简述AMPK及其在脂肪组织中的功能表现

康青凌

（浙江大学教育学院，浙江 杭州 310000）

简述AMPK及其在脂肪组织中的功能表现

康青凌

（浙江大学教育学院，浙江 杭州 310000）

在真核生物中，AMPK是人体内调节能量平衡的重要物质。它能通过开启增加能量的通路和关闭消耗能量的通路两个途径达到调节的目的。在脂肪组织中激活AMPK，会有利于改善胰岛素抵抗的情况，而且减少脂肪细胞内细胞因子的分泌，相信会对于治疗肥胖和Ⅱ型糖尿病有所裨益。

AMPK、脂肪酸氧化、胰岛素

在真核生物中，AMPK（The 5'-AMP-activated protein kinase），即单磷酸激活的蛋白激酶，是人体内调节能量平衡的重要物质。它能通过开启增加能量的通路（葡萄糖转运、脂肪酸氧化）和关闭消耗能量的通路（脂肪生成、蛋白质生成和糖异生）两个途径来达到调节的目的。众所周知，脂肪酸在胰岛素抵抗中发挥着非常重要的作用。而在脂肪组织中激活AMPK，有利于改善胰岛素抵抗的情况，而且减少脂肪细胞内细胞因子的分泌，相信会对于治疗肥胖和Ⅱ型糖尿病有所裨益。

1 AMPK概况

1.1 AMPK的基本功能

AMPK能感知细胞能量代谢状态的改变，并通过影响细胞物质代谢的多个环节维持细胞能量供求平衡。它的活化促使周围组织的代谢恢复平衡：在骨骼肌，使葡萄糖摄取和脂肪酸氧化增加，并促进线粒体的生物合成；在肝脏，抑制葡萄糖和脂质的合成，促进脂质氧化；在脂肪组织，减少了脂质分解和脂质生成。此外，在整体水平，通过激素、细胞因子和胞外配体调控能量摄入和消耗。因此，AMPK被认为是调节细胞能量代谢的开关，有人将之称为“细胞能量调节器”。

1.2 AMPK的结构与分布

AMPK在真核细胞生物中广泛存在，属丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。它是一种异源三聚体，由一个具有催化作用的α亚基和两个功能、结构不同、具有调节作用亚基β和γ亚基构成。其中，α、β分别有两种同源异构体，为α1、α2、β1、β2，而γ有三种同源异构体，为 γ1、γ2、γ3。其中，α1主要分布于肾、肝、肺、心脏和脑； α2主要分布在骨骼肌、心脏和肝脏；β1在肝脏高表达，在骨骼肌中低表达；而β2恰好相反。γ1、γ2广泛分布于各组织细胞，γ3仅在骨骼肌中含量较高。

2 AMPK的激活

2.1 当动物机体在应激、局部缺血、缺氧、运动以及渗透压改变等情况下，体内的能量状况发生改变，此时，体内AMP的浓度升高，AMP/ATP的比值上升，AMPK的活性就会升高，从而使细胞能量得到迅速恢复。

2.2 AICAR和AMPK的上游的AMPKK家族

2.2.1 AICAR（5-amino-4-imidazolecarboxamide-riboside，AICAR）即5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸，是一种目前研究中应用较多、体外人为提供的的AMPK激活剂。AICAR是腺苷的类似物，它在细胞里转换为环腺苷-磷酸衍生物5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-ribofuranosyl-5，-monophate（ZMP）。ZMP是AMP的类似物，具有激活AMPK的作用。

2.2.2 人体内应激产生的AMPK可能激活剂。AMPKK（The 5'-AMP-activated protein kinase kinase）是AMPK的上游激酶。LKB1和CaMKK是现在得到公认的AMPK的有效激活剂，而CP也可能是AMPKK家族的成员。（图1）

图1 AMPK的结构以及调节作用

AMPK是一种异源三聚体结构的物质，含有α、β和γ3种亚基，可以被上游激酶——CaMKK和LKB1磷酸化其Thr172亚基所激活。其中，CaMKK是因为细胞内钙离子浓度改变发挥作用，而LKB1激活是因为体内AMP/ATP的浓度上升造成的。一般而言，AMPK是通过激活能量产生通路（例如，脂肪代谢和葡萄糖摄取）的同时，关闭能量消耗通路（例如，蛋白质合成）这两条途径来调节能量平衡的。

LKB1，又叫STK11（serine/threonine protein kinase 11），是由lkb1基因编码的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族的成员，是一种抑癌因子。当机体遭受应激导致能量消耗、体内AMP的浓度上升时，LKB1可以磷酸化并激活AMPK，来缓解应激，保护动物机体。实验表明，在敲除LKB1基因的心肌中，AMPK2的活性显著下降，而且缺氧或缺血处理后不能提高其活性；同时，AMPK下游底物ACC的磷酸化也显著降低。这说明LKB1在AMPK活化中的不可缺少的地位，它是AMPKK家族的一员。

最近的研究证实了CaMKKα和β也很有可能也是一种AMPK的上游蛋白激酶。钙离子的离子载体能够在LKB-1缺失的细胞中激活AMPK。当细胞内的钙离子升高时，CaMKK便激活AMPK。但是，这个过程可能被CaMKK的干扰RNAs和STO-609所限制。和LKB-1的普遍表达不同的是，CaMKK α和β在大脑，特别是下丘脑中表达较高，而在周缘组织中的表达比较低。此外，和LKB1机制不同，CaMKK激活AMPK和AMP/ATP的比例没有什么直接的关系。

除了以上两种已得到公认的上游激活剂，也有研究显示磷酸肌酸（CP）也可能通过变构像的方法来压制AMPK的活动。而当剧烈运动时，体内的磷酸肌酸浓度迅速下降，而其对AMPK的压制作用有所消除，AMPK的作用得以发挥。但是，最近又有学者提出，磷酸肌酸（CP）并不是直接影响AMPK的活动，而是在运动中通过缓冲、保持肌肉内ATP浓度、减少体内AMP堆积的方法来完成对AMPK活动的调节的。

3 AMPK在脂肪组织中的功能表现

3.1 与脂肪合成和甘油三酯合成

AMPK调节的第一种蛋白质是acetyl-CoA carboxylase（ACC，乙酰辅酶A梭化酶）。ACC是脂肪生成的通路上的关键酶，它能够催化acetyl-CoA（乙酰辅酶A）合成malonyl-CoA（丙二酸单酰辅酶A）。

已经有好几处资料都报道过，在脂肪细胞中，使用AICAR后，AMPK被激活，磷酸化ACC并使之失活，而且同时伴随着脂肪生成率的降低。与此形成鲜明对比的是，在过度表达的负性相关形式的AMPK 脂肪细胞中，使用AICAR或异丙肾上腺素等后，AMPK对ACC的磷酸化的作用被并没有表现出来。同样，通过运动的方式激活在脂肪细胞中的AMPK后，也能够使ACC活性的下降，malonyl-CoA的浓度降低，进而使甘油三酯的合成的一种重要的酶——甘油酰基转运酶减少，最终降低了甘油三酯的合成。

综上所述，脂肪组织中的AMPK的激活能够减少脂肪和甘油三酯的合成。

3.2 与脂肪分解

脂肪组织的一项功能，是通过脂解的途径分解甘油三酯，为外周组织提供脂肪酸和甘油作为能量。而胰岛素，通过抑制激素敏感脂肪酶的活性，来控制脂肪组织中游离脂肪酸的释放。

Ⅱ型糖尿病，一个主要的特征是脂肪的高循环率。至于它的发病原因，部分是因为胰岛素失活，在脂肪组织中进而脂解不受到限制所致。由脂肪细胞所释放的游离脂肪酸增加，提高了脂肪的循环率，并且游离脂肪酸会和异位脂肪相结合造成堆积，因此在骨骼肌和肝脏中出现胰岛素的分泌被β细胞破坏以及胰岛素抵抗的现象。

有好多的资料都表明，AMPK有抑制脂解的作用。在大鼠脂肪细胞中AICAR激活后的AMPK能够对抗由异丙肾上腺素所诱发的脂肪水解。而从另一个角度来看，AMPK失活后，脂肪细胞中的脂解会增加。AMPK在独立的脂肪细胞中，抑制脂解，通过增加ACC的磷酸化被AICAR激活后。AMPK也显示处在全身控制脂解的作用，在高脂饮食的条件下。当大鼠的AMPKα2被敲除后，大鼠的体重和脂肪数量有明显的增加。也证实了AMPK能促进脂肪水解。

那AMPK是在脂肪组织中限制脂解的机制是怎样的呢？最近，有两种在脂肪组织中控制甘油三酯水解的限速酶被发现。

3.2.1 激素敏感脂肪酶（Hormone-sensitive lipase，HSL） HSL是一种脂解的限速酶，它能够水解甘油三酯、甘油二酯和胆固醇酯，其中，在甘油二酯中的活动最为活跃。脂解因子，例如，肾上腺素激活剂β（β-adrenergic agonists）能够通过提高细胞内AMP的浓度来快速调节HSL的活动。因此，AMP通过蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）的活化，使HSL磷酸化，增加HSL的内在活性并提高它在脂滴上的移位作用。有实验证实，在脂肪细胞中，AMPK在Ser-565上增加对HSL的磷酸化，并清除了异丙肾上腺素导致的脂滴的转位，为脂解发生扫清了障碍。

3.2.2 甘油三酯脂肪酶（triglyceridelipase,ATGL） 第二种脂解限速酶是在HSL敲除的大鼠实验中被发现的。在这种HSL敲除的大鼠身上，脂肪组织的总数量减少，甘油二酯数量巨大，脂肪组织中的胆固醇酯水解活动已经察觉不到，但总的基础脂解率保持正常。研究者认为，这是甘油三酯脂肪酶（triglyceridelipase，ATGL）在起作用。进一步实验，证实了ATGL对与甘油三酯水解的作用如同HSL对甘油二酯的水解作用一样重要。

综上所述，在体内能量平衡受到破坏时，AMPK会被激活。而激活后的AMPK会限制脂肪酸和甘油三酯的合成，并限制脂肪水解。能量代谢紊乱是早期Ⅱ型糖尿病及肥胖的重要病因，因此，对AMPK的作用和信号通路做更多的了解，对Ⅱ型糖尿病和肥胖的防治具有重要的意义。

3.3 与脂肪氧化

被激活的AMPK在脂肪组织中，增加脂肪酸氧化。是通过两种模式并行来实现的。

第一种模式中，线粒体解偶联蛋白 1（uncoupling mitochondrial protein，UCP-1）在脂肪细胞中过度表达。UCP-1会促进燃料分子（糖、脂肪、蛋白质）的消耗，导致AMP/ATP的比值上升，激活AMPK，使ACC磷酸化并失活，因此减少脂肪合成。

ACC被激活的AMPK所磷酸化并失去活性，malonyl-CoA的浓度降低，减少对肉碱脂酰转移酶1（carnitine palmitoyltransferase I，CPT-1）的抑制作用。而CPT-1是脂肪酸进入线粒体的限速酶，一个重要的“开关”。伴随着malonyl-CoA的浓度降低，CPT-1“门户大开”，致使更多的脂肪酸得以进入线粒体中进行氧化。

如图2所示，Acetyl-CoA、MCA分别通过ACCβ和MCD的作用来进行反应，这是一个循环的过程。而AMPK能够在促进MCD作用的同时，磷酸化ACCβ并使之失活。这样，MCA通过MCD的作用生成Acetyl-CoA不受AMPK作用的影响，而ACCβ因为失活而致使MCA生成减少。

CPT-I是脂肪酸进入线粒体基质的重要限速酶。通常情况下，MCA对CPT-I是起着抑制的作用。而由上所知，MCA的生成减少，CPT-I受到的限制减小，因此，更多的脂肪酸被线粒体基质摄取并氧化。

第二种模式，瘦素是一种细胞因子，它的数量与人体内脂肪组织的数量成比例。它在下丘脑核群中发挥减少食物摄入的作用，并且生热作用。此外，它还能提高体内的胰岛素敏感性。瘦素还在脑以外的地方，通过与AMPK的相关作用，来促进肌肉和肝脏部位的脂肪酸氧化。而在脂肪组织有高瘦素表达的大鼠身上检测发现，他们的解偶联蛋白1和2的表达都有所增加，AMPK激活，ACC被磷酸化而失活，进而造成脂肪酸的摄取和氧化都增加。

作为“细胞能量调节器”，AMPK被激活后即，可磷酸化下游靶蛋白，关闭消耗ATP的合成代谢途径，开启产生ATP的分解代谢途径，依次保证体内的能量平衡。而在脂肪细胞中，AMPK能够抑制脂肪酸的合成和分解，促进脂肪酸氧化。以上的这些作用，都能够减少体内的可利用脂肪酸的数量。而脂肪酸的大量存在是胰岛素抵抗产生的重要原因。因此，AMPK在脂肪组织中激活，减少脂肪酸数量，对于胰岛素抵抗、Ⅱ型糖尿病和肥胖的防治具有重要的意义。

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G808

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1674-151X（2011）12-039-03

投稿日期：2011-09-11

康青凌，在读硕士研究生。研究方向：体育教育训练学。

10.3969/j.issn.1674-151x.2011.12.018