明显减少,但GLUT4的易位作用发生了障碍,它们在高密度膜区异常积累,但不能转移到细胞膜上。这种现象在骨骼肌细胞和脂肪细胞中均已被发现。所以胰岛素抵抗的机制之一可能是GLUT4分子易位障碍,而不是合成、释放不足。

  既然GLUT4分子在葡萄糖转运过程中如此重要,它是如何发挥作用的呢?GLUT4分子镶嵌在细胞膜的脂质分子双层中,通过构象改变将葡萄糖分子运进细胞内,而不是借助蛋白本身的运动。即所谓的“ping pong”机制。这种构象改变可能与GLUT4分子的磷酸化、去磷酸化有关。JE-Reusch等人在脂肪细胞培养液中加入PTH,发现GLUT4磷酸化程度明显增加,而胰岛素刺激的去磷酸化作用显著降低。同时,PTH对GLUT4分子在细胞内分布没有影响。磷酸化的GLUT4分子在内在活性明显降低,可能与其构象改变障碍有密切关系。为了更进一步研究PTH如何使GLUT4分子发生磷酸化过程,N-Begum等人继续做了钙离子诱导的葡萄糖转运抑制实验。在给脂肪细胞加入外源性的ATP或thapsigargir(两药均可增加胞浆内钙离子浓度2~3倍)后,尽管对基础葡萄糖摄取没有多大影响,但胰岛素诱导的葡萄糖转运减低了40%~70%。另外,在用PTH、ATP或thapsigargir培养脂肪细胞前,向其中加入钙通道拮据剂(nitrendipine)和GAMP拮抗剂(RCAMP),则GLUT4的内在活性不会显著下降。以上实验可以得如下结论:GLUT4分子通过胰岛素刺激的去磷酸化过程改变构象,协助葡萄糖分子转运至胞内,PTH通过提高胞浆钙离子浓度,而促进GLUT4分子的磷酸化,从而抑制了其转运葡萄糖的内在活性。

作者: 高磊 刘绛光 2004-9-27
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