AMPK對宰后畜禽肌肉能量代謝的調(diào)節(jié)作用

陳鵬，孟麗

（北京英惠爾生物技術(shù)有限公司，北京 100081）

AMPK對宰后畜禽肌肉能量代謝的調(diào)節(jié)作用

陳鵬，孟麗

（北京英惠爾生物技術(shù)有限公司，北京 100081）

肉品質(zhì)各性狀的形成很大程度上受宰后肌肉pH的下降速度和程度所控制，異常的終末pH和宰后肌肉的高溫環(huán)境的雙重影響致使肌漿和肌紅蛋白變性，導(dǎo)致肌肉顏色變白，持水能力下降。pH的下降與屠宰時刻肌肉能量有效性和需要量緊密相關(guān)。宰后肌肉通過糖原分解和糖酵解途徑提供ATP滿足能量需要，產(chǎn)物乳酸和H+的生成降低了pH。因此糖酵解途徑的中間產(chǎn)物、調(diào)節(jié)糖酵解活性的能量信號途徑和不同肌纖維的內(nèi)在代謝方式都是影響肌肉pH和肉質(zhì)的關(guān)鍵因素。近幾年研究表明，AMP激活的蛋白激酶（AMPK）也參與了宰后肌肉能量代謝途徑。文章綜述了AMPK的結(jié)構(gòu)特點和對物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)作用，重點講述了AMPK調(diào)節(jié)宰后肌肉糖酵解代謝，提高pH和肉質(zhì)的可能性，以及利用硫辛酸通過改變AMPK活性提高肉品質(zhì)的應(yīng)用。

蛋白激酶；肌肉；能量代謝；硫辛酸

糖酵解途徑是畜禽宰后肌肉組織生化代謝的關(guān)鍵代謝途徑之一。大量的研究數(shù)據(jù)表明，快速和過度的宰后糖酵解是造成PSE豬肉的主要原因，家禽宰后的總體糖酵解速度更是豬肉的3倍[1]。無氧糖酵解能夠引起乳酸堆積，進(jìn)而導(dǎo)致pH的快速下降，這一生化過程成為公認(rèn)的嚴(yán)重影響畜禽肉質(zhì)量的原因。

AMPK是一種能在細(xì)胞能量消耗時，被腺苷一磷酸（AMP）激活，廣泛存在于真核動物中，在進(jìn)化中高度保守的氨酸或蘇氨酸蛋白激酶。作為一種關(guān)鍵的代謝和應(yīng)激傳感器或效應(yīng)器，AMPK在營養(yǎng)匱乏，劇烈運動，或熱休克條件下被激活。激活的AMPK下游作用效果取決于很多因素，包括應(yīng)激原的強弱和所觀察的組織[2]。

1 AMPK的結(jié)構(gòu)和活性調(diào)節(jié)

1.1 AMPK分子結(jié)構(gòu)特點

AMPK分子是由α、β和γ亞基組成的異源三聚體。α亞基為催化亞基，β和γ為調(diào)節(jié)亞基。α、β、γ亞基存在不同的亞型，α1和α2，β1和β2，γ1、γ2和γ3。各亞基的組織分布不同，α1廣泛分布于全身各組織中，主要位于細(xì)胞質(zhì)中；α2主要分布在骨骼肌、心臟和肝臟中，且大部分位于細(xì)胞核內(nèi)；β1具有廣泛的組織分布性；而β2主要分布在骨骼肌、心臟和胰腺中。γ1和γ2分布較廣，而γ3只特異性地在骨骼肌中表達(dá)。α亞基是AMPK發(fā)揮活性所必需的，β和γ亞基調(diào)節(jié)AMPK活性，保證其發(fā)揮最大活性。α亞基中的數(shù)個位點（蘇氨酸172、蘇氨酸258、絲氨酸485等）均可被磷酸化，其中蘇氨酸172位點（Thr172）的磷酸化是AMPK的活化所必需的。因此，無論是α、β、γ形成的AMPK復(fù)合物，還是單獨的α激酶結(jié)構(gòu)域，都需要α亞基Thr172的磷酸化才具有活性。

1.2 AMPK的活性調(diào)節(jié)

各種生理變化和病理應(yīng)激通過增加ATP消耗或者減少ATP產(chǎn)量改變了細(xì)胞AMP/ATP比例，AMPK作為應(yīng)答被激活?；罨腁MPK將細(xì)胞由合成代謝轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸獯x，關(guān)閉了ATP消耗途徑，開始了ATP合成途徑，進(jìn)而恢復(fù)能量的平衡狀態(tài)。除了應(yīng)答代謝應(yīng)激，AMPK還可以被上游AMPK激酶（AMPKK）所激活，包括LKB-1，CA2+/ calmodulin依賴蛋白激酶激酶（CaMKK）。AMPK還可以被各種藥物和化合物所激活，例如5-氨基-4-咪唑羧基酰胺核苷（AICAR），腎上腺素能藥，異丙腎上腺，抗糖尿病藥物（二甲雙胍、羅西格列酮、和來普汀）。研究表明，這些化合物通過較小程度減弱ATP合成間接激活A(yù)MPK。激活主要有兩種途徑，通過AMP途徑和不依賴AMP的途徑。

2 AMPK活性對宰后肌肉糖酵解途徑的影響

AMPK的活化對物質(zhì)代謝的影響是多方面的，概括為在脂肪代謝方面，AMPK可抑制甘油二酯和甘油三酯的合成，抑制脂肪酸和固醇的合成，可促進(jìn)脂肪酸的β-氧化；在碳水化合物代謝方面，AMPK可促進(jìn)肌細(xì)胞對葡萄糖吸收，抑制糖異生、糖原合成和糖酵解。

2.1 AMPK調(diào)節(jié)糖酵解的生化機理

越來越多的研究認(rèn)為AMPK的活性變化不僅標(biāo)志著正常代謝的能量變化，而且也感受和反饋細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)，包括局部缺血。體內(nèi)試驗表明，AMPK在缺血的心肌和骨骼肌中被激活[3-4]。AMPK在缺氧應(yīng)激時同樣可以提高骨骼肌中AMPK的活性[5]。類似的，當(dāng)畜禽被屠宰時，所有的肌纖維都變成低氧缺血狀態(tài)，宰后的肌肉能量代謝轉(zhuǎn)為無氧糖酵解，AMP/ATP的比例快速增加。AMP結(jié)合到AMPK使其成為其上游激酶AMPK激酶（AMP?KK）的良好底物。

活化的AMPK通過兩種方式影響糖酵解。AMPK能夠激活磷酸化酶激酶，激活的磷酸化酶激酶再激活糖原磷酸化酶，加強糖原分解；AMPK能夠磷酸化磷酸果糖激酶（PFK-2），該酶催化形成果糖2，6-二磷酸。果糖2，6-二磷酸是糖酵解的限速酶PFK-1的變構(gòu)激活劑[2,6]。因此，AMPK激活間接的增加了糖酵解的進(jìn)程，使其成為調(diào)節(jié)肉質(zhì)的關(guān)鍵控制點。因此，AMPK在調(diào)節(jié)宰后肌肉糖酵解過程中扮演著重要的作用。

2.2 AMPK活性對肉質(zhì)性狀的影響

AMPKγ3的突變提高了豬肉糖原含量70%，降低了終末pH和持水力，首次證明了AMPK能夠控制宰后糖酵解代謝[7]。之后很多試驗圍繞AMPK在宰后糖酵解的作用展開。在小鼠試驗中，飼喂AMPK的特異激活劑AICAR，或者誘導(dǎo)小鼠運動都提高了AMPK活性，并且降低了宰后肌肉的終末pH。相反AMPK基因敲除的小鼠無論是否受到運動應(yīng)激都會有較高的終末pH[8]。宰前應(yīng)激通過激活糖原磷酸化酶顯著加速了糖原分解，AMPK在維持宰后肌肉在糖原分解和糖酵解途徑中起了重要作用。但是AMPK的激活無法完全解釋由應(yīng)激引起的早期糖酵解。

進(jìn)一步研究結(jié)果表明，是宰前應(yīng)激激活的β-腎上腺素受體通路激活了糖原磷酸化酶，導(dǎo)致了宰后早期短暫的快速糖酵解，同樣表明，激活A(yù)MPK能維持糖原磷酸化酶和丙酮酸激酶的活性，引起持久的糖酵解和較低的終末pH[9]。這些數(shù)據(jù)反映出的AMPK的變化趨勢表明小鼠骨骼肌宰后代謝的增加是部分由宰前AMPK磷酸化狀態(tài)控制的。為了消除活體AMPK激活對宰后代謝的影響，給小鼠腹下注射compound C（AMPK特異抑制劑），和前面的試驗結(jié)果相同，宰后糖酵解和pH的下降都被抑制[10]。結(jié)果表明，由運動、應(yīng)激和藥物激活的AMPK能夠影響早期宰后pH的下降速度和程度，因此可以成為控制肉質(zhì)的分子調(diào)控點。

在豬的試驗中，把宰前運輸作為應(yīng)激原，檢測AMPK活性和豬肉的宰后能量代謝狀況，和小鼠的試驗結(jié)果不完全相同，受運輸應(yīng)激影響，豬肉的AMPK活性在宰后最早期就最先達(dá)到最高水平，同時（AMP+IMP）/ATP比例也顯著增高[10]。和AMPK變化一致的是PFK-2的活性。糖原磷酸化酶可能由于宰后早期階段豬肉較高的溫度和較低的pH而失活。和宰后小鼠肌肉pH相比，宰后豬肌肉的pH很低，另外豬肉較大的體積也限制了熱量的散發(fā)。這兩個原因?qū)е铝颂窃姿峄傅氖Щ睢?/p>

瘦肉型豬種氟烷基因（HAL）的攜帶頻率較高，該基因是影響肉品質(zhì)性狀的一個主效基因。HAL突變豬和正常豬相比，宰后肌肉糖原代謝速度很快，早期乳酸快速堆積，易受應(yīng)激或產(chǎn)生PSE肉。Shen等研究了宰前早期AMPK激活和PSE豬肉的關(guān)系，結(jié)果表明，HAL豬肉的快速糖酵解部分也是由于宰前早期AMPK的激活[10]。盡管AMPK可以因AMP/ATP的增加而激活，但是在此試驗中宰后早期的AMP/ATP在PSE豬肉和正常豬肉中差別不顯著，而（AMP+IMP）/ATP變化和AMPK的變化一致。宰后肌肉中的AMP轉(zhuǎn)化為IMP，二者之和才能反映宰后肌肉AMP的總量，一致表明了是細(xì)胞AMP水平的增高激活了AMPK。然而在宰后0和0.5 h，盡管AMPK都被激活，但是（AMP+IMP）/ ATP和AMP/ATP都沒有差別，暗示還有其他的機制導(dǎo)致AMPK的早期激活。在一些心臟局部缺血的試驗中，盡管AMP/ATP沒有變化，AMPK也仍然被激活。最近的研究表明，CaMKK是一種AMPK上游的激活劑，在AMP/ATP沒有變化的情況下，也可以激活A(yù)MPK。

在反芻動物試驗中，研究宰后羊肉AMPK的活化程度對糖酵解的影響，進(jìn)而對肉質(zhì)的影響。結(jié)果表明，宰后羊肉的保存溫度越高，AMPK越容易被激活，肉的糖酵解和成熟速度越快，且同齡羊的不同部位肌肉中AMPK活性和糖酵解也存在差異，運動量大的部位AMPK活性高，糖酵解速度快[12-13]。

3 硫辛酸對糖酵解的調(diào)節(jié)作用

3.1 硫辛酸的生物學(xué)功能

α-硫辛酸（LA），化學(xué)名為1，2-二硫戊環(huán)-3-戊酸，分子式是C8H14O2S2，相對分子質(zhì)量為206.33，由Lester Reed等在1951年分離并確認(rèn)了其分子結(jié)構(gòu)。存在R-和S-兩種構(gòu)型，在生物體中只有R-是必需的。由于LA是能量代謝中輔酶和細(xì)胞氧化狀態(tài)的調(diào)節(jié)因子，在能量代謝和氧化還原反應(yīng)中起到重要的作用。LA在不同組織的多樣性作用可以歸納為抗氧化作用、金屬螯合、參與免疫和Ⅱ階段酶誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，細(xì)胞信號反饋，尤其在對心血管和葡萄糖代謝中起重要作用[13]。

3.2 硫辛酸對AMPK的影響

硫辛酸對AMPK的作用位置可以是外周組織還可以是下丘腦，有研究表明，硫辛酸可以通過抑制下丘腦AMPK的活性發(fā)揮抗糖尿病的作用，通過激活骨骼肌AMPK提高胰島素的敏感性而降低血糖[3,14]。

Shen等研究了對小鼠宰后肌肉AMPK的影響，試驗結(jié)果表明，在宰后0 h，LA組小鼠肌肉的AMPK的活性要高于對照組，然而宰后1 h和24 h，對照組小鼠肌肉AMPK的被大幅度激活，且高于硫辛酸組小鼠AMPK的活性[10]。LA下調(diào)宰后肌肉的AMPK的機制還不清楚，但是可能和反饋抑制有關(guān)。反饋抑制在細(xì)胞通路中是很常見的機制。AMPK對能量代謝有中心調(diào)控作用，LA誘導(dǎo)的體內(nèi)AMPK活化提高了分解代謝，抑制了合成代謝，然而這一過程如果不及時的調(diào)整，對機體是有害的。這時AMPK的反饋抑制作用防止AMPK的過度激活。這種反饋抑制可能減弱了宰后AMPK的活化，因此，降低了宰后肌肉的AMPK活性。

3.3 硫辛酸對肉質(zhì)的影響

在屠宰前5 d開始每天添加LA 600 mg，顯著提高了豬背最長肌45 min pH，同時也降低了肌肉的滴水損失[15]。研究表明，LA組小鼠宰后肌肉的pH顯著高于對照組，這與其AMPK活性的變化相關(guān)性很大，pH越高，AMPK活性越低。LA抑制了宰后AMPK活性，下調(diào)了糖原磷酸化酶的活性，抑制了宰后肌肉糖酵解[9,11]。也有研究表明，LA通過其氧化活性和線粒體的解耦聯(lián)抑制小鼠比目魚肌的糖原合成[16]。

4 結(jié)論

AMPK途徑不僅存在于哺乳動物中，也存在于雞的各組織中，并和哺乳動物具有同樣的特點[17]。Sibut認(rèn)為雞肉中AMPK蛋白激酶也可以作為調(diào)控宰后肌肉代謝和肉質(zhì)的關(guān)鍵點[18]。因此，日糧中添加硫辛酸提高了肉仔雞宰后胸肌和腿肌的24 h pH，抑制了AMPK的活性，降低了糖酵解過程中關(guān)鍵酶的活性[19-20]。

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The Effects of AMPK on the Energy Metabolism of Postmortem Muscle for Meat Animals

CHEN Peng,MENG Li
（Beijing Enhalor Biotechnology Co.,Ltd.,Beijing 100081,China）

The development of various indexes of meat quality was to a large extent affected by the rate and de?gree of pH declining after the meat animals slaughtered.For example,the dual effect of abnormal ending pH and the high temperature of postmortem muscle leaded to meat color changing from red to white due to the structure change of myoplasm and myoglobin.The ATP need of postmortem muscleis provided by glycogenolysis and glycolysis,in these two processes of which lactic acid and H+are produced with pH declining.Therefore,the key factors of affecting the meat quality included the intermediate products of glycolysis,the signal pathways of energy for regulating glycolysis activity and metabolic ways to different muscle type.In recent years,adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase(AMPK)has been found involving in the energy metabolism of postmortem muscle.This paper reviewed the structure characteristics and its regulating role in energy metabolism.And it was also explored that the possibility of application of liopic acid to improve meat quality through regulating AMPK activity to increase the pH value of post?mortem muscle.

AMPK;muscle;energy metabolism;lipoic acid

Q55；S814

A

1001-0084（2017）03-0010-04

2017-02-03

陳鵬（1983-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，主要從事生物飼料和添加劑的研究。