AMPK分子綜述及研究前景

1、AMPK概述及研究前景摘要：AMPK是一種能夠感受能量分子變化的激酶，被稱為生物體內(nèi)能量調(diào)控的開關(guān)；本文從結(jié)構(gòu)，功能，調(diào)控手段三個方面簡要介紹了AMPK，并對最近關(guān)于AMPK與壽命的研究做了一定的總結(jié)，最后對可能的研究方向提出了自己的想法。關(guān)鍵詞：AMPK；糖代謝；脂代謝；AMPK上游激酶；新陳代謝；壽命；1概述AMPK全稱為AMPactivatedproteinkinase,即AMP依賴的蛋白激酶，是一個能夠感受AMP變化的能量激酶，是生物能量代謝調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵分子。AMP是生物體內(nèi)的能量分子，是ATP的前體物質(zhì)，它通過兩步反應(yīng)生成：ATPADP+Pi2ADPAMP+ATP研究發(fā)現(xiàn)，當人體消耗

2、ATP使其濃度下降10%時，AMP濃度的相對增長量比ADP濃度的相對增長量大的多，如下表所示：|TABLE154RelativeChangesinATPand(AMPWhenATPkConsumedAdeninenucleotideConcentrationbetoreATPdepktion(him)ConcentrationafterATPdepletion(itlM)RelativechangeATP5.04.510%ADP10LG0AMP0.10,6600%表1：ATPAMRADP濃度相對變化圖1因此，在許多代謝的調(diào)控過程中，AMP的變化都是一個重要的參量，AMPK就是這樣一個能夠感受到

3、這一信號的分子，它能夠感受到AMP的濃度變化，當AMP濃度上升到一定程度后，AMPK被激活，從而抑制合成代謝，促進分解代謝。SktltstiilmuscletlAMPI訂ATP1fidipunectLnFaLtyncidnpUskc,oxidationMLlMhotndnoE訕itihypothaliiEnuMFattyaddnKidatMinGhiiwMuptakeGIjMlyBia加diipnwr羈j一、迖PjincwJiticj?(grinwulLnLivicrtFrxdintakeHeartg寥聲addaynUiMisCho|jC4；tjalsynthedfi圖一：AMPK在糖代謝和脂

4、代謝中的作用2如圖所示，AMPK被AMP的上升或者ATP的下降激活，被交感神經(jīng)激活，或者被脂肪組織釋放的瘦素，胰島素等激活，被激活之后，AMPK通過磷酸化目標蛋白，使多個組織中的新陳代謝朝向產(chǎn)生能量的生物化學(xué)課程論文 圖二結(jié)構(gòu)抽象圖向Su4C6540M.Al三中我們可以看到，Y亞基主要由ahelix組成，在123位點旁邊都有一個ASP殘基，與核苷酸核糖上的羥基相互作用，腺嘌吟夾在Bloop中間，由一系列疏水作用力連接，因此CBS與AMP或者ATP的結(jié)合是十分緊密的。4四個AMP/ATP結(jié)合位點都有磷酸基團指向Y亞基的中心區(qū)域，在伽馬亞基的中心區(qū)域含有很多帶電的氨基酸如His,Arg。根據(jù)與結(jié)合

5、位點相連的分子不同（AMP，使之激活，ATP使之被抑制），這些帶電的氨基酸會重新排列，引起伽馬亞基的構(gòu)象變化。4%圖三7亞基結(jié)枸圖郵圖四；酵母中ALIPK結(jié)構(gòu)圖4方向，削弱糖原，脂肪酸，膽固醇的合成，促進肝臟內(nèi)的糖酵解，促進脂肪酸的氧化，向下丘腦傳遞信號促進攝食。達到調(diào)控新陳代謝的目的。因此AMPK也被稱作新陳代謝的開關(guān)。AMPK的結(jié)構(gòu)AMPK是一個異源三聚體，由三個不同的亞基構(gòu)成，分別為催化亞基a,調(diào)節(jié)亞基B和Y。如圖二所示，a亞基為催化亞基，由550個氨基酸構(gòu)成，在N末端含有一個絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的催化域，該催化域內(nèi)172位上含有一個蘇氨酸殘基可被磷酸化。在C末端，有一段大約含有150

6、氨基酸的部位用于與Y亞基和B亞基連接。3B亞基形成Bsheet結(jié)構(gòu)4,起到穩(wěn)定a亞基和B亞基之間連接的作用3.Y亞基有331個氨基酸構(gòu)成，含有AMP或者ATP的結(jié)合位點,如圖三所示，4個結(jié)合位點，被稱作CBSDOMAIN，CBS區(qū)域可以與含有腺苷集團的分子結(jié)合，如ATP或者AMP5，從圖AMPK的結(jié)構(gòu)并沒有被完全了解清楚，圖四是他的大致結(jié)構(gòu)圖。紅色的是Y亞基，藍色的是a亞基，綠色的是B亞基。從圖四中我們可以看到，a亞基與Y亞基之間的結(jié)合是十分緊密，這與他們的功能密切相關(guān)。AMPK的作用機理就是：當兩個AMP與Y亞基結(jié)合后，導(dǎo)致Y亞基發(fā)生構(gòu)象變化，使位于a亞基上的催化位點（蘇氨酸）暴露出來，磷酸

7、化蘇氨酸,AMPK被激活。4然而Y亞基的構(gòu)象變化是如何傳遞到a亞基上的呢？目前還沒有研究清楚。目前科學(xué)家確定的是a亞基的一端延伸到Y(jié)亞基之上，形成一個“helix-loop-helix”結(jié)構(gòu)，被稱作regulatorysequences（RS）。如圖四藍色區(qū)域標記RS的位置所示。但是科學(xué)家們并不確定這樣的結(jié)構(gòu)能否在哺乳動物體內(nèi)的AMPK中被找到4。在2011年nature上發(fā)表的一篇文獻中，具體講解了這一機制。團五；AMPK各部光組成問AMP-JAMP-3-E-C(545|i0-469Aclivntjoriu-HOGk礙iC3軸圖六;哺乳動物側(cè)PK苓枸囹回如圖五所示，在AMPK的a亞基上，除了

8、含有催化位點的activationloop（在圖六中用紫色標出）還有一個非常重要的aHOOK（圖六中為深藍色），aHOOK與Y亞基上的第三個AMP/ATP的結(jié)合位點相互作用，Y亞基上Arg69的構(gòu)象變化會與aHOOK之間產(chǎn)生空間位阻，從而會導(dǎo)致172位的磷酸化位點蘇氨酸被暴露出來。6AMPK的功能3.1AMPK對脂代謝的調(diào)節(jié)DLEturycarbahydrg.ts-HJjWqxhILowblwd呂lic畑己FattyEicylCarciiomyopaiiiyglucociGLUT4)圖八：AMPK與糖代謝總結(jié)科學(xué)家們首先發(fā)現(xiàn)AMPK能夠磷酸化muscleglycogensynthase（GS）

9、位點2上的絲氨酸（如圖八所示）。接著又進一步證明了GS的活性在灌注了AICAR（一種AMP類似物）的小鼠體內(nèi)很低。8然而還有研究表明由于AMPK促進葡萄糖的吸收導(dǎo)致的glucose-6-phophaste濃度上升，glucose-6-phophaste通過變構(gòu)調(diào)節(jié)提高糖原合成的活性（如圖八黑色虛線箭頭所示），并且這個影響要大于AMPK對GS磷酸化的抑制影響，最終導(dǎo)致糖原合成被促進。8高濃度的糖原也可以抑制AMPK的活性，通過與AMPK的Bdomain結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn),AMPK的Bdomain含有一個carbohydratebindingmodule（CBM）。有一個（a16）分支點的低聚糖比沒有

10、分支的，只含有a（1-4）糖苷鍵的低聚糖更能抑制AMPK的活性。然而在活體中糖原究竟是否能抑制AMPK的活性仍舊是未知。82.3其他除了糖代謝和脂代謝，AMPK還可以調(diào)控許多其他的代謝過程，例如通過抑制蛋白質(zhì)翻譯激活蛋白mTOR來抑制蛋白質(zhì)的合成等。目前已知的AMPK的調(diào)控路徑如圖九所示，在這里不贅述。C*閉訕肆GhiCii?rFaLivftcidIatT!acidLSDppeJlCJdTnacyiglyeeralGLyccw(srtProieinflycohfEistranspc-rtQxidstion：31,thrsLSLifiuLiBynth輛也Euthe-sisd-Yncheeissy

11、ntiwEisA41k.k.t1GLUT11eEF2PFK-2LUT4ACC旳GPATasmTORdk.a1.5QC1T?ICh&LeaterdiMipjseLi。呂Fqe;夷tflrv且tig5.brinks買血曲dipnnztinkjhi3TPKEzeroiseH旳IE3u-letalmuscle1Br-S1忸11才：熾2!乩fAdipaojatiEBUBfatty出對.1aNadniianhfettyneidwjddddtpii._l,8call!iattynridyrnhesLs,fattyadd礎(chǔ)時日*uptaJie,甬口0鴕upuakf!inaiilinmem呢mdioleaLer

12、usynthesislipEygisglycoi.i&isFeMiug*Etnergj-betLaviarepndatut*圖九AMPK調(diào)控代謝圖AMPK活性調(diào)節(jié)AMP/ATPThraPi_HjOPP2C之前說到AMPK是通過調(diào)節(jié)亞基Y與AMP結(jié)合,變構(gòu)調(diào)節(jié)使催化亞基a上172位的蘇氨酸暴露出來,磷酸化蘇氨酸，AMPK被激活。那么蘇氨酸又是怎樣被磷酸化的呢？這就說到了AMPK的上游激酶。圖十：AMPK的活性調(diào)節(jié)3如圖十所示，AMPK可以被上游激酶磷酸化，也可以被proteinphosphatases(目前認為可能是proteinphosphate-2C(PP2C)去磷酸化。關(guān)于AMPK的上游激

13、酶，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少兩種，其中之一是LKB1,它最開始被認為是一種腫瘤抑制因子丄KB1與兩個亞基STRAD,MO25形成復(fù)合物發(fā)揮作用。人們最初認為,LKB1是一種持續(xù)有活性的激酶，這樣AMPK的活性就僅依賴于體內(nèi)AMP/ATP的比值。然而最近有研究發(fā)現(xiàn)，LKB1并不一定是持續(xù)有活性的，它的活性與其在肝臟中的乙酰化狀態(tài)有關(guān)。AMPK的另一種磷酸化渠道是通過CaMKKB激酶，其活性與細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子的濃度有關(guān)，這意味著AMPK也可以在不存在AMP上升的情況下被激活。目前人們對AMPK上游激酶的了解尚不充分，對LKB1的研究較多，對其他的幾種激酶人們尚不是很了解。3除了上游激酶，AMPK還可以受到激素

14、(如脂聯(lián)素adiponectin,胃饑餓素ghrelin瘦素leptin等)，細胞因子等的調(diào)節(jié)。4最近研究AMPK與壽命在自然環(huán)境中生活的生物，或多或少會面臨環(huán)境壓力，如饑餓，高溫，滲透壓變化等。而應(yīng)激與壽命有很高的相關(guān)性。大量研究證實應(yīng)激與衰老是通過某些信號通路控制的。AMPK可以調(diào)控細胞的能量新陳代謝，過度的能量消耗則會增加衰老的過程。大約10年前，人們發(fā)現(xiàn)對嚙齒類動物的飲食限制可以延長他們的壽命，人們開始猜想這些過程與能量的調(diào)控開關(guān)AMPK有關(guān)。在生物體內(nèi)的進一步研究發(fā)現(xiàn)，AMP-activatedkinase-2(AAK-2,種AMPK)在壽命的調(diào)節(jié)中具有重要意義。在線蟲，果蠅等模式生

15、物中過量表達AAK-2/AMPK,同時用metformin(一種降血糖的糖尿病治療藥物)激活A(yù)AK-2，使它們的壽命得到了提高(Apfeldetal.2004;Curtisetal.,2006;OnkenandDriscoll,2010)。在小鼠體內(nèi)的研究發(fā)現(xiàn)，敲除掉AMPKa2之后，會導(dǎo)致新陳代謝的紊亂，進而影響其壽命。10因此人們開始對metformin展開研究。人們先是發(fā)現(xiàn)metformin能夠提高非糖尿病哺乳動物的壽命，metformin有兩個可能的調(diào)節(jié)途徑，一個是通過AMPK,另外一個是通過AMPK的上游激酶LKB1，LKB1再激活A(yù)MPK降低葡萄糖的產(chǎn)生增加葡萄糖的吸收。這里具體講

16、到兩位科學(xué)家：Onken和Driscoll，他們用線蟲具體研究了通過AMPK,AMPK的上游激酶LKB1對線蟲壽命的影響。11首先說一下線蟲，他們用的線蟲是秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans)，它通體透明，便于觀察；生命周期短，從受精卵發(fā)育到可產(chǎn)卵成蟲只需3.5天；繁殖率高，一條繁殖期的成蟲大約能產(chǎn)生三百多個后代；并且，其與人類有較多同源基因。因此在壽命的研究上線蟲是一個很理想的模式生物。但是，目前人們只知道m(xù)etformin對壽命影響的大致結(jié)果，其機制尚不清楚。f何處)十OxidativestressresistanceIncreasedDRmetabolismheal

17、th呂圖十一：metformin對于線蟲壽命調(diào)節(jié)的可能機制11圖十一是Onken和Driscoll用線蟲做出的可能調(diào)控機制的簡單路線，具體來說就是metformin激活LKB1，LKB1激活A(yù)MPK，AMPK激活SKN-1,緩解氧化應(yīng)激，提高壽命。在ASI神經(jīng)元調(diào)節(jié)路線上，SKN-1與AMPK的相對位置還并不確定。115AMPK的應(yīng)用及貢獻由于AMPK在糖代謝以及脂代謝中的重要功能，他在二型糖尿病的治療中做出了很大貢獻。他可以調(diào)節(jié)基因表達改善糖脂代謝，因此許多針對AMPK活性的藥物便被開發(fā)出來。Metformin很早就應(yīng)用與治療糖尿病，但由于其根本作用機制不明確，長期受到爭議。直到人們發(fā)現(xiàn)其靶

18、分子是AMPK，具體機制為Metformin先激活A(yù)MPK上游激酶LKB1,進一步激活A(yù)MPK調(diào)節(jié)糖代謝。目前，Metformin已經(jīng)成為糖尿病治療中的基礎(chǔ)藥品。此外，AMPK對心血管疾病，腫瘤細胞的治療都起到了很重要的作用。6展望從上述總結(jié)可以看到，關(guān)于AMPK的研究主要集中在兩個方面：一是關(guān)于AMPK的激活，這涉及到AMPK上游激酶的研究，AMPK結(jié)構(gòu)的研究，一些激素，細胞因子的研究，神經(jīng)對AMPK的調(diào)節(jié)研究等。另一個方面涉及激活的AMPK是如何調(diào)節(jié)代謝的。包括糖代謝，脂代謝，蛋白質(zhì)合成，細胞自噬，基因表達等。這些方面都還有很多未知等待我們?nèi)パ芯?。LehningerPrinciplesof

19、biolchemistryfiftheditionpage576table15-4LehningerPrinciplesofbiolchemistryfiftheditionpage576figure15-6ViolletB,LantierL,Devin-LeclercJ,etal.TargetingtheAMPKpathwayforthetreatmentofType2diabetes.J.FrontiersinBioscience,2009,14:33803400.KempBE,OakhillJS,ScottJW.AMPKStructureandRegulationfromThreeAnglesJ.Structure,2007,15(10):1161-3.FromWikipedia:CBSdomain HYPERLINK /wiki/CBS_domain /wiki/CBS_domainXiaoB,Sa