AMPK分子综述及研究前景

1、AMPK概述及研究前景摘要：AMPK是一种能够感受能量分子变化的激酶，被称为生物体内能量调控的开关；本文从结构，功能，调控手段三个方面简要介绍了AMPK，并对最近关于AMPK与寿命的研究做了一定的总结，最后对可能的研究方向提出了自己的想法。关键词：AMPK；糖代谢；脂代谢；AMPK上游激酶；新陈代谢；寿命；1概述AMPK全称为AMPactivatedproteinkinase,即AMP依赖的蛋白激酶，是一个能够感受AMP变化的能量激酶，是生物能量代谢调节中的关键分子。AMP是生物体内的能量分子，是ATP的前体物质，它通过两步反应生成：ATPADP+Pi2ADPAMP+ATP研究发现，当人体消耗

2、ATP使其浓度下降10%时，AMP浓度的相对增长量比ADP浓度的相对增长量大的多，如下表所示：|TABLE154RelativeChangesinATPand(AMPWhenATPkConsumedAdeninenucleotideConcentrationbetoreATPdepktion(him)ConcentrationafterATPdepletion(itlM)RelativechangeATP5.04.510%ADP10LG0AMP0.10,6600%表1：ATPAMRADP浓度相对变化图1因此，在许多代谢的调控过程中，AMP的变化都是一个重要的参量，AMPK就是这样一个能够感受到

3、这一信号的分子，它能够感受到AMP的浓度变化，当AMP浓度上升到一定程度后，AMPK被激活，从而抑制合成代谢，促进分解代谢。SktltstiilmuscletlAMPI订ATP1fidipunectLnFaLtyncidnpUskc,oxidationMLlMhotndnoE讪itihypothaliiEnuMFattyaddnKidatMinGhiiwMuptakeGIjMlyBia加diipnwr羁j一、迖PjincwJiticj?(grinwulLnLivicrtFrxdintakeHeartg寥声addaynUiMisCho|jC4；tjalsynthedfi图一：AMPK在糖代谢和脂

4、代谢中的作用2如图所示，AMPK被AMP的上升或者ATP的下降激活，被交感神经激活，或者被脂肪组织释放的瘦素，胰岛素等激活，被激活之后，AMPK通过磷酸化目标蛋白，使多个组织中的新陈代谢朝向产生能量的生物化学课程论文 图二结构抽象图向Su4C6540M.Al三中我们可以看到，Y亚基主要由ahelix组成，在123位点旁边都有一个ASP残基，与核苷酸核糖上的羟基相互作用，腺嘌吟夹在Bloop中间，由一系列疏水作用力连接，因此CBS与AMP或者ATP的结合是十分紧密的。4四个AMP/ATP结合位点都有磷酸基团指向Y亚基的中心区域，在伽马亚基的中心区域含有很多带电的氨基酸如His,Arg。根据与结合

5、位点相连的分子不同（AMP，使之激活，ATP使之被抑制），这些带电的氨基酸会重新排列，引起伽马亚基的构象变化。4%图三7亚基结枸图邮图四；酵母中ALIPK结构图4方向，削弱糖原，脂肪酸，胆固醇的合成，促进肝脏内的糖酵解，促进脂肪酸的氧化，向下丘脑传递信号促进摄食。达到调控新陈代谢的目的。因此AMPK也被称作新陈代谢的开关。AMPK的结构AMPK是一个异源三聚体，由三个不同的亚基构成，分别为催化亚基a,调节亚基B和Y。如图二所示，a亚基为催化亚基，由550个氨基酸构成，在N末端含有一个丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的催化域，该催化域内172位上含有一个苏氨酸残基可被磷酸化。在C末端，有一段大约含有150

6、氨基酸的部位用于与Y亚基和B亚基连接。3B亚基形成Bsheet结构4,起到稳定a亚基和B亚基之间连接的作用3.Y亚基有331个氨基酸构成，含有AMP或者ATP的结合位点,如图三所示，4个结合位点，被称作CBSDOMAIN，CBS区域可以与含有腺苷集团的分子结合，如ATP或者AMP5，从图AMPK的结构并没有被完全了解清楚，图四是他的大致结构图。红色的是Y亚基，蓝色的是a亚基，绿色的是B亚基。从图四中我们可以看到，a亚基与Y亚基之间的结合是十分紧密，这与他们的功能密切相关。AMPK的作用机理就是：当两个AMP与Y亚基结合后，导致Y亚基发生构象变化，使位于a亚基上的催化位点（苏氨酸）暴露出来，磷酸

7、化苏氨酸,AMPK被激活。4然而Y亚基的构象变化是如何传递到a亚基上的呢？目前还没有研究清楚。目前科学家确定的是a亚基的一端延伸到Y亚基之上，形成一个“helix-loop-helix”结构，被称作regulatorysequences（RS）。如图四蓝色区域标记RS的位置所示。但是科学家们并不确定这样的结构能否在哺乳动物体内的AMPK中被找到4。在2011年nature上发表的一篇文献中，具体讲解了这一机制。團五；AMPK各部光组成问AMP-JAMP-3-E-C(545|i0-469Aclivntjoriu-HOGk碍iC3轴图六;哺乳动物側PK苓枸囹回如图五所示，在AMPK的a亚基上，除了

8、含有催化位点的activationloop（在图六中用紫色标出）还有一个非常重要的aHOOK（图六中为深蓝色），aHOOK与Y亚基上的第三个AMP/ATP的结合位点相互作用，Y亚基上Arg69的构象变化会与aHOOK之间产生空间位阻，从而会导致172位的磷酸化位点苏氨酸被暴露出来。6AMPK的功能3.1AMPK对脂代谢的调节DLEturycarbahydrg.ts-HJjWqxhILowblwd呂lic畑己FattyEicylCarciiomyopaiiiyglucociGLUT4)图八：AMPK与糖代谢总结科学家们首先发现AMPK能够磷酸化muscleglycogensynthase（GS）

9、位点2上的丝氨酸（如图八所示）。接着又进一步证明了GS的活性在灌注了AICAR（一种AMP类似物）的小鼠体内很低。8然而还有研究表明由于AMPK促进葡萄糖的吸收导致的glucose-6-phophaste浓度上升，glucose-6-phophaste通过变构调节提高糖原合成的活性（如图八黑色虚线箭头所示），并且这个影响要大于AMPK对GS磷酸化的抑制影响，最终导致糖原合成被促进。8高浓度的糖原也可以抑制AMPK的活性，通过与AMPK的Bdomain结合。研究发现,AMPK的Bdomain含有一个carbohydratebindingmodule（CBM）。有一个（a16）分支点的低聚糖比没有

10、分支的，只含有a（1-4）糖苷键的低聚糖更能抑制AMPK的活性。然而在活体中糖原究竟是否能抑制AMPK的活性仍旧是未知。82.3其他除了糖代谢和脂代谢，AMPK还可以调控许多其他的代谢过程，例如通过抑制蛋白质翻译激活蛋白mTOR来抑制蛋白质的合成等。目前已知的AMPK的调控路径如图九所示，在这里不赘述。C*闭讪肆GhiCii?rFaLivftcidIatT!acidLSDppeJlCJdTnacyiglyeeralGLyccw(srtProieinflycohfEistranspc-rtQxidstion：31,thrsLSLifiuLiBynth輛也Euthe-sisd-Yncheeissy

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

12、usynthesislipEygisglycoi.i&isFeMiug*Etnergj-betLaviarepndatut*图九AMPK调控代谢图AMPK活性调节AMP/ATPThraPi_HjOPP2C之前说到AMPK是通过调节亚基Y与AMP结合,变构调节使催化亚基a上172位的苏氨酸暴露出来,磷酸化苏氨酸，AMPK被激活。那么苏氨酸又是怎样被磷酸化的呢？这就说到了AMPK的上游激酶。图十：AMPK的活性调节3如图十所示，AMPK可以被上游激酶磷酸化，也可以被proteinphosphatases(目前认为可能是proteinphosphate-2C(PP2C)去磷酸化。关于AMPK的上游激

13、酶，已经发现了至少两种，其中之一是LKB1,它最开始被认为是一种肿瘤抑制因子丄KB1与两个亚基STRAD,MO25形成复合物发挥作用。人们最初认为,LKB1是一种持续有活性的激酶，这样AMPK的活性就仅依赖于体内AMP/ATP的比值。然而最近有研究发现，LKB1并不一定是持续有活性的，它的活性与其在肝脏中的乙酰化状态有关。AMPK的另一种磷酸化渠道是通过CaMKKB激酶，其活性与细胞质内钙离子的浓度有关，这意味着AMPK也可以在不存在AMP上升的情况下被激活。目前人们对AMPK上游激酶的了解尚不充分，对LKB1的研究较多，对其他的几种激酶人们尚不是很了解。3除了上游激酶，AMPK还可以受到激素

14、(如脂联素adiponectin,胃饥饿素ghrelin瘦素leptin等)，细胞因子等的调节。4最近研究AMPK与寿命在自然环境中生活的生物，或多或少会面临环境压力，如饥饿，高温，渗透压变化等。而应激与寿命有很高的相关性。大量研究证实应激与衰老是通过某些信号通路控制的。AMPK可以调控细胞的能量新陈代谢，过度的能量消耗则会增加衰老的过程。大约10年前，人们发现对啮齿类动物的饮食限制可以延长他们的寿命，人们开始猜想这些过程与能量的调控开关AMPK有关。在生物体内的进一步研究发现，AMP-activatedkinase-2(AAK-2,种AMPK)在寿命的调节中具有重要意义。在线虫，果蝇等模式生

15、物中过量表达AAK-2/AMPK,同时用metformin(一种降血糖的糖尿病治疗药物)激活AAK-2，使它们的寿命得到了提高(Apfeldetal.2004;Curtisetal.,2006;OnkenandDriscoll,2010)。在小鼠体内的研究发现，敲除掉AMPKa2之后，会导致新陈代谢的紊乱，进而影响其寿命。10因此人们开始对metformin展开研究。人们先是发现metformin能够提高非糖尿病哺乳动物的寿命，metformin有两个可能的调节途径，一个是通过AMPK,另外一个是通过AMPK的上游激酶LKB1，LKB1再激活AMPK降低葡萄糖的产生增加葡萄糖的吸收。这里具体讲

16、到两位科学家：Onken和Driscoll，他们用线虫具体研究了通过AMPK,AMPK的上游激酶LKB1对线虫寿命的影响。11首先说一下线虫，他们用的线虫是秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)，它通体透明，便于观察；生命周期短，从受精卵发育到可产卵成虫只需3.5天；繁殖率高，一条繁殖期的成虫大约能产生三百多个后代；并且，其与人类有较多同源基因。因此在寿命的研究上线虫是一个很理想的模式生物。但是，目前人们只知道metformin对寿命影响的大致结果，其机制尚不清楚。f何处)十OxidativestressresistanceIncreasedDRmetabolismheal

17、th吕图十一：metformin对于线虫寿命调节的可能机制11图十一是Onken和Driscoll用线虫做出的可能调控机制的简单路线，具体来说就是metformin激活LKB1，LKB1激活AMPK，AMPK激活SKN-1,缓解氧化应激，提高寿命。在ASI神经元调节路线上，SKN-1与AMPK的相对位置还并不确定。115AMPK的应用及贡献由于AMPK在糖代谢以及脂代谢中的重要功能，他在二型糖尿病的治疗中做出了很大贡献。他可以调节基因表达改善糖脂代谢，因此许多针对AMPK活性的药物便被开发出来。Metformin很早就应用与治疗糖尿病，但由于其根本作用机制不明确，长期受到争议。直到人们发现其靶

18、分子是AMPK，具体机制为Metformin先激活AMPK上游激酶LKB1,进一步激活AMPK调节糖代谢。目前，Metformin已经成为糖尿病治疗中的基础药品。此外，AMPK对心血管疾病，肿瘤细胞的治疗都起到了很重要的作用。6展望从上述总结可以看到，关于AMPK的研究主要集中在两个方面：一是关于AMPK的激活，这涉及到AMPK上游激酶的研究，AMPK结构的研究，一些激素，细胞因子的研究，神经对AMPK的调节研究等。另一个方面涉及激活的AMPK是如何调节代谢的。包括糖代谢，脂代谢，蛋白质合成，细胞自噬，基因表达等。这些方面都还有很多未知等待我们去研究。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