结构生物化学/蛋白质功能/胰岛素
胰岛素是由胰腺分泌的一种激素，它调节血液中的葡萄糖水平。没有胰岛素，细胞就不能利用葡萄糖中的能量来执行体内的功能。胰岛素于 1921 年由弗雷德里克·格兰特·班廷和查尔斯·贝斯特在他们的实验室中从狗的胰腺提取的物质中首次发现。然后该物质被用来使患有糖尿病的狗存活，并在 1922 年用于一名 14 岁的糖尿病男孩。美国食品药品监督管理局 (FDA) 于 1939 年批准了胰岛素。1966 年，迈克尔·卡托亚尼斯在实验室中合成了胰岛素，这标志着第一种成功合成的完整激素。合成胰岛素用作治疗糖尿病的药物，目前市场上的形式包括来自牛和猪胰腺的胰岛素，但使用最广泛的是一种由重组人胰岛素制成的形式。
胰岛素是由胰腺中的β细胞制造的。在人体摄入食物后，这些β细胞会释放胰岛素，使肝脏、肌肉和脂肪组织中的细胞能够摄取葡萄糖，并将其储存在肝脏、肌肉和脂肪组织中，要么将其储存为糖原，要么允许血液将其转移到体内的器官中，用作能量来源。此过程停止使用脂肪作为能量来源。当血液中的葡萄糖水平升高时，胰腺会以更高的速率产生胰岛素，以维持血液中的正常糖浓度。没有胰岛素，身体无法有效地处理葡萄糖，葡萄糖开始在血液中积聚，而不是被运送到不同的细胞。与血液中葡萄糖水平升高相反，当身体缺乏可用的葡萄糖时，胰腺中的α细胞会释放胰高血糖素，一种促使肝脏将储存的糖原转化为可用葡萄糖的激素，然后释放到血液中。
胰岛素对代谢的一些影响包括：1. 控制肌肉和脂肪组织等许多器官中细胞对葡萄糖等物质的摄取。2. 控制氨基酸的摄取，从而增加 DNA 复制和蛋白质合成。3. 改变酶细胞的活性。
胰岛素的其他细胞作用包括：1. 增加糖原的合成。糖原是葡萄糖的一种储存形式，储存在肝脏中。血液中的葡萄糖水平决定了是将葡萄糖储存为糖原还是排出体外。低水平的葡萄糖会导致肝脏排出葡萄糖，而高水平的葡萄糖则允许葡萄糖被储存为糖原。2. 增加脂肪酸的合成和酯化。这是由于胰岛素导致脂肪细胞将血液脂质转化为甘油三酯。酯化是由胰岛素导致脂肪组织将脂肪从脂肪酸酯中转化而来。3. 增加脂肪酸的酯化。4. 减少蛋白质分解（蛋白水解）。5. 减少脂解。6. 增加对氨基酸和钾等物质的摄取。7. 放松肌肉动脉壁，从而引起血管扩张。8. 增加胃中 HCl 的分泌。
胰岛素是一种由 2 个多肽链组成的激素。每条链都由通过肽键连接的特定顺序的氨基酸残基组成。在人类中，A 链有 21 个氨基酸，B 链有 30 个。翻译后修饰导致这两条链通过二硫键连接。A7 和 B7 以及 A20 到 B19 上的半胱氨酸残基通过二硫键共价连接。A 链还通过连接 A6 和 A11 的内部二硫键连接。胰岛素的 3D 结构由 3 个螺旋和 3 个二硫键组成。疏水性氨基酸残基聚集在分子的内部，而极性氨基酸残基位于外表面。这种氨基酸残基的排列为整个分子提供了稳定性。单个胰岛素分子可以与另一个胰岛素分子形成二聚体，但最活跃的形式是单一单位。胰岛素单体的化学式为：C256H381N65O79S6。
胰岛素的产生发生在胰腺中，但糖尿病患者缺乏产生胰岛素的能力，因此需要通过合成手段获得的胰岛素来维持正常的血糖水平。牛胰岛素和猪胰岛素与人胰岛素相似，但这些来源合成的胰岛素在用于治疗糖尿病患者时会产生不良影响，因为长期持续将外来物质注射到体内可能会产生长期影响。由于这些潜在的不良影响，1977 年，基因泰克公司的研究人员开发了通过重组 DNA 技术复制人源性胰岛素的方法。克隆人胰岛素的步骤从从具有功能性胰腺的人的胰腺中提取胰岛素前体 mRNA 开始。接下来，使用逆转录酶合成一条与胰岛素前体mRNA互补的 DNA 链。这种 DNA 互补体被称为 cDNA。cDNA 和 RNA 链形成双螺旋杂交体。接下来，通过提高 pH 值水解掉 RNA 链，并在末端转移酶的帮助下形成与原始 cDNA 链互补的 DNA 链。限制性内切酶可用于切割基因，并将编码胰岛素蛋白的序列分离出来。接下来，从大肠杆菌细胞中提取称为质粒的圆形 DNA 单位，并用与切割人染色体相同的限制性内切酶切割。使用相同的限制性内切酶会在质粒和胰岛素基因上产生互补末端。接下来，胰岛素基因被插入质粒的正确位置，并使用磷酸二酯键连接酶来形成胰岛素基因和质粒之间的磷酸二酯键。此步骤实质上是将胰岛素基因“粘贴”到 E. coli 质粒载体中。在此过程中使用了称为“表达载体”的特定类型的质粒，该质粒包含细菌启动子，有助于 mRNA 的形成。一旦胰岛素基因连接到载体中，载体就被插入细菌细胞中。细菌细胞充当 mRNA 翻译成蛋白质过程的宿主。这些宿主细胞被收获并允许繁殖，从而产生一群产生胰岛素的细菌细胞。然后可以纯化和包装胰岛素。
SynBioSys 公司于 2006 年最近提出了一种合成胰岛素的另一种可能方法，该方法使用红花而不是细菌生产胰岛素。他们的最终目标是通过超过目标并实现总种子蛋白积累水平达到 1.2% 来降低经济成本。该公司声称，这种植物生产胰岛素的突破有可能“从根本上改变胰岛素生产的经济效益和规模”。该公司宣布，红花生产的胰岛素比通过细菌细胞生产的胰岛素便宜高达 60%。
临床试验结果令人鼓舞：SBS-1000 与大多数常见的品牌胰岛素药物具有生物等效性。在人类中，SBS-1000 显示出通过红花而不是通过细菌代谢胰岛素没有差异。在药理活性剂量下，SBS-1000 耐受性良好。
胰岛素由胰岛的β细胞分泌。分泌过程分为两个阶段：一阶段为血糖水平变化的反应，另一阶段则更缓慢且与糖无关。
血糖水平变化引起的胰岛素释放始于葡萄糖进入糖酵解和呼吸循环。在这个循环中，ATP通过氧化产生，因此ATP的产生量代表了血糖水平。当产生的ATP量达到一定水平时，由ATP激活的钾离子通道关闭，使细胞膜去极化，导致其他电压激活通道（例如钙离子通道）发生变化。由于去极化，电压门控钙离子通道打开，允许钙离子流入细胞。细胞内钙离子浓度的增加激活磷脂酶C。磷脂酶C切割膜磷脂磷脂酰肌醇4,5-二磷酸，将其转化为肌醇1,4,5-三磷酸和二酰基甘油。新形成的肌醇1,4,5-三磷酸（也称为IP3）与内质网膜上嵌入的IP3门控通道上的受体结合。IP3门控通道允许钙离子流入细胞，使细胞再极化。胰岛素在该反应之前就已合成，并储存在分泌囊泡中，等待释放。由于IP3的结合，细胞内钙离子浓度升高，导致胰岛素从这些囊泡中释放出来。胰岛的β细胞通过该反应调节血糖水平。当血糖水平处于生理正常水平时，β细胞停止分泌任何胰岛素。这由交感神经系统通过释放去甲肾上腺素实现。
当血糖水平下降时，高血糖激素（胰高血糖素）由胰岛的α细胞释放。这会导致储存在体内的葡萄糖释放到血液中，主要来自肝脏。葡萄糖以糖原的形式储存在肝脏中。
胰岛素在与细胞膜上的受体结合位点结合后，存在两种降解途径。（1）它可以释放到细胞外环境中，或者（2）它可以被细胞降解。如果胰岛素要被细胞降解，胰岛素-受体复合物将通过内吞作用进入细胞内。随后，胰岛素降解酶会分解该分子。胰岛素主要在肝脏和肾脏中降解。肝脏负责降解首次进入血液的胰岛素；肾脏负责降解正常循环中的胰岛素。估计天然内源性产生的胰岛素在胰腺β细胞最初释放到循环系统后的一小时内被降解。胰岛素的半衰期约为4-6分钟。
糖尿病是一种身体无法产生胰岛素或对胰岛素反应不佳的疾病。糖尿病有两种类型。1型糖尿病是身体无法产生胰岛素。这是由于自身免疫性疾病，其中身体攻击胰岛的β细胞。这可以通过胰岛素注射来治疗。2型糖尿病是胰岛素抵抗、胰岛素分泌减少或两者兼而有之。
胰岛素用于维持体内血糖水平的平衡。饭后，碳水化合物被消化并作为葡萄糖进入血液，为身体提供能量。为了维持身体的血糖水平，多余的糖储存在肝脏中，并在血糖水平开始下降时释放出来。这就是糖尿病发生的部位；当糖水平过低时，葡萄糖无法从胰腺进入细胞。如果这种疾病得不到治疗，可能会出现并发症，如失明和肾脏损伤。
1) 静脉输液：用于为住院患者提供营养的静脉输液溶液中的一种活性成分是胰岛素。体内存在胰岛素有助于改善营养物质的吸收，当与生长激素结合使用时，有助于逆转负氮平衡。
2) 静脉GIK溶液：葡萄糖、胰岛素和钾溶液已被用于降低急性心肌梗塞（也称为心脏病发作）以及术后心脏衰竭的死亡率。通过添加GIK输液，可以快速将钾离子输送到心脏的所有细胞中，即使循环完全停止，也可以轻松恢复心肌动作电位，诱发收缩。
3) 血液透析休克恢复：可以在电解质溶液中添加少量胰岛素，帮助患者快速吸收电解质，从而从血液透析休克中恢复过来。
4) 运动饮料和口服补液溶液：这些饮料（如佳得乐）中含有的糖可以促进体内胰岛素分泌增加，从而加速水和电解质吸收到身体的所有细胞中。