胰岛素的合成、分泌和作用机制

胰岛素的合成、分泌和作用机制

胰岛素是由胰岛B细胞所分泌的，具有重要代谢调节作用的肽类激素。旱在19世纪末期,von Mering和Minkowski即指出，胰腺在抗糖尿病的作用中起重要作用。1909年和1917年，de Mayer和Sir Edward Sharpey—Schaffer分别命名这种胰岛内调节血糖水平的激素为“胰岛素”。直到20世纪20年代初期，加拿大人Banting、Best和Collip才真正分离出牛胰岛素，并稍后作为特效药应用于糖尿病患者。随后，结晶胰岛素的获得，氨基酸顺序的阐明，具生物活性的胰岛素的合成，胰岛素检测方法的建立，对胰岛素生物合成途径及分泌机制的认识，胰岛素受体的发现，均成为人类对胰岛素本身及相关疾病认识的里程碑。随着医学及相关科学的发展，特别是近年来分子生物学方法的广泛应用，人们对这个领域的认识突飞猛进，也推动了糖尿病学的迅速发展。

一、胰岛素的提取、纯化及结构特征

1．胰岛素的提取、纯化和检测早期，胰岛素是以乙醇或酸性乙醇溶液来抽提的，以这种方法抽提可使胰岛素从组织中溶解出来，并灭活蛋白酶。这种方法仍为现代提取方法的基础。在有机溶剂提取脂肪后．含胰岛素的酸性乙醇的抽提物可经盐析及等电点沉淀等分离，进一步作凝胶过滤，离子交换，高效液相色谱等纯化。以前曾一度认为以锌结晶方法可有助于胰岛素的纯化，现认为反复结晶仍不能去除胰岛中的其他成分，如胰升糖素、胰岛素原、胰岛素样类似物及部分降解的胰岛素片段，而且部分动物的胰岛素不能与锌结合或产生结晶。

基因重组胰岛素的生物合成技术可得到不含其他激素的较纯净的胰岛素，但仍常含有其他来自宿主细菌或真菌的蛋白质污染，经凝胶过滤和离子亲和层析后，可得到纯度高于99％的胰岛素。这种胰岛素对人的抗原性远小于来自动物的结晶胰岛素，不易产生抗体，更有利于糖尿病病情的控制。

血清胰岛素测定可用放射免疫法等，但在精确度和敏感性方面仍有一定的局限性。用聚丙烯酰胺凝胶电泳和高效液相色谱可鉴定胰岛素的量及纯度，并区分开胰岛素和胰岛素原。各种免疫或生化的方法只能测定出样品的胰岛素的免疫纯度及含量，即使较纯的胰岛素仍需进行生物活性的评价，可在体外用培养的脂肪细胞、肝细胞来测定其在葡萄糖氧化，脂肪合成，葡萄糖转运及蛋白质合成等作用，亦可以用某些细胞膜抽提液来测定其与受体的结合及生物效应。另一些实验室用体内降血糖试验来评估胰岛素的效价。

2．胰岛素结构自1955年Sanger等首先阐明了完整的牛胰岛素一级结构以来，已经鉴定了70余种脊椎类动物的胰岛素结构。他们与一些非脊椎类动物的胰岛素相关肽，如蜗牛的生长刺激素，蚕的胰岛素样脑肽等有着一定的同源性，均为胰岛素基因超家族的成员。脊椎类动物的胰岛素有着共同的结构特征：包括链内和链间二硫键的位置，A链的C端和N 端氨基酸残基，以及B链C端的亲水基团。这些结构对保持胰岛素的二级结构和三级结构，维持其与受体结合必须的空间构像非常重要。去除或替换这些保守区域的氨基酸残基将严重影响胰岛素的生物学活性，如去除A链21位羧基端的门冬酰胺，可使其生物活性几乎全部丧失；若以精氨酸替代可使活性丧失近一半。

非保守区域的氨基酸残基对生物活性的影响并无重要作用，因此一种动物的胰岛素，可在另一种动物体内引起生物效应，如猪胰岛素被利用来作糖尿病患者的治疗。但这些位置的氨基酸往往可对其免疫原性产生影响。

脊椎动物胰岛素的一级结构均由A、B两条链构成，两链间由2个二硫键(-s-s-)相连，A链还有1个链内二硫键。人胰岛素的A链由21个氨基酸残基构成，B链由30个氨基酸残基构成。

尽管一些非保守区域的氨基酸残基，在不同的种属相差较大，如人和八目鳗的胰岛素的氨基酸残基有40％不同，但X线晶体衍射和磁共振研究均提示脊椎动物的胰岛素晶体的立体构型非常相似，提示胰岛素分子内的保守区域，在维持其结构特征方面起着重要的作用。锌结晶胰岛素的立体结构是由3个胰岛素二聚体围绕2个锌原子构成的轴聚合而成，位于B链第10位的组氨酸残基的咪唑环与锌原子方向一致，依靠B链C端的第24位和26位的氨基酸残基之问的氢链，形成六聚体，最终形成反向平行的片状结构。

早期的研究认为：B链C端的刚性结构与胰岛素和受体的结合有重要作用。但将胰岛素B链29位赖氨酸与A链位的甘氨酸连接起来．其结晶的空间构像与正常胰岛素相仿，但无生物学活性。两者的区别在于B链的C端构像不易改变。最近磁共振的研究也提不B

链C端的构像改变对胰岛素与受体的结合有重要影响。

二、胰岛素的生物合成与分泌

1.前胰岛素原、胰岛素原及C肽前已述胰岛素是由两条以二硫键相连的A、B肽链所构成•人的胰岛素分子由51个氨基酸残基构成，其前体为86个氨基酸构成的单条肽链，其中，除含A、B链外还含有两者之间的连接肽，称为C肽(connecting peptide，cpeptide)．这条包含A、B链及C肽的肽链即为胰岛素原。

胰岛素原在许多方面与胰岛素有着共同的特征，包括溶解度、等电点，内部二硫键的形成及位置，以及与抗胰岛素抗体反应的能力等，提示胰岛素原与胰岛素的空间构像非常相似，并可形成锌结晶的六聚体，体外研究表明：胰岛素原仅具3％～5％的胰岛素生物活性。说明C 肽的存在并不完全掩盖胰岛素原中的与胰岛素受体结合的区域，对胰岛素原之间相互形成二聚体和六聚体也不起阻碍作用。

目前认为：C肽不具有激素样的功能，在不同的脊椎动物种属间差异也较大(图4-2)。但也有报道认为C肽在肌肉的微循环中起一定的作用，目前尚未成定论。C肽在胰岛素的生物合成中，也起一定作用，它可增大合成的肽链的长度，而有助于在粗面内质网的转位，同时在胰岛素空间构型的形成，增强巯基的氧化形成二硫键以及抵抗蛋白酶的酶解作用方面有作用。针对C肽区域所形成的抗原决定簇的单抗在胰岛素原、胰岛素、C肽等方面的研究提供了实用的工具。

前胰岛素原为胰岛素原的前体分子。在其一级结构的N端有一条24个氨基酸残基的多肽，称信号肽。信号肽并非前胰岛素原所特有，在动物、植物、细菌等，几乎所有的分泌性蛋白的N端或接近N端，均有这种肽链结构。其作用是通过复杂的分子间作用，使新合成的肽链穿过粗面内质网的质膜，转运到细胞内的内质网膜池。人血浆中并无完整。+的前胰岛素原分子，因在转运的过程中，信号肽即由相应的信号肽酶切除而形成胰岛素原。

2．胰岛素的生物合成和分泌胰岛素基因位于11P15．5，含3个外显子和2个内含子。生物合成先转录成446 bp的mRNA，编码前胰岛素原的肽链。然后按此mRNA为模板，翻译合成整个肽链。

首先合成含疏水氨基酸残基的信号肽。新合成的信号肽及mRNA--核糖体复合物与内质网内游离的信号肽识别颗粒(signal recognition particle)桕结合．再被位于粗面内质网膜上的信号肽识别蛋白的受体，也称锚泊蛋白(docking protein)所识别，使核糖体附着于膜上，并使信号肽与膜上的信号顺序受体(sign sequence receptor)相互作用，并引导信号肽穿过粗面内质网膜。信号肽识别蛋白具有GTP水解酶活性．使信号肽与质膜上的信号顺序受体结合后即水解而与核糖体复合物分离。信号肽在引导肽链穿过粗面内质刚时或其后数秒内即被信号肽酶切除．肽链继续延伸直至终止信号出现．完成胰岛素原的合成。．胰岛素原肽链合成完毕后，分子折叠．形成特定构型，由蛋白巯基还原酶催化形成二硫键．并被转移至高尔基器进一步加工。早期，曾认为将胰岛素原酶切转变为腆岛素和C 肽的酶．是具有胰蛋白水解酶样活性和羧基肽酶B样活性的酶系来完成，现已弄清是枯草杆