AMPK与糖代谢

杜林涛，张红学

(郑州大学)

1 AMPK与葡萄糖转运

1.1 AMPK与葡萄糖转运的关系研究

早在1997年Merrill发现用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转运和AMPK的活性［1］，并且这种作用不能被磷脂酰肌醇3-激酶抑制剂影响，提示了AICAR诱导的葡萄糖转运的作用机理不是通过胰岛素信号途径达到的.AICAR诱导的葡萄糖转运程度受营养状况和肌纤维类型的影响.例如，AICAR不能诱导大鼠肌肉葡萄糖转运，AMPK活性也不增加，但是AICAR能诱导小鼠肌肉葡萄糖转运增加和 AMPK活性的增加［2］.AICAR并非AMPK的特异性激酶，结果可能具有局限性，深入的研究在转基因和基因敲除的小鼠中展开.研究发现，过表达突变在骨骼肌中高表达的 AMPKα2亚单位，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诱导的糖转运［3］.

肌肉收缩同样激活AMPK，离体研究发现肌肉收缩过程中也伴随着葡萄糖转运的增加，并且这种作用和AICAR诱导的葡萄糖转运没有叠加效应［4］.因此现在普遍认为AMPK为肌肉收缩诱导的葡萄糖转运增加过程的启动信号.然而研究发现在AMPKα2基因敲除的小鼠骨骼肌中肌肉收缩诱导的葡萄糖转运却是正常的，这可能是其他异构体的代偿性增加有关，因为在该小鼠的骨骼肌中α1异构体表达增多了5倍，过表达突变在骨骼肌中高表达的AMPKα2亚单位(在肌肉中AMPKα1和AMPKα2的活性受限)，减少肌肉收缩所刺激的葡萄糖转运量的40%［3］.总的来说，AMPKα1/α2活性降低总是伴随着肌肉收缩刺激的葡萄糖转运的部分减少，但是只要有一个亚基活性正常，另外一个亚基通过代偿作用可以使肌肉收缩刺激的葡萄糖转运也正常.这些研究可能预示着AMPK并非骨骼肌收缩诱导葡萄糖转运增加的唯一信号通路，还存在着其他机制的调节作用.虽然Sakamoto等发现LKB1敲除的小鼠肌肉收缩所刺激的葡萄糖转运量急剧降低［5］，LKB1为AMPK激酶，在肌肉收缩过程中调节AMPK的活性，但是LKB1也能激活一些其他的酶类，因此也不能说明AMPK为肌肉收缩诱导葡萄糖转运增加过程的唯一起始信号.

1.2 AMPK与葡萄糖转运的机制研究

目前研究认为肌肉收缩和AICAR诱导大鼠肌细胞对葡萄糖的摄取，机制可能是通过葡萄糖转运体(GLUT4)向胞膜转位来完成的，但其信号传导机制至今尚不明确.胰岛素敏感的信号传导途径需依赖胰岛素受体，而肌肉收缩诱导葡萄糖摄取的途径不涉及这些信号蛋白.胰岛素受体是一种典型的PTK(蛋白酪氨酸激酶)受体，是由二个α亚单位和二个β亚单位通过链间二硫键形成的异源四聚体，α亚基为识别结合胰岛素的部位;β亚基含有络氨酸激酶活性区域及自身磷酸化位点，其近膜区第960位络氨酸磷酸化后可作为胰岛素受体底物 -1(IRS-1)的识别和结合部位.INSR与胰岛素结合后，首先使受体自身的酪氨酸被磷酸化，之后结合其底物蛋白ISR-1，IRS-1羧基末端有多个酪氨酸磷酸化位点，可以与磷脂酰肌醇3-激酶(PI-3K)结合，PI-3K生成3磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)，最终使丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B(Akt)磷酸化被激活.Akt调节肌肉和脂肪细胞内的胰岛素敏感性葡萄糖转运体(Glut4)的转位，从而降低血糖浓度.而研究发现剧烈运动后胰岛素受体(INSR)、IRS-1(胰岛素受体底物 -1)的络氨酸磷酸化程度，以及和IRS-1相连的PI3K活性并没有提高，离体灌注的后肢肌肉，在胰岛素抵抗机体中AICAR可促进葡萄糖的摄取，增加葡萄糖转运子4(GLUT-4)从微囊转位到质膜上［6］.

AS160对GLUT4转位有负性调节作用，非磷酸化状态可以阻止GLUT4的转位，磷酸化状态可以增加GLUT4转位［7］.研究发现AICAR和肌肉收缩都能磷酸化AS160，预示着AS160可能参与了AMPK介导的葡萄糖转运的信号传导［7］.但是AICAR并非AMPK的特异性激酶，因此还不能说明AS160为AMPK的底物.过表达突变在骨骼肌中高表达的AMPKα2亚单位，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鱼肌肉中AICAR所诱导的AS160磷酸化［8］.过表达突变在骨骼肌中高表达的AMPKα2亚单位和AMPKα2基因敲除的小鼠骨骼肌中只是部分降低比目鱼肌肉中肌肉收缩所诱导的AS160磷酸化，AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌中肌肉收缩所诱导的AS160磷酸化接近正常水平［8］.(如前所述，过表达突变在骨骼肌中高表达的AMPKα2亚单位，AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌可以完全阻止AICAR刺激的糖转运.过表达突变在骨骼肌中高表达的AMPKα2亚单位，减少肌肉收缩所刺激的葡萄糖转运量的 40%，AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠骨骼肌肌肉收缩所刺激的葡萄糖转运量却是正常水平.)这些结果可能预示着AS160为AMPK的底物，但是AS160磷酸化是否为AMPK介导的葡萄糖转运的信号传导所必须还有待进一步研究.

早期一些研究发现应激活化蛋白激酶p38在克隆9细胞中对GLUT4转位过程有调节作用，SB203580(应激活化蛋白激酶p38的抑制剂)可以阻断在这些细胞中AICAR和肌肉收缩诱导的葡萄糖转运，在离体老鼠趾长伸肌和比目鱼肌中也出现了同样的结果，预示着p38可能参与了AMPK介导的葡萄糖转运的信号传导［9］.后来的研究发现，SB203580是通过和葡萄糖转运体发生反应而竞争性抑制葡萄糖转运，在过表达突变在骨骼肌中高表达的应激活化蛋白激酶p38，肌肉收缩诱导的葡萄糖转运处于正常水平，在L6肌管中AICAR并不能激活p38［10］.这些发现可能预示着p38参与AMPK介导的葡萄糖转运的信号传导的可能性被排除.

2 AMPK与糖酵解

磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)是糖酵解的限速酶.在灌注心脏实验中发现:缺血或其他代谢解偶联剂(如寡酶素)使AMPK活性增加时，PFK2活性和果糖2、6-二磷酸的含量也增加，糖酵解作用增强.在体外纯化的 AMPK可磷酸化PFK2，进一步证明AMPK直接参与了糖酵解的调节.心肌缺血时，AMPK激活使脂肪酸氧化增加，但同时将增加氧的消耗，糖酵解的增强，可提供ATP和NADH而不需消耗更多的氧.Halse在对离体骨骼肌细胞的研究中发现:AMPK不仅促使葡萄糖摄取还抑制糖原的合成，从而促进葡萄糖向糖酵解方向转化［11］.

3 AMPK对糖原代谢的调节

3.1 AMPK对糖原代谢酶的作用

糖原作为葡萄糖在动物体内的储存形式是肌肉运动的重要能源物质，糖原磷酸化酶(GP)是促进糖原降解参与供能的限速酶.起初认为AMPK能够激活GP激酶从而激活GP促进糖原分解［15］，后来的离体研究发现AMPK并不能激活GP激酶而促进糖原的分解［15］.AMPKα2基因敲除和AMPKγ3基因敲除的小鼠跑台试验中糖原分解速度没有降低，更证实了这一点［12］.糖原合成酶(GS)是促进糖原合成的限速酶.相对于GP而言，一些在体和离体研究表明AMPK是一种GS激酶，能够在两个位点磷酸化GS使其活性降低，α2亚基似乎在其中发挥着最重要作用，因为α2亚基敲除能导致AICAR诱导GS失活效应的完全丧失［13］.

值得注意的是虽然AMPK能够磷酸化GS降低其活性但是在肌肉运动过程中其活性却是普遍升高的，除了在大强度运动中观察到GS活性不变或下降，这可能是因为，在肌肉收缩过程中引起的糖原含量降低间接激活 GS的作用.McCardle综合症患者由于糖原磷酸化酶遗传性缺陷糖原分解受阻，其糖原含量对GS活性的作用也就随之消失，在对McCardle综合症患者的研究中发现肌肉收缩引起AMPK活性增高的同时伴随着GS的失活［14］.也有研究发现肌肉收缩过程中糖原含量降低的同时伴随着在GS另一个位点的去磷酸化导致了GS活性的增加，但是对此还有待进一步研究.这些结果可能预示着，运动中激活AMPK的作用之一是对抗运动引起的GS活性增高，对抗GS活性增加引起的糖原合成，从而减少ATP的利用.

3.2 AMPK对糖原合成的调节

Winder等用AICAR孵育小鼠肌肉激活AMPK，发现其糖原含量却是增加趋势而不是减少.后来MU J等通过鼠 AMPKα2亚基突变，使α2亚基失活，又叫KD突变，发现AMPKα2亚基失活能够导致小鼠在自发跑步的练习测试中，KD突变鼠(下称KD组)KD组减少20% ～30%的活动量，在强迫跑台训练中，KD组明显比正常组疲劳快，并常常落下跑台［12］.MU J认为，由于KD突变基因主要表达在心脏，心血管功能受损可能是导致运动能力下降的一个原因;另外也可能与肌糖原储备大大减少有关.大量研究表明:运动前肌糖原储备与运动能力呈高度正相关，所以减少肌糖原储备就会导致运动能力下降.MU J等的另一项研究结果显示;KD组的肌糖原浓度仅有正常组的一半.他们的最新研究显示KD组在运动中腓肠肌肌糖原的耗竭速度比正常组快，而运动结束后糖原的再合成速度却比正常组慢［12］.这些研究结果显示了虽然AMPK能够磷酸化GS并使其失活使糖原合成受阻，但是无论是激活剂还是运动激活AMPK后其糖原合成却是增加趋势.这可能是因为AMPK在磷酸化GS使其失活的同时增加了葡萄糖的转运和6-磷酸葡萄糖的含量.多项研究表明，糖原的合成速度不主要取决与GS的含量和活性，而是取决于葡萄糖的转运能力，AMPK的激活伴随了葡萄糖转运体GLUT4转位的增加.另外6-磷酸葡萄糖是GS的变构激活剂，6-磷酸葡萄糖含量的增加变构激活GS的效应可能胜过了AMPK对GS磷酸化使其失活的效应.后来的研究结果，自然突变或者转基因方法使AMPK信号增强时糖原合成增加［15］，AMPK 信号减弱时糖原合成减少［13］，也间接的证明了这个观点.

4 结束语

AMPK作为能量代谢变化的感受器能够被运动中ATP/AMP的比值变化等因素所激活，对糖代谢多个环节有直接调节作用，对其信号途径的基础研究为运动对预防和治疗糖代谢紊乱提供了理论依据，并且对于发展临床价值的AMPK激活剂具有重要意义.

［1］ 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.Am J Physiol 1997，273:E1107-E1112.

［2］ Ai H，Ihlemann J，Hellsten Y，et al.Effect of fiber type and nutritional state on AICAR - and contractionstimulated glucose transport in rat muscle.Am J Physiol Endocrinol Metab 2002，282:E1291-E1300.

［3］ Jorgensen S B，Viollet B，Andreelli F，et al.Knockout of theα2but not a1 5’-AMP-activated protein kinase isoform abolishes 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-4-ribofuranoside but not contraction-induced glucose uptake in skeletal muscle.J Biol Chem 2004，279:1070–1079.

［4］ Hayashi T，Hirshman M F，Kurth E J，et al.Evidence for 5’-AMP-activated protein kinase mediation of the effect of muscle contraction on glucose transport.Diabetes 1998，47:1369-1373.

［5］ Sakamoto K，McCarthy A，Smith D，et al.Deficiency of LKB1 in skeletal muscle prevents AMPK activation and glucose uptake during contraction.EMBO J 2005，24:1810–1820.

［6］ Koistinen Heikki A，Galuska Dana，Chibalin Alexander V:5-Amino-Imidazole Carboxamide Riboside increases glucose transport and cell surface GLUT4 content in skeletal muscle from subjectswith type 2 diabetes.Diabetes，2003，52(5):1066.

［7］ Kane S，Sano H，Liu S C，et al.A method to identify serine kinase substrates.Aktphosphorylatesanovel adipocyte protein with a Rab GTPase-activating protein(GAP)domain.J Biol Chem 2002，277:22115–22118.

［8］ Treebak J T， Glund S， Deshmukh A， et al. AMPK mediatesAS160 phosphorylation in skeletalmuscle:Dependency on AMPK catalytic and regulatory subunits.Diabetes 2006，58:49-55.

［9］ Xi X，Han J，Zhang J Z.Stimulation of glucose transport by AMP-activated protein kinase(AMPK)via activation of p38 mitogen-activated protein kinase(MAPK).J Biol Chem 2001，276:41029-41034.

［10］ Ho R C，Hirshman M F，Fujii N，et al.Dissociation between AMPK and p38 MAPK signaling in resting and contracting skeletal muscle.Diabetes 2004，53:A62.

［11］Halse R，Fryer L G，McCormack J G，et al.Regulation of glycogen synthase by glucose and glycogen，a possible role for AMP-activated protein kinase.Diabetes 2003，52(1):9.

［12］Mu J，Barton E R，Birnbaum M J.Selective suppression of AMP-activated protein kinase in skeletal muscle:update on lazy mice.Biochem Soc Trans，2003，31:236 –241.

［13］Jorgensen S B，Nielsen J N，Birk J B，et al，Theα25＇-AMP-activated protein kinase is a site 2 glycogen synthase kinase in skeletal muscle and is responsive to glucose loading.Diabetes 2004，53，3074–3081.

［14］Nielsen J N，Wojtaszewski J F，Haller R G，et al.Role of 5’-AMP activated protein kinase in exercise regulation of glucose utilization and glycogen synthase activity in skeletal muscle from patients with McArdle’s disease.J Physiol，2002，541:979–989.

［15］Barnes B R，Marklund S，Steiler T L，et al.The 5’-AMP-activated protein kinaseγ3 isoform has a key role in carbohydrate and lipid metabolism in glycolytic skeletal muscle.J Biol Chem，2004，279:38441–38447.