胰岛素结构和性质

1、胰岛素的结构和性质（北京大学化学与分子工程学院二北京100S71）二二摘要二胰岛索是与人类健康有密切茨系的蛋口质激素。在蛋口质的结构与功能研究屮舌有特殊的地位。本文对胰碍索的基本 知识如胰岛素的发现，胰离索的-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在临床上的应用进行简要的介绍。 二二眺离素（xnculuv是一种蛋白质类激索。体内胰戲索是由胰甜二细胞分泌的，在人体胃的后下部，十二指肠旁，有一条长形的器官, 叫做胰服（图在胰腺中散布若许许多多的细胞群，叫做胰岛（图2）。人胰腺中胰岛总数约有100万个1。胰岛索是由胰品二细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳椭、核糖、倚氨酸、胰高血糖索

2、等的刺激而分泌的一种蛋口质激素, 是瑕早从胰腺屮得到的激索，在蛋白质的结构与功能的研究屮取得了多个二第一。它是第一个被证明冇激素作用的蛋口质,第一个 被结晶的蛋口质，第一个被测定氨基酸序列的蛋口质，图1二人体胰腺（在胃的后下部）图2二胰腺屮的胰隔第一个被人工合成的蛋口质，第一个被证明是以大分子前体形式合成的蛋口质和第一个用基因工程生图1人体胰腺（在胃的后下部）产的蛋口质2。1二胰岛素的发现二二由干胰岛散布在胰外分泌狐的汪洋大海中対此在提取胰岛索时极易被蛋口水解降解而失活。加京大外科医生 FredemckGrantBantmg看到-篇报道，提到在胰脏外分泌细胞坏死时默隔细胞仍然存活。于是他对胰岛

3、中的活性物质产生了浓M 的兴趣，希塑能提取.分离胰岛中的活性物质但当时他在英国工作的实脸室条件较差,干是求助于务伦多大学生理系专门研究糖 代谢的IJRMacleod教授，希塑他给予支持。Banting要求提供一间实验室及右关设备.一名协助他测定血糖和尿椭的助手以及实 脸用的狗等。当时Macleod教授勉强同恿f Banting的要求并找了一名当时在多伦务大学医学皖学习的四年级学人分泌胰腺细胞图2膜腺中的族岛生 CharlecH.Bect 作为 Banting 的助手3Z4研究工作在1921年暑假中进行，他们克服了许多困难和经历J多次失敗后，结扎J几只狗的胰导管,7周后，这些狗的胰腺都萎缩 匚并

4、失去J消化器官的功能，而胰品从外观上看仍然是完好的。他们从狗的萎缩胰脏屮抽提出具冇活性的捉取液，然后给切除胰脏并患冇糖尿病的狗注射有活性 的提取液,经过反复调节注射液的剂虽，使几只切除胰脏并想冇糖尿病的狗得以生存数周，其中一只想有严垂糖尿病的狗居然存活 f 70 天3；而作为对照实脸，没冇被注射仃活性提取液而切除胰脏的狗,则因糖尿病几天后就死去C Bantmg开始把提取的活性物质命名为 hletrn Nfacleod度假回來得知Bantmg的研究取得了令人兴奋的结果后，立即将他实验室的主要硏究方向转向Bantmg开创的谍題, 并将胰岛素isletm更名为mculin、Banting与Beet于

5、1922年发表了他们的研究结果，并将初步纯化的动物胰岛素成功地应用于糖 尿病人。1923年，由于该项酬究成果.Banting与Macleod茯医学和生理学诺贝尔奖。胰离索的发现被认为是椭尿病史上的里程碑 爭件。为了纪念Banting的贞献，美国糖尿精协会把每年全美糖尿病研究的最高奖项命名为Banting奖。胰岛素的发现激发/乞个 领域科学家的兴趣，促进关于胰岛素的生物介成.一级结构与高级结构的研究.化学合成.生物功能与作用机制的研究，在蛋白 质的结构与功能的硏究中取得前面提到的多个二第一的巫大成就。2二胰岛素的级结构与高级结构二二自从陕腺中捉取的胰岛素得到结晶后，英国科学家Sanger从194

6、5年起，历经10年的研究，先将牛胰甜素拆分成两条诫，然后用酸 和蛋白水解的分别进行部分水解得到一些小的肽片段，再用2,4二二硝星苯（Sanger!s试剂,DNP法）分别测定厂两条链的氨星酸顺序5=6，于 1955年报道J胰岛素的一级结构7； 1958年danger因为该项成果茯谈贝尔化学奖8继牛胰岛素的结构测定后,Songer等人又测定了猪、羊胰岛素的一级结构。现在,冬种常见动物的胰索的一级结沟均己阐明， 二二图3是猪胰岛素分子的一级结枸示；&图。興圈中的字母代表不同氨基酸残星的缩写符号。由其一级结构可知，猪胰索相对分 子质虽为5734,等电点为5.35。A. B两条肽链共由51个氨基酸残基组

7、成。A链含有11种21个氨基酸残基端为Gly、C端为 AsdA琏本身的6位和11位上的两个Cyz通过二硫键相连成环;B链律16种共30个氨基酸残星，其N端为PhsC端为Ah； A链 和B谨又通过2个二硫毬互相连接成胰岛素分子。二二不同动物胰岛素的一级结构中部分氨基酸残基是不同的，例如猪胰岛素A链的第8、9、10位氨星酸殁基是Thr、Ser和Ik: 牛胰岛素为Ah、Ser. Vh;l而马胰岛素则为Thr、Gly和Ils人胰隔素和猪肢岛素仅在B链第30位氨基酸残基冇区别（人胰场素 为Thr,猪胰岛素为A切。由于不同来源的陕血素结构差异，它们的抗原性不同，临床上应用与人胰岛素结构差异报小的猪胰岛素作

8、 为治疗药剂，也正是基干上述考虑。二二我国科学家历经（5年多时间，干1965年完成了结晶牛胰品索的全介成。经过严格鉴定，它的结沟.生物活力、物理化学性质. 结晶形状都与天然的牛胰场索完全一样。这是世界上第一个人工合成的蛋口质9令= = 1969年，英国科学家Hodgkrn用X射线晶体学分析揭示了分辨率为1.9二的猪胰岛素的三维结构10.胰离索分子晶体由6个胰岛素分子和2个Zn2-形成金锌胰岛素的六聚体首先,2个胰岛索分子形成二聚体，然后3个二聚体围绕三巫轴形成对称的排列卫链第10位上组熬酸的咪哇基与轴上的Zn2+组成配位键。陕岛素晶体屮锌的含虽为0.4%75%：六聚体也绘陕岛素在二细胞中的储存

9、形式。我国科学家在1909年至1974年 期间先后以42（1970）. 2.5二（1971）、1.8二（1973）分辨率，测定J猪胰岛素三方二锌晶体结构。这是继人工20介成胰岛素Z后我国蛋口质科学研究的又一巫要成果H。这些研究成果为深入研究胰血素分子结构与功能的关系奠定J基础。二二眺岛索的一级结构与其生物活性冇密切关系。如用胰蛋口晦水解胰岛索，去除B链C端的8肽,生物活性只剩1%, B23甘氨 酸、B24苯丙氨酸等均为维持胰场素生物活性所必需，二硫键被还原便胰岛索分解为A链和B链后，胰岛素的生物活性完全丧失。 32.素的生物介成二二在酬究胰眼的胰岛细胞腺痫的过程中,Stxinc发现了一个新的蛋

10、口质，它是胰码索生物介成的前体，命名为妙渦素原（proinculin）12。胰岛素原是一条单一的多肽锻（86肽）,它包含一个由31个氨基酸残基组成的连接肽。这个连接肱（称为C肽）连接B琏的C端和 A链的N端。当胰岛素原的二硫键被还原然后巫新氧化时，可以形成正确的二硫键配对。胰岛素原的星本结构是（B 链）ZArg=Arg=（C肽）二Lyc二Ar匸（A链），在C肽的N端和C端通过触性氨基酸二肽把A链和B链连接起来。图 匸 前 胰 场 素 原 加 工 成 胰 岛 索 的 示 恿 图 13碍s/碍s/-S-S-/肢岛素图4前胰岛素原加工成胰岛素的示意图皿二二继发现胰岛素原Z后,staemer又发现了一

11、个能被胰码索抗体沉淀的蛋口质，相对分子质虽为11500.命名为前胰岛素原(preproin:ulin) 13。胰隔素原的N端进一步延长20个左右的氨基酸残基(信号序列)就是前胰岛素原。不同生物体的信号序列长短有所不同，目前 我们所解的胰岛素的生物介成过程示慝图见图4：21二二人前盹隔素原也可用以下简式表示:二二二二前陕岛素原胰动素原胰动素二二二110氨星酸残基二二二二86氨基酸残基二二二二51氨基酸残基(2个二硫键连接A锻和B琏)二二胰附索是在胰岛二细胞内质网的核糖体屮介成的。首先，胰岛素结构星因在RNA聚合的的作用下,转录生成前胰岛索原的倍使 孩糖核酸(mRNA)后者从细胞核转入胞浆，在多孩

12、糖体内翻译为前胰岛素原。前胰超素原的信号序列被信号肽的切断生成胰场索 原。胰岛索原进入内质网腔后,内质网逐渐鼓起胞芽，并脱落生成小泡，这些小泡向高尔基体移动，并与Z结介成为高尔基体的一部 分。胰超素原随習小泡进入高尔星体。在高尔基体内砂场索原被包表成为未成熟颗粒，然后，在激素原转换M 2(PC2)和激索原转 换酶3(PC3)及竣肽祸H的作用下，脱去连接胰场索和C肽分子两测的两个喊基氨基酸(3132位Arg二Ar/465位Ly:;二锂)产生 等虽的胰岛素和C肽，整个过程约需儿小时。随咎胰隔素原的分解，來成熟颗粒逐渐成为成熟颗粒。颗純内的胰品素与Zn2f结介形成含锌胰岛索晶体。介成的胰岛素储存在眺

13、二细胞的二颗粒屮。成人胰岛内贮存的胰超素约200国际单位(IU)14 = 1习4二胰岛素的生物活性及临床应用二二妙渦索的生物效应包括许多方面，它是体内唯一能降低血糖的激素。也是唯一同时促进糖原.脂肪.蛋口质介成的激素。胰岛 索的主要靶器官为肝脏、肌肉及脂肪组织，它控制着三大营养物质蛋口质、脂肪的代谢和贮存。姒明显的作用是戲响 糖的代谢,降低血糖16，即促进肝脏及肌肉组织屮術萄糖的利用，激活糖原合成脇和丙刖酸脱氢酶等的活性，促进椭原的介成并抑制糖原的分解。此外，对 肝脏来说还冇抑制蛋口质分解的作用;在WII肉组织中促进K+从细胞外向细胞内的转运;在脂肪组织中促进氨星酸由细胞外向细胞内转运，促进脂

14、肪的合成，抑制脂肪的分解等作用。这些在细胞 水平上对代谢系统的作用是基于胰岛素与其受体的结介得以实现的1习总乙胰陥素Z所以能降低血糖，是因为它促进了靶细胞对葡萄椭的摄取（增加骐对何萄耨的通透性）、贮存（合成肝糖原和肌糖原） 和利用（用于合成脂肪和蛋口等）。当胰岛受到破坏.胰岛素分泌减少或机体组织对胰韵素的敬感性降低（胰色索的受体失效）时, 則血篦升商，尿屮出现葡萄糖，发生糖尿病（diabeteomelhtus）.糖尿病是一种慢性代谢性疾病。也是一个影响曽数亿人的复杂挨病。 由于体内胰岛素相对或绝对不足，形成持续性高血糖,导致许多组织器官代谢异常，继而产生功能障碍及形态学异常。它是一种终生 疾病

15、。二二如果胰离机能亢进，则出现血糖过低，能虽供给不足,甚至影响大脑机能。胰岛二细胞分泌的刃一种多肽激素叫胰高血糖 （glucagon）,由29个妊基酸残基组成的单链多肽，其生物活性与胰岛素相反，通过刺激鮎原分解提高血糖水平。所以它是升高血 糖的激素。胰商血糖索主要作用于肝脏，刺激糖原分解，便血糖水平提高17这对大脑的功能待别垂耍，因为神经元绝对依赖葡萄糖作为能源。当血糖浓度降到正常值以下时,妙1体迫切需要注入葡萄糖到 血液。这时胰高血糖素作用于肝细胞，促进糖原分解和异生，以提高血糖的浓度2冇机体是一个精密调控的芟朵体系，由不同生物活性的激素和具他活性物质的作用和相互制约，才能维持肌体的正常运转

16、。二二帧离素依恢型糖球病称#型糖尿病脑岛素绝对不足占主导地位，所以在治疗屮必须补充胰品素。非胰岛素依赖型糖尿病称m型 糖尿病，多数因胰岛素相对不足胎疗中是否补充胰血素可根据病情而定“。糖城病人屮5%-10%屈于伴型糖尿病，约4%的孕妇想有妊娠期糖尿病1目前在临床上炖用的胰岛素大部分己用人胰岛素代替了过去常用的动物胰岛素如猪胰岛素.牛胰隔素等，伙I为巫组人胰品索的 何世才可能为椭尿病人提供人咦岛索。据报道，我国现在已成功研制.开发出具有自主知识产权的基因重组人胰岛索，改变了长期 以來依頼进口的局面。虽然注射人胰岛索可以替代内源胰岛索，但是由于胰岛素容易聚介成二聚体和六聚体，在注射后不能迅速进 入血液，因此其作用比体内胰色分泌的胰岛素的作用相对滞后。近年來通过星因定位突变和表达，可以得到聚合度低的单体速效胰 劝素，其降血椭作用与体内分泌的胰岛素相近。现在垂组单体胰岛素己在临床賊用，可以预期它以后将取代垂组人胰岛素18另外，由于胰