簡述AMPK及其在脂肪組織中的功能表現(xiàn)

康青凌

（浙江大學(xué)教育學(xué)院，浙江 杭州 310000）

簡述AMPK及其在脂肪組織中的功能表現(xiàn)

康青凌

（浙江大學(xué)教育學(xué)院，浙江 杭州 310000）

在真核生物中，AMPK是人體內(nèi)調(diào)節(jié)能量平衡的重要物質(zhì)。它能通過開啟增加能量的通路和關(guān)閉消耗能量的通路兩個(gè)途徑達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。在脂肪組織中激活A(yù)MPK，會(huì)有利于改善胰島素抵抗的情況，而且減少脂肪細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞因子的分泌，相信會(huì)對(duì)于治療肥胖和Ⅱ型糖尿病有所裨益。

AMPK、脂肪酸氧化、胰島素

在真核生物中，AMPK（The 5'-AMP-activated protein kinase），即單磷酸激活的蛋白激酶，是人體內(nèi)調(diào)節(jié)能量平衡的重要物質(zhì)。它能通過開啟增加能量的通路（葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、脂肪酸氧化）和關(guān)閉消耗能量的通路（脂肪生成、蛋白質(zhì)生成和糖異生）兩個(gè)途徑來達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。眾所周知，脂肪酸在胰島素抵抗中發(fā)揮著非常重要的作用。而在脂肪組織中激活A(yù)MPK，有利于改善胰島素抵抗的情況，而且減少脂肪細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞因子的分泌，相信會(huì)對(duì)于治療肥胖和Ⅱ型糖尿病有所裨益。

1 AMPK概況

1.1 AMPK的基本功能

AMPK能感知細(xì)胞能量代謝狀態(tài)的改變，并通過影響細(xì)胞物質(zhì)代謝的多個(gè)環(huán)節(jié)維持細(xì)胞能量供求平衡。它的活化促使周圍組織的代謝恢復(fù)平衡：在骨骼肌，使葡萄糖攝取和脂肪酸氧化增加，并促進(jìn)線粒體的生物合成；在肝臟，抑制葡萄糖和脂質(zhì)的合成，促進(jìn)脂質(zhì)氧化；在脂肪組織，減少了脂質(zhì)分解和脂質(zhì)生成。此外，在整體水平，通過激素、細(xì)胞因子和胞外配體調(diào)控能量攝入和消耗。因此，AMPK被認(rèn)為是調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝的開關(guān)，有人將之稱為“細(xì)胞能量調(diào)節(jié)器”。

1.2 AMPK的結(jié)構(gòu)與分布

AMPK在真核細(xì)胞生物中廣泛存在，屬絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。它是一種異源三聚體，由一個(gè)具有催化作用的α亞基和兩個(gè)功能、結(jié)構(gòu)不同、具有調(diào)節(jié)作用亞基β和γ亞基構(gòu)成。其中，α、β分別有兩種同源異構(gòu)體，為α1、α2、β1、β2，而γ有三種同源異構(gòu)體，為 γ1、γ2、γ3。其中，α1主要分布于腎、肝、肺、心臟和腦； α2主要分布在骨骼肌、心臟和肝臟；β1在肝臟高表達(dá)，在骨骼肌中低表達(dá)；而β2恰好相反。γ1、γ2廣泛分布于各組織細(xì)胞，γ3僅在骨骼肌中含量較高。

2 AMPK的激活

2.1 當(dāng)動(dòng)物機(jī)體在應(yīng)激、局部缺血、缺氧、運(yùn)動(dòng)以及滲透壓改變等情況下，體內(nèi)的能量狀況發(fā)生改變，此時(shí)，體內(nèi)AMP的濃度升高，AMP/ATP的比值上升，AMPK的活性就會(huì)升高，從而使細(xì)胞能量得到迅速恢復(fù)。

2.2 AICAR和AMPK的上游的AMPKK家族

2.2.1 AICAR（5-amino-4-imidazolecarboxamide-riboside，AICAR）即5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸，是一種目前研究中應(yīng)用較多、體外人為提供的的AMPK激活劑。AICAR是腺苷的類似物，它在細(xì)胞里轉(zhuǎn)換為環(huán)腺苷-磷酸衍生物5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-ribofuranosyl-5，-monophate（ZMP）。ZMP是AMP的類似物，具有激活A(yù)MPK的作用。

2.2.2 人體內(nèi)應(yīng)激產(chǎn)生的AMPK可能激活劑。AMPKK（The 5'-AMP-activated protein kinase kinase）是AMPK的上游激酶。LKB1和CaMKK是現(xiàn)在得到公認(rèn)的AMPK的有效激活劑，而CP也可能是AMPKK家族的成員。（圖1）

圖1 AMPK的結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)作用

AMPK是一種異源三聚體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，含有α、β和γ3種亞基，可以被上游激酶——CaMKK和LKB1磷酸化其Thr172亞基所激活。其中，CaMKK是因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)鈣離子濃度改變發(fā)揮作用，而LKB1激活是因?yàn)轶w內(nèi)AMP/ATP的濃度上升造成的。一般而言，AMPK是通過激活能量產(chǎn)生通路（例如，脂肪代謝和葡萄糖攝取）的同時(shí)，關(guān)閉能量消耗通路（例如，蛋白質(zhì)合成）這兩條途徑來調(diào)節(jié)能量平衡的。

LKB1，又叫STK11（serine/threonine protein kinase 11），是由lkb1基因編碼的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族的成員，是一種抑癌因子。當(dāng)機(jī)體遭受應(yīng)激導(dǎo)致能量消耗、體內(nèi)AMP的濃度上升時(shí)，LKB1可以磷酸化并激活A(yù)MPK，來緩解應(yīng)激，保護(hù)動(dòng)物機(jī)體。實(shí)驗(yàn)表明，在敲除LKB1基因的心肌中，AMPK2的活性顯著下降，而且缺氧或缺血處理后不能提高其活性；同時(shí)，AMPK下游底物ACC的磷酸化也顯著降低。這說明LKB1在AMPK活化中的不可缺少的地位，它是AMPKK家族的一員。

最近的研究證實(shí)了CaMKKα和β也很有可能也是一種AMPK的上游蛋白激酶。鈣離子的離子載體能夠在LKB-1缺失的細(xì)胞中激活A(yù)MPK。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子升高時(shí)，CaMKK便激活A(yù)MPK。但是，這個(gè)過程可能被CaMKK的干擾RNAs和STO-609所限制。和LKB-1的普遍表達(dá)不同的是，CaMKK α和β在大腦，特別是下丘腦中表達(dá)較高，而在周緣組織中的表達(dá)比較低。此外，和LKB1機(jī)制不同，CaMKK激活A(yù)MPK和AMP/ATP的比例沒有什么直接的關(guān)系。

除了以上兩種已得到公認(rèn)的上游激活劑，也有研究顯示磷酸肌酸（CP）也可能通過變構(gòu)像的方法來壓制AMPK的活動(dòng)。而當(dāng)劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，體內(nèi)的磷酸肌酸濃度迅速下降，而其對(duì)AMPK的壓制作用有所消除，AMPK的作用得以發(fā)揮。但是，最近又有學(xué)者提出，磷酸肌酸（CP）并不是直接影響AMPK的活動(dòng)，而是在運(yùn)動(dòng)中通過緩沖、保持肌肉內(nèi)ATP濃度、減少體內(nèi)AMP堆積的方法來完成對(duì)AMPK活動(dòng)的調(diào)節(jié)的。

3 AMPK在脂肪組織中的功能表現(xiàn)

3.1 與脂肪合成和甘油三酯合成

AMPK調(diào)節(jié)的第一種蛋白質(zhì)是acetyl-CoA carboxylase（ACC，乙酰輔酶A梭化酶）。ACC是脂肪生成的通路上的關(guān)鍵酶，它能夠催化acetyl-CoA（乙酰輔酶A）合成malonyl-CoA（丙二酸單酰輔酶A）。

已經(jīng)有好幾處資料都報(bào)道過，在脂肪細(xì)胞中，使用AICAR后，AMPK被激活，磷酸化ACC并使之失活，而且同時(shí)伴隨著脂肪生成率的降低。與此形成鮮明對(duì)比的是，在過度表達(dá)的負(fù)性相關(guān)形式的AMPK 脂肪細(xì)胞中，使用AICAR或異丙腎上腺素等后，AMPK對(duì)ACC的磷酸化的作用被并沒有表現(xiàn)出來。同樣，通過運(yùn)動(dòng)的方式激活在脂肪細(xì)胞中的AMPK后，也能夠使ACC活性的下降，malonyl-CoA的濃度降低，進(jìn)而使甘油三酯的合成的一種重要的酶——甘油?；D(zhuǎn)運(yùn)酶減少，最終降低了甘油三酯的合成。

綜上所述，脂肪組織中的AMPK的激活能夠減少脂肪和甘油三酯的合成。

3.2 與脂肪分解

脂肪組織的一項(xiàng)功能，是通過脂解的途徑分解甘油三酯，為外周組織提供脂肪酸和甘油作為能量。而胰島素，通過抑制激素敏感脂肪酶的活性，來控制脂肪組織中游離脂肪酸的釋放。

Ⅱ型糖尿病，一個(gè)主要的特征是脂肪的高循環(huán)率。至于它的發(fā)病原因，部分是因?yàn)橐葝u素失活，在脂肪組織中進(jìn)而脂解不受到限制所致。由脂肪細(xì)胞所釋放的游離脂肪酸增加，提高了脂肪的循環(huán)率，并且游離脂肪酸會(huì)和異位脂肪相結(jié)合造成堆積，因此在骨骼肌和肝臟中出現(xiàn)胰島素的分泌被β細(xì)胞破壞以及胰島素抵抗的現(xiàn)象。

有好多的資料都表明，AMPK有抑制脂解的作用。在大鼠脂肪細(xì)胞中AICAR激活后的AMPK能夠?qū)褂僧惐I上腺素所誘發(fā)的脂肪水解。而從另一個(gè)角度來看，AMPK失活后，脂肪細(xì)胞中的脂解會(huì)增加。AMPK在獨(dú)立的脂肪細(xì)胞中，抑制脂解，通過增加ACC的磷酸化被AICAR激活后。AMPK也顯示處在全身控制脂解的作用，在高脂飲食的條件下。當(dāng)大鼠的AMPKα2被敲除后，大鼠的體重和脂肪數(shù)量有明顯的增加。也證實(shí)了AMPK能促進(jìn)脂肪水解。

那AMPK是在脂肪組織中限制脂解的機(jī)制是怎樣的呢？最近，有兩種在脂肪組織中控制甘油三酯水解的限速酶被發(fā)現(xiàn)。

3.2.1 激素敏感脂肪酶（Hormone-sensitive lipase，HSL） HSL是一種脂解的限速酶，它能夠水解甘油三酯、甘油二酯和膽固醇酯，其中，在甘油二酯中的活動(dòng)最為活躍。脂解因子，例如，腎上腺素激活劑β（β-adrenergic agonists）能夠通過提高細(xì)胞內(nèi)AMP的濃度來快速調(diào)節(jié)HSL的活動(dòng)。因此，AMP通過蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）的活化，使HSL磷酸化，增加HSL的內(nèi)在活性并提高它在脂滴上的移位作用。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在脂肪細(xì)胞中，AMPK在Ser-565上增加對(duì)HSL的磷酸化，并清除了異丙腎上腺素導(dǎo)致的脂滴的轉(zhuǎn)位，為脂解發(fā)生掃清了障礙。

3.2.2 甘油三酯脂肪酶（triglyceridelipase,ATGL） 第二種脂解限速酶是在HSL敲除的大鼠實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)的。在這種HSL敲除的大鼠身上，脂肪組織的總數(shù)量減少，甘油二酯數(shù)量巨大，脂肪組織中的膽固醇酯水解活動(dòng)已經(jīng)察覺不到，但總的基礎(chǔ)脂解率保持正常。研究者認(rèn)為，這是甘油三酯脂肪酶（triglyceridelipase，ATGL）在起作用。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了ATGL對(duì)與甘油三酯水解的作用如同HSL對(duì)甘油二酯的水解作用一樣重要。

綜上所述，在體內(nèi)能量平衡受到破壞時(shí)，AMPK會(huì)被激活。而激活后的AMPK會(huì)限制脂肪酸和甘油三酯的合成，并限制脂肪水解。能量代謝紊亂是早期Ⅱ型糖尿病及肥胖的重要病因，因此，對(duì)AMPK的作用和信號(hào)通路做更多的了解，對(duì)Ⅱ型糖尿病和肥胖的防治具有重要的意義。

3.3 與脂肪氧化

被激活的AMPK在脂肪組織中，增加脂肪酸氧化。是通過兩種模式并行來實(shí)現(xiàn)的。

第一種模式中，線粒體解偶聯(lián)蛋白 1（uncoupling mitochondrial protein，UCP-1）在脂肪細(xì)胞中過度表達(dá)。UCP-1會(huì)促進(jìn)燃料分子（糖、脂肪、蛋白質(zhì)）的消耗，導(dǎo)致AMP/ATP的比值上升，激活A(yù)MPK，使ACC磷酸化并失活，因此減少脂肪合成。

ACC被激活的AMPK所磷酸化并失去活性，malonyl-CoA的濃度降低，減少對(duì)肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1（carnitine palmitoyltransferase I，CPT-1）的抑制作用。而CPT-1是脂肪酸進(jìn)入線粒體的限速酶，一個(gè)重要的“開關(guān)”。伴隨著malonyl-CoA的濃度降低，CPT-1“門戶大開”，致使更多的脂肪酸得以進(jìn)入線粒體中進(jìn)行氧化。

如圖2所示，Acetyl-CoA、MCA分別通過ACCβ和MCD的作用來進(jìn)行反應(yīng)，這是一個(gè)循環(huán)的過程。而AMPK能夠在促進(jìn)MCD作用的同時(shí)，磷酸化ACCβ并使之失活。這樣，MCA通過MCD的作用生成Acetyl-CoA不受AMPK作用的影響，而ACCβ因?yàn)槭Щ疃率筂CA生成減少。

CPT-I是脂肪酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)的重要限速酶。通常情況下，MCA對(duì)CPT-I是起著抑制的作用。而由上所知，MCA的生成減少，CPT-I受到的限制減小，因此，更多的脂肪酸被線粒體基質(zhì)攝取并氧化。

第二種模式，瘦素是一種細(xì)胞因子，它的數(shù)量與人體內(nèi)脂肪組織的數(shù)量成比例。它在下丘腦核群中發(fā)揮減少食物攝入的作用，并且生熱作用。此外，它還能提高體內(nèi)的胰島素敏感性。瘦素還在腦以外的地方，通過與AMPK的相關(guān)作用，來促進(jìn)肌肉和肝臟部位的脂肪酸氧化。而在脂肪組織有高瘦素表達(dá)的大鼠身上檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，他們的解偶聯(lián)蛋白1和2的表達(dá)都有所增加，AMPK激活，ACC被磷酸化而失活，進(jìn)而造成脂肪酸的攝取和氧化都增加。

作為“細(xì)胞能量調(diào)節(jié)器”，AMPK被激活后即，可磷酸化下游靶蛋白，關(guān)閉消耗ATP的合成代謝途徑，開啟產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑，依次保證體內(nèi)的能量平衡。而在脂肪細(xì)胞中，AMPK能夠抑制脂肪酸的合成和分解，促進(jìn)脂肪酸氧化。以上的這些作用，都能夠減少體內(nèi)的可利用脂肪酸的數(shù)量。而脂肪酸的大量存在是胰島素抵抗產(chǎn)生的重要原因。因此，AMPK在脂肪組織中激活，減少脂肪酸數(shù)量，對(duì)于胰島素抵抗、Ⅱ型糖尿病和肥胖的防治具有重要的意義。

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1674-151X（2011）12-039-03

投稿日期：2011-09-11

康青凌，在讀碩士研究生。研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。

10.3969/j.issn.1674-151x.2011.12.018