杜林濤，張紅學

(鄭州大學)

1 AMPK與葡萄糖轉(zhuǎn)運

1.1 AMPK與葡萄糖轉(zhuǎn)運的關(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誘導的葡萄糖轉(zhuǎn)運的作用機理不是通過胰島素信號途徑達到的.AICAR誘導的葡萄糖轉(zhuǎn)運程度受營養(yǎng)狀況和肌纖維類型的影響.例如，AICAR不能誘導大鼠肌肉葡萄糖轉(zhuǎn)運，AMPK活性也不增加，但是AICAR能誘導小鼠肌肉葡萄糖轉(zhuǎn)運增加和 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)，過表達突變在骨骼肌中高表達的 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誘導的糖轉(zhuǎn)運［3］.

肌肉收縮同樣激活AMPK，離體研究發(fā)現(xiàn)肌肉收縮過程中也伴隨著葡萄糖轉(zhuǎn)運的增加，并且這種作用和AICAR誘導的葡萄糖轉(zhuǎn)運沒有疊加效應［4］.因此現(xiàn)在普遍認為AMPK為肌肉收縮誘導的葡萄糖轉(zhuǎn)運增加過程的啟動信號.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的葡萄糖轉(zhuǎn)運卻是正常的，這可能是其他異構(gòu)體的代償性增加有關(guān)，因為在該小鼠的骨骼肌中α1異構(gòu)體表達增多了5倍，過表達突變在骨骼肌中高表達的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)運的部分減少，但是只要有一個亞基活性正常，另外一個亞基通過代償作用可以使肌肉收縮刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運也正常.這些研究可能預示著AMPK并非骨骼肌收縮誘導葡萄糖轉(zhuǎn)運增加的唯一信號通路，還存在著其他機制的調(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為肌肉收縮誘導葡萄糖轉(zhuǎn)運增加過程的唯一起始信號.

1.2 AMPK與葡萄糖轉(zhuǎn)運的機制研究

目前研究認為肌肉收縮和AICAR誘導大鼠肌細胞對葡萄糖的攝取，機制可能是通過葡萄糖轉(zhuǎn)運體(GLUT4)向胞膜轉(zhuǎn)位來完成的，但其信號傳導機制至今尚不明確.胰島素敏感的信號傳導途徑需依賴胰島素受體，而肌肉收縮誘導葡萄糖攝取的途徑不涉及這些信號蛋白.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α亞單位和二個β亞單位通過鏈間二硫鍵形成的異源四聚體，α亞基為識別結(jié)合胰島素的部位;β亞基含有絡氨酸激酶活性區(qū)域及自身磷酸化位點，其近膜區(qū)第960位絡氨酸磷酸化后可作為胰島素受體底物 -1(IRS-1)的識別和結(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羧基末端有多個酪氨酸磷酸化位點，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)肌肉和脂肪細胞內(nèi)的胰島素敏感性葡萄糖轉(zhuǎn)運體(Glut4)的轉(zhuǎn)位，從而降低血糖濃度.而研究發(fā)現(xiàn)劇烈運動后胰島素受體(INSR)、IRS-1(胰島素受體底物 -1)的絡氨酸磷酸化程度，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，在胰島素抵抗機體中AICAR可促進葡萄糖的攝取，增加葡萄糖轉(zhuǎn)運子4(GLUT-4)從微囊轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜上［6］.

AS160對GLUT4轉(zhuǎn)位有負性調(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，預示著AS160可能參與了AMPK介導的葡萄糖轉(zhuǎn)運的信號傳導［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.過表達突變在骨骼肌中高表達的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所誘導的AS160磷酸化［8］.過表達突變在骨骼肌中高表達的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的AS160磷酸化，AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌中肌肉收縮所誘導的AS160磷酸化接近正常水平［8］.(如前所述，過表達突變在骨骼肌中高表達的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.過表達突變在骨骼肌中高表達的AMPKα2亞單位，減少肌肉收縮所刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運量的 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)運量卻是正常水平.)這些結(jié)果可能預示著AS160為AMPK的底物，但是AS160磷酸化是否為AMPK介導的葡萄糖轉(zhuǎn)運的信號傳導所必須還有待進一步研究.

早期一些研究發(fā)現(xiàn)應激活化蛋白激酶p38在克隆9細胞中對GLUT4轉(zhuǎn)位過程有調(diào)節(jié)作用，SB203580(應激活化蛋白激酶p38的抑制劑)可以阻斷在這些細胞中AICAR和肌肉收縮誘導的葡萄糖轉(zhuǎn)運，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，預示著p38可能參與了AMPK介導的葡萄糖轉(zhuǎn)運的信號傳導［9］.后來的研究發(fā)現(xiàn)，SB203580是通過和葡萄糖轉(zhuǎn)運體發(fā)生反應而競爭性抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運，在過表達突變在骨骼肌中高表達的應激活化蛋白激酶p38，肌肉收縮誘導的葡萄糖轉(zhuǎn)運處于正常水平，在L6肌管中AICAR并不能激活p38［10］.這些發(fā)現(xiàn)可能預示著p38參與AMPK介導的葡萄糖轉(zhuǎn)運的信號傳導的可能性被排除.

2 AMPK與糖酵解

磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)是糖酵解的限速酶.在灌注心臟實驗中發(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，PFK2活性和果糖2、6-二磷酸的含量也增加，糖酵解作用增強.在體外純化的 AMPK可磷酸化PFK2，進一步證明AMPK直接參與了糖酵解的調(diào)節(jié).心肌缺血時，AMPK激活使脂肪酸氧化增加，但同時將增加氧的消耗，糖酵解的增強，可提供ATP和NADH而不需消耗更多的氧.Halse在對離體骨骼肌細胞的研究中發(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物體內(nèi)的儲存形式是肌肉運動的重要能源物質(zhì)，糖原磷酸化酶(GP)是促進糖原降解參與供能的限速酶.起初認為AMPK能夠激活GP激酶從而激活GP促進糖原分解［15］，后來的離體研究發(fā)現(xiàn)AMPK并不能激活GP激酶而促進糖原的分解［15］.AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠跑臺試驗中糖原分解速度沒有降低，更證實了這一點［12］.糖原合成酶(GS)是促進糖原合成的限速酶.相對于GP而言，一些在體和離體研究表明AMPK是一種GS激酶，能夠在兩個位點磷酸化GS使其活性降低，α2亞基似乎在其中發(fā)揮著最重要作用，因為α2亞基敲除能導致AICAR誘導GS失活效應的完全喪失［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動過程中其活性卻是普遍升高的，除了在大強度運動中觀察到GS活性不變或下降，這可能是因為，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伴隨著在GS另一個位點的去磷酸化導致了GS活性的增加，但是對此還有待進一步研究.這些結(jié)果可能預示著，運動中激活AMPK的作用之一是對抗運動引起的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AMPK，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)跑步的練習測試中，KD突變鼠(下稱KD組)KD組減少20% ～30%的活動量，在強迫跑臺訓練中，KD組明顯比正常組疲勞快，并常常落下跑臺［12］.MU J認為，由于KD突變基因主要表達在心臟，心血管功能受損可能是導致運動能力下降的一個原因;另外也可能與肌糖原儲備大大減少有關(guān).大量研究表明:運動前肌糖原儲備與運動能力呈高度正相關(guān)，所以減少肌糖原儲備就會導致運動能力下降.MU J等的另一項研究結(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組在運動中腓腸肌肌糖原的耗竭速度比正常組快，而運動結(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動激活AMPK后其糖原合成卻是增加趨勢.這可能是因為AMPK在磷酸化GS使其失活的同時增加了葡萄糖的轉(zhuǎn)運和6-磷酸葡萄糖的含量.多項研究表明，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)運能力，AMPK的激活伴隨了葡萄糖轉(zhuǎn)運體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的效應可能勝過了AMPK對GS磷酸化使其失活的效應.后來的研究結(jié)果，自然突變或者轉(zhuǎn)基因方法使AMPK信號增強時糖原合成增加［15］，AMPK 信號減弱時糖原合成減少［13］，也間接的證明了這個觀點.

4 結(jié)束語

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

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