腺苷單磷酸激活蛋白激酶參與調(diào)控心臟能量代謝的研究進(jìn)展

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腺苷單磷酸激活蛋白激酶(AMPK)是絲氨酸-蘇氨酸激酶，作為代謝傳感器，在心臟分解與合成代謝通路中起著協(xié)調(diào)作用。活化的AMPK可激活能量產(chǎn)生途徑，減少能量消耗，恢復(fù)能量穩(wěn)態(tài)，有助于心肌細(xì)胞的健康和生存[1]。健康的成人心臟在機(jī)體內(nèi)相對(duì)其他器官具有更多的能量代謝需求，因此不斷產(chǎn)生的三磷酸腺苷(ATP)對(duì)于維持心臟功能是非常必要的。研究表明，當(dāng)氧氣充足時(shí)，線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生最大量的ATP(95%)。而在大多數(shù)情況下，心肌細(xì)胞使用約70%的ATP產(chǎn)生心臟收縮功能[2]，其余大部分ATP用于調(diào)節(jié)離子穩(wěn)態(tài)[3-4]。在正常生理?xiàng)l件下，大部分心肌ATP由外源底物的分解代謝產(chǎn)生，外源底物主要由來(lái)自線粒體脂肪酸氧化(FAO)產(chǎn)生的脂肪酸和葡萄糖分解產(chǎn)生的碳水化合物組成。對(duì)FAO以及葡萄糖分解代謝進(jìn)行有效和適當(dāng)?shù)墓芾?，?duì)于維護(hù)正常的心臟功能至關(guān)重要。因此，AMPK在調(diào)節(jié)心臟脂質(zhì)代謝，葡萄糖分解代謝中發(fā)揮重要作用。本文主要對(duì)AMPK的結(jié)構(gòu)、活化機(jī)制、參與心臟能量代謝做一綜述。

1 AMPK概述

1.1 AMPK的結(jié)構(gòu) AMPK是由催化亞基(α)和2個(gè)調(diào)節(jié)亞基(β和γ)組成的異源三聚蛋白[5-6]。每個(gè)亞基具有由不同基因編碼形成的兩個(gè)或三個(gè)同種型。心臟表達(dá)α1和α2，β1和β2，γ1和γ2同種型[7]。在α亞單位的2種同種型中，α1同種型在內(nèi)皮細(xì)胞中最豐富，而α2同種型在心肌細(xì)胞中更為主導(dǎo)[8]。α亞基具有負(fù)責(zé)AMPK活性的絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，其包括由上游激酶調(diào)節(jié)的重要活化位點(diǎn)Thr172，Thr172是AMPK活化的主要調(diào)節(jié)位點(diǎn)[9]。β亞基作為其他兩個(gè)亞基的支架。它具有糖原結(jié)合結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域之一的生理作用可能是糖原代謝的控制。最廣泛表達(dá)的γ同種型是γ1，幾乎身體內(nèi)的每種細(xì)胞類型和組織都表達(dá)了這種同種型[10]。γ2亞基在心臟、腦、胎盤(pán)和骨骼肌中表達(dá)，而γ3亞基存在骨骼肌中[11]。

1.2 AMPK的激活 AMPK的激活在很大程度上取決于細(xì)胞內(nèi)的能量水平，由ATP濃度間接決定的。更具體地說(shuō)，AMPK能夠“感知”細(xì)胞能量水平是由AMP與ATP的比例決定[12]。當(dāng)心臟利用ATP時(shí)，產(chǎn)生二磷酸腺苷(ADP)，該ADP最終可以轉(zhuǎn)換成腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)[13]。通常，細(xì)胞中的AMP或ADP濃度是比ATP低得多，ATP的小幅下降會(huì)大幅增加AMP濃度[14]。細(xì)胞中AMP的增加的水平與γ亞基結(jié)合，導(dǎo)致AMPK復(fù)合物的構(gòu)象變化，這導(dǎo)致Thr172上的α-亞基的磷酸化隨后激活A(yù)MPK。AMPK對(duì)能量狀態(tài)的變化非常敏感，即使在生理狀態(tài)下，AMPK也可能在細(xì)胞中不斷激活/失活，從而有助于維持細(xì)胞生存。

AMPK的活性主要由兩個(gè)上游激酶調(diào)節(jié)：鈣/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶β(CaMKKβ)和腫瘤抑制因子(LKB1)[15]。其中LKB1是心臟中AMPK的主要上游激酶[16]。LKB1缺乏減弱了包含α2同種型的全酶的AMPK活化，表明LKB1主要調(diào)節(jié)心臟中的α2同種型。此外，LKB1的過(guò)度表達(dá)促進(jìn)心肌細(xì)胞中的AMPK活化，抑制心肌細(xì)胞生長(zhǎng)[17]，而心肌細(xì)胞特異性缺失LKB1導(dǎo)致AMPK活化和心肌細(xì)胞肥大[18]。

CaMKKβ也在心肌細(xì)胞中表達(dá)，其在心臟中的作用尚未明了[19]。此外，研究表明轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β激活激酶1(TAK1)直接調(diào)節(jié)酵母中的AMPK活性[20]。然而，在心肌細(xì)胞中，TAK1調(diào)節(jié)LKB1活性而不直接磷酸化AMPK，因此可能不是心臟中真正的AMPK激酶，綜上這些發(fā)現(xiàn)，表明LKB1可能是心臟中最重要的AMPK激酶。

2 AMPK在心臟能量代謝中的作用

2.1 AMPK在調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝中的作用 研究表明，健康心臟所需要的50%～75% ATP是由脂肪酸氧化產(chǎn)生。用于產(chǎn)生ATP的大部分脂肪酸(FAs)通過(guò)促進(jìn)FA攝取的蛋白質(zhì)，如FA轉(zhuǎn)運(yùn)酶(CD36)，質(zhì)膜FA結(jié)合蛋白(FABPpm)和FA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(FATP)進(jìn)入心肌細(xì)胞。進(jìn)入心肌細(xì)胞后，長(zhǎng)鏈?；o酶A合成酶(ACSL)將FA酯化成長(zhǎng)鏈?；o酶A酯，長(zhǎng)鏈?；o酶A進(jìn)入三酰基甘油(TAG)池，或在線粒體中進(jìn)入β-氧化，最終產(chǎn)生ATP。從TAG池釋放或在攝取后的長(zhǎng)鏈?；?CoA，通過(guò)肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(CPT)1在外線粒體膜轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)鏈脂肪酰基肉堿后進(jìn)入線粒體基質(zhì)。進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，CPT2將長(zhǎng)鏈?；鈮A轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)鏈?；o酶A，然后將這些長(zhǎng)鏈?；o酶A進(jìn)入β-氧化產(chǎn)生乙酰輔酶A。乙酰輔酶A的氧化發(fā)生在三羧酸(TCA)循環(huán)中，產(chǎn)生NADH，F(xiàn)ADH2，進(jìn)而促使氧化磷酸化并隨后產(chǎn)生大量的ATP。由于健康的心臟在很大程度上依賴于FAO產(chǎn)生的ATP，所以心臟對(duì)FAs的攝取和利用，對(duì)于維持適當(dāng)收縮功能所需的足夠的ATP供應(yīng)至關(guān)重要。

AMPK激活可以誘導(dǎo)很多有助于增加脂質(zhì)代謝的途徑。二甲雙胍和5-氨基咪唑-4-甲酰胺1-β-D-呋喃核糖苷(AICAR)激活A(yù)MPK后，增加心臟內(nèi)皮脂蛋白脂肪酶(LPL)活性，增加的LPL可水解富含三?；视偷闹鞍滓栽黾有募〖?xì)胞的FA可用性。除了可以通過(guò)激活LPL向心肌細(xì)胞提供FAs外，AMPK還將FABPpm從細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移到心肌細(xì)胞的肌膜中，而這有助于FA進(jìn)入心肌細(xì)胞中。此外，由收縮引起的AMPK激活，通過(guò)增加在肌膜上定位的CD36的量并隨后通過(guò)CD36依賴性機(jī)制增加FA攝取來(lái)促進(jìn)心肌細(xì)胞中的FA吸收[21-23]。因此，AMPK的激活不僅增加了FA的可用性，而且促進(jìn)了心肌細(xì)胞對(duì)FA的攝取，表明了AMPK在控制FA可用性和利用性中的重要作用。

AMPK調(diào)節(jié)FAO的核心是AMPK磷酸化和抑制乙酰輔酶A羧化酶(ACC1/ACC2)的能力，可抑制乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為丙二酰輔酶A。由于丙二酰輔酶A可以通過(guò)抑制CPT1阻止FA進(jìn)入線粒體[24-25]，依賴于AMPK途徑可降低丙二酰輔酶A水平，進(jìn)而導(dǎo)致FA進(jìn)入線粒體的攝取增加[26]。雖然這種機(jī)制可能足以說(shuō)明AMPK介導(dǎo)心臟中FAO的調(diào)節(jié)，但最近的研究表明，AMPK對(duì)ACC的抑制對(duì)于控制心肌的FAO不是至關(guān)重要的。事實(shí)上，在沒(méi)有這種信號(hào)傳導(dǎo)途徑的情況下，與AMPK無(wú)關(guān)的代謝調(diào)整可以維持脂肪酸氧化率，從而表明脂肪酸氧化的額外監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以補(bǔ)償FAO對(duì)AMPK控制的損失。

2.2 AMPK在調(diào)節(jié)葡萄糖分解代謝中的作用 葡萄糖主要通過(guò)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)1和GLUT 4進(jìn)入心肌細(xì)胞。進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后，葡萄糖經(jīng)歷磷酸化以產(chǎn)生葡萄糖6-磷酸，其進(jìn)入糖原儲(chǔ)存池或者針對(duì)糖酵解以進(jìn)行分解代謝。心臟中存在一個(gè)小的糖原池(約30 μmol/g)，糖原轉(zhuǎn)換率較高，糖原供應(yīng)的葡萄糖6-磷酸產(chǎn)生約40%ATP。不管葡萄糖是作為糖原還是直接分解代謝，葡萄糖6-磷酸的糖酵解分解代謝產(chǎn)生丙酮酸，NADH和少量的ATP。由糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸可能進(jìn)入線粒體進(jìn)行氧化或在細(xì)胞溶質(zhì)中轉(zhuǎn)化為乳酸鹽[27]。對(duì)于前者，線粒體局部丙酮酸脫氫酶(PDH)復(fù)合物將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，可用于TCA循環(huán)中以最終產(chǎn)生ATP。雖然糖酵解和/或糖原儲(chǔ)存是心肌細(xì)胞中葡萄糖的主要來(lái)源，但葡萄糖-6-磷酸也可以進(jìn)入戊糖磷酸途徑(PPP)或己糖胺生物合成途徑(HBP)。PPP通過(guò)葡萄糖6-磷酸脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶產(chǎn)生NADPH。HBP作為代謝傳感器，調(diào)節(jié)葡萄糖，乙酰輔酶A和谷氨酰胺代謝狀態(tài)。因此，盡管PPP和HBP在葡萄糖分解代謝方面發(fā)揮了較小的作用，仍然是心肌細(xì)胞能量代謝的重要調(diào)節(jié)因子。

除FAO可以產(chǎn)生能量外，葡萄糖代謝也有助于心臟中的ATP產(chǎn)生。正如對(duì)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)的激酶所預(yù)期的那樣，AMPK還調(diào)節(jié)了許多有助于心臟中的葡萄糖代謝的途徑。例如，在心肌細(xì)胞能量消耗的時(shí)期，AMPK的激活促進(jìn)GLUT4向心肌細(xì)胞肌膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，以增加葡萄糖攝取。此外，AMPK還可以抑制心肌細(xì)胞中GLUT4的內(nèi)化，從而增加肌膜GLUT4含量，促進(jìn)隨后的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)。AMPK涉及Akt底物，160 kDa(AS160)- G蛋白R(shí)ab的GAP，蛋白激酶C(PKC)，內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)和p38絲裂原活化蛋白激酶/轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β-激活蛋白激酶1結(jié)合蛋白復(fù)合物(TAB)1的磷酸化和活化，所有這些似乎都起到了抑制心肌細(xì)胞中GLUT4活化的作用。

AMPK除調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)外，還參與控制糖酵解和糖原合成來(lái)調(diào)節(jié)葡萄糖代謝。在進(jìn)入心肌細(xì)胞后，葡萄糖經(jīng)歷磷酸化以產(chǎn)生葡萄糖6-磷酸，其進(jìn)入糖原儲(chǔ)存池或被引導(dǎo)到不同途徑，例如糖酵解或戊糖磷酸途徑。對(duì)于糖酵解，AMPK活化促進(jìn)通過(guò)磷酸化和磷酸果糖激酶2(PFK2)的激活間接地從葡萄糖-6-磷酸合成丙酮酸，其將果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為果糖-2，6-二磷酸酯。增加的果糖-2，6-二磷酸酯是PFK1的活化劑，并且PFK1將果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為果糖-1，6-二磷酸酯，這是糖酵解調(diào)節(jié)的關(guān)鍵步驟。AMPK通過(guò)對(duì)PFK2的調(diào)節(jié)，間接激活PFK1，通過(guò)這種機(jī)制有助于增加PFK1 糖酵解速率。

ATP足量產(chǎn)生的時(shí)候，過(guò)量的葡萄糖-6-磷酸不進(jìn)入糖酵解途徑被用于合成糖原[28]，進(jìn)入糖原池以進(jìn)行儲(chǔ)存。糖原合成酶(GS)和糖原磷酸化酶(GP)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)糖原水平。許多激酶如糖原合酶激酶-3(GSK-3)、酪蛋白激酶Ⅱ、酪蛋白激酶Ⅰ、磷酸化酶激酶和PKA可以調(diào)節(jié)GS活性，最近的研究表明AMPK也可以抑制骨骼肌細(xì)胞中的GS活性。此外，AMPK通過(guò)激活骨骼肌中的GP活性來(lái)刺激糖原動(dòng)員。因此，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP水平降低并且AMPK被激活時(shí)，糖原合成被阻止并且使糖原轉(zhuǎn)化回葡萄糖。

研究表明AMPKα2蛋白在糖原水平的調(diào)控中起著重要的作用。事實(shí)上，盡管AMPKα1存在活性，在基礎(chǔ)條件下敲除小鼠心臟中的AMPKα2降低了糖原水平。然而，敲除小鼠的心臟LKB1蛋白顯示AMPKα2活性顯著降低。這些研究表明AMPKα2蛋白對(duì)調(diào)節(jié)心臟糖原水平很重要。AMPK活性，對(duì)調(diào)節(jié)心臟糖原水平很重要。然而，盡管事實(shí)上AMPK似乎在調(diào)節(jié)心臟糖原水平方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但沒(méi)有明確的證據(jù)表明，AMPK通過(guò)與骨骼中所描述的相同的信號(hào)通路調(diào)控心臟糖原水平肌肉(即GS和GP)。

3 小 結(jié)

AMPK作為一種能量調(diào)控器，對(duì)心臟尤其是當(dāng)心臟面臨缺血性損傷對(duì)能量需求顯著增加的時(shí)候具有重要作用?；罨?AMPK能夠增加葡萄糖攝取和糖酵解，加速脂肪酸氧化增加心肌組織的能量供應(yīng)，并能抑制心肌細(xì)胞凋亡來(lái)保護(hù)心肌組織。除了通過(guò)調(diào)節(jié)代謝量維持心肌細(xì)胞能量的平衡外，心臟中的AMPK信號(hào)也協(xié)調(diào)了包括蛋白質(zhì)合成和轉(zhuǎn)換，細(xì)胞器周轉(zhuǎn)，翻譯后乙?；允?，凋亡，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的各種細(xì)胞過(guò)程。因此，盡管AMPK激動(dòng)劑具有促進(jìn)心肌細(xì)胞健康和生存的潛力，但由于AMPK在心肌細(xì)胞中發(fā)揮作用的不確定性，我們應(yīng)該慎重地開(kāi)發(fā)AMPK激活劑。

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