胰島素結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

1、胰島素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院北京100871）摘要胰島素是與人類健康有密切關(guān)系的蛋白質(zhì)激素。在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能研究中占有特殊的地位。本文對(duì)胰島素的基本 知識(shí)如胰島素的發(fā)現(xiàn)，胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)，胰島素的生物合成，胰島素的生物活性及在臨床上的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。胰島素（insulin）是一種蛋白質(zhì)類激素。體內(nèi)胰島素是由胰島細(xì)胞分泌的。在人體胃的后下部十二指腸旁,有一條長(zhǎng)形的器官， 叫做胰腺（圖1）。在胰腺中散布著許許多多的細(xì)胞群，叫做胰島（圖2）。人胰腺中胰島總數(shù)約有100萬(wàn)個(gè)1。胰島素是由胰島 細(xì)胞受內(nèi)源性或外源性物質(zhì)如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而

2、分泌的一種蛋白質(zhì)激素, 是最早從胰腺中得到的激素，在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的研究中取得了多個(gè)第一。它是第一個(gè)被證明有激素作用的蛋白質(zhì)第一個(gè) 被結(jié)晶的蛋白質(zhì),第一個(gè)被測(cè)定氨基酸序列的蛋白質(zhì)，圖1人體胰腺（在胃的后下部）圖2 胰腺中的胰島第一個(gè)被人工合成的蛋白質(zhì)，第一個(gè)被證明是以大分子前體形式合成的蛋白質(zhì)和第一個(gè)用基因工程生 1人體胰腺（在胃的后下部）產(chǎn)的蛋白質(zhì)2。1胰島素的發(fā)現(xiàn)由于胰島散布在胰外分泌腺的汪洋大海中，因此在提取胰島素時(shí)極易被蛋白水解酶降解而失活。加拿大外科醫(yī)生 FrederrickGrantBanting看到一篇報(bào)道，提到在胰臟外分泌細(xì)胞壞死時(shí)，胰島細(xì)胞仍然存活。于是他對(duì)胰島中的活性物

3、質(zhì)產(chǎn)生了濃厚 的興趣，希望能提取、分離胰島中的活性物質(zhì)。但當(dāng)時(shí)他在英國(guó)工作的實(shí)驗(yàn)室條件較差于是求助于多倫多大學(xué)生理系專門研究糖 代謝的J.J.R.Macleod教授，希望他給予支持。Banting要求提供一間實(shí)驗(yàn)室及有關(guān)設(shè)備、一名協(xié)助他測(cè)定血糖和尿糖的助手以及實(shí) 驗(yàn)用的狗等。當(dāng)時(shí)Macleod教授勉強(qiáng)同意了 Banting的要求并找了一名當(dāng)時(shí)在多倫多大學(xué)醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)的四年級(jí)學(xué)供分泌胰腺細(xì)肽郎格芋氏島胰島）紹脂 圖2胰腺中的胰島生 CharlesH.Best 作為 Banting 的助手3 4。研究工作在1921年暑假中進(jìn)行，他們克服了許多困難和經(jīng)歷了多次失敗后，結(jié)扎了幾只狗的胰導(dǎo)管,7周后,這些

4、狗的胰腺都萎縮 了，并失去了消化器官的功能，而胰島從外觀上看仍然是完好的。他們從狗的萎縮胰臟中抽提出具有活性的提取液然后給切除胰臟并患有糖尿病的狗注射有活性 的提取液，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)注射液的劑量,使幾只切除胰臟并患有糖尿病的狗得以生存數(shù)周，其中一只患有嚴(yán)重糖尿病的狗居然存活 了 70 天3；而作為對(duì)照實(shí)驗(yàn),沒(méi)有被注射有活性提取液而切除胰臟的狗，則因糖尿病幾天后就死去了。Banting開始把提取的活性物質(zhì)命名為 isletinMacleod度假回來(lái)得知Banting的研究取得了令人興奮的結(jié)果后，立即將他實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向轉(zhuǎn)向Banting開創(chuàng)的課題, 并將胰島素isletin更名為insulin

5、。Banting與Best于1922年發(fā)表了他們的研究結(jié)果，并將初步純化的動(dòng)物胰島素成功地應(yīng)用于糖 尿病人。1923年，由于該項(xiàng)研究成果,Banting與Macleod獲醫(yī)學(xué)和生理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。胰島素的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是糖尿病史上的里程碑 事件。為了紀(jì)念Banting的貢獻(xiàn)，美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)把每年全美糖尿病研究的最高獎(jiǎng)項(xiàng)命名為Banting獎(jiǎng)。胰島素的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了各個(gè) 領(lǐng)域科學(xué)家的興趣，促進(jìn)了關(guān)于胰島素的生物合成、一級(jí)結(jié)構(gòu)與高級(jí)結(jié)構(gòu)的研究、化學(xué)合成、生物功能與作用機(jī)制的研究在蛋白 質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的研究中取得前面提到的多個(gè)第一的重大成就。2胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)與高級(jí)結(jié)構(gòu)自從胰腺中提取的胰島素得到結(jié)晶后，英國(guó)科學(xué)

6、家Sanger從1945年起，歷經(jīng)10年的研究,先將牛胰島素拆分成兩條鏈，然后用酸 和蛋白水解酶分別進(jìn)行部分水解得到一些小的肽片段，再用2,4二硝基苯（Sanger!s試劑,DNP法）分別測(cè)定了兩條鏈的氨基酸順序5 6，于 1955年報(bào)道了胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)7。1958年,Sanger因?yàn)樵擁?xiàng)成果獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)8。繼牛胰島素的結(jié)構(gòu)測(cè)定后,Sanger等人又測(cè)定了豬、羊胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在各種常見動(dòng)物的胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)均已闡明。圖3是豬胰島素分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。圓圈中的字母代表不同氨基酸殘基的縮寫符號(hào)。由其一級(jí)結(jié)構(gòu)可知，豬胰島素相對(duì)分 子質(zhì)量為5734,等電點(diǎn)為5.35。A、B兩條肽鏈共由51

7、個(gè)氨基酸殘基組成。A鏈含有11種21個(gè)氨基酸殘基,N端為Gly,C端為 Asn,A鏈本身的6位和11位上的兩個(gè)Cys通過(guò)二硫鍵相連成環(huán);B鏈含16種共30個(gè)氨基酸殘基，其N端為Phe,C端為Ala。A鏈 和B鏈又通過(guò)2個(gè)二硫鍵互相連接成胰島素分子。不同動(dòng)物胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)中部分氨基酸殘基是不同的。例如豬胰島素A鏈的第8、9、10位氨基酸殘基是Thr、Ser和Ile; 牛胰島素為Ala、Ser、Va;l而馬胰島素則為Thr、Gly和Ile。人胰島素和豬胰島素僅在B鏈第30位氨基酸殘基有區(qū)別（人胰島素 為Thr,豬胰島素為Ala）。由于不同來(lái)源的胰島素結(jié)構(gòu)差異，它們的抗原性不同，臨床上應(yīng)用與人胰島

8、素結(jié)構(gòu)差異最小的豬胰島素作 為治療藥劑，也正是基于上述考慮。我國(guó)科學(xué)家歷經(jīng)6年多時(shí)間，于1965年完成了結(jié)晶牛胰島素的全合成。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格鑒定它的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學(xué)性質(zhì)、 結(jié)晶形狀都與天然的牛胰島素完全一樣。這是世界上第一個(gè)人工合成的蛋白質(zhì)91969年，英國(guó)科學(xué)家Hodgkin用X射線晶體學(xué)分析揭示了分辨率為1.9的豬胰島素的三維結(jié)構(gòu)10。胰島素分子晶體由6個(gè)胰島素分子和2個(gè)Zn2+形成含鋅胰島素的六聚體。首先,2個(gè)胰島素分子形成二聚體，然后3個(gè)二聚體圍繞三重軸形成對(duì)稱的排列,B鏈第10位上組氨酸的咪唑基與軸上的Zn2+組成配位鍵。胰島素晶體中鋅的含量為0.4%0.5%。六聚體也是胰島素在

9、細(xì)胞中的儲(chǔ)存形式。我國(guó)科學(xué)家在1969年至1974年期間先后以4 （1970）、2.5 （1971）、1.8 （1973）分辨率，測(cè)定了豬胰島素三方二鋅晶體結(jié)構(gòu)。這是繼人工20合成胰島素之后我國(guó)蛋白質(zhì)科學(xué)研究的又一重要成果11。這些研究成果為深入研究胰島素分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)與其生物活性有密切關(guān)系。如用胰蛋白酶水解胰島素去除B鏈C端的8肽,生物活性只剩1%。B23甘氨 酸、B24苯丙氨酸等均為維持胰島素生物活性所必需。二硫鍵被還原使胰島素分解為A鏈和B鏈后，胰島素的生物活性完全喪失。 3 胰島素的生物合成在研究胰腺的胰島細(xì)胞腺瘤的過(guò)程中,Staeiner發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新

10、的蛋白質(zhì)，它是胰島素生物合成的前體,命名為胰島素原（proinsulin）12。胰島素原是一條單一的多肽鏈（86肽）,它包含一個(gè)由31個(gè)氨基酸殘基組成的連接肽。這個(gè)連接肽（稱為C肽）連接B鏈的C端和 A鏈的N端。當(dāng)胰島素原的二硫鍵被還原然后重新氧化時(shí) ，可以形成正確的二硫鍵配對(duì)。胰島素原的基本結(jié)構(gòu)是 （B 鏈）Arg Arg （C肽）Lys Arg （A鏈），在C肽的N端和C端通過(guò)堿性氨基酸二肽把A鏈和B鏈連接起來(lái)。圖 4 前 胰 島 素 原 加 工 成 胰 島 素 的 示意圖 13Ml：信頃jKE 4前胰島素原加工成胰島素的示意 ：13繼發(fā)現(xiàn)胰島素原之后,Staeiner又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能被胰島

11、素抗體沉淀的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量為11500，命名為前胰島素原(preproinsulin)13。胰島素原的N端進(jìn)一步延長(zhǎng)20個(gè)左右的氨基酸殘基(信號(hào)序列)就是前胰島素原。不同生物體的信號(hào)序列長(zhǎng)短有所不同。目前我們所了解的胰島素的生物合成過(guò)程示意圖見圖4。21人前胰島素原也可用以下簡(jiǎn)式表示前胰島素原酶胰島素原酶胰島素110氨基酸殘基86氨基酸殘基 51氨基酸殘基(2個(gè)二硫鍵連接A鏈和B鏈)胰島素是在胰島細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的核糖體中合成的。首先胰島素結(jié)構(gòu)基因在RNA聚合酶的作用下,轉(zhuǎn)錄生成前胰島素原的信使 核糖核酸(mRNA)，后者從細(xì)胞核轉(zhuǎn)入胞漿，在多核糖體內(nèi)翻譯為前胰島素原。前胰島素原的信號(hào)序列被信號(hào)

12、肽酶切斷生成胰島素 原。胰島素原進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逐漸鼓起胞芽，并脫落生成小泡，這些小泡向高爾基體移動(dòng)，并與之結(jié)合成為高爾基體的一部 分。胰島素原隨著小泡進(jìn)入高爾基體。在高爾基體內(nèi)胰島素原被包裹成為未成熟顆粒。然后，在激素原轉(zhuǎn)換酶2(PC2)和激素原轉(zhuǎn) 換酶3(PC3)及羧肽酶H的作用下，脫去連接胰島素和C肽分子兩側(cè)的兩個(gè)堿基氨基酸(3132位Arg Arg，6465位Lys Arg)，產(chǎn)生 等量的胰島素和C肽,整個(gè)過(guò)程約需幾小時(shí)。隨著胰島素原的分解,未成熟顆粒逐 漸成為成熟顆粒。顆粒內(nèi)的胰島素與Zn2+ 結(jié)合形成含鋅胰島素晶體。合成的胰島素儲(chǔ)存在胰島細(xì)胞的顆粒中。成人胰島內(nèi)貯存的胰島素約

13、200國(guó)際單位(IU)14 15 。4胰島素的生物活性及臨床應(yīng)用胰島素的生物效應(yīng)包括許多方面,它是體內(nèi)唯一能降低血糖的激素。也是唯一同時(shí)促進(jìn)糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成的激素。胰島 素的主要靶器官為肝臟、肌肉及脂肪組織，它控制著三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)VW糖、蛋白質(zhì)、脂肪的代謝和貯存。最明顯的作用是影響 糖的代謝，降低血糖16，即促進(jìn)肝臟及肌肉組織中葡萄糖的利用，激活糖原合成酶和丙酮酸脫氫酶等的活性,促進(jìn)糖原的合成并抑制糖原的分解。此外，對(duì) 肝臟來(lái)說(shuō)還有抑制蛋白質(zhì)分解的作用;在肌肉組織中促進(jìn)K+從細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn);在脂肪組織中促進(jìn)氨基酸由細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)促進(jìn)脂肪的合成，抑制脂肪的分解等作用。這些在細(xì)胞 水

14、平上對(duì)代謝系統(tǒng)的作用是基于胰島素與其受體的結(jié)合得以實(shí)現(xiàn)的15。總之，胰島素之所以能降低血糖，是因?yàn)樗龠M(jìn)了靶細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝?。ㄔ黾幽?duì)葡萄糖的通透性）、貯存（合成肝糖原和肌糖原） 和利用（用于合成脂肪和蛋白等）。當(dāng)胰島受到破壞、胰島素分泌減少或機(jī)體組織對(duì)胰島素的敏感性降低（胰島素的受體失效）時(shí), 則血糖升高，尿中出現(xiàn)葡萄糖，發(fā)生糖尿病（diabetesmellitus）。糖尿病是一種慢性代謝性疾病。也是一個(gè)影響著數(shù)億人的復(fù)雜疾病。 由于體內(nèi)胰島素相對(duì)或絕對(duì)不足,形成持續(xù)性高血糖,導(dǎo)致許多組織器官代謝異常，繼而產(chǎn)生功能障礙及形態(tài)學(xué)異常。它是一種終生 疾病。如果胰島機(jī)能亢進(jìn)，則出現(xiàn)血糖過(guò)低,能量

15、供給不足，甚至影響大腦機(jī)能。胰島細(xì)胞分泌的另一種多肽激素叫胰高血糖素（glucagon），是由29個(gè)氨基酸殘基組成的單鏈多肽，其生物活性與胰島素相反，通過(guò)刺激糖原分解提高血糖水平。所以它是升高血 糖的激素。胰高血糖素主要作用于肝臟，刺激糖原分解，使血糖水平提高17。這對(duì)大腦的功能特別重要，因?yàn)樯窠?jīng)元絕對(duì)依賴葡萄糖作為能源。當(dāng)血糖濃度降到正常值以下時(shí)肌體迫切需要注入葡萄糖到 血液。這時(shí)胰高血糖素作用于肝細(xì)胞,促進(jìn)糖原分解和異生，以提高血糖的濃度2。有機(jī)體是一個(gè)精密調(diào)控的復(fù)雜體系，由不同生物活性的激素和其他活性物質(zhì)的作用和相互制約才能維持肌體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。胰島素依賴型糖尿病稱#型糖尿病,胰島素絕對(duì)不

16、足占主導(dǎo)地位，所以在治療中必須補(bǔ)充胰島素。非胰島素依賴型糖尿病稱型 糖尿病，多數(shù)因胰島素相對(duì)不足，治療中是否補(bǔ)充胰島素可根據(jù)病情而定16。糖尿病人中5%10%屬于#型糖尿病，約4%的孕婦患有妊娠期糖尿病1。目前在臨床上應(yīng)用的胰島素大部分已用人胰島素代替了過(guò)去常用的動(dòng)物胰島素如豬胰島素、牛胰島素等因?yàn)橹亟M人胰島素的 問(wèn)世才可能為糖尿病人提供人胰島素。據(jù)報(bào)道我國(guó)現(xiàn)在已成功研制、開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因重組人胰島素改變了長(zhǎng)期 以來(lái)依賴進(jìn)口的局面。雖然注射人胰島素可以替代內(nèi)源胰島素，但是由于胰島素容易聚合成二聚體和六聚體在注射后不能迅速進(jìn) 入血液，因此其作用比體內(nèi)胰島分泌的胰島素的作用相對(duì)滯后。近年來(lái)通過(guò)基因定位突變和表達(dá)可以得到聚合度低的單體速效胰 島素，其降血糖作用與體內(nèi)分泌的胰島素相近。現(xiàn)在重組單體胰島素已在臨床應(yīng)用可以預(yù)期它以后將取代重組人胰島素18。另外，