AMPK對動物營養(yǎng)物質(zhì)代謝調(diào)控的研究進展

吉林農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院 徐 晶 婁玉杰＊

吉林農(nóng)業(yè)大學圖書館 張桂山

一磷酸腺苷蛋白激酶（AMPK）廣泛存在于真核細胞中，一旦被激活，即可磷酸化下游靶蛋白，關(guān)閉消耗腺苷三磷酸（ATP）的合成代謝途徑，開啟產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑，這為調(diào)控動物營養(yǎng)物質(zhì)代謝提供了新思路。

1AMPK的生化特點

1.1 AMPK的結(jié)構(gòu) AMPK分子是由α、β、γ三個亞基組成的三聚體，屬于Serine/Threonine激酶家庭的一員。α為催化亞基，β、γ為調(diào)節(jié)亞基。α亞基有一個N端激酶催化區(qū)和一個C端調(diào)節(jié)區(qū)，β亞基主要起支架作用。α、γ亞基分別在β亞基的 KIS（Kinase interaction Sequence）和 ASC（Association with SNFI）區(qū)被固定。γ亞基有四個CBS（Cystothionine βsynthase）串聯(lián)重復區(qū)，這些區(qū)可能參與5’AMP在AMPK激酶的結(jié)合（Davies and Hardie 1989）。

1.2 AMPK的分布 AMPK在體內(nèi)分布很廣，心臟、肝臟、十二指腸、骨骼肌中均可檢測到AMPK。AMPK各亞基的組織分布不同。研究發(fā)現(xiàn)，α亞基存在兩種同工型：αl和 α2。 α1和 α2在動物體內(nèi)的分布具有組織特異性，其中α1分布很廣，而α2主要存在于肝臟、骨骼肌和心肌 。β亞基存在兩種同工型： βl和 β2。βl主要存在于肝臟中，占大鼠肝臟總AMPK活性的95%，β2大量表達于骨骼肌和心肌中。γ 亞基存在三種同工型： γl、γ2和 γ3。其中γ1和γ2分布較廣，而γ3主要在骨骼肌中表達（Adams等，2004）。AMPK在不同細胞中以不同亞型的復合體存在，推測可能與其下游靶蛋白的選擇有關(guān)。

1.3 AMPK活性調(diào)節(jié) 在動物休內(nèi)，AMPK的活性受機體能量狀況的調(diào)節(jié)。當體內(nèi)能量被耗竭，細胞內(nèi)腺苷三磷酸ATP水平降低、AMP增加時，AMPK的活性就升高。研究表明，AMP是AMPK的特異性激活劑。在體內(nèi)許多因素，如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饑餓、電刺激、熱休克，以及一氧化氮、三羧酸循環(huán)或氧化磷酸化的抑制劑均導致AMP/ATP比值顯著增高，使AMP/ATP系統(tǒng)激活。研究表明，AMPK活化后，其作用主要是通過迅速調(diào)節(jié)一系列作用底物（包括 HMGR、ACC、HSL、糖原合成酶等）的活性從而改變脂肪和碳水化合物代謝來實現(xiàn)的 （周亮和申偉華，2008；秦玉輝，2003）。

2 AMPK對動物營養(yǎng)代謝的調(diào)控

2.1 AMPK對脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)

2.1.1 磷酸化HMGR，抑制固醇合成 β一羥基-β-甲基一戊二酸單酰輔酶A還原酶 （HMGR）是固醇合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)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，從而抑制固醇的合成。

2.1.2 磷酸化ACC-α和ACC-β促進脂肪酸的氧化，抑制脂肪酸的合成 在哺乳動物體內(nèi)ACC（乙酰CoA羧化酶）以兩種同工型存在，即ACC-α和ACC-β。ACC-α是脂肪酸合成的關(guān)鍵酶，而ACC-β催化生成的丙二酸單酰輔酶A主要參與脂肪酸氧化調(diào)節(jié)（宋慶文，2007）。AMPK的活化使肝臟ACC活性和丙二酸單酰輔酶A含量顯著降低，進而促進脂肪酸的氧化，抑制脂肪酸合成。另外，AMPK活化后還能磷酸化丙二酸單酰輔酶A脫羧酶及細胞骨架成分，促進脂肪酸氧化。

2.1.3 磷酸化甘油磷酸酰基轉(zhuǎn)移酶（GPAT），抑制脂肪的合成 GPAT是脂肪酸酰基化的關(guān)鍵酶。研究發(fā)現(xiàn)AMPK活化后可直接磷酸化GPAT，降低其活性進而抑制甘油二酯和甘油三酯的合成（Hardie，1992）。Muoio 等（1999）提出，當細胞 ATP水平降低甚至耗竭時，AMPK介導線粒體GPAI失活，不僅是為了抑制脂肪合成代謝以保存能量，而且還通過降低GPAI與肉堿酰基轉(zhuǎn)移酶I競爭底物酞基輔酶A的能力，進而促進脂肪酸進入線粒體參與氧化分解提供能量。

2.1.4 磷酸化激素敏感脂酶，調(diào)節(jié)脂肪的水解速率 激素敏感脂酶（HSL）也是較早發(fā)現(xiàn)的AMPK作用底物之一，在脂肪動員中起決定性作用，是脂肪分解的限速酶。AMPK通過對HSL的磷酸化而抑制脂肪降解。AMPK使HSL的Ser565位點磷酸化后， 抑制 cAMP依賴蛋白激酶 （PKA）對HSLSer563位點的作用 （該位點被PKA磷酸化后，活性顯著提高），進而抑制脂肪降解（Gillespie和Hardie，1992）。脂肪降解率的降低有利于保證降解速率不超過游離脂肪酸被利用的速率，減少脂肪酸重新合成脂肪對ATP的消耗。

2.1.5 調(diào)節(jié)基因表達，調(diào)控脂質(zhì)代謝 AMPK活化后主要通過抑制基因轉(zhuǎn)錄和降低脂肪酸合成酶mRNA的半衰期發(fā)揮作用，但具體機制尚不清楚。

Yu（2003）研究結(jié)果顯示，AMPK能直接磷酸化肝細胞核因子4a（HNF-4a），引起雙重效應：一方面，降低HNF-4a形成同源一聚體以及結(jié)合DNA的能力；另一方面，促進HNF-4a在體內(nèi)的降解，這將導致HNF-4a的轉(zhuǎn)錄活性降低。除這些轉(zhuǎn)錄因子以外，受AMPK調(diào)控的因子還很多，如：肌肉增強子-2轉(zhuǎn)錄因子、糖反應元件結(jié)合蛋白以及增強子激活的受體γ共激活因子la等。可見，AMPK在機體能量代謝中，不管是在宏觀水平上，還是在微觀分子水平上都發(fā)揮著重要的生理調(diào)控作用。

2.2 AMPK對碳水化合物代謝的調(diào)節(jié) Carling（1989）研究表明，AMPK活化除通過改變細胞脂質(zhì)代謝方向，以提供細胞所需能量外，同時還對碳水化合物代謝產(chǎn)生影響，進而使機體能量代謝朝著增加能源供應方向進行。

Merrill等（1997）首次發(fā)現(xiàn) AMPK活化可促進肌肉對葡萄糖的吸收。Habinowsi（2001）研究表明，運動、電刺激肌肉以及用AlCAR活化等都會導致大鼠骨骼肌AMPK活性的增加，進而促進肌肉細胞對葡萄糖的吸收。

AMPK激活還能減少糖異生酶（如，1，6一二磷酸果糖磷酸酶、烯醇化酶）的表達，從而抑制糖異生。體外試驗發(fā)現(xiàn)，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2，6-二磷酸果糖產(chǎn)生，從而促進糖酵解，糖酵解是動物宰后肌肉pH下降的主要原因，而pH值下降決定了肉質(zhì)的優(yōu)劣（楊航，2009；Warriss 等，1989）。

2.3 AMPK對蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié) AMPK在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝中的作用研究還比較薄弱。初步的研究表明，AMPK活化可以抑制蛋白質(zhì)的合成從而降低細胞能量的消耗。Kimura等（2003）研究表明，AMPK和（哺乳動物的雷帕霉素靶體mTOR）信號通路相關(guān)聯(lián)，AMPK激活后可能通過抑制mTOR及其效應器從而抑制蛋白質(zhì)的合成，減少ATP的損耗。

3 在動物生產(chǎn)上的作用

在現(xiàn)代養(yǎng)殖生產(chǎn)中，畜禽時常遭受著各種不同性質(zhì)和強度應激原的刺激，而表現(xiàn)出采食量下降、生產(chǎn)性能降低、發(fā)生代謝性疾病甚至死亡等共同的應激癥狀。從營養(yǎng)角度看，應激必然影響營養(yǎng)代謝，一切應激癥狀均是營養(yǎng)代謝過程或代謝效率改變的結(jié)果，但應激如何影響營養(yǎng)代謝，如何通過營養(yǎng)管理來克服或緩減應激的不良影響，目前知之甚少。如果研究證明AMPK與某些應激或營養(yǎng)代謝紊亂的調(diào)節(jié)有關(guān)，則可通過調(diào)控AMPK的活性來克服或緩解其危害，這對提高動物生產(chǎn)水平和效率具有重要意義。

余冰（2003）研究發(fā)現(xiàn)，當仔豬遭受熱應激及營養(yǎng)應激時，AMPK被活化，進而通過調(diào)節(jié)應激仔豬的脂質(zhì)代謝，促進產(chǎn)能的脂質(zhì)氧化分解，抑制耗能的脂質(zhì)合成代謝，為機體提供能量。陳小春（2006）研究表明，AMPK可調(diào)節(jié)產(chǎn)蛋雞膽固醇代謝。李寧川（2007）研究表明，日本大耳兔和SD大鼠都發(fā)現(xiàn)編碼AMPKα和γ亞基基因存在有單核苷酸多態(tài)性。且突變基因型與肌內(nèi)脂肪含量呈顯著相關(guān)。Philp等（2008）研究表明，母源營養(yǎng)過多抑制AMPK在肝中的磷酸化，但并不抑制骨骼肌中AMPK磷酸化。李澤和靳燁（2010）研究表明，AMPK能夠調(diào)節(jié)宰后肌肉的糖酵解，進而影響到肉質(zhì)的優(yōu)劣。

4 小結(jié)

可見，AMPK在動物營養(yǎng)物質(zhì)代謝中扮演著非常重要的角色。進一步研究AMPK的分子功能和其上游激酶以及其所在細胞通路并加以利用必將為探索生命的本質(zhì)提供幫助。隨著研究的深入，AMPK的調(diào)控機制必將會被闡明，并且AMPK更多的功能也會被揭示，這對于提高動物生產(chǎn)速率、實現(xiàn)最優(yōu)化營養(yǎng)調(diào)控提供了充分的理論依據(jù)、研究思路和試驗技術(shù)。

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