胰岛素的合成、分泌和作用机制

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1、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,vonMering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，deMayer和SirEdwardSharpey—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

2、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

3、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

4、，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

5、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

6、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2

7、4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、

8、B链外还含有两者之间的连接肽，称为C肽(connectingpep