首先,肥胖与脂肪肝之间存在很大联系,后者是由于甘油三酯(TG)在肝中过度蓄积造成的。这通常也被认为是肝脏IR的表现。肝脏中脂肪的过度/异常蓄积可能是由于脂肪组织中脂肪酸的传递增加、脂肪酸经从头合成途径合成增加以及肝对极低密度蛋白(VLDL)的分泌减少所引起的,或者是这些因素的共同作用^{[ 4]}。在正常生理条件下,脂肪动员会被胰岛素强烈地抑制。随着肝脏脂肪储库的扩张,脂肪动员开始增加,FFA代谢会受损。FFA水平的增加会减弱胰岛素信号并使IR加剧^{[ 5]}。和皮下脂肪细胞比较,肥大的肝脏脂肪细胞会分泌高水平的儿茶酚胺,刺激脂肪分解并降低胰岛素的抗脂解作用。然而,TG蓄积本身不但对正常细胞功能无害,而且还因为减少了FFA而起到保护作用。只有当这种缓冲作用超过一定限度,FFA以及其代谢产物如神经酰胺和二酰基甘油的有害作用才会凸显出来。脂肪细胞的大小与IR的发生、发展之间潜在的联系是由激素敏感性酯酶(HSL)和TG酯酶所介导的脂肪组织释放的FFA。众多证据已经证实FFA是诱发IR和引起脂毒性的罪魁祸首。研究证明FFA可以刺激2个不同的丝/苏氨酸激酶并增加IRS-1 serine307位点的磷酸化。这是FFA诱导骨骼肌细胞产生IR的机制。IRS-1 serine307位点的磷酸化可相应减少IRS-1 tyrosine磷酸化,这可能是通过核因子-κB激酶抑制剂(IKK)、PKC或C-jun 氨基末端激酶途径完成的。这种作用是胰岛素信号级联脱敏。最近的研究结果显示棕榈酸酯是一种循环系统主要的饱和FFA,不但可以降低胰岛素受体和IRS-1酪氨酸磷酸化,还可降低另一个胰岛素信号级联中的PKB ser473位点的磷酸化^{[ 6]}。该研究同时也指出了在棕榈酸酯处理的细胞中GLUT-4易位受阻,说明棕榈酸酯对胰岛素信号通路和葡萄糖摄取有阻断作用^{[ 6]}。FFA是骨骼肌主要的能量来源。FFA被线粒体摄取前必须连接至辅酶A(CoA),然后连接到肉毒碱。在FFA氧化过程中线粒体对FFA的摄取是其限速过程。目前的数据显示机体内FFA的代谢产物增加(软脂基肉毒碱、棕榈酰CoA和油酰基-CoA)可以对骨骼肌线粒体中ATP的合成产生有害作用,引起后天的线粒体功能障碍,导致骨骼肌中底物氧化损伤。FFA代谢物对线粒体底物氧化的有害作用为线粒体机能障碍和IR之间提供了潜在的机制纽带。

脂联素在肥胖和糖尿病的动物或人体中是下调的^{[ 7]},其水平和内脏脂肪体积负相关^{[ 8]}。脂联素可以通过激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK),随后磷酸化乙酰辅酶A羧化酶(ACC)并使之失活,减少丙二酰辅酶A生成,减轻其对CPT-1的抑制作用,从而促使脂肪酸进入线粒体得到氧化。在肥胖人群和动物的外周组织中,也会有脂联素抵抗的情况出现。从基因角度来看,在肥胖的糖尿病小鼠的肌肉中,脂联素对AMPK强烈的刺激作用消失了。在肥胖的人群中,骨骼肌中脂联素对FFA氧化的刺激作用也同样被钝化。所以我们推测脂联素抵抗的发生可能是接下来产生IR的促进因素。研究显示,大鼠经过脂肪4周的处理,其体内脂联素不再刺激FFA氧化,也就是说高脂饮食可以诱发脂联素抵抗。由于肥胖者内脏脂肪组织扩张,肥大的脂肪细胞产生的脂联素减少,脂联素在受试者体内的水平随之减少。造成内脏脂肪组织扩张和脂联素水平负相关的一个机制可能是过度蓄积的肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的分泌增加,这会抑制脂联素的分泌^{[ 9]},从而诱导肌肉及脂肪细胞IR^{[ 10]}。

证据显示肥胖和与其相伴的慢性炎症是IR的主要诱因。过度的肥胖常常与脂肪组织的扩张相联系。有研究报道,在很大的2型糖尿病患者群体和高风险人群中,系统炎症反应的一个重要决定因素是内脏脂肪组织的扩张而不是皮下脂肪组织^{[ 11, 12]}。当脂肪组织扩张到一定程度,脂肪细胞会变得肥大。肥大的脂肪细胞会由于反常的细胞因子的产生、急性期蛋白及其它介质的增加以及广泛的炎症信号通路的激活产生炎症状态。C反应蛋白(CRP)是人类一个主要的急性期蛋白,在炎症因子与胰岛素信号通路的相互作用中扮演一定角色。CRP可随着炎症刺激由肝细胞合成,也可以由其他细胞如神经细胞、动脉粥样硬化斑块、单核细胞和淋巴细胞产生。研究发现细胞因子TNF-α、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-1β(IL-1β),尤其是IL-6可以从转录水平在人肝细胞中诱导CRP的产生,IL-1β可以增强此诱导作用。IL-6可由其他类型的细胞产生,包括纤维母细胞、内皮细胞和单核细胞。IL-6和IL-1β都可以通过转录因子STAT3的激活控制许多急性期蛋白基因的表达。STAT3属于C/EBP家族成员,C/EBP家族成员对CRP的产生起关键作用。

脂肪细胞肥大作为内质网应激的一个条件可以激活脂肪组织前炎症状态。内质网应激会激活JNK活化蛋白-1(AP-1)和IKK-β-核转录因子кB(NF-кB)途径。此途径可触发IR,并刺激可使巨噬细胞浸润的化学引诱剂蛋白,如单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、巨噬细胞集落刺激因子-1(M-CSF-1)、巨噬细胞游走抑制因子(MIF)的释放。浸润的巨噬细胞释放炎性蛋白可以进一步促使脂肪组织中巨噬细胞募集,同时释放炎性因子如TNF-α、IL-6、IL-1β,连同诱导性一氧化氮合酶(iNOS)一起在脂肪组织中诱发IR。由iNOS产生的NO可以通过对PKB的亚硝酸化降低PI3K/PKB的活性^{[ 13]},同时通过炎症干扰代谢信号的Toll样受体-4 增强脂肪组织IR、脂解作用和炎症反应^{[ 14]}。通过对肥胖的啮齿动物模型的研究,利用基因敲除和转基因小鼠在分子和细胞水平上阐述了肥胖诱导的炎症与IR状态之间的机制。TNF-α、IL-6和CRP水平的增加与IR存在很强的正相关。这些炎症因子可以通过抑制胰岛素信号转导来影响胰岛素作用,通过降低胰岛素信号转导中关键元件的表达或增加其分解诱导IR^{[ 15]}。当IRS-1磷酸化发生在serine307位点时,其下游信号转导受阻。使serine307磷酸化的丝氨酸激酶包括NF-кB路径上的IKK-β和JNK/AP-1路径上的JNK-1^{[ 16]}。诸如JNK、IKK 和PKC等许多激酶参与介导了脂肪组织释放的炎症因子诱导的IR。这些激酶同时也影响到包括AP-1 和 NF-κB在内的关键转录因子的基因表达,并促使进一步的炎症相关基因的表达增加。JNK-1是MAPK超家族中的一员,是可以被许多刺激物(包括TNF-α 和 FFA)激活的丝/苏氨酸蛋白激酶。肥胖与脂肪和肝组织中JNK活性的增加有关。JNK-1缺失的小鼠对饮食诱导的IRS-1丝氨酸磷酸化增加和随后的IR、脂肪肝及2型糖尿病都有抵制作用。IKK-β是与IR相关的另一个激酶,可以通过对IRS-1丝氨酸残基的磷酸化直接阻滞胰岛素信号,或者通过激活NF-κB刺激其他炎症介质如TNF-α 和 IL-6的表达。因此,IKK-β可作为TNF-α诱导IR的一个介质,其在肝脏中的活性会影响系统的代谢功能。IKK-β缺失的小鼠对肥胖诱导的IR有抵制作用。体内体外研究均证明JNK-1 和 IKK-β的活性足以诱导全身系统的IR。

氧化应激在IR、糖尿病和心血管疾病的发生、发展以及LDL的过氧化中起重要作用。LDL是氧化应激和健康的肥胖人群的内脏脂肪蓄积相联系的一个标记物,脂肪组织过量会加快氧化应激的发生。研究显示一些抗氧剂如维生素E和α-硫辛酸在2型糖尿病患者身上应用取得了良好的效果,从而揭示了氧化应激和IR之间的关系。用低水平氧化应激(H₂O₂)处理3T3-L1细胞和L6肌细胞,发现其中胰岛素刺激的葡萄糖代谢显著减少,这和 GLUT-4 mRNA及蛋白表达降低有关。将3T3-L1脂肪细胞和大鼠肝癌细胞急性暴露于H₂O₂可以诱导IR并增加IRS-1丝氨酸磷酸化。然而Vichaiwong等^{[ 17]}提供了新的证据:氧化剂对大鼠骨骼肌葡萄糖转运的作用跟IRS-1丝氨酸磷酸化无关。

细胞氧化应激的结果是细胞内活性氧和含氮化合物的蓄积,主要是活性氧簇(ROS)。地塞米松诱导的脂肪细胞IR与ROS的形成有关,ROS-代谢酶的高表达会避免IR的形成。蛋白酶-血管紧张素系统所诱导的IR可能也与ROS的蓄积有关^{[ 18]}。血管紧张素Ⅱ可直接促进ROS的蓄积。骨骼肌中NF-κB的活化和TNF-α的产生与胰岛素作用的损坏同时发生。高水平的ROS会导致胰岛素脱敏,这可能是通过激活一系列的激酶实现的,如JNK、丝裂素活化蛋白激酶p38(p38MAPK)、NF-κB 和 PKC。ROS是在电子传递链中产生的,是ATP生成过程中的副产物,并且这种情况发生在能量物质,如葡萄糖和FFA等氧化增加的时候。炎症因子可以增加氧化应激,许多研究提出这是经神经酰胺刺激线粒体产生ROS介导的。在脂肪细胞中,TNF-α可增加ROS水平并激活应激激酶JNK,进一步增加IRS-1丝氨酸磷酸化。因此,代谢和炎症性的细胞应激可以集合于一个最终的途径:氧化应激。而且,神经内分泌因素诱导的IR和ROS产生过多诱导的IR具有共同的途径。营养过剩和肥胖通常伴随着组织和循环中FFA浓度的升高。饱和FFA可直接在血管内皮细胞和脂肪细胞中激活前炎症反应。实验证明血清FFA水平过高可诱导大鼠肝脏的IR,这与肝细胞氧化应激有关^{[ 19, 20]}。而前炎症细胞因子如TNF-α会在FFA升高的条件下增加。在脂肪细胞中,TNF-α可增加ROS水平并激活应激激酶JNK,进一步增加IRS-1丝氨酸磷酸化,最终导致IR。在肥大的脂肪细胞中,很可能出现脂细胞内部脂肪酸浓度增加并伴随着氧化应激。过多的能量物质进入氧化途径将导致线粒体呼吸链活性升高和ROS产生。因此,高水平的FFA和葡萄糖均会导致能量物质氧化增加并进一步导致线粒体ROS蓄积。不同类型的细胞长期处于高水平的脂肪酸中,可以通过一系列机制途径损伤细胞功能,其中氧化应激是细胞功能障碍中的共同联系。用FFA棕榈酸酯处理HepG2细胞,Gao等^{[ 21]}指出NADPH氧化酶3(NOX3)衍生出来的ROS在IR中起关键作用。他们认为棕榈酸酯引起肝脏IR是由NOX3衍生出来的ROS经由JNK和 p38MAPK途径来介导。后者同时也可介导H₂O₂处理的L6肌细胞和离体大鼠骨骼肌组织产生的反应。