影响蛋白质糖化Glycation的因

第三篇

影响糖化(Glycation)的因素

体外实验中，多种因素对糖化反应会产生影响，低水含量条件下有利于糖化反应，因为反应的第一步是脱水。然而，如果水含量太低，糖化反应可能会受到抑制。在碱性环境中，由于蛋白质中碱性游离氨基的反应性增加，美拉德反应加速。

低pH值可导致烯醇化，生成糠醛及其衍生物。反应速率受温度的影响较大，反应速率随温度的升高呈指数增长。温度也会影响形成的化合物的性质，高温会导致黑色素的形成。这些产物不能通过内源性糖化在37°C下合成。一般说来，金属离子也能促进糖化反应。

此外，抗氧化剂如a-生育酚和丁基羟基茴香醚的存在会减缓糖化反应。只有位于蛋白质N端的氨基酸或带有氨基酸侧链的氨基酸(赖氨酸、精氨酸和组氨酸)是糖基化的靶点。

生命周期较短的蛋白质，其糖化会形成早期糖化产物，如Amadori产物。这是因为这些蛋白质的快速转化，意味着形成AGEs的时间不够，因为这一缓慢的过程需要几周甚至几个月的时间。

相反，其他类型的蛋白质，例如I型胶原更新缓慢，在包括皮肤在内的许多器官的结缔组织中都很丰富，这意味着可以发生完全的糖化反应，导致高级糖化终末产物AGEs的形成。碳水化合物的反应性随着其分子量的增加而降低。因此，戊糖比己糖活性更强。在人体中最常见的碳水化合物具有低反应性，这是由于它们极其稳定的循环结构。

图7.AGEs的生化反应过程形成、信号传递和导致病理效应的分子信号转导OxidativeMedicineandCellularLongevityVolume,ArticleID,18pages内源性糖化(Glycation)产物在有害机制中的作用

糖化反应会影响身体的所有蛋白质，包括循环蛋白、胞外蛋白和胞内蛋白。其中几个例子包括血红蛋白、白蛋白、胰岛素、免疫球蛋白、低密度脂蛋白(LDL)和胶原等。一些受影响最大的蛋白质是那些直接接触血液和血糖的蛋白质，如白蛋白、胰岛素、血红蛋白、免疫球蛋白、脂蛋白和纤维蛋白原。其他带有氨基的分子，包括DNA，核苷酸等也是糖化的靶标。此外，生命周期长的分子特别容易发生糖化，因此糖化终末产物的最大积累发生在这些特定的蛋白质中。所以说，糖化蛋白的潜在有害性质取决于其生命周期的持续时间。

虽然生命周期短的糖化蛋白影响不大，但生命周期长的糖化蛋白可以导致AGEs的形成。这些产物不易从体内排出，在糖毒性中起着重要作用。细胞外基质中的蛋白质，包括各种类型的胶原和弹性蛋白，就属于这种情况。这些分子的更新速度相对较慢，从几个月到几年不等。最后，一些糖化产物形成分子间交联。戊二胺就是这些交联产物之一，它会形成蛋白质聚集体，并在体内累积。此外，一些糖化产物可以通过刺激AGE受体(称为晚期糖化终末产物受体(RAGE))来触发细胞生产炎症因子。

图8.糖化反应在体内生成的所有AGEs是及其四种代谢途径的

糖化引起的蛋白质、脂蛋白和DNA结构变化及其结果

蛋白质修饰

当碳水化合物通过固定过程附着在蛋白质上时，蛋白质的结构和物理特性就会改变。改变后的蛋白质可以对某些酶产生抵抗力，而这些酶是未糖化蛋白质的底物，导致蛋白质的积累。比如，细胞外基质中的糖化蛋白对蛋白水解不太敏感。再如，动脉壁内的糖化胶原纤维会对重塑酶产生抵抗力。结果导致这些蛋白质堆积，不可逆转地增厚血管壁。糖化蛋白还可以通过NADPH氧化酶诱导内皮祖细胞凋亡，促进动脉粥样硬化。

在组织内，糖化通过三种不同的机制形成蛋白质聚集体：

糖化最终产物之间形成共价键

巯基氧化成二硫键

在蛋白质内形成新的反应性基团。由AGEs形成的化学桥还能导致蛋白质发生交联(组装)形成网状结构，这种现象发生在细胞外基质内，并显著增加结构刚性。糖化还可以抑制某些蛋白质的生物学效应，如激素(如胰岛素)、生长因子和抗菌肽(如溶菌酶和乳铁蛋白)的作用[25-30]。

导致胰岛素信号缺陷

糖化参与胰岛素抵抗的细胞机制。此外，胰腺细胞或血液中的糖化胰岛素使维持葡萄糖的稳态水平和刺激脂肪生成作用变得更加困难。另有几项研究表明，糖化白蛋白和甲基乙二醛(糖化中间体)降低了胰岛素与靶细胞上的受体结合时所触发的生物反应。

糖化也会降低胰岛素的分泌，而AGEs也直接影响胰腺，为氧化创造条件，导致分泌胰岛素的β细胞功能障碍和死亡。所有这些因素都会导致2型糖尿病患者出现慢性高血糖，这种高血糖反过来会增加病理性糖化蛋白的合成。

导致酶活性抑制酶的糖化引起酶活性位点附近的构象变化，对氧磷酶是一种与高密度脂蛋白相关的血浆酶，它可以防止低密度脂蛋白的氧化，并中和氧化的磷脂，从而对抗动脉粥样硬化斑块的形成，糖化作用会抑制这种酶的活性，从而导致高血压或潜在的血栓形成。

此外，酶的糖化可以抑制体内的抗氧化过程。这是由于铜锌超氧化物歧化酶等抗氧化酶发生糖化反应抗氧化能力下降。此外，另一种酶，谷胱甘肽还原酶，是一种具有解毒特性的强大的抗氧化分子，发生糖化反应时仅能产生较少的细胞内谷胱甘肽。

引起核苷酸的变化糖化产物可以与核苷酸中的氨基反应导致DNA链断裂或突变，从而导致异常蛋白质的产生。在转录过程中，许多表观遗传机制影响染色质的凝聚和基因的可及性。组蛋白和DNA的变化会引起显著的生物学作用改变[38，39]。例如，当真皮成纤维细胞培养过程中暴露于甲基乙二醛或乙二醛时，会形成DNA-蛋白质交联和细胞DNA断裂，从而延缓细胞生长。导致免疫系统缺陷

由于免疫球蛋白是受糖化影响最大的蛋白质家族之一，因此糖化会对正常的免疫功能产生有害影响。其中一些类型的免疫球蛋白所受的影响较大，由于其氨基酸组成不同，免疫球蛋白M的糖基化程度比免疫球蛋白G高两倍。

糖化导致与补体激活有关的Fc片段功能受损，因此糖化免疫球蛋白G在免疫功能中的作用较差，这一过程可能会导致糖尿病患者的免疫抑制，使他们更容易受到感染。

然而，这种类型的免疫缺陷更多是由于两种自然杀伤细胞亚型的减少，这两种细胞通常会吞噬病原体，而且效率降低。最近的研究还表明，免疫现象与糖尿病受试者的微生物群之间存在联系。

蛋白质的糖化改变了它的组成，也能激发其免疫反应。然后，免疫系统产生针对修饰蛋白的抗体。这也可以用来解释在糖尿病和健康受试者中可观察到针对AGEs的抗体的现象。

糖化免疫球蛋白G抗体以及针对它们的免疫球蛋白M自身抗体也可能与类风湿性关节炎的病理生理学相关。

此外，自身抗体可以与循环中的AGEs结合并形成免疫复合物，在糖尿病患者的血液中可以发现高浓度的AGEs。抗体糖化低密度脂蛋白复合物导致动脉粥样硬化，而动脉粥样硬化是糖尿病血管并发症的根源。

脂蛋白变化

糖化低密度脂蛋白在糖尿病患者中尤其丰富。这种分子的糖化通常伴随着氧化，这会加剧促动脉粥样硬化的氧化低密度脂蛋白在血液中累积。巨噬细胞通过其巨噬细胞清道夫受体与糖化的低密度脂蛋白结合，分化成泡沫细胞，进而促进动脉粥样硬化斑块的形成。

此外，低密度脂蛋白在糖化过程中发生的变化使这些脂蛋白具有免疫原性，促使其形成免疫复合物在血浆中积累。胆固醇向高密度脂蛋白的转运也会减少，因此胆固醇从组织到肝脏的有益流动因此也会减少。

糖化(Glycation)产物的修复和消除

关于糖化蛋白修复的潜在机制，有几种假设。事实上，存在两种细胞内的抗糖化系统可以将糖化的蛋白质恢复到它们最初的形式。然而，这些机制只作用于Amadori产物，不能改变AGEs。

第一个系统被称为转糖作用，它将糖化蛋白中的碳水化合物部分分离出来，并在非酶过程中将其转移到由游离氨基酸组成的亲核细胞中，清除这一部分可以使蛋白质恢复到原来的形状。但是，这些亲核试剂，包括谷胱甘肽，具有抗糖化作用。其他分子，如吡哆胺和牛磺酸，通过不同的分子过程对抗糖化。

第二种修复机制是通过果糖胺-3-激酶，这是一种催化果糖赖氨酸等糖基化中间体修复的酶。因此，果糖胺-3-激酶限制了红细胞中糖化血红蛋白的形成。然而，细胞内的糖化蛋白不会被细胞清除，它们仍然存在，并可能集中在细胞和组织中，并破坏细胞和组织。

细胞内糖化的累积触发一系列功能障碍，最终可能导致细胞凋亡。胞外糖化产物也可被蛋白酶分解，它们通过肾脏消除因此直接依赖于肾功能，在慢性肾功能衰竭中，血液种的糖化成分会在血液和组织中积聚。

事实上，肾透析患者的血浆AGEs浓度比健康患者高约40倍。此外，如前所述，细胞外基质的重塑酶对糖化蛋白的降解效率较低；这种现象的一个例子是基质蛋白对糖化胶原的有效性降低，这可能在一定程度上解释了皮肤等软组织生物力学特性的丧失。

血液循环的糖化产物在肝脏中被各种肝细胞如肝窦细胞和库普弗细胞(位于肝脏的常驻巨噬细胞)清除。此外，老年患者也深受糖化的有害影响，这是因为老年患者的组织在他们的一生中通过基础糖化积累了更多的糖化产物。

糖化(Glycation)和氧化：影响糖尿病并发症和衰老的两种相关机制

糖化过程中的每一步，从初始阶段到中间步骤，一直到最后阶段，都会产生自由基。糖化过程中合成了许多促氧化分子，包括反应性乙二醛、甲基乙二醛和3-脱氧葡萄糖酮。许多糖化产物，如Amadori产物和AGEs，会诱导产生大量的自由基与氧反应。

糖化产物对RAGE的刺激也会导致氧化应激[22]。RAGE是一种45kDa的跨膜受体，可与多种配体结合，属于免疫球蛋白超家族。该受体由一个胞外区、一个跨膜区和一个短的胞内区组成，而胞内区是转导作用所必需的。

它存在于内皮细胞、淋巴细胞、单核细胞、成纤维细胞、中性粒细胞、神经元、平滑肌细胞、毛细血管周细胞等多种细胞中。RAGE是唯一能够诱导细胞内信号转导的AGE受体，这是导致多种有害效应的原因。

此外，存在于血流中的缺乏跨膜和细胞内片段的受体异构体，被称为晚期糖化终末产物的可溶性受体(sRAGE)。有两种类型的可溶性受体（sRAGE）：即全长RAGE的蛋白水解产生的循环受体(催化RAGE)和全长RAGE的mRNA选择性剪接产生的循环受体。

可溶性受体（sRAGE）在血液中循环并与AGEs结合，从而限制了AGEs与RAGEs结合时所引起的病理效应。这些可溶性受体似乎比全长受体更容易与配体结合，起到诱饵的作用。

在动物试验中，sRAGE可以阻止各种病理的发展，如心血管疾病、大脑功能障碍，甚至癌症。研究显示，2型糖尿病患者的循环sRAGE水平比健康患者低，因此糖尿病患者可能更容易受到AGEs造成的损害。

RAGE也可以被其他分子激活，例如：-S/钙颗粒蛋白家族，包括促炎和促氧化多肽；-淀粉样肽，与阿尔茨海默病有关，通过淀粉样前体蛋白的剪接产生；-高迁移率族蛋白-1(HMGB)或两性霉素，某些细胞在应激条件下受到刺激时分泌的一种核蛋白。它与RAGES结合促进胶质瘤(脑瘤)的生长和侵袭,两性霉素还通过激活RAGE影响胶原合成，导致愈合受损。

RAGE通常以较低水平存在于各种成人组织中，但肺和皮肤组织除外，在这些组织中RAGE高表达。

年龄与AGE受体（RAGE）的结合可通过一系列信号级联在细胞水平上产生影响。在结合过程中，转导首先通过形成活性氧来触发氧化机制，然后激活Rasp21蛋白和MAP激酶以及转录因子NF-kB，从而激活与炎症有关的各种基因。随后，内皮细胞表达注入促炎细胞因子、白细胞介素(IL)-1α、IL-6和肿瘤坏死因子-a；趋

化因子，如单核细胞趋化蛋白-1；以及与凝血、血管收缩(内皮素-1)、白细胞募集和细胞粘附(血管细胞粘附分子-1)相关的蛋白。然后，招募的白细胞释放属于AGE受体（RAGE）配体的细胞因子，即S/钙颗粒蛋白和HMGB蛋白。

因此，AGE受体（RAGE）的激活和过度表达是自我维持的，从而维持一种趋向于慢性的炎症反应。在神经元、肾足细胞、真皮成纤维细胞等表面组织的AGE受体（RAGE）被激活，也会造成相同的促氧化和促炎条件。因此，糖化和氧化是两种密切相关且相互支持的有害机制。

到目前为止，还鉴定了其他几种AGE受体，包括AGE受体复合体和清道夫受体家族的一些成员。此外，目前正在研究年龄-RAGE复合体的结构生物学，以更好地理解不同年龄对AGE受体（RAGE）信号的影响[69]。

糖化(Glycation)和皮肤老化

随着年龄的增长，皮肤会变得干燥、纤薄、弹性降低，还会出现暗斑和皱纹。皮肤的感官能力也会发生变化。毫无疑问，皮肤老化受到烟草、暴露于紫外线(UV)、污染和生活方式等外界因素的强烈影响。

AdvancedGlycationEndProducts(AGEs):Biochemistry,Singnaling,AnalyticalMethods,andEpigeneticEffects,OxidativeMedicineandCellularLongevity,Volume老年患者皮肤的特征是表皮较薄，真皮乳头缺乏，真皮细胞外基质萎缩和紊乱(包括胶原纤维碎裂和增厚、变性的弹性纤维)。紫外线通过多种机制加速皮肤衰老(诱导氧化应激，增加金属蛋白酶的产生等)。当老化的皮肤暴露在日光中时，其特征是变性弹性纤维的积累更为明显(日光弹性增生症)。而糖化是一个以多种方式加剧皮肤老化的过程(参见表1和图3)。随着年龄的增长，AGEs在真皮和表皮的细胞外基质中逐渐累积，它们与细胞外基质的“长寿”成分如胶原和弹性蛋白纤维结合，并在分子间的连接中发挥作用。糖化会改变皮肤的物理属性，使其更坚硬，弹性更小。值得注意的是，AGE受体（RAGEs）集中在皮肤，特别是角质形成细胞、成纤维细胞和树突状细胞中。激活AGE受体（RAGEs）有助于细胞活动的改变以及细胞因子和生长因子的产生[-]。体外研究表明，表皮中的AGEs可以破坏角质形成细胞的迁移和增殖，从而导致皮肤自我修复能力下降，并损害伤口愈合。此外，AGEs的积累会对皮肤色素沉着及其光学表现产生直接或间接的影响。体外研究还表明，当CML与皮肤胶原结合时，通过激活AGE受体（RAGEs）刺激人成纤维细胞凋亡。因此，AGEs可以促进细胞衰老和凋亡的过程，因此在皮肤衰老过程中可观察到的细胞丢失。

糖化(Glycation)对皮肤衰老的影响——汇总

GlycationDamage:APossibleHubforMajorPathophysiologicalDisordersandAging，Volume9,Number5;-,October

AGEs似乎还通过改变细胞外基质中分子的合成同时影响基质金属蛋白酶(MMPs)的合成和活性并改变皮肤稳态。使用三维重建皮肤模型(真皮切片中胶原被糖基化修饰)的体外研究显示，包括基质金属蛋白酶的合成受到干扰，基底膜区的IV型胶原和层粘连蛋白增加，表皮上基底层的α6和β1整合素扩张。然而，这些修饰需要在活体老化皮肤中得到证实。

细胞内的分子也会受到糖化的影响。糖化在体外会降低蛋白酶体酶的活性。糖化也阻碍了异常蛋白质的降解和破坏。这种形式的糖化也降低了三维胶原凝胶中成纤维细胞/肌成纤维细胞的收缩特性，这表明细胞-基质之间的相互作用也发生改变。

UVA射线通过产生糖化产物(戊糖苷)和其他各种复杂的机制导致自由基的形成。戊二醛会产生有害的自由基。糖化会降低过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等天然保护酶的活性。因此，人体对活性氧的天然防御系统被削弱，从而逐渐表现出衰老的迹象。

慢性粒细胞白血病和改良的弹性蛋白都可以在受太阳弹性增生症影响的区域发现，这表明AGEs可能是太阳弹性增殖症的部分原因。

Figure.Diagramoftheeffects(suggestedbyvariousstudies)ofglycationonskinaging.

糖化作用对衰老的影响通路

GlycationDamage:APossibleHubforMajorPathophysiologicalDisordersandAging，Volume9,Number5;-,October

Reference:

1糖基化(Glyeosylation)和糖化(Glycation)，王克夷(中国科学院生物化学研究所)

2（FournetM.,etalGlycationdamageandaging，AgingandDisease?Volume9,Number5,October889）

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