AMPK对动物营养物质代谢调控的研究进展

吉林农业大学动物科学技术学院 徐 晶 娄玉杰＊

吉林农业大学图书馆 张桂山

一磷酸腺苷蛋白激酶（AMPK）广泛存在于真核细胞中，一旦被激活，即可磷酸化下游靶蛋白，关闭消耗腺苷三磷酸（ATP）的合成代谢途径，开启产生ATP的分解代谢途径，这为调控动物营养物质代谢提供了新思路。

1AMPK的生化特点

1.1 AMPK的结构 AMPK分子是由α、β、γ三个亚基组成的三聚体，属于Serine/Threonine激酶家庭的一员。α为催化亚基，β、γ为调节亚基。α亚基有一个N端激酶催化区和一个C端调节区，β亚基主要起支架作用。α、γ亚基分别在β亚基的 KIS（Kinase interaction Sequence）和 ASC（Association with SNFI）区被固定。γ亚基有四个CBS（Cystothionine βsynthase）串联重复区，这些区可能参与5’AMP在AMPK激酶的结合（Davies and Hardie 1989）。

1.2 AMPK的分布 AMPK在体内分布很广，心脏、肝脏、十二指肠、骨骼肌中均可检测到AMPK。AMPK各亚基的组织分布不同。研究发现，α亚基存在两种同工型：αl和 α2。 α1和 α2在动物体内的分布具有组织特异性，其中α1分布很广，而α2主要存在于肝脏、骨骼肌和心肌 。β亚基存在两种同工型： βl和 β2。βl主要存在于肝脏中，占大鼠肝脏总AMPK活性的95%，β2大量表达于骨骼肌和心肌中。γ 亚基存在三种同工型： γl、γ2和 γ3。其中γ1和γ2分布较广，而γ3主要在骨骼肌中表达（Adams等，2004）。AMPK在不同细胞中以不同亚型的复合体存在，推测可能与其下游靶蛋白的选择有关。

1.3 AMPK活性调节 在动物休内，AMPK的活性受机体能量状况的调节。当体内能量被耗竭，细胞内腺苷三磷酸ATP水平降低、AMP增加时，AMPK的活性就升高。研究表明，AMP是AMPK的特异性激活剂。在体内许多因素，如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饥饿、电刺激、热休克，以及一氧化氮、三羧酸循环或氧化磷酸化的抑制剂均导致AMP/ATP比值显著增高，使AMP/ATP系统激活。研究表明，AMPK活化后，其作用主要是通过迅速调节一系列作用底物（包括 HMGR、ACC、HSL、糖原合成酶等）的活性从而改变脂肪和碳水化合物代谢来实现的 （周亮和申伟华，2008；秦玉辉，2003）。

2 AMPK对动物营养代谢的调控

2.1 AMPK对脂质代谢的调节

2.1.1 磷酸化HMGR，抑制固醇合成 β一羟基-β-甲基一戊二酸单酰辅酶A还原酶 （HMGR）是固醇合成的关键调节酶，也是AMPK的重要底物（Gillespie等，1992）。 AMPK 的活化使 HMGR 被磷酸化而失去活性，从而抑制固醇的合成。

2.1.2 磷酸化ACC-α和ACC-β促进脂肪酸的氧化，抑制脂肪酸的合成 在哺乳动物体内ACC（乙酰CoA羧化酶）以两种同工型存在，即ACC-α和ACC-β。ACC-α是脂肪酸合成的关键酶，而ACC-β催化生成的丙二酸单酰辅酶A主要参与脂肪酸氧化调节（宋庆文，2007）。AMPK的活化使肝脏ACC活性和丙二酸单酰辅酶A含量显著降低，进而促进脂肪酸的氧化，抑制脂肪酸合成。另外，AMPK活化后还能磷酸化丙二酸单酰辅酶A脱羧酶及细胞骨架成分，促进脂肪酸氧化。

2.1.3 磷酸化甘油磷酸酰基转移酶（GPAT），抑制脂肪的合成 GPAT是脂肪酸酰基化的关键酶。研究发现AMPK活化后可直接磷酸化GPAT，降低其活性进而抑制甘油二酯和甘油三酯的合成（Hardie，1992）。Muoio 等（1999）提出，当细胞 ATP水平降低甚至耗竭时，AMPK介导线粒体GPAI失活，不仅是为了抑制脂肪合成代谢以保存能量，而且还通过降低GPAI与肉碱酰基转移酶I竞争底物酞基辅酶A的能力，进而促进脂肪酸进入线粒体参与氧化分解提供能量。

2.1.4 磷酸化激素敏感脂酶，调节脂肪的水解速率 激素敏感脂酶（HSL）也是较早发现的AMPK作用底物之一，在脂肪动员中起决定性作用，是脂肪分解的限速酶。AMPK通过对HSL的磷酸化而抑制脂肪降解。AMPK使HSL的Ser565位点磷酸化后， 抑制 cAMP依赖蛋白激酶 （PKA）对HSLSer563位点的作用 （该位点被PKA磷酸化后，活性显著提高），进而抑制脂肪降解（Gillespie和Hardie，1992）。脂肪降解率的降低有利于保证降解速率不超过游离脂肪酸被利用的速率，减少脂肪酸重新合成脂肪对ATP的消耗。

2.1.5 调节基因表达，调控脂质代谢 AMPK活化后主要通过抑制基因转录和降低脂肪酸合成酶mRNA的半衰期发挥作用，但具体机制尚不清楚。

Yu（2003）研究结果显示，AMPK能直接磷酸化肝细胞核因子4a（HNF-4a），引起双重效应：一方面，降低HNF-4a形成同源一聚体以及结合DNA的能力；另一方面，促进HNF-4a在体内的降解，这将导致HNF-4a的转录活性降低。除这些转录因子以外，受AMPK调控的因子还很多，如：肌肉增强子-2转录因子、糖反应元件结合蛋白以及增强子激活的受体γ共激活因子la等。可见，AMPK在机体能量代谢中，不管是在宏观水平上，还是在微观分子水平上都发挥着重要的生理调控作用。

2.2 AMPK对碳水化合物代谢的调节 Carling（1989）研究表明，AMPK活化除通过改变细胞脂质代谢方向，以提供细胞所需能量外，同时还对碳水化合物代谢产生影响，进而使机体能量代谢朝着增加能源供应方向进行。

Merrill等（1997）首次发现 AMPK活化可促进肌肉对葡萄糖的吸收。Habinowsi（2001）研究表明，运动、电刺激肌肉以及用AlCAR活化等都会导致大鼠骨骼肌AMPK活性的增加，进而促进肌肉细胞对葡萄糖的吸收。

AMPK激活还能减少糖异生酶（如，1，6一二磷酸果糖磷酸酶、烯醇化酶）的表达，从而抑制糖异生。体外试验发现，糖原合成酶也是AMPK的作用底物之一，AMPK激活后磷酸化糖原合成酶，抑制糖原合成（Carling和 Hardie，1989）。

AMPK的激活引起磷酸果糖-2-激酶磷酸化，后者是糖酵解的限速酶，刺激2，6-二磷酸果糖产生，从而促进糖酵解，糖酵解是动物宰后肌肉pH下降的主要原因，而pH值下降决定了肉质的优劣（杨航，2009；Warriss 等，1989）。

2.3 AMPK对蛋白质的调节 AMPK在调节蛋白质代谢中的作用研究还比较薄弱。初步的研究表明，AMPK活化可以抑制蛋白质的合成从而降低细胞能量的消耗。Kimura等（2003）研究表明，AMPK和（哺乳动物的雷帕霉素靶体mTOR）信号通路相关联，AMPK激活后可能通过抑制mTOR及其效应器从而抑制蛋白质的合成，减少ATP的损耗。

3 在动物生产上的作用

在现代养殖生产中，畜禽时常遭受着各种不同性质和强度应激原的刺激，而表现出采食量下降、生产性能降低、发生代谢性疾病甚至死亡等共同的应激症状。从营养角度看，应激必然影响营养代谢，一切应激症状均是营养代谢过程或代谢效率改变的结果，但应激如何影响营养代谢，如何通过营养管理来克服或缓减应激的不良影响，目前知之甚少。如果研究证明AMPK与某些应激或营养代谢紊乱的调节有关，则可通过调控AMPK的活性来克服或缓解其危害，这对提高动物生产水平和效率具有重要意义。

余冰（2003）研究发现，当仔猪遭受热应激及营养应激时，AMPK被活化，进而通过调节应激仔猪的脂质代谢，促进产能的脂质氧化分解，抑制耗能的脂质合成代谢，为机体提供能量。陈小春（2006）研究表明，AMPK可调节产蛋鸡胆固醇代谢。李宁川（2007）研究表明，日本大耳兔和SD大鼠都发现编码AMPKα和γ亚基基因存在有单核苷酸多态性。且突变基因型与肌内脂肪含量呈显著相关。Philp等（2008）研究表明，母源营养过多抑制AMPK在肝中的磷酸化，但并不抑制骨骼肌中AMPK磷酸化。李泽和靳烨（2010）研究表明，AMPK能够调节宰后肌肉的糖酵解，进而影响到肉质的优劣。

4 小结

可见，AMPK在动物营养物质代谢中扮演着非常重要的角色。进一步研究AMPK的分子功能和其上游激酶以及其所在细胞通路并加以利用必将为探索生命的本质提供帮助。随着研究的深入，AMPK的调控机制必将会被阐明，并且AMPK更多的功能也会被揭示，这对于提高动物生产速率、实现最优化营养调控提供了充分的理论依据、研究思路和试验技术。

[1]周亮，申伟华.AMP激活的蛋白激酶研究新进展[J].北京体育大学学报，2008，31（6）：805 ～ 807.

[2]陈晓春.AMPK对产蛋鸡胆固醇代谢的调节作用：[博士学位论文][D].雅安：四川农业大学，2006.

[3]宋庆文.动物脂肪代谢过程中关键酶的研究进展[J].畜牧与饲料科学，2007，3：58 ～ 60.

[4]秦玉辉.蛋鸡体内AMPK酶活分布及应激对AMPK酶活影响研究：[硕士学位论文][D].雅安：四川农业大学，2003.

[5]李宁川.兔及大鼠AMPK基因多态性及骨骼肌基因表达差异的研究：[硕士学位论文][D].扬州：扬州大学，2007.

[6]李泽，靳烨.AMP激活的蛋白激酶及其对肉类生产的意义[J].食品与生物技术学报，2010，29（1）：9 ～ 13.

[7]余冰.AMPK对应激状态下仔猪脂质代谢的调节作用：[博士学位论文][D].雅安：四川农业大学，2003.

[8]杨航，杨吉春，管又飞.AMPK在机体糖脂代谢中的作用[J].生理科学进展，2009，40（3）： 249 ～ 252.

[9]Adams J，Chen Z P，Van Denderen，et al.Intrasteric control of AMPK via the γ1 subunit AMP allosteric regulatory site[J].Protein Sci，2004，13，155 ～165.

[10]Carling D，Hardie D G.The substrate and sequence specificity of the AMP-activated protein kinase PHospHorylation of glycogen synthase and phosphorylase kinase[J].Biochim Biophys Acta，1989，1012：81 ～ 86.

[11]Carling D，Clarke P R，Zammit V A，et al.Purification and characterization of the AMP-activated protein kinase[J].Eur J Biochem，1989，186：129 ～136.

[12]Davies S P，Carling D，Hardie D G.Tissue distribution of the AMP-activated protein kinase，and lack of activation by cyclic-AMP-dependent protein kinase，studied using a specific and sensitive peptide assay[J].EUK J Biochem，.1989，186，123 ～ 128.

[13]Gillespie J G，Hardie D G.Phosphorylation and inactivation of HMGCoA reductase at the AMP-activated protein kinase site in response to fructose treatment of isolated rat hepatocytes[J].FEBS Lett，1992，306，59 ～ 62.

[14]Hardie D G.（1992）Regulation of fatty acid and holesterol metabolism by the AMP-activated protein kinase，Biochim Biophys Acta，1123，231 ～238.

[15]Habinowski S A，Hirshman M，Sakamoto K，et al.Malonyl-CoA decarboxylase is not a substrate of AMP-activated protein kinase in rat fast-twitch skeletal muscle or an islet cell line[J].Arch Biochem Biophys，2001，396：71 ～79.

[16]Kimura N，Tokunaga C，Dalal S，et al.A possible linkage between AMP-activated protein kinase （AMPK）and mammalian target of rapamycin（mTOR）signalling pathway[J].Genes to cells，2003，8（1）：65 ～ 79.

[17]Philp L K.Maternal overnutrition suppresses the phosphorylation of 5-AMP-activated protein kinase in liver，but not skeletal muscle，in the fetal and neonatal sheep[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2008，295：R1982～R1990.

[18]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[J].Am J Physiol，1997，273：E1107.

[19]Warriss P D，Bevis EA Ekins P J.The relationships between glycogen stores and muscle ultimate pH in commercially slaughtered pigs[J].British Veterinary，1989，145：378 ～ 383.

[20]Yu H H，Usha S，Varanasi，Wenbo Yang，et al.AMP-activated Protein Kinase regulates HNF4α transcriptional activity by inhibiting dimer formation and decreasing protein stability [J].The Journal of Biological Chemistry，2003，278（30）：27495 ～ 27501.