AMPK與糖代謝

杜林濤，張紅學(xué)

(鄭州大學(xué))

1 AMPK與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)

1.1 AMPK與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系研究

早在1997年Merrill發(fā)現(xiàn)用5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(AICAR)灌注小鼠肌肉可以增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和AMPK的活性［1］，并且這種作用不能被磷脂酰肌醇3-激酶抑制劑影響，提示了AICAR誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的作用機(jī)理不是通過胰島素信號(hào)途徑達(dá)到的.AICAR誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)程度受營養(yǎng)狀況和肌纖維類型的影響.例如，AICAR不能誘導(dǎo)大鼠肌肉葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，AMPK活性也不增加，但是AICAR能誘導(dǎo)小鼠肌肉葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)增加和 AMPK活性的增加［2］.AICAR并非AMPK的特異性激酶，結(jié)果可能具有局限性，深入的研究在轉(zhuǎn)基因和基因敲除的小鼠中展開.研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)突變在骨骼肌中高表達(dá)的 AMPKα2亞單位，AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌都可以完全阻止AICAR誘導(dǎo)的糖轉(zhuǎn)運(yùn)［3］.

肌肉收縮同樣激活A(yù)MPK，離體研究發(fā)現(xiàn)肌肉收縮過程中也伴隨著葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的增加，并且這種作用和AICAR誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)沒有疊加效應(yīng)［4］.因此現(xiàn)在普遍認(rèn)為AMPK為肌肉收縮誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)增加過程的啟動(dòng)信號(hào).然而研究發(fā)現(xiàn)在AMPKα2基因敲除的小鼠骨骼肌中肌肉收縮誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)卻是正常的，這可能是其他異構(gòu)體的代償性增加有關(guān)，因?yàn)樵谠撔∈蟮墓趋兰≈笑?異構(gòu)體表達(dá)增多了5倍，過表達(dá)突變在骨骼肌中高表達(dá)的AMPKα2亞單位(在肌肉中AMPKα1和AMPKα2的活性受限)，減少肌肉收縮所刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)量的40%［3］.總的來說，AMPKα1/α2活性降低總是伴隨著肌肉收縮刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的部分減少，但是只要有一個(gè)亞基活性正常，另外一個(gè)亞基通過代償作用可以使肌肉收縮刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)也正常.這些研究可能預(yù)示著AMPK并非骨骼肌收縮誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)增加的唯一信號(hào)通路，還存在著其他機(jī)制的調(diào)節(jié)作用.雖然Sakamoto等發(fā)現(xiàn)LKB1敲除的小鼠肌肉收縮所刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)量急劇降低［5］，LKB1為AMPK激酶，在肌肉收縮過程中調(diào)節(jié)AMPK的活性，但是LKB1也能激活一些其他的酶類，因此也不能說明AMPK為肌肉收縮誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)增加過程的唯一起始信號(hào).

1.2 AMPK與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制研究

目前研究認(rèn)為肌肉收縮和AICAR誘導(dǎo)大鼠肌細(xì)胞對葡萄糖的攝取，機(jī)制可能是通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLUT4)向胞膜轉(zhuǎn)位來完成的，但其信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制至今尚不明確.胰島素敏感的信號(hào)傳導(dǎo)途徑需依賴胰島素受體，而肌肉收縮誘導(dǎo)葡萄糖攝取的途徑不涉及這些信號(hào)蛋白.胰島素受體是一種典型的PTK(蛋白酪氨酸激酶)受體，是由二個(gè)α亞單位和二個(gè)β亞單位通過鏈間二硫鍵形成的異源四聚體，α亞基為識(shí)別結(jié)合胰島素的部位;β亞基含有絡(luò)氨酸激酶活性區(qū)域及自身磷酸化位點(diǎn)，其近膜區(qū)第960位絡(luò)氨酸磷酸化后可作為胰島素受體底物 -1(IRS-1)的識(shí)別和結(jié)合部位.INSR與胰島素結(jié)合后，首先使受體自身的酪氨酸被磷酸化，之后結(jié)合其底物蛋白ISR-1，IRS-1羧基末端有多個(gè)酪氨酸磷酸化位點(diǎn)，可以與磷脂酰肌醇3-激酶(PI-3K)結(jié)合，PI-3K生成3磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)，最終使絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B(Akt)磷酸化被激活.Akt調(diào)節(jié)肌肉和脂肪細(xì)胞內(nèi)的胰島素敏感性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(Glut4)的轉(zhuǎn)位，從而降低血糖濃度.而研究發(fā)現(xiàn)劇烈運(yùn)動(dòng)后胰島素受體(INSR)、IRS-1(胰島素受體底物 -1)的絡(luò)氨酸磷酸化程度，以及和IRS-1相連的PI3K活性并沒有提高，離體灌注的后肢肌肉，在胰島素抵抗機(jī)體中AICAR可促進(jìn)葡萄糖的攝取，增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子4(GLUT-4)從微囊轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜上［6］.

AS160對GLUT4轉(zhuǎn)位有負(fù)性調(diào)節(jié)作用，非磷酸化狀態(tài)可以阻止GLUT4的轉(zhuǎn)位，磷酸化狀態(tài)可以增加GLUT4轉(zhuǎn)位［7］.研究發(fā)現(xiàn)AICAR和肌肉收縮都能磷酸化AS160，預(yù)示著AS160可能參與了AMPK介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的信號(hào)傳導(dǎo)［7］.但是AICAR并非AMPK的特異性激酶，因此還不能說明AS160為AMPK的底物.過表達(dá)突變在骨骼肌中高表達(dá)的AMPKα2亞單位，AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌中可以完全抑制比目魚肌肉中AICAR所誘導(dǎo)的AS160磷酸化［8］.過表達(dá)突變在骨骼肌中高表達(dá)的AMPKα2亞單位和AMPKα2基因敲除的小鼠骨骼肌中只是部分降低比目魚肌肉中肌肉收縮所誘導(dǎo)的AS160磷酸化，AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌中肌肉收縮所誘導(dǎo)的AS160磷酸化接近正常水平［8］.(如前所述，過表達(dá)突變在骨骼肌中高表達(dá)的AMPKα2亞單位，AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌可以完全阻止AICAR刺激的糖轉(zhuǎn)運(yùn).過表達(dá)突變在骨骼肌中高表達(dá)的AMPKα2亞單位，減少肌肉收縮所刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)量的 40%，AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌肌肉收縮所刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)量卻是正常水平.)這些結(jié)果可能預(yù)示著AS160為AMPK的底物，但是AS160磷酸化是否為AMPK介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的信號(hào)傳導(dǎo)所必須還有待進(jìn)一步研究.

早期一些研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)激活化蛋白激酶p38在克隆9細(xì)胞中對GLUT4轉(zhuǎn)位過程有調(diào)節(jié)作用，SB203580(應(yīng)激活化蛋白激酶p38的抑制劑)可以阻斷在這些細(xì)胞中AICAR和肌肉收縮誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，在離體老鼠趾長伸肌和比目魚肌中也出現(xiàn)了同樣的結(jié)果，預(yù)示著p38可能參與了AMPK介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的信號(hào)傳導(dǎo)［9］.后來的研究發(fā)現(xiàn)，SB203580是通過和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體發(fā)生反應(yīng)而競爭性抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，在過表達(dá)突變在骨骼肌中高表達(dá)的應(yīng)激活化蛋白激酶p38，肌肉收縮誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)處于正常水平，在L6肌管中AICAR并不能激活p38［10］.這些發(fā)現(xiàn)可能預(yù)示著p38參與AMPK介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的信號(hào)傳導(dǎo)的可能性被排除.

2 AMPK與糖酵解

磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)是糖酵解的限速酶.在灌注心臟實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):缺血或其他代謝解偶聯(lián)劑(如寡酶素)使AMPK活性增加時(shí)，PFK2活性和果糖2、6-二磷酸的含量也增加，糖酵解作用增強(qiáng).在體外純化的 AMPK可磷酸化PFK2，進(jìn)一步證明AMPK直接參與了糖酵解的調(diào)節(jié).心肌缺血時(shí)，AMPK激活使脂肪酸氧化增加，但同時(shí)將增加氧的消耗，糖酵解的增強(qiáng)，可提供ATP和NADH而不需消耗更多的氧.Halse在對離體骨骼肌細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn):AMPK不僅促使葡萄糖攝取還抑制糖原的合成，從而促進(jìn)葡萄糖向糖酵解方向轉(zhuǎn)化［11］.

3 AMPK對糖原代謝的調(diào)節(jié)

3.1 AMPK對糖原代謝酶的作用

糖原作為葡萄糖在動(dòng)物體內(nèi)的儲(chǔ)存形式是肌肉運(yùn)動(dòng)的重要能源物質(zhì)，糖原磷酸化酶(GP)是促進(jìn)糖原降解參與供能的限速酶.起初認(rèn)為AMPK能夠激活GP激酶從而激活GP促進(jìn)糖原分解［15］，后來的離體研究發(fā)現(xiàn)AMPK并不能激活GP激酶而促進(jìn)糖原的分解［15］.AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠跑臺(tái)試驗(yàn)中糖原分解速度沒有降低，更證實(shí)了這一點(diǎn)［12］.糖原合成酶(GS)是促進(jìn)糖原合成的限速酶.相對于GP而言，一些在體和離體研究表明AMPK是一種GS激酶，能夠在兩個(gè)位點(diǎn)磷酸化GS使其活性降低，α2亞基似乎在其中發(fā)揮著最重要作用，因?yàn)棣?亞基敲除能導(dǎo)致AICAR誘導(dǎo)GS失活效應(yīng)的完全喪失［13］.

值得注意的是雖然AMPK能夠磷酸化GS降低其活性但是在肌肉運(yùn)動(dòng)過程中其活性卻是普遍升高的，除了在大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中觀察到GS活性不變或下降，這可能是因?yàn)?，在肌肉收縮過程中引起的糖原含量降低間接激活 GS的作用.McCardle綜合癥患者由于糖原磷酸化酶遺傳性缺陷糖原分解受阻，其糖原含量對GS活性的作用也就隨之消失，在對McCardle綜合癥患者的研究中發(fā)現(xiàn)肌肉收縮引起AMPK活性增高的同時(shí)伴隨著GS的失活［14］.也有研究發(fā)現(xiàn)肌肉收縮過程中糖原含量降低的同時(shí)伴隨著在GS另一個(gè)位點(diǎn)的去磷酸化導(dǎo)致了GS活性的增加，但是對此還有待進(jìn)一步研究.這些結(jié)果可能預(yù)示著，運(yùn)動(dòng)中激活A(yù)MPK的作用之一是對抗運(yùn)動(dòng)引起的GS活性增高，對抗GS活性增加引起的糖原合成，從而減少ATP的利用.

3.2 AMPK對糖原合成的調(diào)節(jié)

Winder等用AICAR孵育小鼠肌肉激活A(yù)MPK，發(fā)現(xiàn)其糖原含量卻是增加趨勢而不是減少.后來MU J等通過鼠 AMPKα2亞基突變，使α2亞基失活，又叫KD突變，發(fā)現(xiàn)AMPKα2亞基失活能夠?qū)е滦∈笤谧园l(fā)跑步的練習(xí)測試中，KD突變鼠(下稱KD組)KD組減少20% ～30%的活動(dòng)量，在強(qiáng)迫跑臺(tái)訓(xùn)練中，KD組明顯比正常組疲勞快，并常常落下跑臺(tái)［12］.MU J認(rèn)為，由于KD突變基因主要表達(dá)在心臟，心血管功能受損可能是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力下降的一個(gè)原因;另外也可能與肌糖原儲(chǔ)備大大減少有關(guān).大量研究表明:運(yùn)動(dòng)前肌糖原儲(chǔ)備與運(yùn)動(dòng)能力呈高度正相關(guān)，所以減少肌糖原儲(chǔ)備就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力下降.MU J等的另一項(xiàng)研究結(jié)果顯示;KD組的肌糖原濃度僅有正常組的一半.他們的最新研究顯示KD組在運(yùn)動(dòng)中腓腸肌肌糖原的耗竭速度比正常組快，而運(yùn)動(dòng)結(jié)束后糖原的再合成速度卻比正常組慢［12］.這些研究結(jié)果顯示了雖然AMPK能夠磷酸化GS并使其失活使糖原合成受阻，但是無論是激活劑還是運(yùn)動(dòng)激活A(yù)MPK后其糖原合成卻是增加趨勢.這可能是因?yàn)锳MPK在磷酸化GS使其失活的同時(shí)增加了葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和6-磷酸葡萄糖的含量.多項(xiàng)研究表明，糖原的合成速度不主要取決與GS的含量和活性，而是取決于葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，AMPK的激活伴隨了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體GLUT4轉(zhuǎn)位的增加.另外6-磷酸葡萄糖是GS的變構(gòu)激活劑，6-磷酸葡萄糖含量的增加變構(gòu)激活GS的效應(yīng)可能勝過了AMPK對GS磷酸化使其失活的效應(yīng).后來的研究結(jié)果，自然突變或者轉(zhuǎn)基因方法使AMPK信號(hào)增強(qiáng)時(shí)糖原合成增加［15］，AMPK 信號(hào)減弱時(shí)糖原合成減少［13］，也間接的證明了這個(gè)觀點(diǎn).

4 結(jié)束語

AMPK作為能量代謝變化的感受器能夠被運(yùn)動(dòng)中ATP/AMP的比值變化等因素所激活，對糖代謝多個(gè)環(huán)節(jié)有直接調(diào)節(jié)作用，對其信號(hào)途徑的基礎(chǔ)研究為運(yùn)動(dòng)對預(yù)防和治療糖代謝紊亂提供了理論依據(jù)，并且對于發(fā)展臨床價(jià)值的AMPK激活劑具有重要意義.

［1］ Merrill G F，Kurth E J，Hardie D G，et al.AICA riboside increases AMP - activated protein kinase，fatty acid oxidation，and glucose uptake in rat muscle.Am J Physiol 1997，273:E1107-E1112.

［2］ Ai H，Ihlemann J，Hellsten Y，et al.Effect of fiber type and nutritional state on AICAR - and contractionstimulated glucose transport in rat muscle.Am J Physiol Endocrinol Metab 2002，282:E1291-E1300.

［3］ Jorgensen S B，Viollet B，Andreelli F，et al.Knockout of theα2but not a1 5’-AMP-activated protein kinase isoform abolishes 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-4-ribofuranoside but not contraction-induced glucose uptake in skeletal muscle.J Biol Chem 2004，279:1070–1079.

［4］ Hayashi T，Hirshman M F，Kurth E J，et al.Evidence for 5’-AMP-activated protein kinase mediation of the effect of muscle contraction on glucose transport.Diabetes 1998，47:1369-1373.

［5］ Sakamoto K，McCarthy A，Smith D，et al.Deficiency of LKB1 in skeletal muscle prevents AMPK activation and glucose uptake during contraction.EMBO J 2005，24:1810–1820.

［6］ Koistinen Heikki A，Galuska Dana，Chibalin Alexander V:5-Amino-Imidazole Carboxamide Riboside increases glucose transport and cell surface GLUT4 content in skeletal muscle from subjectswith type 2 diabetes.Diabetes，2003，52(5):1066.

［7］ Kane S，Sano H，Liu S C，et al.A method to identify serine kinase substrates.Aktphosphorylatesanovel adipocyte protein with a Rab GTPase-activating protein(GAP)domain.J Biol Chem 2002，277:22115–22118.

［8］ Treebak J T， Glund S， Deshmukh A， et al. AMPK mediatesAS160 phosphorylation in skeletalmuscle:Dependency on AMPK catalytic and regulatory subunits.Diabetes 2006，58:49-55.

［9］ Xi X，Han J，Zhang J Z.Stimulation of glucose transport by AMP-activated protein kinase(AMPK)via activation of p38 mitogen-activated protein kinase(MAPK).J Biol Chem 2001，276:41029-41034.

［10］ Ho R C，Hirshman M F，F(xiàn)ujii N，et al.Dissociation between AMPK and p38 MAPK signaling in resting and contracting skeletal muscle.Diabetes 2004，53:A62.

［11］Halse R，F(xiàn)ryer L G，McCormack J G，et al.Regulation of glycogen synthase by glucose and glycogen，a possible role for AMP-activated protein kinase.Diabetes 2003，52(1):9.

［12］Mu J，Barton E R，Birnbaum M J.Selective suppression of AMP-activated protein kinase in skeletal muscle:update on lazy mice.Biochem Soc Trans，2003，31:236 –241.

［13］Jorgensen S B，Nielsen J N，Birk J B，et al，Theα25＇-AMP-activated protein kinase is a site 2 glycogen synthase kinase in skeletal muscle and is responsive to glucose loading.Diabetes 2004，53，3074–3081.

［14］Nielsen J N，Wojtaszewski J F，Haller R G，et al.Role of 5’-AMP activated protein kinase in exercise regulation of glucose utilization and glycogen synthase activity in skeletal muscle from patients with McArdle’s disease.J Physiol，2002，541:979–989.

［15］Barnes B R，Marklund S，Steiler T L，et al.The 5’-AMP-activated protein kinaseγ3 isoform has a key role in carbohydrate and lipid metabolism in glycolytic skeletal muscle.J Biol Chem，2004，279:38441–38447.