胰岛素分子与受体结合的机制

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1、固计季1991年7月B辑第7期胰岛素分子与其受体结合的可能机制梁栋材常文瑞张季平万柱礼{中国科学院生物物理研究所，北京100080)摘要以最小二乘叠合技术和图象显示技术对DPI、Z-锌胰岛素及其他一些衍生物结构进行了深入的比较和分析，确认与受体分子的结合相互作用是发生在胰岛素分子的一个两性表面上，其中部是由许多疏水残基构成的面积约150A的疏水表面，而一些极性基团在其周围构成亲水带区．疏水表面通常被运动性很大的B链援端肽段所覆盖，不受极性溶剂分子的干扰．两性表面在方位上与分子在二体中的缔合面构成约2O。的夹角．Al。L。Trp胰岛素及Al·D-

2、Trp胰岛素结构详细的比较结果，既很好地解释了两者在生物活性上的显著差异，又进一步确认了我们所提出的胰岛素分子与其受体结合的作用模型．关键词：胰岛素结构与功能，胰岛素分子与其受体结合模型胰岛素分子复杂的生物功能是通过它与受体的结合来实现的，因而，胰岛素分子与其受体的结合和相互作用机制的研究成为探讨胰岛素结构与功能关系的核心和关键．多年来，人们在不同领域以各种手段探讨胰岛素结构与功能关系，如不同种属的胰岛素研究；化学或酶修饰胰岛素研究；各种合成和半合成胰岛素的研究；类胰岛素多肽包括IGF1，IGF2，MSA，relaxin等的研究以及突变胰岛素的

3、研究等．至今构成胰岛素分子的90％的残基都已分别做过不同的修饰和取代．这些研究结果为认识和探讨其结构与功能关系积累了大量数据．胰岛素三维结构的确定为结构与功能关系的研究提供了真正的基础．研究的焦点自然首先集中于胰岛素分子与受体结合和作用机制．1971年中国胰岛素研究小组曾对胰岛素分子与其受体结合的区域提出过建议“。，随后北京胰岛素结构研究组在完成1．8A分辨率三方二锌胰岛素晶体结构测定之后也指出，形成二聚体时分子的结合面是胰岛素分子与其受体相结合的可能部位．而这一结合部位主要是B链羧端和B链螺旋段所构成的分子表面，即主要由B24-Phe，B25

4、。Phe，B16-Tyr和B12-Val等疏水残基所组成的表面J．此后，在X射线分析、热力学和圆二色性的研究基础上对胰岛素与其受体的结合相互作用机制曾作过许多的讨论[4s1．然而，迄今为止所提出的与受体结合的模型并没有实质性的变化，基本上都是以B链羧端伸展肽段本文199o年1月17日收到，199o年9月20日收到修改稿国家自然科学基金和中国科学院重大科研资助项目7l6中国科学(B辑)1991正的残基为中心的疏水区和伴随着其周围的一些极性残基所构成的二体缔合面．也就是说所有这些模型都投有摆脱二锌胰岛素二聚体所形成的结构特征的影响，即以在二聚体结构

5、所看到的，包括构成反平行卢结构的B链羧端在内的胰岛素分子在二聚体中的缔合面作为它与受体分子结合的结台面．尽管胰岛素受体的一级结构已被铡定，某些关于胰岛索受体的照亚基结构模型也已提出并得到普遍承认．但是，由于至今尚未得到胰岛素受体，特别是胰岛素与其受体的复合物的三维结构数据，这就使得从空间结构角度认识和阐明胰岛素分子与其受体的结合作用机制缺乏最直观的结构基础．本文下述所绐出的探讨是基于已揭示的基本实验事实和结果：即胰岛素分子是以单体形式与其受体结合并相互作用的：胰岛素分子与其受体的识别、结合和相互作用必然伴随着一系列的构象变化；对胰岛素分子三维特

6、征结构及其运动特征的认识以及胰岛素及其各种衍生物的结构比较的结果．近十年来，本实验室在测定一系列各种不同的胰岛素衍生物晶体结构的基础上，以最小二乘叠合技术和图象显示技术对它们的结构进行深入的比较和分析，着重从空间结构的角度探讨胰岛素分子与其受体结合的可能机制．一、胰岛素分子与其受体的结合面去B链羧端五肽(B26—30)猪胰岛素(简称DPI)是一个重要的胰岛素衍生物．它是至今已测定空间结构的胰岛素衍生物中唯一以单体形式存在并保持较高胰岛素生物活性的分子结构．本实验室在测定并在1．5A高分辨率精化了DPI的分子结构之后0】，对DP1分子结构的特征以

7、及它与胰岛素衍生物的构象差异进行了广泛的比较．如图l所示，与二锌胰岛素结构比较结果表明，虽然DP1分子中许多的侧链甚至一些主链与二锌胰岛素结构存在着明显的结构差异，然而DP1分子仍保持着胰岛素分子的特征三维结构要素，这是为什么DP1分子仍保留着较高生物活力的重要原因．图1DP1分子(租线)和三方二锌胰岛素分子1的A链和B链分别叠台比较在DP1分子结构被测定之后，我们发现由于胰岛素分子切除了B链羧端的五个残基，DP1分子的结构出现了一个面积很大的两性表面⋯1．如图2所示，这个两性表面的中部是由疏水第7期梁栋材等：胰岛素分子其受体结合的可能机制71

8、7残基的侧链基团所构成的疏水平面，其面积约为)5oA．，而分布在此疏水面周围的是一些亲水残基的极性和带电荷的侧链基团，它们构成两性表面的亲水区域带．找