胰岛素抵抗是2型糖尿病患者糖利用障碍的主要原因之一。研究发现胰岛素受体后缺陷在胰岛素抵抗的环节中，意义尤为突出，其中外周组织，主要是骨骼肌和脂肪组织对葡萄糖摄取、利用减少是受体后胰岛素抵抗的主要原因。而葡萄糖的跨膜转运是骨骼肌细胞利用葡萄糖的主要限速步骤。目前研究表明，这一过程是依靠细胞膜上的特殊转运蛋白来完成的，这种特殊转运蛋白称为葡萄糖运载体(glucose transporter, GLUT)。骨骼肌细胞中存在两种GLUT，分别为GLUT₁和GLUT₄，前者主要位于骨骼肌细胞外膜上，只在基础状态下参与细胞对葡萄糖的摄取和转运；而后者在基础状态下主要位于细胞内微粒体和某些特定的囊泡等各种内膜结构上，对胰岛素和收缩刺激敏感，是骨骼肌细胞主要的GLUT^〔1〕。因此，GLUT₄对葡萄糖的转运在机体糖代谢中占有重要地位，并且GLUT₄的研究对糖尿病的运动疗法与康复方案的制定具有重要意义。

1GLUT₄的基本结构及分布

GLUT₄为糖蛋白，分子量约45～55KD，由一条单一的多肽链组成，含509个氨基酸，蛋白质分子共跨越细胞膜脂质双分子层12次，有12个跨膜螺旋片断，相邻两个片断之间分别在细胞内外侧由一段肽链相连^〔2〕。

GLUT₄存在于对胰岛素敏感的组织中：骨骼肌、心肌和脂肪细胞。它在细胞中的含量从多到少依次为：棕色脂肪、心肌、红肌、白肌和白色脂肪。虽然在这些组织中还有其他的葡萄糖运载体的异构体的存在，如GLUT₁，但已经证实GLUT₄是在胰岛素作用下主要的葡萄糖运载体^〔3〕。近年来葡萄糖钳夹技术的运用进一步证实，在骨骼肌细胞中GLUT₄的含量与细胞最大葡萄糖转运能力呈正相关关系，葡萄糖转运是骨骼肌利用葡萄糖的限速过程。

Rodnick和Slot等利用免疫金标记GLUT₄抗体的方法研究发现，在脂肪、骨骼肌和心肌细胞的冷冻超薄切片中，从高尔基体到细胞外膜均有GLUT₄的存在^〔4〕。Marette等报道，在基础状态下90％以上的GLUT₄位于细胞内膜中，如微粒体、高尔基体及其他对胰岛素敏感的富含GLUT₄的特定囊泡样结构等，只有少数位于细胞外膜上^〔3〕。Herman等在转染的神经内分泌细胞PC₁₂中表达了GLUT₄，它同样存在于细胞内囊泡中，这些囊泡不是PC₁₂细胞中的分泌颗粒和突触小泡，而是一种更小的囊泡，其沉降速度约为突触小泡的2倍，GLUT₄囊泡中不含突触小泡的标记物有：Synaptophysin，SV₂和Synaptobrevion蛋白，可以认为如同突触小泡一样，含GLUT₄的特定囊泡为一独特结构的细胞器。了解GLUT₄囊泡本身及其中的蛋白对于阐明GLUT₄结构和功能显然是非常重要的^〔5〕。

进一步的转染研究显示，在一些非胰岛素敏感的细胞中，GLUT₄同样也位于细胞内。转染的3T₃L₁成纤维细胞内富含GLUT₄的囊泡结构，它与胰岛素敏感的组织细胞的囊泡结构相似。从这些不同类型的细胞获得的细胞匀浆中含有GLUT₄囊泡，在蔗糖浓度梯度中表现出相似的纵切面图，这些资料显示，使GLUT₄位于细胞内的机制存在于所有的细胞类型中，是由GLUT₄本身的分子结构决定的^〔6〕。Piper等报道，在Sindbis病毒感染的中国仓鼠卵母细胞(CHO)中，GLUT₄的定位机制位于GLUT₄细胞内侧的N端^〔7〕；而Asano则提出相反的结论，他认为在转染的CHO的细胞系列中，GLUT₄的定位不在于N端，而是由另外二个特定区域对细胞内定位起作用^〔8〕。以后研究人员用完全不同的表达系统研究认为，嵌合体GLUT₁/GLUT₄在细胞内定位的信息位于GLUT₄细胞内侧的C端；Verhey等分析永久感染的NIH₃T₃成纤维细胞系列认为C端30肽是GLUT₄细胞内定位区域^〔9〕；Czech等对暂时感染的cas细胞研究后同样认为GLUT₄ C端30肽对细胞内定位很重要^〔10〕；最后Marshall等证实在蟾蜍卵母细胞GLUT₄C端尾部是它在细胞内定位的区域^〔11〕。

2胰岛素与GLUT₄转位

胰岛素的重要功能之一就是刺激葡萄糖从血液中转运至组织细胞内，这一过程是由位于细胞外膜上GLUT₄介导的。早期的研究主要检测不同的亚细胞膜上运载体活性，或以细胞松弛素B作为亲和剂，检测GLUT₄在细胞膜上的分布。以后运用异构体特异性抗体和非渗透性运载体配体等新方法进一步了解GLUT₄的调节机制和功能。研究表明，胰岛素刺激葡萄糖转运入细胞内一般分为6步^〔12〕：①胰岛素与细胞外膜上的胰岛素受体相结合；②产生一系列目前尚不完全了解的信号；③使细胞内含GLUT₄的囊泡向细胞外膜方向移动；④囊泡与细胞外膜连接；⑤囊泡膜与细胞外膜融合， GLUT₄转位至细胞外膜上，并常伴有葡萄糖转运活性的增加；⑥葡萄糖与嵌合在细胞外膜上的GLUT₄结合，GLUT₄发生变构，将葡萄糖转运并释放到细胞内，然后恢复原来结构。胰岛素对GLUT₄转位过程的影响是可逆的，当胰岛素和受体结合解离后，GLUT₄回到细胞内特定的囊泡中。胰岛素通过调节GLUT₄转位的速率，使GLUT₄在细胞中的重新分布，从而改变葡萄糖转运速率。

3胰岛素抵抗和GLUT₄

许多研究发现，代谢异常尤其是与胰岛素抵抗有关的糖代谢异常可影响GLUT₄基因的表达。Kaha的研究显示，在链脲佐菌素（STZ）注射所致的高血糖低血清胰岛素糖尿病大鼠中，其脂肪细胞中GLUT₄ mRNA和蛋白含量显著下降，在胰岛素作用下葡萄糖转运较正常对照组大鼠减少60％。说明脂肪细胞中GLUT₄含量的减少可能是由于GLUT₄基因转录障碍所致^〔13〕。Ramlal等的研究同样显示，STZ糖尿病大鼠骨骼肌细胞粗膜GLUT₄含量较正常下降37％，其中细胞外膜(降低50％)比细胞内膜(降低32％)下降得更多^〔14〕。Marette等对SHR/N—CP遗传性肥胖型糖尿病大鼠进行研究发现，这类大鼠早期出现高血糖高胰岛素血症，与瘦SHR大鼠相比，骨骼肌细胞内GLUT₄ mRNA含量减少87％，细胞内膜上GLUT₄减少40％，外膜上减少50％，提示由于GLUT₄基因转录功能障碍，使GLUT₄合成减少，导致肌细胞摄取和利用葡萄糖的能力下降^〔15〕。King等对肥胖Zuck大鼠的研究表明，在胰岛素抵抗状态下，骨骼肌对胰岛素不敏感，并非完全是由于GLUT₄基因表达的异常，更重要的是GLUT₄转位通路和活性的改变。目前研究表明，导致胰岛素抵抗的原因可能包括：从胰岛素受体发出的信号改变；GLUT₄转位受抑；含GLUT₄的特定囊泡不能与外膜融合，或已融合但GLUT₄活性降低等^〔16〕。Napoli等进一步证实，糖尿病大鼠葡萄糖转运功能的障碍与GLUT₄内在活性的降低、GLUT₄含量减少及转位机制障碍等因素有关^〔17〕。综上所述，糖尿病状态或胰岛素抵抗状态下由于骨骼肌细胞和脂肪细胞内GLUT₄基因转录功能下降，导致细胞外膜上的GLUT₄减少，从而引起肌细胞和脂肪细胞对葡萄糖的转运和摄取减少，这可能是产生胰岛素抵抗，最终导致糖尿病的重要原因之一。

由此可见，如何增加骨骼肌细胞和/或脂肪细胞外膜上的GLUT₄有可能成为治疗糖尿病的一个重要途径。Ross等运用小鼠脂肪酸结合蛋白基因的启动子/增强子与人类GLUT₄的基因序列相连接，使GLUT₄有选择性地在转基因小鼠的脂肪细胞中过度表达，而在骨骼肌和其他组织中未见过度表达。与非转基因小鼠相比，转基因小鼠在基础状态下的葡萄糖转运增加了20倍、胰岛素作用下的葡萄糖转运增加了4倍。禁食一夜后，进行葡萄糖耐量试验，发现糖耐受力增加。虽然在正常的机体中，脂肪组织对葡萄糖的吸收只占整体很小的一部分，但选择性的脂肪细胞GLUT₄的过度表达，却增加了整体的糖耐量，提示整体对胰岛素的敏感性增加。另外，转基因小鼠的脂肪细胞经培养后，其外膜上可检测到大量的GLUT₄。说明当脂肪细胞内GLUT₄过度表达时，大量的GLUT₄被迫转位至细胞外膜上，以致引起葡萄糖转运的增加^〔18〕。同样，将转基因技术运用于糖尿病大鼠，发现在STZ糖尿病小鼠或db/db小鼠中有选择性地使骨骼肌细胞和/或脂肪细胞中GLUT₄过度表达，均可使转基因小鼠在基础状态和胰岛素作用状态下葡萄糖转运增加，提高整体对胰岛素的敏感性^〔19,20〕。

Houseknecht通过将小鼠特定脂肪aP₂的启动子/增强子与人类的Ha-ras基因序列相连接，选择性使ras在小鼠的脂肪细胞中过度表达。通常当胰岛素与受体结合后ras被激活，从而引起一系列瀑布式磷酸化过程。而脂肪细胞中的ras过度表达时，可促进细胞内GLUT₄向细胞外膜转位，使转基因小鼠脂肪细胞外膜上的GLUT₄比非转基因小鼠增加24倍，其基础状态和胰岛素作用状态下葡萄糖转运也大幅增加，提高了组织细胞对胰岛素的敏感性^〔21〕。综上所述，如果使GLUT