典型蛋白质结构分子的功能和代谢胰岛素

走进生活的生物化学-专题一：典型蛋白质结构分子的功能与代谢,胰岛素,胰岛素的发现和研究进展,胰岛素与糖尿病,胰岛素与糖尿病,糖尿病是个历史悠久的慢性代谢性疾病，有文字记载的历史已有上千年。但对糖尿病病因的了解和治疗上有实质上的进展还不到一百年。胰岛素的发现对改变糖尿病患者的命运及揭示糖尿病的病因及相关影响因素意义重大。,胰岛素与糖尿病,按现代医学观点评述：糖尿病是以血糖升高为特征、以胰岛素缺乏和或利用障碍（胰岛素抵抗）引起的糖代谢异常性疾病；严重高血糖引起的急性并发症为酮症酸中毒及非酮症性高渗昏迷，如缺乏胰岛素治疗可导致死亡；长期血糖升高引起广泛性大、小血管病变可致人体多器官、组织功能障碍，甚至功能衰竭。,胰岛素与糖尿病,直至20世纪的前两个十年，那些因胰岛素严重缺乏的型糖尿病患者的命运就向现代人们患上恶性肿瘤或艾滋病一样，生命岌岌可危。其后，得于胰岛素的发现和用于临床治疗，不仅能很好的控制高血糖，也使糖尿病患者恢复原有的寿命，得到与正常人相同的享受生活的权利。,胰岛素的来源,胰腺是人体重要的消化器官，主要包括分泌消化酶为主的外分泌细胞和导管系统，及由多种内分泌细胞组成的胰岛。胰岛素是由胰岛中 细胞分泌的肽类激素，分子结构为51个氨基酸组成有两个二硫键连接的2条肽链。,胰岛素单体,胰岛,胰腺,胰岛素的合成与分泌,细胞最初生成胰岛素原，后经分泌小泡运送到细胞膜，由胞吐作用经细胞膜释放入血。释放过程中脱去一段C肽，形成A、B链结构的胰岛素。血液中内生胰岛素和C肽的比例是对等的。,胰岛素原,C肽,B链,胰岛素,胰岛素的结构,胰岛素的两个肽链分别为21个氨基酸组成的A链和30个氨基酸组成的B链，氨基酸排列有种属差异。猪胰岛素与人胰岛素仅在B链第30位氨基酸上有所不同，牛胰岛素在A链上还有两个氨基酸不同A8(Thr-Ala)、A10(Ile-Val)。,人胰岛素的一级结构,胰岛素的作用,受血糖浓度增加及体内其他因素调节释放入血液，运送到全身各组织、脏器；与脏器内细胞膜上的胰岛素受体结合，经过一系列的生物化学反应，促进细胞对葡萄糖的摄取、储存和利用，也有利于脂肪、蛋白质的合成代谢。胰岛素是人体能量代谢不可缺少的激素之一。,胰岛素与胰岛素受体结合后的信号传导,胰岛素,胰岛素受体,细胞膜,胰岛素的研发史,自18世纪至今，在诸多研究者不断进取的努力下，胰岛素的研究经历了五个阶段： 发现胰岛素 得到胰岛素 了解胰岛素 合成胰岛素 改造胰岛素,与胰岛素研究相关的诺贝尔奖项,斯德哥尔摩-诺贝尔颁奖大厅,1923- F.G. Banting 医学奖 J.J.R.Macleod 生理学奖 1958- Frederick Sanger化学奖 1977- Rosalyn Yalow 生理学或医学奖,The Nobel Prize,1788年 Thomas Canley (英) 证实胰腺损伤可导致糖尿病1869年 Langerhans (德) 发现胰腺内具有分泌功能的细胞团1889-1893年 Von mering 和 Minkowski (德) 证实胰腺细胞团产生降血糖物质1893年 Edouard Laguesse (法) 将胰腺细胞团命名为胰岛1909年 Jean de Meyer (比利时) 将胰岛分泌的降糖物质命名为胰岛素,胰岛素研究发展史发现胰岛素,胰岛素的研究发展史得到胰岛素,1921年 从狗的胰脏提取了胰岛素并用于临床,James BCollip (化学家),Frederick G.Banting (医生) 获1923年诺贝尔医学奖,Charies HBest (学生助理),J.J.RMacleod(生理学家) 获1923年诺贝尔生理学奖,为纪念四位科学家为糖尿病治疗做出的杰出贡献将班丁（Banting）医生的生日（11月14日）定为世界糖尿病日,胰岛素的研究发展史得到胰岛素,1926年 John J. Abel 得到结晶胰岛素1935年 Scott and Fiacher 获得高纯度结晶胰岛素,胰岛素的研究发展史得到胰岛素,1936年 Hans Christan Hagedorn, et al 合成鱼精蛋白锌胰岛素(PZI)1946年 Hans Christan Hagedorn, et al 合成中效 胰岛素制剂（NPH）,Hagedorn，是PZI、NPH的主要发明者，内科医师，博士，丹麦Steno糖尿病中心创始人，兼任主任26年,胰岛素的研究发展史得到胰岛素,1951年锌胰岛素1961年中性可溶性胰岛素1964年预混胰岛素1972年单峰胰岛素1973年单组分胰岛素 （纯度达到99%）,胰岛素的研究发展史了解胰岛素,1955年 Frederick Sanger (英国) 阐明牛胰岛素的氨基酸排列顺序获得1958年诺贝尔化学奖,1965年 王应睐，邹承鲁，龚岳亭等 (中) Katsoyannis PG (美) Meienhorer (德) 人工合成牛胰岛素1967年 Donald F. Steiner (美) 发现胰岛素原1969年 Dorothy Hodgkin (英) 确定胰岛素氨基酸排列的三维空间结构1971年 Pierre Freychet (美) 确认胰岛素受体,胰岛素的研究发展史了解胰岛素,胰岛素的研究发展史了解胰岛素,1958年，由中科院上海生物化学所、有机化学所和北京大学联合进行人工合成胰岛素研究，1965年获得人工合成牛胰岛素。,牛胰岛素晶体结构模型,胰岛素的研究发展史了解胰岛素,Rosalyn Yalow (and Solomon Berson)（美国）1959年开始用放射免疫方法测定血液中胰岛素含量1977年，获诺贝尔生理学或医学奖,胰岛素的研究发展史合成胰岛素,1979年 Ullrich 和 Itakura 阐明了胰岛素质粒的分子序列1979 -1981年 Goeddel 和 Chance 开始用DNA技术生物合成人胰岛素1981年 - 基因合成重组人胰岛素系列制剂,胰岛素的研究发展史了解胰岛素,用X线衍射法测出猪胰岛素晶体的立体结构为(中国，1971)：六个胰岛素分子和两个锌离子的胰岛素六聚体。两个胰岛素分子形成二聚体，三个二聚体围绕着三重轴形成对称排列的六聚体。作为胰岛素的储存形式，在胰岛素制剂注射到人体内也需要经过由六聚体解离为二聚体，再分解为单体释放入血液被利用的过程。,20世纪末 人胰岛素类似物研制成功,胰岛素的研究发展史改造胰岛素,胰岛素的蛋白质空间结构对维持其生物活性有很重要的意义，人工合成的胰岛素制剂受此影响在皮下注射后需有一定的解离时间才能发挥效力，故治疗时需提前20-30分钟注射胰岛素。糖尿病人需要更接近生理状态、使用方便的胰岛素制剂。利用基因重组技术，修饰胰岛素的氨基酸组合：,基因合成的人胰岛素类似物,优泌乐赖脯胰岛素,速效胰岛素,谷赖胰岛素,基因重组的速效人胰岛素类似物，直接以单体胰岛素的形式入血，能够在注射后被迅速吸收，注射10分钟后即可起效。与长效胰岛素联合应用，模拟基础、餐时胰岛素治疗，血糖更易控制，低血糖发生率低。,人胰岛素类似物,基因重组的速效人胰岛素类似物的预混制剂，具有餐时注射起效快，灵活方便的特性。,诺和锐门冬胰岛素,诺和锐30特充,速效胰岛素,基因合成的人胰岛素类似物,超长效人胰岛素类似物,比常规长效胰岛素作用时间更长, 主要用于24小时长期控制基础血糖。可以与速效类似物联合使用,能很好的模拟正常人的生理性胰岛素分泌,使糖尿病患者的血糖水平得到24小时理想控制。,来得时甘精胰岛素,中、长效胰岛素,地特胰岛素 诺和平,胰岛素注射方式的改进,几十年来,胰岛素注射器已经有了很大的改进。许多品牌厂商制造胰岛素专用注射器,针头经过特殊处理,因而注射时不感到疼痛,而且针眼很小。注射器针筒上直接标有胰岛素单位(IU)，注射几个单位胰岛素只要按标记抽取,不需换算。,一次性注射器,胰岛素注射方式的改进,一种利用高压将胰岛素“喷”入皮下的装置，无需针头，加之其经久耐用，常给惧怕针头的儿童使用。但此装置价格较贵，拆洗安装过程较繁琐，喷射时局部压力较大，尚未广泛推广使用。目前高压注射器多用于人群计划免疫和多人集中注射的情况。,高压无针注射仪,胰岛素注射方式的改进,胰岛素笔是一种形如钢笔的专用注射装置,将胰岛素液储存于笔中,使用前调好剂量旋钮,患者自己注射方便易行。胰岛素笔配有专用笔盒,可随身携带,更方便于旅行出差时使用。笔上配有触感式剂量调整旋纽 ，也能适用于眼睛不方便的患者。,胰岛素笔,胰岛素注射方式的改进,胰岛素泵是目前最方便、最现代化的注射方式，可以自动定时定量地注射胰岛素，能较好模拟生理性胰岛素分泌，可以准确控制胰岛素的输入剂量，并能经导管连续不断按需要将胰岛素输入患者皮下。随着技术的发展，胰岛素泵越发小巧，功能亦不断完善，目前的胰岛素泵仅重约100克,如一台寻呼机大小，携带方便。,胰岛素泵,非注射用胰岛素,正在研究中的其它非注射胰岛素给药途径包括: 口腔喷雾 鼻腔给药 直肠栓剂给药 均还在研究阶段 滴眼剂 透皮或口腔粘膜给药,副作用胰岛素性水肿：由于血糖下降过快而组织相对高渗，低钠血症，注射胰岛素后尿量减少，钠水潴留，可出现在面部、下肢，一般可自行缓解。屈光不正：与注射胰岛素后，血糖下降过快有关，一般待血糖满意控制后消失。 体重在DCCT（糖尿病控制与并发症试验）/ UKPDS（英国前瞻性糖尿病研究）中均可见到；导致粥样硬化的危险：为争论问题，尚未解决。胰岛素抗体形成（人胰岛素少见 ）,常用三角肌、腹部、大腿及臀部，以腹壁吸收最快，其次是上臂、大腿及臀部，应多处轮换注射，以免固定在一处注射局部产生脂肪萎缩或纤维组织增生影响胰岛素吸收。,注射的部位,胰岛素的保存,胰岛素在28 OC可保存年正在使用的瓶装胰岛素于25OC环境中不得超过1个月胰岛素不能冰冻保存，避免温度过高或过低（不宜30OC）及剧烈晃动。,1788年 Thomas Canley (英) 证实胰腺损伤可导致糖尿病1869年 Langerhans (德) 发现胰腺内具有分泌功能的细胞团1889-1893年 Von mering 和 Minkowski (德) 证实胰腺细胞团产生降血糖物质1893年 Edouard Laguesse (法) 将胰腺细胞团命名为胰岛1909年 Jean de Meyer (比利时) 将胰岛分泌的降糖物质命名为胰岛素1921年 Frederick G Banting Charies H Best 从狗的胰脏提取了胰岛素并用于临床1936年 Christan Hagedorn, et al 合成鱼精蛋白锌胰岛素(PZI)1955年 Frederick Sanger(英) 阐明牛胰岛素的氨基酸排列顺序1959年 Rosalyn Yalow (加) 用放射免疫方法测定血液中胰岛素含量1965年 王应睐，邹承鲁，龚岳亭等 (中) Katsoyannis PG (美) Meienhorer (德) 人工合成牛胰岛素1981年 - 基因合成重组人胰岛素系列制剂20世纪末- 人胰岛素类似物研制成功,胰岛素的人体来源,胰岛素合成的控制基因在第11对染色体短臂上。基因正常则生成的胰岛素结构是正常的；若基因突变则生成的胰岛素结构是不正常的，为变异胰岛素。在细胞的细胞核中，第11对染色体短臂上胰岛素基因区DNA向mRNA转录，mRNA从细胞核移向细胞浆的内质网，转译成由105个氨基酸残基构成的前胰岛素原。前胰岛素原的信号序列被信号肽酶切断生成胰岛素原-86个氨基酸组成的长肽链胰岛素原（Proinsulin）。在高尔基体内,胰岛素原被包裹成为未成熟颗粒。然后,在激素原转换酶2(PC2)和激素原转换酶3(PC3)及羧肽酶H的作用下,脱去连接胰岛素和C肽分子两侧的两个碱基氨基酸(3132位Arg-Arg, 6465位Lys-Arg),产生等量的胰岛素和C肽,整个过程约需几小时。随着胰岛素原的分解,未成熟颗粒逐渐成为成熟颗粒。同时，颗粒内的胰岛素与Zn2+结合形成含锌胰岛素晶体。合成的胰岛素储存在胰岛细胞的颗粒中。未经过蛋白酶水解的胰岛素原，一小部分随着胰岛素进入血液循环，胰岛素原的生物活性仅有胰岛素的5%。,胰岛素原激活,牛胰岛素的一级结构： 51个氨基酸，A（21肽）、B（30肽）两条肽链，A链内一对S-S，A和B链间2对S-S,胰岛素分子的空间结构,胰岛素分子的空间结构已相当清楚，联系胰岛素的功能，分析胰岛素分子的立体结构，有三个区域是值得注意的:分子内核全部是疏水残基，包括A16、B11、B15的亮氨酸，B18的缴氨酸，A2的异亮氨酸和A6、A11的胱氨酸，这一疏水内核对维持分子的整体结构是十分重要的。由B24、B25的苯丙氨酸，B16的酪氨酸和B12的缬氨酸所形成的分子疏水表面，是分子的二聚体的接触面，也可能是激素分子与其受体的结合面。由A1甘氨酸、A5谷氨酰胺、A9酪氨酸和A21天冬酰胺等极性残基组成的亲水极性很强的区域，可能与激素分子信息传递的“活性部位”有关。,C肽作用,C肽最初被认为是无生物活性的，仅用于与胰岛素结合起来判断胰岛细胞功能。然而现在很多研究证明：C肽可以舒张血管，改善红细胞变形性，促进肌肉对葡萄糖和氨基酸的利用；增强Na+-K+-ATPase的活性；C肽可以改善糖尿病小鼠的神经功能及肾脏功能，从而在防治糖尿病并发症过程中发挥重要作用。 5 在肝脏代谢，主要在肾脏代谢，C肽半衰期为 20 分钟， C肽 外周血浓度是胰岛素的 5 倍；,胰岛素代谢,胰岛素半衰期为515分钟。在肝脏，先将胰岛素分子中的二硫键还原，产生游离的A、B链，再在胰岛素酶作用下水解成为氨基酸而灭活。胰岛素的清除主要在肝脏和肾脏，流经肝脏的胰岛素约 40 被肝脏提取和代谢分解，肝脏、肾脏、周围组织对胰岛素的代谢清除率比分别为 6 ：3 ：2 。,胰岛素降解,胰岛素降解的方式包括非酶促降解和酶促降解。前者是指在体外，胰岛素可被亚硫酸钠、琉基乙醇、金属钠等非酶化学物质所降解。但这种方式目前认为在体内不存在。后者是指胰岛素在某些酶的催化下发生降解。这些酶包括胰岛素降解酶（IDE）、谷胱甘肽-胰岛素转氢酶、羧肽酶、胰蛋白酶等。其中，IDE的特异性最高、催化活性最强。,IDE的结构,IDE是一种分子中含较多巯基的蛋白水解酶(EC3.4.22.11)，属于金属内肽酶家族，分子中含有Zn2+的结合位点。研究表明，IDE活性中心的关键部位是此酶的Zn2+结合部位。Gehm等发现该区域的一级结构高度保守，人IDE与鼠IDE的此部分完全相同与果蝇IDE、大肠杆菌IDE也仅相差一个氨基酸残基。,果蝇的胰岛素,2