胰岛素结构和性质

胰岛素的结构和性质(北京大学化学分子工程学院北京100871 )摘要胰岛素是与人类健康有密切关系的蛋白质激素。 在蛋白质结构和功能研究中占有特殊地位。 本文简要介绍了胰岛素的基本知识，如胰岛素的初级结构和高级结构、胰岛素的生物合成、胰岛素的生物活性及其在临床中的应用。胰岛素(insulin )是蛋白质类激素。 体内胰岛素是由胰岛细胞分泌的。 人体胃后部，十二指肠旁，有一个叫胰腺的长脏器(图1 )。 胰腺里散布着很多细胞组称胰岛(图2 )。 人胰腺的胰岛总数约为100万个1的双曲馀弦值。 胰岛素是胰岛细胞受葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、葡聚糖等内源性或外源性物质刺激而分泌的蛋白质激素，是最先从胰脏得到的激素，在蛋白质结构和功能研究中获得了众多第一。 这是被证明有激素作用的最初的蛋白质，最初结晶的蛋白质，最初测定氨基酸序列的蛋白质，图1人体胰腺(胃的后下部)图2胰腺中的胰岛最初人工合成的蛋白质被证明是最初作为高分子前体合成的蛋白质和最初用基因工程制作的蛋白质产蛋白质2的双曲馀弦值。 1胰岛素的发现胰岛散布在胰腺外分泌腺的洋海中，因此胰岛素提取时容易被蛋白水解酶分解失活。 加拿大外科医生FrederrickGrantBanting发现胰腺外细胞坏死时胰岛细胞存活的报告。 因此他对胰岛中的活性物质感兴趣，想要提取分离胰岛中的活性物质。 但是，因为当时在英国工作的实验室条件不好，所以向在多伦多大学的生理系专门研究糖代谢的J.J.R.Macleod教授寻求帮助，寻求支援。 Banting要求提供实验室和相关设备、协助测定血糖和尿糖的助手、实验犬等。 Macleod教授勉强同意Banting的要求，找到了在多伦多大学医学部学习的4年级学生生CharlesH.Best是Banting的助手34的双曲馀弦值。 研究于1921年暑假进行，他们克服了许多困难和失败后，结扎了一些犬胰管，7周后，这些犬胰腺萎缩，失去了消化功能胰岛在外观上还很完整。 他们从狗萎缩胰腺中提取活性提取液，切除胰腺给患糖尿病的狗注射活性提取液，反复调节注射液的量，使得患糖尿病的狗能够存活数周，其中一只能存活70天3。作为对照实验，没有注射活性提取液而切除胰脏的狗，几天后因糖尿病死亡。 Banting开始将提取的活性物质命名为isletin。 回到Macleod假期得知Banting的研究取得了令人兴奋的结果，立刻将他的研究室的主要研究方向转变为Banting开始的课题，将胰岛素isletin更名为insulin。 Banting和Best于1922年发表了他们的研究结果，成功地将初步纯化的动物胰岛素应用于糖尿病人。 1923年，Banting和Macleod通过这项研究获得了医学和生理学诺贝尔奖。 胰岛素的发现被认为是糖尿病史上的里程碑事件。 为了纪念Banting的贡献，美国糖尿病协会每年将全美糖尿病研究的最高奖命名为Banting奖。 胰岛素的发现引起了各领域科学家的兴趣，促进了胰岛素的生物合成、初级结构和高级结构研究、化学合成、生物功能和作用机制研究，在蛋白质结构和功能研究方面取得了前述诸多首要成果。2胰岛素的初级结构和高级结构胰腺中提取的胰岛素结晶后，英国科学家Sanger从1945年开始，经过10年的研究，将牛胰岛素分成两链，然后用酸和蛋白水解酶分别部分水解得到小肽片分段，再加上2，4二硝基苯(Sanger！ s试剂、DNP法)分别测定双链氨基酸序列56 .在1955年年报道了胰岛素的初级结构7。 1958年，Sanger因此获得诺贝尔化学奖8的双曲馀弦值。 在牛胰岛素结构测定之后，Sanger等人测定了猪、羊胰岛素的初级结构。 目前阐明了各种常见动物胰岛素的初级结构。图3为猪胰岛素分子一级结构的示意图。 圆中的字母表示不同氨基酸残基的缩写。 从其初级结构来看，猪胰岛素的相对分子量为5734，等电点为5.35。 a、b两肽链共由51个氨基酸残基组成。 a链含有11种21个氨基酸残基，n端为Gly，c端为Asn，a链本身的6位和11位的2个Cys由二硫键形成环的b链含有16种合计30个氨基酸残基，其n末端为Phe，c末端为Ala。 a链和b链通过两个二硫键与胰岛素分子相连。部分氨基酸残基因动物胰岛素的初级结构而异。 例如猪胰岛素a链的8位、9位、10位氨基酸残基为Thr，Ser和Ile的牛胰岛素为Ala、Ser、Va； l是Thr、Gly和Ile。 人胰岛素和猪胰岛素仅在b链第30位氨基酸残基上有差异(人胰岛素为Thr，猪胰岛素为Ala )。 不同来源胰岛素结构不同，抗原性不同，临床上应用与人类胰岛素结构差异最小的猪胰岛素作为治疗药物也是基于上述思路。我国科学家经过6年多的时间，于1965年完成了结晶性牛胰岛素的全合成。 经过严格的鉴定，其结构、生物活力、物理化学性质、晶体形状均与天然牛胰岛素完全相同。 这是世界上最好的人工合成的蛋白质9的双曲馀弦值。1969年，英国科学家Hodgkin运用x射线结晶学分析，发现了分辨率为1.9的猪胰岛素的三维结构10。 胰岛素分子晶体由6个胰岛素分子和2个Zn2组成形成含有锌胰岛素的六聚体。 首先，2个胰岛素分子形成二聚体，然后3个二聚体形成以三重轴为中心对称的序列，b链位居第10位组氨酸咪唑基与轴上的Zn2构成配位键。 胰岛素晶体中锌含量为0.4%0.5% . 六聚体也是胰岛素在细胞中的积累形态。 我国科学家从1969年到1974年，以4(1970 )、2.5(1971 )、1.8(1973 )的分辨率测定了丁烷胰岛素三方二锌晶体结构。 这是接班人中的20人胰岛素合成后我国蛋白质科学研究的另一重要成果11的双曲馀弦值。 这些研究成果为深入研究胰岛素分子结构与功能的关系奠定了基础。胰岛素的初级结构与其生物活性有密切关系。 用胰岛素水解胰岛素，去除b链c端的8肽，生物活性只剩下1%。 B23甘氨酸、B24苯丙氨酸等是维持胰岛素生物活性所必需的。 二硫键被还原，胰岛素分解成a链和b链，胰岛素的生物活性完全丧失。 3 -胰岛素的生物合成在研究胰腺胰岛细胞腺瘤的过程中，Staeiner发现了胰岛素生物新蛋白合成的前体被命名为胰岛素原(proinsulin)12的双曲馀弦值。 胰岛素原本是单一的多肽链(86肽)，含有31个氨基酸残基组成的连接肽。 该连接肽(称为c肽)连接b链的c端和a链的n端。 胰岛素原子的二硫键被还原，再次被氧化时，形成正确的二硫键对。 胰岛素原子的基本结构是(b链) ArgArg(C肽) LysArg(A链)，在c肽的n末端和c末端用碱性氨基酸二肽连接a链和b链。图4前的胰岛素原体被加工成胰岛素的示意图13发现胰岛素原后，Staeiner发现可被胰岛素抗体沉淀的蛋白质，相对分子量为11500，命名为前胰岛素原(preproinsulin)13的双曲馀弦值。 胰岛素原的n末端进一步延长了20个左右的氨基酸残基(信号序列)为前胰岛素原。 信号序列的长度因生物体而异。 现在我们知道的胰岛素的生物合成过程的印象如图4所示。21人前胰岛素原也可以用下式表示：前胰岛素原酶胰岛素原酶胰岛素110氨基酸残基86氨基酸残基51氨基酸残基(两个二硫键连接a链和b链)胰岛素合成胰岛细胞内质网的核糖体。 首先，胰岛素结构基因在RNA聚合酶的作用下转录前胰岛素原的信使核糖核酸(mRNA )，后者从细胞核转移到细胞质，在多核体内被翻译成前胰岛素原。 前胰岛素原的信号序列被信号肽酶切断生成胰岛素原。 胰岛素原子进入内质网腔后，内质网逐渐发芽，脱落形成小泡，这些小泡向高尔基体移动，成为高尔基体的一部分。 胰岛素随着小泡泡进入高尔基体。 在高尔基胰岛素原体被未成熟粒子包裹着。 然后，通过激素原转换酶2(PC2)、激素原转换酶3(PC3)和羧肽酶h，脱离连接胰岛素和c肽分子两侧的两个碱性氨基酸(3132位ArgArg、6465位LysArg )，分离相同量的胰岛素和c肽随着胰岛素原的分解，未成熟粒子逐渐逐渐变成成熟的粒子。 颗粒中的胰岛素和Zn2形成含锌胰岛素晶体。 合成的胰岛素贮存在胰岛细胞的颗粒中。 成人胰岛内贮藏的胰岛素约为200国际单位(IU)1415的双曲馀弦值。4胰岛素的生物活性及临床应用胰岛素的生物效应包括很多方面，它是体内唯一降血糖的激素。 它也是同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的唯一激素。 胰岛素的主要靶器官是肝脏、肌肉和脂肪组织，能控制三种营养物质糖、蛋白质、脂肪的代谢和贮藏。 最明显的作用是影响糖的代谢，降低血糖值16。促进葡萄糖在肝脏和肌肉组织中的利用，激活糖原合成酶和丙酮酸脱氢酶等活性，促进糖原的合成，抑制糖原的分解。 另外，肝脏还有抑制蛋白质分解的作用，在肌肉组织中促进k由细胞向细胞内输送的脂肪组织具有促进氨基酸从细胞外向细胞内输送，促进脂肪的合成，抑制脂肪分解等作用。 在这些细胞水平作用于代谢系统是基于胰岛素及其受体的结合而实现的15。的双曲馀弦值。 也就是说，胰岛素降低血糖值是因为促进了靶细胞的葡萄糖摄取(提高膜的葡萄糖透过性)、贮藏(合成糖原和肌红蛋白)和利用(合成脂肪和蛋白等)。 胰岛被破坏，胰岛素分泌减少，生物组织对胰岛素的敏感性下降(胰岛素受体失去作用)，血糖上升，尿液中出现葡萄糖，发生糖尿病(diabetesmellitus )。 糖尿病是一种慢性代谢性疾病。 也是影响数亿人的复杂疾病。 体内胰岛素相对或绝对不足，形成持续高血糖，导致多组织器官代谢异常，引起功能障碍和形态学异常。 终身的疾病。 胰岛功能亢进，血糖值过低，能量供给不足，影响大脑功能。 胰岛细胞分泌的另一种多肽激素叫葡聚糖(glucagon )，是由29个氨基酸残基组成的单链多肽，其生物活性与胰岛素相反，通过刺激糖原的分解提高血糖水平。 一种能提高血糖值的激素。 胰高血糖素主要作用于肝脏，刺激糖原的分解，提高血糖水平17。的双曲馀弦值。 这对大脑的功能尤其重要。 因为神经元绝对依赖葡萄糖作为能量来源。 血糖值低于正常值时，肌肉需要注入葡萄糖血液。 此时葡聚糖作用于肝细胞，促进糖原的分解和异生，提高血糖浓度2 .的双曲馀弦值。 生物体是一个精密控制的复杂系统，通过不同生物活性的激素和其他活性物质的作用和相互制约，能够维持肌肉的正常运转。胰岛素依赖型糖尿病被称为#型糖尿病，胰岛素绝对不占主导地位，必须为治疗补充胰岛素。 非胰岛素依赖型糖尿病被称为糖尿病，由于胰岛素相对不足，治疗中是否补充胰腺较多岛素取决于病情16的双曲馀弦值。 糖尿病患者的5%10%为#型糖尿病，约4%的孕妇有妊娠期糖尿病1的双曲馀弦值。 现在临床应用的大部分胰岛素被猪胰岛素、牛胰岛素等过去常用的动物胰岛素所取代。 重组人胰岛素的产生，有可能为糖尿病患者提供人胰岛素。 据报道，中国目前成功开发出了具有自主知识产权的转基因人胰岛素，改变了多年来依赖进口的局面。 注射人胰岛素可以取代内源性胰岛素，但由于胰岛素容易变成二聚体和六聚体，注射后不能立即进入血液，因此其作用相对滞后于体内胰岛分泌的胰岛素的作用。 近年来，通过基因突变和表达的定位，得到了聚合度低的单体速效胰岛素，降血糖作用接近体内分泌的胰岛素。 目前，重组单体胰岛素已应用于临床，预计今后将取代重组人胰岛素18的双曲馀弦值。 此外，胰岛素容易被消化酶