牛胰島素，是牛胰臟中胰島β-細(xì)胞所分泌的一種調(diào)節(jié)糖代謝的蛋白質(zhì)激素，是一種多肽。其一級結(jié)構(gòu)1955年由英國桑格（S.Sanger）測定。牛胰島素在醫(yī)學(xué)上有抗炎、抗動(dòng)脈硬化、抗血小板聚集、治療骨質(zhì)增生、治療精神疾病等作用。中國是第一個(gè)合成人工牛胰島素的國家。1965年8月3日，中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所在所長王應(yīng)睞的組織領(lǐng)導(dǎo)下，與北京大學(xué)和中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的科學(xué)家通力合作，在經(jīng)歷了多次失敗后，終于在世界上第一次用人工方法合成出具有生物活性的蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素。人工牛胰島素的合成，標(biāo)志著人類在認(rèn)識生命、探索生命奧秘的征途上邁出了重要的一步。

化學(xué)結(jié)構(gòu)

牛胰島素是一種蛋白質(zhì)分子，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)于1955年由英國的科學(xué)家桑格測定、闡明：牛胰島素分子是一條由21個(gè)氨基酸組成的A鏈和另一條由30個(gè)氨基酸組成的B鏈，通過兩對二硫鏈連結(jié)而成的一個(gè)雙鏈分子，而且A鏈本身還有一對二硫鍵。

以后，科學(xué)家們又陸續(xù)測定了不同生物來源的胰島素，發(fā)現(xiàn)與桑格首次確定的牛胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)大體相同。人胰島素也是如此，只有：A鏈的第8位由蘇氨酸代替丙氨酸、第10位由異亮氨酸代替纈氨酸；B鏈的第30位由蘇氨酸代替丙氨酸。

人工合成牛胰島素

當(dāng)美國的維格納奧德（V. du Vigneand，1901-1974）于1953年合成了第一個(gè)天然多肽激素（他因此而獲得了1955年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)），英國的桑格（F.Sanger，1918-）于1955完成了胰島素的全部測序工作（他因此而獲得了1958年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）之后，人工合成胰島素就成了一項(xiàng)世界性的熱門課題。據(jù)媒體報(bào)道，1955-1965年間，在世界范圍內(nèi)共有10個(gè)研究小組在進(jìn)行胰島素的人工合成。

研究路線的確定

1956年，即在桑格因率先測定了牛胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并由此而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)的第二年，另一位英國著名科學(xué)家在國際權(quán)威的《自然》雜志評論文章中預(yù)言：“人工合成胰島素還有待于遙遠(yuǎn)的將來”。在這種情況下，1958年的上半年，中科院上海生化所的科技人員提出研究“人工合成胰島素”這一意義重大、難度很高、國際上還沒有人開始研究的基礎(chǔ)科研項(xiàng)目。

然而，對于一個(gè)蛋白質(zhì)的合成來說，必須拿到了與天然物的生物活性和結(jié)構(gòu)完全相同的純產(chǎn)物，才能算得上實(shí)現(xiàn)了它的全合成。由于胰島素分子不但化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還具有蛋白質(zhì)分子的特定構(gòu)象。因此，人工合成胰島素不僅要完成肽鏈的合成，而且還要求使合成的肽鏈能夠折疊成具有與天然胰島素同樣構(gòu)象的活性分子。而當(dāng)時(shí)的胰島素的“家族”中，牛胰島素是唯一被測定了化學(xué)結(jié)構(gòu)的，于是便作出了人工合成牛胰島素的審慎抉擇。

這一重大基礎(chǔ)科研項(xiàng)目一經(jīng)提出，立即得到中國國家領(lǐng)導(dǎo)的重視。在王應(yīng)睞所長的同意和支持下，決定將已有的由鈕經(jīng)義領(lǐng)導(dǎo)的蛋白質(zhì)人工合成組、曹天欽領(lǐng)導(dǎo)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能組和鄒承魯領(lǐng)導(dǎo)的酶組聯(lián)合起來，成立一個(gè)由曹天欽任組長的“五人領(lǐng)導(dǎo)小組”，采用五路進(jìn)軍的方案，即1、抓住天然胰島素A、B鏈拆合的關(guān)鍵；2、加強(qiáng)多肽的合成力量，發(fā)展多肽合成；3、組織生產(chǎn)原料氨基酸和多肽合成試劑；4、開展有關(guān)胰島素構(gòu)象的研究，并從胰島素酶解產(chǎn)物中分離純化天然肽段，以期用作化學(xué)合成或酶促合成更大肽段的原料；5、開展肽鏈的酶促合成和轉(zhuǎn)肽反應(yīng)的研究，向著牛胰島素人工合成研究的成功彼岸挺進(jìn)。

研究過程

按照這個(gè)方案積極組織人員，使各項(xiàng)研究工作很快順利展開。首先，在沈昭文的指導(dǎo)下，氨基酸的生產(chǎn)工藝建立起來，胰島素B鏈中幾個(gè)小片段人工合成完成；其后，杜雨蒼、張友尚等發(fā)現(xiàn)：天然胰島素A、B鏈經(jīng)S—磺酸化后，不僅能分離純化得到穩(wěn)定產(chǎn)物，而且容易進(jìn)行A、B鏈的重組，并得到有5～10％的胰島素活性產(chǎn)物。1959年的這一成功，奠定了胰島素合成可以采用化學(xué)合成A、B鏈的路線，至此，胰島素的合成研究取得了初步的進(jìn)展。在此后的幾年里，雖投入了“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”，但并未取得實(shí)質(zhì)性突破。

直到1963年，鄒承魯領(lǐng)導(dǎo)研究的天然胰島素A、B鏈重組生成胰島素的產(chǎn)率，由原來的5～10％提高到50％左右；1964年，鈕經(jīng)義、龔岳亭領(lǐng)導(dǎo)的多肽合成組人工合成B鏈。并與天然A鏈重組構(gòu)建胰島素獲得成功；1965年，中科院有機(jī)所和北京大學(xué)化學(xué)系合作，由汪猷和邢其毅領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組完成了胰島素A鏈的化學(xué)合成，上海生化所化學(xué)合成的胰島素B鏈進(jìn)行重組取得成功，并純化得到了具有與天然胰島素完全相同的比活性和抗原性的人工合成牛胰島素結(jié)晶，且其結(jié)晶形狀和酶切圖譜也與天然物相同。人工合成胰島素的成功，宣告了中國科學(xué)工作者歷經(jīng)八年的科研攻關(guān)，奪得了這項(xiàng)科學(xué)競賽的“世界冠軍”。

隨后，由曹天欽主持起草論文，將這一重要科學(xué)研究成果首先以簡報(bào)形式發(fā)表在1965年11月的《中國科學(xué)》雜志上，并于1966年4月全文發(fā)表。

科學(xué)意義

人工合成牛胰島素是科學(xué)上的一次重大飛躍，它標(biāo)志著人工合成蛋白質(zhì)時(shí)代的開始；是生命科學(xué)發(fā)展史上一個(gè)新的重要里程碑．在揭示生命奧秘的偉大歷程中邁進(jìn)了可喜的一大步。同時(shí)，它也是中國自然科學(xué)基礎(chǔ)研究的重大成就。

醫(yī)學(xué)功能

抗炎作用?????

糖尿病和動(dòng)脈粥樣硬化同是一種炎癥性疾病，重?；颊呷缂毙孕募」Ｋ?、腦出血、敗血癥、燒傷等，即使沒患糖尿病也會發(fā)生應(yīng)激性高血糖反應(yīng)。國外對181例重?；颊卟捎昧遂o脈輸注胰島素，死亡率下降了43％。一周后，C-反應(yīng)蛋白、炎癥因子和一氧化氮明顯下降。這說明胰島素具有保護(hù)血管內(nèi)皮，減少脂質(zhì)浸潤，抑制血管壁炎癥，防止臟器功能衰竭。

抗動(dòng)脈硬化作用???????

載脂蛋白E基因缺陷是引起動(dòng)脈硬化的原因。因此臨床上可以使用牛胰島素，不必?fù)?dān)心胰島素會加重動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生。還有人進(jìn)行了胰島素口服治療動(dòng)脈粥樣硬化的試驗(yàn)，結(jié)果硬化塊減少，硬化面積下降22％-37％，由于口服胰島素已被胃液破壞，失去降糖作用，故而抗動(dòng)脈粥樣硬化與胰島素抗炎和保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞作用有關(guān)，與降糖作用無關(guān)。

抗血小板聚集作用???????

正常的血管內(nèi)皮細(xì)胞具有抗血小板聚集作用，一般不會發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化，而高血糖、高血脂、高血壓會激活內(nèi)皮細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)，損傷內(nèi)皮，血小板的聚集作用起到了推波助瀾的作用。牛胰島素的降血糖作用間接起到了保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞作用。

治療骨質(zhì)增生?????

牛胰島素可增強(qiáng)成骨細(xì)胞活性，合成膠原纖維，促使骨質(zhì)對氨基酸的攝取，牛胰島素還可促使維生素D的合成和鈣和吸收，有利于骨質(zhì)形成，最適合糖尿病合并骨質(zhì)疏松的治療。

治療精神疾病???????

牛胰島素低血糖療法主要用于中毒性精神病的精神錯(cuò)亂和震顫性譫妄，對焦慮、緊張和神經(jīng)衰弱也有效。

不同類別的牛胰島素也有不同的作用。（牛）胰島素分為三種類型，即中長效牛胰島素、短效牛胰島素、專降餐后血糖的超短效牛胰島素。

中長效牛胰島素也稱為預(yù)混胰島素，是把短效胰島素和中效胰島素按不同比例混合形成的。它的起效時(shí)間為1小時(shí)～2小時(shí)，持續(xù)時(shí)間為12小時(shí)左右，一天注射兩次，一般的2型糖尿病患者都適合，但需要在注射后半小時(shí)之后才可吃飯。

短效牛胰島素適合于血糖不容易控制的人群，以及餐后血糖特別高的人群。他們在臨睡前還需再加一次中長效胰島素，以維持夜間的基礎(chǔ)胰島素需要量，保持夜間血糖平穩(wěn)。注射后20分鐘～30分鐘起效，持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)～6小時(shí)，一天需要注射3次～4次。它的特點(diǎn)是見效快，濃度大，單位時(shí)間內(nèi)降糖效果強(qiáng)，可以皮下、肌肉或靜脈注射。

專降餐后血糖的牛胰島素起效特別快，10分鐘之后就開始起作用了，它是專門針對餐后血糖高的患者，在注射完畢后即可吃飯。它的持續(xù)時(shí)間也較其他胰島素短，為1小時(shí)～2小時(shí)。

作用機(jī)理

為什么牛胰島素對患者有那么大的作用？這必須從牛胰島素的作用機(jī)理談起。

（一）調(diào)節(jié)糖代謝

胰島素能促進(jìn)全身組織對葡萄糖的攝取和利用，并抑制糖原的分解和糖原異生，因此，牛胰島素有降低血糖的作用。胰島素分泌過多時(shí)，血糖下降迅速，腦組織受影響最大，可出現(xiàn)驚厥、昏迷，甚至引起胰島素休克。相反，胰島素分泌不足或胰島素受體缺乏常導(dǎo)致血糖升高；若超過腎糖閾，則糖從尿中排出，引起糖尿；同時(shí)由于血液成份中改變 - 含有過量的葡萄糖, 亦導(dǎo)致高血壓、冠心病和視網(wǎng)膜血管病等病變。

牛胰島素降血糖是多方面作用的結(jié)果：

（1）促進(jìn)肌肉、脂肪組織等處的靶細(xì)胞細(xì)胞膜載體將血液中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞。

（2）通過共價(jià)修飾增強(qiáng)磷酸二酯酶活性、降低cAMP水平、升高cGMP濃度，從而使糖原合成酶活性增加、磷酸化酶活性降低，加速糖原合成、抑制糖原分解。

（3）通過激活丙酮酸脫氫酶磷酸酶而使丙酮酸脫氫酶激活，加速丙酮酸氧化為乙酰輔酶A，加快糖的有氧氧化。

（4）通過抑制PEP羧激酶的合成以及減少糖異生的原料，抑制糖異生。

（5）抑制脂肪組織內(nèi)的激素敏感性脂肪酶，減緩脂肪動(dòng)員，使組織利用葡萄糖增加。

（二）調(diào)節(jié)脂肪代謝

牛胰島素能促進(jìn)脂肪的合成與貯存，使血中游離脂肪酸減少，同時(shí)抑制脂肪的分解氧化。胰島素缺乏可造成脂肪代謝紊亂，脂肪貯存減少，分解加強(qiáng)，血脂升高，久之可引起動(dòng)脈硬化，進(jìn)而導(dǎo)致心腦血管的嚴(yán)重疾患；與此同時(shí)，由于脂肪分解加強(qiáng)，生成大量酮體，出現(xiàn)酮癥酸中毒。

（三）調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝

胰島素一方面促進(jìn)細(xì)胞對氨基酸的攝取和蛋白質(zhì)的合成，一方面抑制蛋白質(zhì)的分解，因而有利于生長。腺垂體生長激素的促蛋白質(zhì)合成作用，必須有胰島素的存在才能表現(xiàn)出來。因此，對于生長來說，胰島素也是不可缺少的激素之一。

（四）其它功能

牛胰島素可促進(jìn)鉀離子和鎂離子穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)；可促進(jìn)脫氧核糖核酸 - DNA、核糖核酸 - RNA及三磷酸腺苷。