胰岛素结构和性质

胰岛素的结构和性质

（北京大学化学与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。在蛋白质的结构与功能研究中占有特殊的地位。本文对胰岛素的基本

知识如胰岛素的发现，胰岛素的一级结构和高级结构，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。

胰岛素（insulin）是一种蛋白质类激素。体内胰岛素是由胰岛细胞分泌的。在人体胃的后下部，十二指肠旁，有一条长形的器官

叫做胰腺（图1）。在胰腺中散布着许许多多的细胞

群，叫做胰岛（图2）。人胰腺中胰岛总数约有100万个[1]

。胰岛素是由胰岛细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素是最早从胰腺中得到的激素，在蛋白质的结构与功能的研究中取得了多个第一。它是第一个被证明有激素作用的蛋白质，第一个被结晶的蛋白质，第一个被测定氨基酸序列的蛋白质，图1人体胰腺（在胃的后下部）

图2胰腺中的胰岛

第一个被人工合成的蛋白质，第一个被证明是以大分子前体形式合成的蛋白质和第一个用基因工程生

图1人体胰腺（在胃的后下部）

产的蛋白质[2]

。1胰岛素的发现

由于胰岛散布在胰外分泌腺的汪洋大海中，因此在提取胰岛素时极易被蛋白水解酶降解而失活。加拿大外科医生FrederrickGrantBanting看到一篇报道，提到在胰脏外分泌细胞坏死时，胰岛细胞仍然存活。于是他对胰岛中的活性物质产生了浓厚的兴趣，希望能提取、分离胰岛中的活性物质。但当时他在英国工作的实验室条件较差，于是求助于多伦多大学生理系专门研究糖代谢的J.J.R.Macleod教授，希望他给予支持。Banting要求提供一间实验室及有关设备、一名协助他测定血糖和尿糖的助手以及实

验用的狗等。当时Macleod教授勉强同意了Banting的要求并找了一名当时在多伦多大学医学院学习的四年级学

苯矗竿况島（膜岛）M

图2牘腺中的胰岛

生CharlesH.Best作为Banting 的助手［3 4］

。研究工作在1921年暑假中进行，他们克服了许多困难和经历了多次失败后，结扎了几只狗的胰导管,7周后,这些狗的胰腺都萎缩了，并失去了消化器官的功能，而

胰岛从外观上看仍然是完好的。他们从狗的萎缩胰脏中抽提出具有活性的提取液，然后给切除胰脏并患有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量，使几只切除胰脏并患有糖尿病的狗得以生存数周，其中一只患有严重糖尿病的狗居然存活

了70 天［3］

;而作为对照实验，没有被注射有活性提取液而切除胰脏的狗，则因糖尿病几天后就死去了。Banting开始把提取的活性物质命名为isletin °Macleod度假回来得知Banting的研究取得了令人兴奋的结果后，立即将他实验室的主要研究方向转向Banting开创的课题,并将胰岛素isletin更名为insulin。Banting与Best于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,由于该项研究成果,Banting与Macleod获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。胰岛素的发现激发了各个

领域科学家的兴趣，促进了关于胰岛素的生物合成、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

质的结构与功能的研究中取得前面提到的多个第一的重大成就。

2胰岛素的一级结构与高级结构

自从胰腺中提取的胰岛素得到结晶后，英国科学家Sanger从1945年起历经10年的研究，先将牛胰岛素拆分成两条链，然后用酸和蛋白水解酶分别进行部分水解得到一些小的肽片段，再用2,4二硝基苯（Sanger!s试剂,DNP法）分别测定了两条链的氨基酸顺序［5 6］，于1955

年报道了胰岛素的一级结构［7］。1958年,Sanger因为该项成果获诺贝尔化学奖［8］

。继牛胰岛素的结构测定后,Sa nger等人又测定了猪、羊胰岛素的一级结构。现在，各种常见动物的胰岛素的一级结构均已阐明。

图3是猪胰岛素分子的一级结构示意图。圆圈中的字母代表不同氨基酸残基的缩写符号。由其一级结构可知，猪胰岛素相对分子质量为5734,等电点为5.35。A、B两条肽链共由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位上的两个Cys通过二硫键相连成环；B链含16种共30个氨基酸残基，其N端为Phe,C端为Ala。A链和B链又通过2个二硫键互相连接成胰岛素分子。

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& 9、10位氨基酸残基是Thr、Ser和Ile; 牛胰岛素为Ala、Ser、Va;l而马胰岛素则为Thr、Gly和lie。人胰岛素和猪胰岛素仅在B链第30位氨基酸残基有区别（人胰岛素为Thr,猪胰岛素为Ala）。由于不同来源的胰岛素结构差异，它们的抗原性不同，临床上应用与人胰岛素结构差异最小的猪胰岛素作为治疗药剂，也正是基

于上述考虑。

我国科学家历经6年多时间,于1965年完成了结晶牛胰岛素的全合成。经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都与天然的牛胰岛素完全一样。这是世界上第

一个人工合成的蛋白质[9]

1969年，英国科学家Hodgkin用X射线晶体学分析揭示了分辨率为 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+

形成含锌胰岛素的六聚体。首先,2个胰岛素分子形成二聚体，然后3个二聚体围绕三重轴形成对称的排列,B链第10位上

组氨酸的咪唑基与轴上的Zn 2+

组成配位键。胰岛素晶体中锌的含量为0.4%~0.5%。六聚体也是胰岛素在细胞中的储存形式。我国科学家在1969年至1974年

期间先后以4 （1970）、2.5 （1971）、1.8 （1973）分辨率，测定了猪胰岛素三方二锌晶体结构。这是继人工20

图3箱務岛蕭分子的一级结构

合成胰岛素之后我国蛋白质科学研究的又一重要成果[11]

。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。

胰岛素的一级结构与其生物活性有密切关系。如用胰蛋白酶水解胰岛素，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岛素生物活性所必需。二硫键被还原使胰岛素分解为A链和B链后，胰岛素的生物活性完全丧失。3胰岛素的生物合成

在研究胰腺的胰岛细胞腺瘤的过程中,Stae in er发现了一个新的蛋白质，它是胰岛素生物

合成的前体，命名为胰岛素原（proinsulin）[12]

。胰岛素原是一条单一的多肽链（86肽）,它包含一个由31个氨基酸残基组成的连接肽。这个连接肽（称为C肽）连接B链的C端和A 链的N端。当胰岛素原的二硫键被还原然后重新氧化时，可以形成正确的二硫键配对。胰岛素原的基本结构是

（B

链）Arg Arg （C肽）Lys Arg （A链）,在C肽的N端和C端通过碱性氨基酸二肽把A链和B链连接起来。

图 4 前胰岛素原加工成胰岛素的示意图[13]