胰岛素 3D 球棍模型
交互式分子结构 · 高中生物知识点精讲 · 山东高考真题解析
3D 球棍模型（可拖动 · 自动旋转）
以下模型基于 PDB 数据库中 2INS（牛胰岛素晶体结构）的真实原子坐标构建。蓝色为 A 链（21 个氨基酸），橙色为 B 链（29 个氨基酸），金色为二硫键（共 3 对）。拖动旋转、滚轮缩放，点击按钮切换显示模式。
结构示意图：两条链与三对二硫键
高中生物核心知识点
一、胰岛素的化学本质与基本组成
胰岛素的化学本质是蛋白质（多肽类激素），由 51 个氨基酸组成，分子式 C₂₅₇H₃₈₃N₆₅O₇₇S₆，分子量约 5808 Da，等电点 pI ≈ 5.3。胰岛素含有 17 种标准氨基酸，不含色氨酸（Trp）和甲硫氨酸（Met）。[1]
关键考点：因化学本质为蛋白质，胰岛素不能口服（会被消化道蛋白酶降解），只能注射给药；具有蛋白质通性——可被高温、强酸强碱、重金属盐等导致变性而失活；需在 2~8°C 避光冷藏保存，不可冷冻。
二、一级结构：氨基酸序列与肽键
胰岛素由两条多肽链组成：A 链含 21 个氨基酸残基，B 链含 30 个氨基酸残基。两条链通过 3 对二硫键（—S—S—）连接，二硫键由两个半胱氨酸（Cys）的巯基（—SH）脱氢缩合形成。[2]
其中黄色标注的 Cys（半胱氨酸）共 6 个，形成 3 对二硫键：
| 二硫键 | 类型 | 连接位置 | 作用 |
|---|---|---|---|
| A6—A11 | 链内二硫键 | A链 Cys6 ↔ A链 Cys11 | 维持 A 链环状构象 |
| A7—B7 | 链间二硫键 | A链 Cys7 ↔ B链 Cys7 | 连接 A 链与 B 链 |
| A20—B19 | 链间二硫键 | A链 Cys20 ↔ B链 Cys19 | 连接 A 链与 B 链 |
三、空间结构：二级、三级与四级结构
二级结构：A 链含两段 α-螺旋（A1-A8 和 A12-A20 区域）；B 链的 B9-B19 形成一段连续 α-螺旋，B 链 N 端和 C 端呈延伸构象。在六聚体状态下，相邻单体的 B 链 N 端可形成反平行 β-折叠。[2]
三级结构：两条链在二硫键、氢键、疏水作用力和范德华力共同作用下，折叠成紧密的球状蛋白。三级结构对生物活性至关重要，温度或 pH 改变可导致变性失活。
四级结构：在 Zn²⁺ 存在下，6 个胰岛素单体与 2 个锌离子组装成六聚体（D3 对称性），有利于在胰岛 β 细胞中储存和运输。在血液中发挥活性时，胰岛素以单体形式存在。[1]
四、胰岛素的合成与分泌（分泌蛋白途径）
胰岛素是典型的分泌蛋白，其合成加工过程体现了基因表达的完整路径：[3]
① 转录：胰岛素基因（位于 11 号染色体）在细胞核中转录出 mRNA。
② 翻译： mRNA 在核糖体上翻译为前胰岛素原（preproinsulin，含信号肽）。
③ 内质网加工：信号肽被切除，形成胰岛素原（proinsulin，86 个氨基酸的单链，含 A 链、B 链和连接的 C 肽）。
④ 高尔基体加工：蛋白酶切除 C 肽，A 链和 B 链通过 3 对二硫键连接，折叠成正确三维结构。
⑤ 分泌：胰岛素与 C 肽以等摩尔比例分泌入血，通过胞吐方式释放。
合成部位：胰岛 B 细胞（β 细胞），位于胰腺的胰岛组织中。
五、血糖平衡的调节
血糖的来源与去路：[4]
| 方向 | 途径 | 说明 |
|---|---|---|
| 来源（升高血糖） | 食物中糖类的消化吸收 | 主要来源 |
| 肝糖原分解为葡萄糖 | 空腹时重要来源 | |
| 非糖物质转化为葡萄糖（糖异生） | 脂肪、氨基酸等转化 | |
| 去路（降低血糖） | 组织细胞氧化分解供能 | 主要去路 |
| 合成肝糖原和肌糖原 | 储存能量 | |
| 转化为脂肪、非必需氨基酸等 | 非糖物质储存 |
正常空腹血糖浓度：3.9 ~ 6.1 mmol/L。
六、胰岛素与胰高血糖素的拮抗作用
| 比较项 | 胰岛素 | 胰高血糖素 |
|---|---|---|
| 分泌细胞 | 胰岛 B 细胞（β 细胞） | 胰岛 A 细胞（α 细胞） |
| 化学本质 | 蛋白质（多肽） | 多肽（29 个氨基酸） |
| 作用部位 | 几乎全身组织细胞 | 主要作用于肝脏 |
| 促进血糖去路 | 促进摄取利用葡萄糖、合成糖原、转化为非糖物质 | — |
| 抑制血糖来源 | 抑制肝糖原分解、抑制糖异生 | — |
| 促进血糖来源 | — | 促进肝糖原分解、促进糖异生 |
| 总效应 | 降低血糖 | 升高血糖 |
| 两者关系 | 拮抗作用（antagonism）——共同维持血糖动态平衡 | |
七、血糖调节的反馈机制
血糖偏高时（如饭后）：血糖浓度升高 → 直接刺激胰岛 B 细胞分泌胰岛素增多，同时抑制胰岛 A 细胞分泌胰高血糖素 → 胰岛素促进血糖去路、抑制血糖来源 → 血糖回降至正常水平。
血糖偏低时（如饥饿）：血糖浓度降低 → 刺激胰岛 A 细胞分泌胰高血糖素增多 → 促进肝糖原分解和糖异生 → 血糖回升至正常水平。
本质：负反馈调节——血糖浓度变化作为信号，反过来调节激素分泌量，维持内环境稳态。[4]
其他参与血糖调节的激素：糖皮质激素和肾上腺素能升高血糖（与胰高血糖素协同作用）；甲状腺激素促进代谢，间接影响血糖。
八、胰岛素的作用机理（受体介导）
胰岛素通过与靶细胞表面的胰岛素受体（跨膜酪氨酸激酶受体）结合发挥作用：受体构象改变 → 激活胞内酪氨酸激酶 → 引发信号级联反应 → 促进 GLUT4 转运到细胞膜加速葡萄糖摄取、促进糖原合成、抑制糖异生。[2]
易错点：葡萄糖进入细胞是通过载体蛋白（GLUT）的协助，不是通过胰岛素受体本身！胰岛素只是通过信号传导促进 GLUT4 的膜转位。
九、糖尿病
病因：胰岛 B 细胞功能受损（胰岛素分泌不足）或胰岛素受体不敏感（胰岛素抵抗），导致胰岛素分泌不足或作用障碍。
症状：多饮、多食、多尿、体重减轻（"三多一少"）。
诊断标准：空腹血糖 ≥ 7.0 mmol/L，或餐后 2 小时血糖 ≥ 11.1 mmol/L。
十、人工合成结晶牛胰岛素的科学意义
1965 年，中国科学家首次人工合成了结晶牛胰岛素，这是全世界第一个被人工合成的蛋白质，是蛋白质化学和生命科学领域的里程碑，证明了蛋白质的化学本质和人工合成的可行性。[1]
山东高考真题精析
机体存在血浆 K⁺ 浓度调节机制，K⁺ 浓度升高可直接刺激胰岛素的分泌，从而促进细胞摄入 K⁺，使血浆 K⁺ 浓度恢复正常。肾脏排钾功能障碍时，血浆 K⁺ 浓度异常升高，导致自身胰岛素分泌量最大时依然无法使血浆 K⁺ 浓度恢复正常，此时胞内摄入 K⁺ 的量小于胞外 K⁺ 的增加量，引起高钾血症。已知胞内 K⁺ 浓度总是高于胞外，下列说法错误的是（ ）
体外实验研究发现，γ-氨基丁酸持续作用于胰岛 A 细胞，可诱导其转化为胰岛 B 细胞。下列说法错误的是（ ）
研究显示，糖尿病患者由于大脑海马神经元中蛋白 Tau 过度磷酸化，导致记忆力减退。细胞自噬能促进过度磷酸化的蛋白 Tau 降解，该过程受蛋白激酶 cPKCγ 的调控。为探究相关机理，以小鼠等为材料进行了以下实验。
实验 I：探究高糖环境和蛋白激酶 cPKCγ 对离体小鼠海马神经元自噬的影响。配制含 5 mmol/L 葡萄糖的培养液模拟正常体液环境。A 组不处理，B 组加 75 mmol/L X 试剂，C 组加 75 mmol/L 葡萄糖溶液。
实验 II：通过水迷宫实验检测小鼠记忆能力。逃避潜伏期与记忆能力呈负相关。糖尿病记忆力减退模型小鼠（TD 小鼠）通过注射药物 STZ 制备。
(1) 人体中血糖的来源有 ________（答出 2 个方面即可）。已知 STZ 是通过破坏某种细胞引起小鼠血糖升高，据此推测，这种细胞是 ________。
(2) 实验I的 C 组中，加入 75 mmol/L 葡萄糖溶液后，细胞吸水、体积变大，说明培养液渗透压 ________（填"升高"或"降低"）。图甲中 A 组和 C 组的实验结果说明蛋白激酶 cPKCγ 对海马神经元自噬水平的影响是 ________。
下列关于人体内胰岛素和胰高血糖素的叙述，错误的是（ ）