胰岛素研究的进展

胰岛素研究的进展胰岛素研究的进展 摘要摘要 近年来胰岛素的研究在各个方面进展均迅速，在胰岛素生理功能方面， 除了经典的代谢调节作用外，还具有促生长作用，可能是体内一种重要的生长 调节因子。此外，本文还介绍了胰岛素与其受体相互作用、胰岛素蛋白质工程 研究进展，以及胰岛素及其类似物在临床应用的前景。 关键词关键词 胰岛素 胰岛素受体 促生长作用 糖尿病 1869 年德国的朗格汉斯（Langerhans）发现，在胰腺内除有众多的腺泡外， 还散在有一群群非腺泡细胞，它们在宛如大海的胰腺中，犹如点缀着的星星小 岛，称为胰岛。成年人胰腺中约有 170 万200 万个胰岛，以胰尾部的密度较 大，每个胰岛的直径从 75m175m 不等，总重量仅占胰腺总重量（90g）的 12。 胰岛细胞在体内究竟起什么作用，曾引起众多科学家的关注，直到 1921 年， 加拿大的班亭（Banting）和贝斯特（Best）从胰腺中分离出纯化的胰岛素后， 胰岛分泌胰岛素及其与血糖的关系才大白于天下。作为治疗糖尿病的特效药， 胰岛素的发现在医学史上具有划时代的意义，它在千百万糖尿病人心中燃起了 生命的希望。 1 细胞细胞 胰岛内有多种内分泌细胞，分泌胰岛素的细胞称为 细胞。 细胞约占胰 岛细胞总数的 6080，主要分布在岛的中心，周围围绕有 A 细胞、D 细胞 和 PP 细胞等内分泌细胞。 细胞体积较小，马洛里（Mallory）染色胞质着桔黄 色，内含大小不一的分泌颗粒，称为 颗粒，免疫组化研究观察到，抗胰岛素 抗体定位其内，表明 颗粒是胰岛素在 细胞内的贮存形式，当细胞外液葡萄 糖浓度增加时，可出现 细胞脱颗粒现象。 细胞释放的胰岛素可通过体循环、 岛内细胞间的缝隙连接及岛内微血管，对体内各种细胞、胰腺外分泌细胞及岛 内相邻的内分泌细胞发挥巨大的影响。 新近资料表明， 细胞除分泌胰岛素外，还合成一种叫淀粉素（amylin）的 多肽，它具有抑制胰岛素分泌和拮抗胰岛素作用的生物活性，与糖尿病的发生 有一定关系。 2胰岛素的生物化学胰岛素的生物化学 细胞首先合成的是一个大分子的前胰岛素原，以后加工成由 86 个氨基酸 残基组成的胰岛素原。在酶的作用下，胰岛素原又进一步裂解，产生一个胰岛 素分子和一段连接肽（C 肽）。 胰岛素是含 51 个氨基酸的小分子蛋白质，分子量约 6000，分子中有 2 个 肽链（A 链和 B 链），通过 2 个二硫键结合在一起。各种哺乳动物的胰岛素分 子的氨基酸组成虽有差异，但差异不大，因此，在治疗人胰岛素分泌不足时， 可注射猪或牛的胰岛素，但长期使用也可因抗体的产生而影响治疗效果。 C 肽是胰岛素生成过程中的产物，其数量与胰岛素分泌量有平行关系。C 肽无胰岛素活性，但由于它的半衰期比胰岛素长，且不受胰岛素抗体或外源性 注射的胰岛素的影响，临床上常测定 C 肽在血液中的浓度以反映 细胞的分泌 功能。 1965 年我国生化学家首先人工合成具有高度生物活性的胰岛素，成为人类 历史上第一次人工合成蛋白质的创举。近年来随着基因工程的发展，人们已能 大规模生产重组人胰岛素，迄今已获得了 300 多种胰岛素类似物，包括不同种 属动物的胰岛素、化学合成的类似物，以及多种基因工程突变的类似物。其中 有些类似物在速效、长效、高效等方面，具有比天然胰岛素更好的优点，展现 出光明的临床应用前景。此外，把人类胰岛素的基因移植到别的生物体（如大 肠杆菌），使后者获得合成人胰岛素的能力，以生产大量人胰岛素，并能代代 相传的基因移植工程，也已成为科学家们攻克的目标。总之，胰岛素已成为蛋 白质化学史上研究最广泛和最深入的蛋白质之一。 3胰岛素的作用及分泌调节胰岛素的作用及分泌调节 3 / 5 胰岛素是一种多功能的蛋白质激素，它对人体物质代谢有着广泛而深刻的 调节作用，同时，它还是一种重要的生长调节因子，可刺激多种细胞的增殖与 分化。 胰岛素对代谢的调节作用已广为人知，对糖代谢，它促进组织细胞对葡萄 糖的摄取和利用，它还加速糖原的合成、抑制糖原的异生，因此具有降血糖作 用，是体内唯一的降血糖激素。对于维持糖稳态具有重要作用，当胰岛素分泌 不足时，血糖会急剧升高。胰岛素不仅对糖，它对脂肪和蛋白质的合成也有促 进作用，因此，胰岛素对代谢的作用的总趋向是促进营养物质以不同形式保存 起来，人们常将其称为“贮存激素”。 胰岛素代谢作用的主要靶器官是肝脏、脂肪组织和骨骼肌。3 大营养物质 主要都贮存在这 3 种组织中。 正常人体内胰岛素的分泌有 2 个层次，一是长期的低水平释放，在血液中 维持一个基础值（35145pmol 或 1020uml），以保持正常的血糖水平； 另一层次是在进食后短暂的、快速高水平释放，以适应饭后快速降低血糖浓度 的需要，通常在饭后 3060min 内，人血中胰岛素浓度达到高峰，23h 内恢 复到基础水平。 血液中葡萄糖、氨基酸和脂肪酸都是刺激胰岛素分泌的有效因素，但正常 情况下，血液葡萄糖浓度是胰岛素分泌的最重要调节物。葡萄糖的有效阈浓度 为 90100mgdL，血糖浓度为 300500mgdL 时，胰岛素分泌量达最大值。 在高糖刺激下，首先引起 细胞内贮存的激素迅速释放，但这一时相持续时间 不长，510min 后胰岛素分泌即下降 50；随后由于 细胞内胰岛素合成酶系 统的激活，胰岛素的合成和分泌又逐渐增多；若高糖刺激持续 1 周左右，它还 可由 细胞的增生而进一步增加分泌。 除营养物质外，胰岛素分泌还受体内神经和激素的调节。刺激迷走神经可 使胰岛素分泌增加，而交感神经通过去甲肾上腺素作用于 受体抑制胰岛素分 泌。 食物进人肠道后，肠道粘膜中内分泌细胞分泌的多种胃肠激素，对胰岛素 分泌有重要生理意义。作为肠道信号，在血糖尚未大幅度升高时，提前刺激胰 岛素分泌，使机体为应付营养物质大量吸收入血而作好准备，从而避免了血糖 水平在摄食后过度升高而从尿中丢失糖。具有这种促胰岛素分泌作用的胃肠激 素有抑胃肽（GIP）、肠高血糖素样肽-1（GIP1）等，它们被统称为肠促胰岛 素（incretin），是肠-胰岛轴的重要组成部分。 胰岛内的其它内分泌细胞分泌的激素，如胰高血糖素、生长抑素等，通过 旁分泌途径或局部微循环，与 细胞之间具有相互制约的关系。 4胰岛素受体和受体后过程胰岛素受体和受体后过程 胰岛素与靶组织细胞相互作用引起一系列生物效应，首先必须和细胞表面 的胰岛素受体相结合，几乎体内所有的细胞表面均存在具有高度特异性和高度 亲和性付胰岛素受体。胰岛素受体是靶细胞膜上的一种固有糖蛋白，属于酪氨 酸激酶受体家族，即具有受体自磷酸化激活的酪氨酸激酶活性。 胰岛素受体是由 2 个 亚单位和 2 个 亚单位构成的四聚体，亚单位之间 通过二疏键相连结。 亚单位裸露于细胞膜外，为结合单位，是胰岛素与受体 相结合的部位； 亚单位是跨膜蛋白，为效应调质单位。胰岛素与 亚单位 结合后，即引起 亚单位受体蛋白中酪氨酸残基磷酸化，成为激活的酪氨酸激 酶。目前认为，胰岛素受体的自磷酸化是胰岛素发挥生理作用的早期现象。活 化的受体随后引起细胞内胰岛素受体底物的磷酸化，信号由此传导下去，并逐 级放大，产生生物效应。已经发现和鉴定出了多种胰岛素受体酪氨酸激酶的胞 内底物，其中广泛存在的胰岛素受体底物-l（IRSl）被认为是一种“坞”蛋白， 它具有至少 20 个潜在的酪氨酸磷酸化位点，可被活化的胰岛素受体迅速磷酸化， 参与了以后级联反应的第一步。 胰岛素与受体结合后，其复合物可通过胞吞作用（protocytosis）向细胞内 转移，称为内化（internalization），并在细胞内形成囊泡，囊泡在细胞内移动 过程中可相互融合而增大，囊泡内 pH 降低，促使胰岛素与受体分离。分离后 的胰岛素主要代谢途径是降解。分离后的受体多数可再循环到细胞表面，一部 5 / 5 分则在细胞内被降解。因此，靶细胞在接触胰岛素后，将出现时间依赖性和激 素依赖性的细胞表面功能性受体数目减少，称为受体减数调节或下调 （downregulation），它使靶细胞对胰岛素的反应降低。 新近有资料认为，胰岛素与受体的复合物内化后，一部分内化的胰岛素可 发生核转位（nuclear translocation），进而引起基因活化和基因表达水平的改变。 受体和受体后过程是激素产生生物效应的重要环节，因此当胰岛素受体的 合成、受体分子由合成部位向细胞表面转运、受体和胰岛素结合力、受体酪氨 酸激酶活性、胰岛素-受体复合物的内化，以及细胞内信号传导等过