预防蛋白质糖基化：减轻糖尿病并发症严重程度的潜在治疗物质外文翻译资料

 2023-03-28 17:04:58

预防蛋白质糖基化：减轻糖尿病并发症严重程度的潜在治疗物质

作者：Sharat Sarmah, Atanu Singha Roy*

单位：Department of Chemistry, National Institute of Technology, Meghalaya, Shillong 793003, India

摘要：

背景：晚期糖基化终产物（AGEs）是蛋白质中还原糖和氨基发生羰基化的非酶促反应。体内AGE积累是代谢和病理生理 机制（如肥胖、糖尿病、冠状动脉疾病、神经系统疾病和慢性肾衰竭）进展的关键因素。人体自身的防御机制、 合成抑制剂和天然抑制剂都可以帮助阻止蛋白质的糖化。合成抑制剂具有通过多种途径抑制蛋白质糖基化的潜 力。他们可以通过在蛋白质中添加糖来避免Amadori产品的开发。除此之外，清除自由基和阻断交联形成可能是 其抗糖基化特性的另一种机制。与合成物质相比，天然存在的植物产品被发现相对无毒、便宜且可以可摄取形 式使用。 本文简要介绍了美拉德反应。与AGEs相关的形成、特征和病理学，抗糖基化的潜在治疗方法，糖基化 的天然和合成抑制剂及其可能的作用机制。科学界可以从关于重要分子的综合知识中获益，这将进一步指导新 药物化合物的设计和开发。

关键词：晚期糖基化终末产物；合成抑制剂天然抑制剂植物提取物黄酮

1蛋白质的糖基化：美拉德反应

法国科学家Louis-Camille Maillard于1912年描述了在用氨基酸[1]加热还原糖时，会形成黄褐色。褐变所涉及的一系列复杂反应称为美拉德反应。正如Hodge在1953年所总结的那样，在此期间，与美拉德反应 相关的研究的主要兴趣仅限于食品在较长时间内的着色和调味[2]。在过去的几十年里，科学家们一直致力于研究美拉德反应对生命系统的影响。1955年，首次鉴定出糖化血红蛋白[3]，之后Rahbar于1968年报道了糖尿病患者血液中糖化血红蛋白（HbA1c）水平升高[4]。后来， Monnier和Cerami于1981年报道，在糖尿病中，美拉德反应可能发生得非常迅速，这会加速衰老，并导致白内障和动脉粥样硬化的出现。他们还指出，长寿命的蛋白质，如晶状体和皮肤胶原蛋白，更容易受到非酶糖基化[5]。罗思在1983年明确了糖化血红蛋白的命名为糖化血红蛋白[6]。

在生理系统中，糖基化过程分为两个阶段：早期糖基化和晚期糖基化。最初的步骤包括还原糖可逆地连接到蛋白质的游离氨基上以形成席夫碱复合物，该席夫碱复合物可以进一步进行重排以得到更稳定的Amadori产物。在糖基化的晚期阶段，早期形成的Amadori产物可发生多次重排、氧化裂解和断裂反应，生成活性二羰基中间体，如脱氧葡萄糖、乙二醛（GO）和甲基乙二醛等。其可以与具有比常规还原糖更高反应性的蛋白质反应，并导致形成称为高级糖基化终产物（AGEs） 的稳定异质加合物和交联（图1).这些加合物的形成是不可逆的，一旦形成，它们就会继续在组织中积累。几项生物学研究探索了糖基化的主要后果。糖基化不仅会影响蛋白质，还会影响其他含有游离氨基的生物大分子，如磷脂、脂蛋白和DNA[7]。已知糖基化也会影响蛋白质的功能特性。在高血糖症中发现糖化的人血清白蛋白、血红蛋白 和转铁蛋白的量升高。这些蛋白质是重要的载体蛋白，具有在体内运输不同溶质的能力[8-11]。糖化转铁蛋白中的氧化还原活性铁也被认为有助于内皮细胞的氧化细胞损伤[12]。

图1.蛋白质糖化作用的示意图。

蛋白质不稳定性是生物制药和生物技术中的一个严重问题。增强蛋白质耐热性在产生重组药物和提高生物反应器效率方面具有优势。与未处理的HSA相比，含有葡萄糖的修饰的HSA结构域表现出对热去折叠的强抗性。在不同温度下加热后，GHSA比HSA具有更大的热可逆性和二级结构恢复。糖基化过程中内交联的发展增强了HSA结构域的耐热性[13]。 蛋白质的寿命可以通过提高其可逆性和稳定性来延长。糖化蛋白在许多组织中的寿命延长可能是其细胞毒性作用的原因，并有助于许多疾病的发病机制，包括糖尿病并发症[14]。由于氧化应激，白蛋白糖基化也与游离巯基的减少和碳酸化蛋白的增加有关。糖基化过程可能导致环状电子的芳香酸残基暴露，这也可能导致吸收的变化[15，16]。糖基化后的荧光发射曲线也有一些实质性的改变。作为糖化的结果，色氨酸废物的 排放减少了。这种观察可能是由于沿着色氨酸侧链的局部变化[17，18]。修饰HSA中的alpha;-螺旋含量从天然HSA的55%降至48%，而糖化HSA中的beta;-折叠含量从天然HSA的5%升至10%[18]。研究发现，还原糖与HSA的连接会导致糖化HSA中OH基团的伸缩振动增加[19]。

蛋白质的糖化也伴随着不同的氧化过程。然而，没有证据表明前者发生后是否会发生另一种情况，反之亦然。已经报道了许多AGEs形成的途径，但对糖基化过程中形成的产物的化学性质仍然知之甚少。Wolff[20]报道，葡萄糖可能导致蛋白质的自氧化糖化，随后发生过渡 金属催化氧化，形成更具反应性的物质，如脱氧葡糖醛酮，这可能引发进一步的美拉德反应。在体外葡萄糖存在的情况下，AGEs的产生和蛋白质构象的变化可以使用具有捕获金属、自由基的能力的螯合配体来抑制，这进一步证实了在葡萄糖修饰的蛋白质糖基化中发生的氧化过程的参与[20]。Namiki在1983年解释了另一种机制途径（图 1）对于AGEs的产生， 其涉及在Amadori产物形成之前席夫碱产物的碎裂以形成反应性二羰基物质如乙二醛和甲基乙二醛，这增强了自由基物质的形成 [21]。Hodge解释了Amadori产物自动氧化引起的AGEs的产生（图1) [2].。另一项研究发现，Nε-果糖胺取代肽的降解方式是不相关的二羰基化合物[22]。糖尿病现在被认为是一种代谢紊乱，其特征是由胰岛素缺乏、胰岛素抵抗或两者共同作用引起的高血糖。持续性高血糖是糖尿病肾病、神经病变、血管病变、衰老等并发症的关键因素。大多数并发症是主动或被动地由于蛋白质降解、蛋白质功能退化、糖基化产物在功能组织中的积累以及最终的细胞死亡。研究人员一直致力于开发在温和条件下具有 良好底物选择性和高催化效率的酶模拟物。合成葡萄糖传感器与胰岛素复合物结合，可实现检测血糖水平和释放胰岛素的双重目标[23-25]。 然而，与天然酶相比，所有这些过氧化物酶模拟物都具有较低的催化活性和选择性。结果是，仍然需要更多的尝试来创造具有改进的过氧化物酶样活性的新型人工酶。

2. 晚期糖基化终末产物

AGEs是在糖基化过程中产生的复杂、异质加合物，主要以其棕色和 光特征为特征。已经确定了许多年龄，多年来在体内和体外条件下表征；尽管如此，与这些相关的化学物质还不清楚。Nε-羧甲基赖氨酸（CML）是第一个从糖化蛋白中分离出来的。体内试验。它来源于赖氨酸残基，已在皮肤胶原蛋白[26]、晶状体[27]、血红蛋白[28]和人血清白蛋白[29]中检测到。戊糖苷是一种精氨酸-赖氨酸交联产物，是体内美拉德反应的第一个交联产物[30]。AGEs的积累是由许多因素驱动的，例如蛋白质的周转、羰基底物的性质和反应性、蛋白质中糖基化倾向残基的可用性、高血糖的持续时间等。AGEs的累积速率可能与蛋白质的寿命和周转有关。软骨胶原的半衰期为117年，与皮肤胶原的半衰期为15年相比，软骨胶原与更高水平的AGEs聚集有关[31]。在发现糖尿病患者糖化HbA1c升高后，研究证明，糖基化在高血糖条件下发生非常迅速，也会导致细胞外蛋白的糖基化[32]。在生理条件下，食品和蛋白质的二羰基和还原糖的反应性质也已确定[33,34]。在所使用的15种单糖中，发现葡萄糖的反应性最低，并且发现醛糖的反应性高于酮糖。葡萄糖的最小反应性可能是由于吡喃糖环结构的高稳定性，其在溶液中与开链结构平衡存在[35]。另一个与糖化程度相关的重要因素而AGEs形成是可利用的游离氨基的数目。亲核残基如赖氨酸、精氨酸和半胱氨酸是蛋白质糖基化的优先糖基化位点，这意味着具有较高数量这些残基的蛋白质极易发生糖基化。最近的一份报告表明，早期糖基化和糖氧化对总AGE产量的影响很小。相反，大多数AGEs是通过自动氧化途径产生的[36]。根据其物理和化学性质，将年龄分为四组：（I）荧光交联年龄，（II）非荧光交联年龄，（III）荧光非交联年龄和（IV）非荧光非交联年龄。

图2.一些常见年龄的化学结构。

图3.AGEs及其相应的羰基前体。

戊糖苷是第一个分离出来的荧光交联 AGEs。除戊糖苷外， Vesperlysine、Crossline、Pentodilysine和Agexi已在体外鉴定，其 中Crossline和Vesperlysines也在体内鉴定[37，38]。它们只占生理条件下形成的AGEs结构总量的1%[39]。因此，体内形成的大多数AGEs交联本质上可称为非荧光的。已经鉴定了许多非荧光交联的 AGEs，包括咪唑双赖氨酸交联，如乙二醛-赖氨酸二聚体（GOLD）、甲 基乙二醛-赖氨酸二聚体（MOLD）和其他交联，如精氨酸-赖氨酸咪唑（Ali）和烷基甲酰糖基吡咯（AFGPs）[40，41]。精氨酸是一种典型的荧光非交联AGEs，在丙酮醛和精氨酸之间的反应中形成[42]。羧甲基赖氨酸（CML）、羧乙基赖氨酸（CEL）、吡咯和咪唑啉酮属于非荧光非交联AGEs家族，已被广泛研究，可用于监测高血糖条件下糖基化产物的积累程度。 CML是体内发现的最主要的AGEs，并且被用作AGEs积累的生物标志物。它可以在葡萄糖与赖氨酸的反应中形成，也可以在乙二醛与赖氨酸的反应中形成。在晶状体、皮肤胶原和糖尿病患者的尿液中 发现了这种糖化赖氨酸衍生的AGE[43-45]。一些年龄的化学结构如图2所示。AGEs在许多脂肪族中通常相互连接的芳香和杂环结构。这允许根据其前体和羰基中间体对 AGEs进行分类。图3说明了AGEs及其相应的羰基前体。

2.1 AGES的外源性来源

虽然AGEs主要在体内产生，但也可能来自外源性。在食品的生产和加工过程中，食品的热处理会产生AGEs[46，47]。富含蛋白质和碳水化合物的食物通常含有较高的AGEs。这些饮食中的AGEs在体内被吸收，并与循环和组织AGEs水平相关。吸烟者的血清中含有较高水平的AGEs，而不考虑高血糖，因为香烟烟雾中含有糖毒素和活性二羰基化合物，如乙二醛和甲基乙二醛，它们进入血流并加速AGEs的产生[48]。控制饮食中AGEs的摄入可显著降低循环中的AGEs水平，进而减少糖尿病相关病理的进展[49，50]。

2.2 年龄的表征

由于AGEs的异质性和复杂性，它们的化学和物理性质多种多样，因此，它们的检测变得非常具有挑战性。这些年龄最初以其棕色荧光性质为特征；然而，只有极少量的年龄是荧光的。为了表征AGEs，进行了不同的仪器技术以及基于免疫学的分析。一些基于仪器的技术是（I）荧光光谱，（II）高效液相色谱质谱联用（LC-MS），（III）气相色谱-质谱联用（GC-MS）和（IV）亲和色谱。免疫学检测主要包括ELISA（酶联免疫吸附试验）和Western blotting[51]。

表1. 不同年代的检测部位和技术。

荧光年龄可以通过荧光光谱技术来表征。使用370 nm的激发波长和 440 nm的发射最大值可以确定多种年龄[52]。自发荧光技术也可用于确定皮肤中存在的AGEs的量，其采用370nm的UV辐射直接进入皮肤，并使 用便携式光谱仪测量440nm的发射[53]。光谱自发荧光技术是一种无创、快速、准确的技术。然而，在所获得的结果中的主要贡献主要是由于荧 光年龄。该技术还涉及内源性荧光团（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）的荧光，因此需要进一步改进以增强其在临床应用中的相关性[54，55]。 GC–M是另一种用于测定尿液和食物中CML和CEL的复杂技术，与荧光技术相比，它具有更高的灵敏度和更好的准确性[56]。然而，这种技术相当昂贵，并且需要有经验的人员来执行，因此它还没有被广泛用于年龄分析。这些色谱技术与质谱联用是检测AGEs的非常可靠的工具，但非常昂贵。LC-MS是另一种可用于检测大范围AGEs的技术，但昂贵、耗时 且仅可用于测定具有已知生化结构的AGEs[57]。相比之下，免疫学方法 具有操作简便、检测快速、灵敏度高等优点，被广泛应用于AGEs的检测。ELISA已广泛用于测定不同生物和食品样品中的AGEs。缺乏抗体特异性和干扰无糖基化加合物是这些技术的一些限制[58,59]。表1列出了检测AGEs的不同技术。

2.3 与年龄相关的并发

已经发现AGEs的积累在高血糖条件下加速，并涉及与糖尿病并发症相关的各种病理疾病。AGEs的累积可能

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