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曲杜
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1 磺酰脲类降糖药物的作用机制班级 :02 口腔姓名 : 刘晓默指导教师 : 王子梅徐锦摘要磺酰脲 (SU) 类降糖药是 20 世纪 50 年代中期第一个问世的口服降糖药, 主要适用于 II 型糖尿病本文主要对其发展简史药物在体内的作用机制即胰腺内和胰腺外的作用机制做了综合论述尤其是对胰腺内的依赖 ATP 敏感的钾离子通道 (K + -ATP) 途径的作用机制论述详尽, 对 SUR 的分子结构基因结构功能以及 SUR1 基因多态性与 II 型糖尿病的关系, 论述的较为清晰关键词磺酰脲(SU) 类降糖药依赖 ATP 敏感的钾离子通道 (K + -ATP) 甲苯磺丁脲格列美脲磺酰脲类受体 (SUR) SUR 基因 Abstract Sulphonylurea(SU) is the first oral Antidiabetic Drug in the middle of 1900s, wich is used in Type II diabetes. The article introduces its history and its Pharmacological actions in the body. Particularly the pathway of ATP depended potassium channel in the pancreas is demonstrated exhaustively. The SUR molecule structure, gene structure, function and the multiplicity of SUR1 gene are discussed clearly. Key words diabetes, sulphonylurea(su), sulphonylurea receptor ( SUR ), SUR gene [1] 一磺酰脲类降糖药物发展简史磺酰脲 (sulphonylurea, SU) 类降糖药问世, 已有半个多世纪了 1942 年, 第二次世界大战时期, 法国内科医师 Janbon 在临床中发现, 在应用磺胺类药衍生物 2254RP 治疗伤寒时, 许多患者发生了低血糖另一位法国科学家 Loubatieres 在实验室研究中发现磺胺类药物有降血糖作用 ; 进一步的研究提示 2254RP 能使狗的血糖进行性下降, 而对已切除胰腺动物的血糖则无影响 1955 年,Franbe 和 Fuchs 首先报道了一种可用于治疗轻型成年型糖尿病的磺胺类衍生物对氨苯磺酰丁脲 (carbutamide), 但由于其毒性作用大而被淘汰 1956 年, 对该药的化学结构略加改动, 采用甲基代替前者苯环上的氨基, 从而推出了第一代的 SU 类口服降糖药甲苯磺丁脲在以后的半个世纪, 科学家们不断探索开发, 研究总结, 发现磺酰脲簇是 SU 类降糖药物发挥降糖作用的基本结构, 而去除苯环上的 NH2 及打开苯环测链上的异构氮环可增强降糖作用而降低其不良反应经过半个世纪的临床考研, 研究表明 SU 类药物有可靠的降糖作用, 仍是目前应用最多最广的治疗 II 型糖尿病的口服降糖药物二胰腺内作用机制促进胰岛 β 细胞释放胰岛素, 是 SU 类降糖药发挥快速降血糖作用的重要机制之一有功能的胰腺是发挥这种作用的前提条件 SU 类药物刺激胰岛 β 细胞分泌胰岛素的分子机制, 包括以下两条途径 [2] : ( 一 ) 依赖 ATP 敏感的钾离子通道 (K + -ATP) 的途径 SU 类降糖药能与胰岛 β 细胞膜外侧特异性受体 SU 受体 (sulphonylurea receptor,sur) 结合, 后者能与特异的 ATP 敏感的 K + 通道紧密关联首先, 是细胞膜上 ATP 敏感的 K + 通道关闭, 使得 K + 外流受限,β 细胞内 K + 浓度升高, 细胞膜去极化 ; 从而使细胞膜上 L 型电压依赖的 Ca 2+ 通道开放, 细胞外的 Ca 2+ 进入 β 细胞, 细胞内 Ca 2+ 浓度上升, 促使胰岛素的小囊泡由 β 细胞骨架向细胞表面运动, 并向细胞外释放胰岛素此时, 胞质内升高的 Ca 2+ 水平活化了另一种 K + 通道 Ca 2+ 依赖的 K + 通道, 它的开放, 导致了膜电位复极化, 再次关闭细胞膜上 L 型电压依赖的 Ca 2+ 通道, 为下次胰岛素的分泌做准备 [1] [3] 1.SUR 的分子结构图 1

2 目前已发现两类磺脲受体 :SUR1 和 SUR2 SUR2 至少存在 SUR2A 和 SUR2B 两种亚型 SUR2A 和 SUR2B 的氨基酸组成有 97% 相同, 但与 SUR1 仅有 68% 相同 SUR1 和 SUR2 在药理学特性上有很大差别, 如与磺脲类药物的亲和力 SUR1 明显高于 SUR2, 因此 SUR1 又被称为高亲和力受体 ( 在部分文献中简称为 SUR) SUR 是一个大分子膜蛋白, 相对分子质量 140,000~170,000, 是一条单链跨膜蛋白, 由膜外跨膜和膜内三部分组成 ( 图 1) SUR 分子一级结构含有 13 个跨膜区, 以 9+4 的模式分为两组, 其胞内部分有两个核苷酸结合折叠区 (nucleotide binding fold, NBF), 被 4 个跨膜区隔开研究表明,NBF 在生物进化中有很强的序列保守性, 对于 SUR 的功能起着十分重要的作用 NBF 内含两段高度保守的序列, 称为 walker A 和 walker B 是 ATP 最初结合位点 [3] 2.SUR 基因结构人类 SUR1 基因已通过荧光原位杂交的方法定位于染色体 11p15.1 现已明确 SUR1 基因是一段全长约 100 kb 的单拷贝序列, 含 39 个外显子其中 NBF-1 由第 13~22 号外显子编码,NBF-2 由第 31~39 号外显子编码 ( 图 1) 人类 SUR2 基因长约 100 kb, 含 38 个外显子, 定位于染色体 12p SUR 的功能 SUR 和内向整流钾离子通道 (inward rectifier K + channel, Kir 6.2) 共同组成了 ATP 敏感的钾离子通道 (KATP)( 图 2) [1], 这是由两种结构上并不相关的亚基 SUR1 和 Kir6.2 组成的 8 聚体, 两组亚基的比例是 4:4 Kir6.2 亚基四聚体组成 K + 外流的孔道, 主要是由 ATP 调节其关闭的 ;SUR1 是由 MgADP 和 K + 通道开放剂活化开放的, 而 SU 类药物与之结合可诱使其关闭它首先于 1983 年在心肌细胞被发现, 此后陆续在胰岛 β 细胞骨骼肌细胞平滑肌细胞脂肪细胞神经元和上皮细胞等被发现 KATP 在不同组织起着不同的作用, 比如在血管平滑肌细胞参与调节血管张力, 在心肌细胞 KATP 的图 2 开放可减少心肌缺血, 在脂肪细胞参与调节脂肪合成, 在大脑神经突触调控递质的释放等在胰岛 β 细胞,KATP 对于胰岛素的分泌起着重要的调节作用 : 当血糖浓度升高时, 葡萄糖进入胰岛 β 细胞增多, 并在线粒体通过有氧分解和无氧酵解途径分解, 同时产生大量 ATP ATP 结合到 KATP 上, 引起通道关闭,K + 外流减少, 造成细胞膜去极化, 细胞膜两侧形成电压差, 于是受电压控制的钙离子通道开放, 钙离子由胞外流入胞内, 从而促使胞内储存的胰岛素向胞外释放 ATP 是 KATP 通道的主要抑制物磺脲类药物可特异性地结合到 SUR 上, 导致 KATP 的关闭, 从而促进胰岛素的释放 KATP 的激动剂有二磷酸腺苷镁 (MgADP) 二磷酸鸟苷镁 (MgGDP) 及一些药物如二氮嗪 (diazoxide) 砒拉地尔(pinacidil) 及克罗卡林 (cromakalim) 等 ADP 和 GDP 对 KATP 有激活和抑制的双重作用前者有赖于 Mg 2+ 的存在, 并通过 SUR 的 NBF 而起作用, 后者则是通过 Kir 6.2 而起作用 [2,4] 4.SUR1 基因多态性与 II 型糖尿病 II 型糖尿病存在明显的遗传倾向, 致病基因的寻找已成为其病因研究的重要部分由于 SUR1 基因在胰岛素分泌调控中的重要作用, 而 II 型糖尿病患者普遍存在胰岛素分泌相对不足, 因此 SUR1 基因成为研究的重要候选基因之一近年来有多个研究小组筛查了 SUR1 基因, 发现多个外显子的突变和多态性以及内含子的突变和多态性 ( 见表 1) SUR1 基因的突变和多态性与 II 型糖尿病的相关研究在不同人群中并不完全一致, 目前尚无定论 [3]

3 1996 年 Inoue 等发现在美国犹太州和英国白人中 SUR1 基因 22 外显子的 C761T 多态性 T 等位基因在 II 型糖尿病组达 7%, 显著高于对照组的 2% C761T 多态性并不影响编码的氨基酸结构, 没有生物学效应, 因此它与 II 型糖尿病的相关性可能是由于它与附近的 (SUR1 内或附近 ) 致病基因的功能性改变存在连锁不平衡 SUR1 基因第 24 内含子 -3T/C 多态性 ( 部分文献中称为第 16 外显子 -3T/C 多态性 ) 在人群中广泛存在, 并在部分人群中被证实与 II 型糖尿病存在显著性相关其他 SUR1 基因突变和多态性中尚未见有与 II 型糖尿病相关的报道位于第 7 外显子的 T1370G 多态性编码的氨基酸位于 NBF-2 的 walker A, 此位点是潜在的蛋白激酶 A 的磷酸化位点但研究表明该多态性在 II 型糖尿病和正常人群中差别无显著性由于此多态性在正常人群中有较高比例, 故推测他对 SUR1 的功能影响不大, 确切结果有待进一步研究 SUR1 的其他错义突变 :G811A 和 C835T 位于 NBF-1, 突变率很低 ;G275A 位于第 4 5 跨膜区之间的细胞外部分 ;G560A 位于第 8 跨膜区 ;G673A 位于 NBF-1 这些突变在 II 型糖尿病和正常人群均为罕见, 其生物学意义有待进一步研究由于上述 SUR1 基因的多态性均不导致 SUR1 的氨基酸组成改变, 故推测他们可能与调节胰岛素水平的功能突变存在连锁不平衡 [5] 表 1 II 型糖尿病患者中 SUR1 基因的外显子突变和多态性改变 [6,7,8] 密码子序号核苷酸变化氨基酸变化 275 CGG CAG Arg Gln 560 GTG ATG Val Met 673 GAT AAT Asp Asn 811 GAC AAC Asp Asn 835 CGC TGC Arg Cys 1370 TCC GCC Ser Ala 69 CCT CCC Pro Pro 250 ATC ATT Ile Ile 540 ACC ACT Thr Thr 562 CAT CAC His His 649 AAG AAA Lys Lys 761 ACC ACT Thr Thr 830 CTG TTG Leu Leu 1014 TCG TCA Ser Ser 1116 ACG ACT Thr Thr 1205 GCC GCT Ala Ala 1274 AGG AGA Arg Arg [2] ( 二 ) 不依赖 KATP 通道的途径 SU 类药物并不仅局限于与 β 细胞膜上的 SUR, 研究中发现 3 H 标记的格列美脲和 3 H 标记的格列本脲还可与 β 细胞内胰岛素分泌颗粒膜上的一种 65KD 蛋白结合通过对 β 细胞的电压钳研究还证实, 磺脲类药物可不通过关闭 KATP 通道而直接加强 Ca 2+ 依赖的胰岛素分泌作用这些均提示磺脲药物具有不依赖 KATP 通道的促胰岛素分泌作用 ErikR 等最近阐述了图 3

4 其作用的分子模式 : 分泌颗粒内 ph 值降低是胰岛素分泌颗粒释放的必要条件, 胰岛素分泌颗粒膜上的 v 型质子泵 (v-h + -ATPase) 负责将 H + 泵入分泌颗粒内使颗粒内环境酸化, 这一过程需颗粒膜上的 CIC-3 氯离子通道同时将 Cl - 转运入颗粒内以保持电中性磺脲类药物与胰岛素分泌颗粒膜上的 65KD 蛋白受体 (gsur) 结合后, 引起与之耦连的 CIC-3 氯离子通道活性增加, 后者与分泌颗粒膜上的 v-h + -ATPase 协同作用, 分别将细胞浆中的 Cl - 和 H + 转运入分泌颗粒内, 使颗粒内的微环境极度酸化, 从而引起胰岛素以胞吐的方式分泌出来 ( 图 3) 三胰外作用机制 : [1,4,9,10] 增强胰岛素对肌肉和脂肪组织碳水化合物转运的作用, 即加强胰岛素介导的肌肉脂肪组织对葡萄糖的摄取和利用在肌肉和脂肪组织, 胰岛素介导的葡萄糖的摄取和利用的主要形式是糖原和脂肪的合成研究表明,SU 类大多数可不同程度地促进这一过程 : 第二代 SU 类的代表药格列苯脲和第三代 SU 类格列美脲均能刺激糖原合成, 较基础水平增加 2.5 倍, 脂肪合成较基础水平增加 4 倍主要机制有以下几个方面 : 1. 葡萄糖转运子 4(GLUT4) 转运及去磷酸化作用 : 胰岛素在肌肉和脂肪细胞促进葡萄糖转运的分子机制是基于其促进 GLUT4 从细胞内的储存状态 ( 低密度的微粒体 ) 转移到胞质膜上 II 型糖尿病的胰岛素抵抗常伴有胰岛素介导的葡萄糖的转运系统敏感性降低, 导致葡萄糖的利用减少研究表明, 在正常细胞, 胰岛素的存在可使细胞质膜上 GLUT4 的密度增加 7-8 倍, 但在胰岛素抵抗的细胞, 胰岛素促进 GLUT4 转运的作用降低至仅增加 2 倍第三代 SU 类格列美脲可不依赖胰岛素作用改善葡萄糖的转运系统在正常细胞, 格列美脲可使细胞质膜上 GLUT4 的密度增加倍, 在胰岛素抵抗细胞, 格列美脲仍可使 GLUT4 转移增加 3 倍, 与正常细胞相比, 无明显差异因此, 格列美脲可使 GLUT4 重新分布, 从低密度的微粒体转移至质膜上, 这一作用在正常细胞及胰岛素抵抗细胞中无显著差别 GLUT4 从低密度的微粒体转移至质膜上的这一过程被认为是由磷酸化状态调节的在正常细胞, 在没有胰岛素及格列美脲时, 有相当数量的 GLUT4 磷酸化呈活性抑制状态, 而胰岛素和格列美脲均能将质膜的 GLUT4 去磷酸化抑制 25%-35%, 其中格列美脲导致的 GLUT4 去磷酸化在胰岛素抵抗的细胞中作用更显著, 这一作用在胰岛素抵抗的患者中尤为重要 2. 调节糖原和脂质合成关键酶的活性 : 在肌肉和脂肪组织, 胰岛素介导的葡萄糖的利用的主要形式是糖原和脂肪的合成, 这两个反应的关键酶分别是糖原合成酶和 3- 磷酸 - 甘油乙酰转移酶, 它们均是由磷酸化状态调节的, 磷酸化为其非活性状态, 第二代 SU 类的代表药物格列苯脲和第三代 SU 类药物格列美脲均能调节其脱磷酸化过程, 使之活化它们分别可剂量依赖地上调糖原合酶和 3- 磷酸 - 甘油乙酰转移酶的活性至胰岛素最大作用的 45%-50% 和 35%-40% 格列美脲诱导的 GLUT4 脱磷酸化和细胞内重新分布, 以及糖原合成酶和 3- 磷酸 - 甘油乙酰转移酶的磷酸化调节, 提示肌肉及脂肪组织内特殊蛋白的磷酸化调节, 可能是 SU 类药物胰腺外作用的重要机制 3. 糖基化 - 磷脂酰肌醇 - 特异性磷脂酶 (GPI-PLC) 的作用 : 磷脂酰肌醇 (GPI) 位于细胞膜外层, 能够参与胰岛素信号传递, 从而调节肌肉和脂肪细胞的葡萄糖代谢 GPI-PLC 可使 GPI 脱落, 从而改变细胞磷酸化状态胰岛素和 SU 类药物均可激活 GPI-PLC 有助于肌肉脂肪细胞摄取转运葡萄糖在胰岛素敏感的脂肪细胞, 格列美脲的作用是胰岛素最大作用的 25%-30% 当存在胰岛素抵抗时, 胰岛素本身很难激

5 活 GPI-PLC, 格列美脲仍能激活该酶, 格列美脲的 ED50 在敏感细胞及抵抗细胞内是比较接近的 GPI-PLC 系统的作用也可能通过改变磷酸化状态, 参与胰岛素与格列美脲的胰腺外降糖作用 [4,9] 四 SU 类降糖药的其他作用有研究提示, 第三代 SU 类药物格列美脲具有抗动脉粥样硬化斑块形成的作用在实验动物中, 高胆固醇饮食可以诱导动脉粥样硬化斑块形成血小板聚集是动脉粥样硬化形成的重要步骤, 这一过程是由血栓素启动的格列美脲和格列齐特可影响血栓素诱导的活化和聚集抗血小板聚集的作用提示其对糖尿病微血管慢性并发症由一定的作用, 而抗动脉粥样硬化作用, 则可能对大血管病变有一定的保护作用展望从第一代 SU 类降糖药问世以来, 经过科研和临床的不懈努力, 已经研发到了第三代第三代 SU 类降糖药虽然在药效上作用显著, 但是仍然存在一定的副作用, 如果能有第四代副作用更小的 SU 类降糖药问世, 将为糖尿病患者带来福音如果能有预防性的药物, 使用于未发病的高危人群, 能做到医学上的一级预防, 则是医学上又一喜人成果! 参考文献 1. 许曼音, 陆广华, 陈名道, 等. 糖尿病学上海科学技术出版社, 杨文英. 磺脲类药物应用的专家共识. 国外医学内分泌学分册 2004 年 7 月第 24 卷第 4 期. 3. 冯雁, 钱荣立, 李琼芳, 等. 磺脲受体基因研究进展. 中华内分泌代谢杂志, 2000 年 12 月第 16 卷第 6 期. 4. 蒋国彦. 实用糖尿病学. 人民卫生出版社, 't Hart LM, Dekker JM, van Haeften TW, et al. Reduced second phase insulin secretion in carriers of a sulphonylurea receptor gene variant associating with Type Ⅱ diabetes mellitus.diabetologia,2000,43: Inoue H, Ferrer J, Welling CM, et al. Sequence variants in the sulfonylurea receptor (SUR) gene are associated with NIDDM in Caucasians.Diabetes,1996,45: Hansen T, Echwald SM, Hansen L, et al. Decreased tolbutamide-stimulated insulin secretion in healthy subjects with sequence variants in the high-affinity sulfonylurea receptor gene. Diabetes,1998, 47: Ohta Y, Tanizawa Y, Inoue H, et al. Identification and functional analysis of sulfonylurea receptor 1 variants in Japanese patients with NIDDM.Diabetes,1998,47: 朱艳丽, 王冬梅. II 型糖尿病药物治疗新进展. 社区医学杂志, 2004 年第 2 卷第 4 期 10. 李中南, 方朝晖, 丁雷, 杨亚男, 等. II 型糖尿病与循证医学. Chinese Journal of Clinical Healthcare, December 2004, 7 No 6

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i i ii 1 2 3 4 % N) 5 50.0 AMINO ACID #64 [modified by Administrator] IntAmp_1 nc 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0-10.0 1 - ala - 10.483 2 - thr - 11.107 3 - gly - 11.872 4 - val - 13.458 5 - ser - 14.903 6 - pro