胰岛素、胰岛素原及C肽
一、胰岛素的化学结构
胰岛素是由51个氨基酸组成的双链(A、B链)蛋白激素，分子量为5374，等电点
5.35，A链含有21个氨基酸，B链有30个氨基酸。两条肽链之间由两个二硫键连接， A链的第6和第11位氨基酸残基之间也由二硫键相连(图14-72-1)。不同种属的胰岛素除A链的4、8、9和10位及B链3、9、29和30位外，其他氨基酸成分是相同的。猪胰岛素与人胰岛素的不同之处是在B链30位由丙氨酸取代了苏氨酸；牛胰岛素与人胰岛素有3个氨基酸不同，A8和B30不是苏氨酸，而是丙氨酸，A10位上的异亮氨酸被缬氨酸取代。
利用X衍射法观察猪胰岛素晶体，发现胰岛素分子中的氨基酸残基明显集中为三个区：①分子内核全部由疏水残基组成，包括分子中的大部分支链氨基酸残基和A6、 A11、A20、B19四个半胱氨酸残基；②由B12缬、B16酪、B24苯、B25苯及其附近的一些疏水性基团共同构成胰岛素分子表面的疏水区，这可能是胰岛素与其靶细胞膜上受体结合的部位；③主要由A链头尾部氨基酸组成分子表面的极性区，可能是信息传导的活性部位。
胰岛素分子晶体是由6个胰岛素分子和2个Zn2+形成的含锌胰岛素六聚体。首先，两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Zn2+组成配位键。胰岛素晶体中锌的含量约为0.4％～0.5％。六聚体可能是胰岛素在β细胞中的储存形式。
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，去掉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的。二硫键被还原使胰岛素裂解为-A和B链后，胰岛素的生物活性完全丧失。
二、胰岛素的生物合成和分泌
胰岛素是在胰岛β细胞内质网的核蛋白体中合成的。首先胰岛素结构基因在RNA聚合酶的作用下，转录生成前胰岛素原的信使核糖核酸(mRNA)，后者从细胞核转入胞浆，在多核蛋白体内翻译为前胰岛素原的前区多肽，然后依附于内质网，完成前胰岛素原整个分子的合成。前胰岛素原在蛋白酶的作用下很快分解生成胰岛素原。胰岛素原进入内质网腔中后，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，并与之结合成为高尔基体的一部分。胰岛素原随着小泡进入高尔基体。在高尔基体内，胰岛素原被包裹成为未成熟颗粒。然后，在激素原转换酶2(PC2)和激素原转换酶3(PC3)及羧肽酶H的作用下，分别脱去连接胰岛素和C肽分子两侧的两个碱基氨基酸(31～32位Arg-Arg，64～65位Lys-Arg)，分解出等量的胰岛素和C肽，整个过程约需几小时。随着胰岛素原的分解，未成熟颗粒逐渐成为成熟颗粒。颗粒内的胰岛素与Zn2+结合形成含锌胰岛素晶体。在电镜下，可见到13细胞胞浆分泌小泡内有此晶体，晶体内含有2％～3％的胰岛素原。合成的胰岛素储存在胰岛β细胞的β颗粒中，
成人胰岛内贮存的胰岛素约200国际单位。
成熟的β颗粒向细胞膜附近的微小管移动，排列依附在微小管旁。β细胞受到刺激后，微小管收缩使β颗粒向细胞表面移动，β颗粒膜与细胞膜融合，膜在融合点破裂．经胞吐作用将细胞膜内胰岛素结晶释放到细胞间隙，剩余的颗粒膜插入细胞质膜，其蛋白质成为质膜的一部分。在此过程中，细胞浆中的Ca2+增加微小管的活动，加速β颗粒的移动，促进胰岛素分泌。 三、调节胰岛素分泌的因素 (一)葡 萄 糖
葡萄糖是刺激胰岛素分泌最主要的因素。人体摄人糖类食物后，血浆胰岛素浓度可升高5～10倍。生理情况下，右旋葡萄糖对胰岛素分泌的刺激作用最强。由于葡萄糖可以自由进人胰岛β细胞，并在β细胞中代谢，故能直接刺激胰岛素合成和分泌。从以下4方面可以证明：①所有影响葡萄糖在β细胞代谢的因素均可影响胰岛素的分泌；②葡萄糖能增加胰岛细胞糖酵解中间物的浓度；③抑制葡萄糖代谢的成分(甘露庚酮糖和2-脱氧葡萄糖)干扰胰岛素分泌；④右旋葡萄糖有α和β两个同分异构体，α型在β细胞内的代谢比β型充分，故它对胰岛素分泌的刺激作用强于后者。 口服葡萄糖对胰岛素分泌的刺激作用强于静脉滴注时，说明胃肠激素能增强葡萄糖对胰岛素的刺激作用。
cAMP对胰岛素的分泌也有刺激作用，cAMP的作用可能是作为葡萄糖敏感的胰岛素分泌步骤中的阳性协调器。无葡萄糖存在的情况下，cAMP对胰岛素分泌只能起弱的刺激作用。
细胞内Ca2+升高被认为是胰岛素从β细胞释放最终的激发机制。一个体外刺激 Ca2+释放的弱刺激剂一醛糖，已被证明能增加β细胞Ca2+的浓度。葡萄糖对Ca2+流动有以下作用：①葡萄糖刺激使β细胞对Ca2+的摄取增加。②葡萄糖使Ca2+从细胞释出减少。③葡萄糖诱导cAMP生成增多，后者促使Ca2+从线粒体释放到细胞中去。cAMP增加贮存在细胞内钙动员而刺激胰岛素泌。
β细胞内Ca2+浓度的升高是由膜电位改变引起的，β细胞膜上有一个对ATP敏感的特殊钾通道，ATP缺乏时通道开放，反之则关闭。当葡萄糖浓度升高到刺激阈以上时，代谢产生的能量使膜内侧的ATP和ATP／ADP比例升高，K+-ATP通道关闭。细胞内K+逐渐升高，膜去极化，随之出现动作电位。与此同时，膜上Ca2+通道开放，细胞外Ca2+大量流人细胞内，胞浆Ca2+浓度急聚上升，激活胰岛素分泌的效应器，使胰岛素分泌被启动。葡萄糖浓度越高，动作电位的振幅越大，Ca2+的流人量就越大，胰岛素分泌也增多。由此可见，K+-ATP通道是β细胞分泌调控的重要控制位点。 葡萄糖除刺激钙进入外，在某些条件下可能导致细胞内钙的螯合和逸出，因此，在某些病情控制差的2型糖尿病人，高血糖抑制胰岛素的释放。 、
cGMP也能促进胰岛素的释放，但能抑制其合成。此外，葡萄糖在细胞内代谢提供的能量及辅助因子，对胰岛素的合成和分泌也很重要。
胰岛素对葡萄糖反应的动力学特征是它的双相分泌机制：第一时相为快速分泌相；β细胞接受葡萄糖刺激后1分钟内开始，2分钟达到高峰，持续3～5分钟后降弱。第
二时相是延迟分泌相；葡萄糖摄人后5～10分钟开始，胰岛素水平呈梯度增加，一直持续到l小时以后。胰腺灌注实验发现，蛋白质合成的抑制剂--嘌呤霉素，能减弱第二时相。但对胰岛素释放的早期相没有影向。Port D．J等人的研究发现，β细胞内存在2个胰岛素释放池。一个是由先合成的胰岛素组成的即刻释放池，在快速分泌相排出；另一个是由新合成的胰岛素和少量胰岛素原及贮存胰岛素组成的继续释放池，在第二时相时分泌。 (二)氨 基 酸
蛋白质消化、单个氨基酸或复合氨基酸灌注均刺激胰岛素分泌，精氨酸、赖氨酸及亮氨酸的作用最强。如葡萄糖一样，口服消化的氨基酸对胰岛素分泌刺激超过静脉滴注氨基酸，说明此时抑胃肽(GIP)分泌增加，加强氨基酸对胰岛素分泌的刺激作用。体内不能代谢的亮氨酸及精氨酸类似物也刺激胰岛素分泌．提示这种刺激作用可能与氨基酸通过细胞膜的运转过程有关。氨基酸除直接刺激胰岛素外．也能通过增加葡萄糖和生长激素的分泌刺激胰岛素释放。葡萄糖和氨基酸对胰岛素的分泌具有协同作用。 (三)游离脂肪酸
血中游离脂肪酸和酮体大量增加时，也刺激β细胞释放胰岛素，这可能是防止脂肪动员过多，酮体产生过多的一种反馈调节，但游离脂肪酸及酮体对胰岛素分泌调节的生理意义，还有待于进一步研究。 (四)胃肠激素
口服葡萄糖对胰岛素分泌的刺激明显强于静脉滴注葡萄糖后，说明一些胃肠激素也能刺激胰岛素分泌。但是，作为刺激胰岛素分泌合格的生理调节器的多肽，必须具备两条标准：①食物吸收后它的浓度必须升高；②在生理浓度时，能刺激葡萄糖介导的胰岛素释放。在已知可能刺激胰岛素分泌的胃肠激素，如胃泌素、促胰液肽、舒血管肠肽、胆囊收缩素(CCK)和抑胃肽中，只有抑胃肽符合以上标准。