腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究進(jìn)展

何莞嫣，粟靈皓，宋 卓，王 征

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 401028）

葡萄糖是大部分哺乳動(dòng)物生命活動(dòng)與細(xì)胞能量代謝的主要原料，它在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)與調(diào)控是一系列復(fù)雜的過程，并且受到多種因素的影響。機(jī)體血液中葡萄糖主要來源于消化道的吸收和非糖物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過血液循環(huán)系統(tǒng)被運(yùn)輸?shù)饺砀鹘M織和器官，為它們提供能量和動(dòng)力。由于葡萄糖是一種極性分子，所以它不能以自由擴(kuò)散的途徑來通過細(xì)胞脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)，只能以主動(dòng)運(yùn)輸和易化擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體可以根據(jù)其轉(zhuǎn)運(yùn)的方式分為兩個(gè)家族：SGLTs（sodium dependent glucose transporter）和 GLUTs（facihated glucose transporter）。

1 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)構(gòu)和組織特異性

1.1 Na+-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體

SGLTs有大約450個(gè)成員，分為6種亞基類型，不同的亞型對(duì)底物的親和度和動(dòng)力學(xué)特征都不一樣，因而在整個(gè)葡萄糖穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中扮演著不同的角色。SGLT-1的結(jié)構(gòu)最具代表性，它是一種高親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)體，負(fù)責(zé)D-葡萄糖和D-半乳糖的吸收[1]。不同物種的SGLT-1同源性較高，大小為662～665個(gè)氨基酸，人類的SGLT-1由14個(gè)跨膜α螺旋組成[2]，即 MS1～MS14，它的N 末端在 MS1細(xì)胞外，C末端位于MS14細(xì)胞質(zhì)邊緣。SGLT-1的結(jié)構(gòu)中存在螺旋內(nèi)鹽橋[3]，它的存在能減少細(xì)胞膜上跨膜區(qū)不利的自由能變化。在腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，SGLT-1分別需要與2個(gè)Na+和1個(gè)葡萄糖分子偶聯(lián)，Kanai等研究結(jié)果顯示，在克隆SGLT-1表達(dá)過程中得到的2個(gè)Na+的Hill系數(shù)是不一致的，即SGLT-1有2個(gè)不同親和力的Na+特異性結(jié)合位點(diǎn)[4]。在隨后對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)過程中穩(wěn)態(tài)SGLT-1的研究，也肯定了Na+與載體特異性位點(diǎn)的結(jié)合能增強(qiáng)載體對(duì)葡萄糖的親和力。

1.2 易化葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體

GLUTs的成員較少，包括GLUT-1～GLUT-12以及Na+-肌醇協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)體（HMIT）[5]，它們的分工十分明確[6-7]，負(fù)責(zé)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的是GLUT-1～GLUT-4，而參與果糖運(yùn)輸?shù)膭t主要是GLUT-5、GLUT-7、GLUT-9和GLUT-11。研究表明，GLUTs在結(jié)構(gòu)上都有12個(gè)螺旋跨膜區(qū)（M1～M12），其氨基和羧基末端均位于細(xì)胞質(zhì)一側(cè)，而長度和序列在不同GLUT載體中有所不同。在GLUT的結(jié)構(gòu)中含有螺旋組成的膜內(nèi)水溶性孔道，這些螺旋內(nèi)的氫鍵又可以組成氨基酸側(cè)鏈，進(jìn)而為葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)提供特異性結(jié)合位置，另一部分螺旋則負(fù)責(zé)完成葡萄糖在脂質(zhì)雙分子層兩側(cè)的結(jié)合與轉(zhuǎn)位。在理論上，可用Km值的高低來評(píng)價(jià)GLUT轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)葡萄糖的親和力的強(qiáng)弱。有研究表明，GLUT-3的親和力最強(qiáng)，即使在血糖濃度較低時(shí)也能轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖，而GLUT-2的葡萄糖親和力最弱，其作用是在血糖濃度較高時(shí)幫助肝臟和胰腺β細(xì)胞及時(shí)作出應(yīng)答反應(yīng)，并且在小腸組織中負(fù)責(zé)和SGLTs相互協(xié)作完成葡萄糖的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[8]。

2 腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的跨膜機(jī)制

腸道主要通過兩條途徑來吸收葡萄糖：（1）腸粘膜上的SGLT-1主動(dòng)運(yùn)輸葡萄糖；（2）GLUT順濃度梯度的易化擴(kuò)散。葡萄糖從小腸腔內(nèi)進(jìn)入血液循環(huán)必須通過SGLTs和GLUTs兩類特異性載體相互配合才能實(shí)現(xiàn)。細(xì)胞內(nèi)外Na+濃度梯度的產(chǎn)生，導(dǎo)致細(xì)胞外高濃度的Na+容易與SGLT-1載體上帶負(fù)電荷的位點(diǎn)結(jié)合，提高轉(zhuǎn)運(yùn)載體對(duì)葡萄糖的親和力，從而與葡萄糖結(jié)合形成Na+-載體-葡萄糖復(fù)合物，然后順應(yīng)Na+濃度梯度進(jìn)入小腸上皮細(xì)胞。載體在細(xì)胞內(nèi)與Na+和葡萄糖分離，還原到原始狀態(tài)，重新暴露其特異性結(jié)合位點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)，為了維持細(xì)胞內(nèi)外的Na+濃度水平（細(xì)胞內(nèi) 10～20 mmol/L，細(xì)胞外 140 mmol/L），在葡萄糖運(yùn)輸中進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的Na+會(huì)被細(xì)胞側(cè)基底膜的鈉鉀泵[9]送回到細(xì)胞外。隨著越來越多的葡萄糖被運(yùn)輸進(jìn)來，在細(xì)胞內(nèi)積累到一定程度后，葡萄糖就會(huì)由高濃度向低濃度擴(kuò)散，即通過GLUT-2經(jīng)易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞間隙進(jìn)入血液循環(huán)[10-11]。

3 幾種主要食物多酚對(duì)腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的影響

葡萄糖在腸道的吸收與代謝機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，多種因素參與其調(diào)控過程，比如腸道菌群、相關(guān)代謝酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體等。但是科研人員關(guān)注最多的還是關(guān)于腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體在腸道的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制中負(fù)擔(dān)了約75%葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，在維持機(jī)體血糖穩(wěn)態(tài)方面起著關(guān)鍵作用[12]。根據(jù)葡萄糖在腸道的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，大量關(guān)于天然膳食多酚的研究證明，綠原酸、阿魏酸、咖啡酸、丹寧酸[13]、槲皮素[14]、茶兒茶素[15-17]和柚皮素[18]均能抑制SGLT-1的轉(zhuǎn)運(yùn)，槲皮素、楊梅素、芹菜素和兒茶素能抑制GLUT-2的轉(zhuǎn)運(yùn)[19-20]，其中槲皮素對(duì)腸道葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控最為明顯。有關(guān)槲皮素在Caco-2細(xì)胞模型中的轉(zhuǎn)運(yùn)研究表明，SGLT-1和GLUT-2可能同時(shí)參與了槲皮苷的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程，槲皮素以苷元形式與葡萄糖競爭結(jié)合SGLT-1[21]，從根源上減少了葡萄糖的吸收，進(jìn)而維持餐后機(jī)體血糖的穩(wěn)定。研究還指出，槲皮素對(duì)GLUT-2可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，在腸腔內(nèi)可以抑制GLUT-2對(duì)葡萄糖的胞內(nèi)攝取，進(jìn)入細(xì)胞后則進(jìn)一步發(fā)揮對(duì)基底側(cè)GLUT-2的抑制作用[22-23]。還有研究表明，不依賴SGLT-1轉(zhuǎn)運(yùn)的表沒食子兒茶素沒食子酸酯也能抑制SGLT-1轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖[24]，其機(jī)理與槲皮素類似。

4 腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)的調(diào)控

4.1 晝夜規(guī)律

有研究表明，上午 10∶00～11∶00 大鼠空腸中SGLT-1 mRNA 的表達(dá)量是下午 14∶00～17∶00 期間的8倍，嚙齒動(dòng)物的生活習(xí)性是夜間進(jìn)食，隨著食物的吸收代謝，SGLT-1的活動(dòng)也會(huì)提高，但是報(bào)告指出，下午15∶00左右在大鼠并未進(jìn)食的情況下，大鼠空腸中SGLT-1的mRNA和蛋白水平均高于夜間[25]，這也證明了小腸SGLT-l的表達(dá)明顯受到晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)。

4.2 飲食

飲食中多種成分都會(huì)直接或者間接調(diào)控SGLT-1的活性或者表達(dá)量，如下調(diào)食物中Na+水平可以降低SGLT-l的表達(dá)。根據(jù)Barfull等[26]報(bào)道，喂養(yǎng)Na+含量較低的飼料，會(huì)導(dǎo)致雞腸道轉(zhuǎn)運(yùn)α-甲基-D-葡萄糖減少，回腸和直腸分別減少42%和51%，并且強(qiáng)調(diào)這些變化都是可逆轉(zhuǎn)的。飲食中碳水化合物的含量也是影響小腸中SGLT-1表達(dá)的重要因素。在正常飼料中添加較高濃度的D-葡萄糖或其類似物，用以飼養(yǎng)小鼠或者大鼠，試驗(yàn)結(jié)果顯示其小腸組織中SGLT-1的水平提高了2～3倍[27]，但只有長期的高水平攝入D-葡萄糖才會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)體產(chǎn)生顯著影響[28-29]。小腸中碳水化合物的含量與相應(yīng)的酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性成正相關(guān)[30]，這個(gè)理論適用于大多數(shù)動(dòng)物機(jī)體。飲食中的碳水化合物也能影響人體中腸道SGLT-1的表達(dá)[1]。

4.3 發(fā)育階段

哺乳動(dòng)物出生后依賴乳類物質(zhì)生存，在這個(gè)階段中，己糖和氨基酸攝取能力強(qiáng)，SGLT-1在腸道中的表達(dá)也較強(qiáng)，在斷奶階段時(shí)，SGLT-1的表達(dá)明顯減少[2]。在大鼠的研究中，斷奶后和成年的大鼠空腸中SGLT-1的蛋白水平要顯著低于哺乳期[31]。Barfull等[26]在研究中還比較了2日齡和5周齡的雞腸道中SGLT-1的mRNA和蛋白水平的表達(dá)，結(jié)果顯示mRNA的表達(dá)存在顯著差異，而在蛋白水平上，2日齡的表達(dá)要明顯高于5周齡，這暗示著年齡對(duì)SGLT-1的調(diào)控主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄后階段。

4.4 生理情況

在不同的生理情況下，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)會(huì)在各種因素的影響下發(fā)生變化。如糖尿病患者被檢查出空腸SGLT-1和GLUT-2的mRNA水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常人[32]。有研究指出，增加細(xì)胞培養(yǎng)液中葡萄糖的濃度會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜上GLUT的表達(dá)降低[33]。也有報(bào)道證實(shí)，在相同的生理情況下，不同時(shí)段的葡萄糖載體會(huì)發(fā)生不一樣的變化，例如機(jī)體在缺氧缺血的前期，體內(nèi)代謝由有氧方式轉(zhuǎn)為無氧酵解，需要大量的葡萄糖來提供能源，因此，GLUT-1和GLUT-3會(huì)響應(yīng)機(jī)體的號(hào)召，增加轉(zhuǎn)運(yùn)以滿足機(jī)體的要求。但如果機(jī)體長期處于缺血、缺氧狀態(tài)，GLUT的表達(dá)會(huì)發(fā)生回降，甚至表達(dá)很低。

4.5 生理激素

有多種激素參與人的生命活動(dòng)，有的是自身分泌，有的則是由外界攝入，這些激素中又有一部分參與了對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體的調(diào)控。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）會(huì)使腸道刷狀緣膜的表面積增加，并通過增加頂膜上SGLT-l的數(shù)量，來提高兔空腸葡萄糖吸收的最大速度[34]，同時(shí)也會(huì)上調(diào)GLUT-1的表達(dá)。激素的調(diào)控主要體現(xiàn)在機(jī)體應(yīng)激大量耗能，通過提高葡萄糖代謝來上調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)載體的表達(dá)。

5 結(jié)語

腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體是機(jī)體葡萄糖吸收代謝的重要因素，也是天然食物酚類化合物調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)，預(yù)防高血糖發(fā)生的重要作用靶點(diǎn)。機(jī)體中多種病理或生理變化都在一定程度上影響腸道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)且深入的研究有助于探討葡萄糖代謝引發(fā)的相關(guān)疾病。近年來的研究表明，多種食物多酚能在一定程度上抑制腸道葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而維持機(jī)體血糖穩(wěn)態(tài)，如綠原酸、槲皮素、茶兒茶素等。相關(guān)動(dòng)物試驗(yàn)也表明，腸道葡萄糖的表達(dá)水平受多種因素影響。因此，研究腸道葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)控具有重要意義，是開發(fā)天然降糖產(chǎn)物的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

[1]Dyer J，Hosie K B，Shirazi B S P.Nutrient regulation of human intestinal sugar transporter（SGLT1）expression[J].Gut，1997，41（1）：56-59.

[2]Turk E，Kerner C J，Lostao M P，et al.Membrane topology of the human Na+/glucose cotransporter SGLT1[J].J Biol Chem，1996，271（4）：1925-1934.

[3]Bruss M，Hammermann R，Brimijoin S，et al.Antipeptide antibodies confirm the topology of the human norepinephrine transporter[J].J Biol Chern，1995，270（16）：9197-9201.

[4]Bell G I，Burant C F，Takeda J，et al.Structure and function of mammalian facilitative sugar transporters[J].J Biol Chem，1993，268（26）：19161-19164.

[5]Wood I S，Trayhurn P.Glucose transporters（GLUT and SGLT）：expanded families of sugar transport proteins[J].Br J Nutr，2003，89（1）：3-9.

[6]Joost H G，Thorens B.The extended GLUT-family of sugar/polyol transport facilitators：nomenclature，sequence characteristics，and potential function of its novel members[J].Mol Membr Biol，2001，18（4）：247-256.

[7]Joost H G，Bell G I，Best J D，et al.Nomenclature of the GLUT/SLC2 a family of sugar/polyol transport facilitators[J].Am J Physiol Endocrinol Mrtab，2002，282（4）：974-976.

[8]沈敏雄.易化葡萄糖載體研究進(jìn)展 [J].生命的化學(xué)，2003，23（1）：20-22.

[9]Horisberger M A，Gunst M C.Interferon-induced proteins：identification of Mx proteins in various mammalian species[J].Virology，1991，180（1）：185-190.

[10]Zierler K.Whole body glucose metabolism[J].American Journal of Physiology，1999，276（3）：409-426.

[11]Reuss L.One-hundred years of inquiry：the mechanism of glucose absorption in the intestine[J].Annual Review Physiology，2000，62：939-946.

[12]Kuti J O，Konuru H B.Antioxidant capacity and phenolic content in leaf extracts of tree spinach（Cnidoscolus spp.）[J].J Agric Food Chem，2004，52（1）：117-121.

[13]Welsch C A，Lachance P A，Wasserman BP.Dietary phenolic compounds：Inhibition of Na+-dependent D-glucose uptake in rat intestinal brush border membrane vesicles[J].J Nutr.1989，119（11）：1698-1704.

[14]Cermak R，Landgraf S，Wolffram S.Quercetin glucosides inhibit glucose uptake into brush-border-membrane vesicles of porcine jejunum[J].Br J Nutr，2004，91（6）：849-855.

[15]Kobayashi Y，Suzuki M，Satsu H，et al.Green tea polyphenols inhibit the sodium-dependent glucose transporter of intestinal epithelial cells by a competitive mechanism[J].J Agric Food Chem，2000，48（11）：5618-5623.

[16]Shimizu M，Kobayashi Y，Suzuki M，et al.Regulation of intestinal glucose transport by tea catechins[J].Biofactors，2000，13（1-4）：61-65.

[17]Johnston K，Sharp P，Clifford M，et al.Dietary polyphenols decrease glucose uptake by human intestinal Caco-2 cells[J].FEBS Lett，2005，579（7）：1653-1657.

[18]Li J M，Che C T，Lau C B，et al.Inhibition of intestinal and renal Na+-glucose cotransporter by naringenin[J].Int J Biochem C-ell Biol，2006，38（5）：985-995.

[19]Wiczkowski W，Romaszko J，Bucinski A，et al.Quercetin from shallots（Allium cepa L.var.aggregatum）is more bioavailable than its glucosides[J].J Nutr，2008，138（5）：885-888.

[20]Mullen W，Edwards C A，Crozier A，et al.Absorption，excretion and metabolite profiling of methyl-，glucuronyl-，glucosyl-and sulpho-conjugates of quercetin in human plasma and urine after ingestion of onions[J].Brit J Nutr，2006，96（1）：107-116.

[21]Chun O K，Chung S J，Claycombe K J，et al.Serum C-Reactive protein concentrationsareinverselyassociated with dietary flavonoid intake in U.S.adults[J].J Nutr，2008，38（4）：753-760.

[22]Materska M，Perucka I，Stochmal A，et al.Isolation and structure elucidation of flavonoid and phenolic acid glycosides from pericarp of hot pepper fruit Capsicum annuum L.[J].Phytochemistry，2003，63（8）：893-898.

[23]Rice E C A，Miller J，Paganga G，et al.Antioxidant properties of phenolic compounds[J].Trends Plant SCI，1997，24：152-159.

[24]Kobayashi Y，Suzuki M，Satsu H，et al.Green tea polyphenols inhibit the sodium-dependent glucose transporter of intestinal epithelial cells by a competitive mechanism[J].J Agric Food Chem，2000，48（11）：5618-5623.

[25]Tavakkolizadeh A，Berger U V，Shen K R，et a1.Diurnal rhythmicity in intestinal SGLT-1 function，V （max），and mRNA expression topography[J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2001，280（2）：209-215.

[26]Barfull A，Garriga C，Mitjans M，et a1.Ontogenetic expression and regulation of Na（+）-26D-glucose cotransporter in jejunum of domestic chicken[J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2002，282（3）：559-564.

[27]Wright E M.The intestinal Na+/glucose cotransporter[J].Annu R-ev Physiol，1993，55：575-589.

[28]Hodin R A，Chamberlain S M，Meng S.Pattern of rat intestinal brush-border enzyme gene expression changes with epithelial growth state[J].Am J Physiol，1995，269（2）：385-391.

[29]Hodin R A，Graham J R，Meng S，et al.Temporal pattern of rat small intestinal gene expression with refeeding[J].Am J Physiol，1994，266（1）：83-89.

[30]Shirazi B S P.Molecular biology of intestinal glucose transport[J].Nutr.Res Rev，1995，8（1）：27-41.

[31]Khan J M，Wingertzahn M A，Teichberg S，et a1.Development of the intestinal SGLTl transporter in rats[J].Mol Genet Metab，2000，69（3）：233-239.

[32]Dyer J，Wood I S，Palejwala A，et a1.Expression of monosaccharide transporters in intestine of diabetic humans[J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2002，282（2）：241-248.

[33]劉志紅.葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白l[J].腎臟病與透析腎移植雜志，2000，9（2）：153-158.

[34]Chung B M，Wong J K，Hardin J A，et a1.Role of actin in EGF-induced alterations in enterocyte SGLTl expression [J].Am J Physiol，1999，276（2）：463-469.