AMPK对宰后畜禽肌肉能量代谢的调节作用

陈鹏，孟丽

（北京英惠尔生物技术有限公司，北京 100081）

AMPK对宰后畜禽肌肉能量代谢的调节作用

陈鹏，孟丽

（北京英惠尔生物技术有限公司，北京 100081）

肉品质各性状的形成很大程度上受宰后肌肉pH的下降速度和程度所控制，异常的终末pH和宰后肌肉的高温环境的双重影响致使肌浆和肌红蛋白变性，导致肌肉颜色变白，持水能力下降。pH的下降与屠宰时刻肌肉能量有效性和需要量紧密相关。宰后肌肉通过糖原分解和糖酵解途径提供ATP满足能量需要，产物乳酸和H+的生成降低了pH。因此糖酵解途径的中间产物、调节糖酵解活性的能量信号途径和不同肌纤维的内在代谢方式都是影响肌肉pH和肉质的关键因素。近几年研究表明，AMP激活的蛋白激酶（AMPK）也参与了宰后肌肉能量代谢途径。文章综述了AMPK的结构特点和对物质代谢的调节作用，重点讲述了AMPK调节宰后肌肉糖酵解代谢，提高pH和肉质的可能性，以及利用硫辛酸通过改变AMPK活性提高肉品质的应用。

蛋白激酶；肌肉；能量代谢；硫辛酸

糖酵解途径是畜禽宰后肌肉组织生化代谢的关键代谢途径之一。大量的研究数据表明，快速和过度的宰后糖酵解是造成PSE猪肉的主要原因，家禽宰后的总体糖酵解速度更是猪肉的3倍[1]。无氧糖酵解能够引起乳酸堆积，进而导致pH的快速下降，这一生化过程成为公认的严重影响畜禽肉质量的原因。

AMPK是一种能在细胞能量消耗时，被腺苷一磷酸（AMP）激活，广泛存在于真核动物中，在进化中高度保守的氨酸或苏氨酸蛋白激酶。作为一种关键的代谢和应激传感器或效应器，AMPK在营养匮乏，剧烈运动，或热休克条件下被激活。激活的AMPK下游作用效果取决于很多因素，包括应激原的强弱和所观察的组织[2]。

1 AMPK的结构和活性调节

1.1 AMPK分子结构特点

AMPK分子是由α、β和γ亚基组成的异源三聚体。α亚基为催化亚基，β和γ为调节亚基。α、β、γ亚基存在不同的亚型，α1和α2，β1和β2，γ1、γ2和γ3。各亚基的组织分布不同，α1广泛分布于全身各组织中，主要位于细胞质中；α2主要分布在骨骼肌、心脏和肝脏中，且大部分位于细胞核内；β1具有广泛的组织分布性；而β2主要分布在骨骼肌、心脏和胰腺中。γ1和γ2分布较广，而γ3只特异性地在骨骼肌中表达。α亚基是AMPK发挥活性所必需的，β和γ亚基调节AMPK活性，保证其发挥最大活性。α亚基中的数个位点（苏氨酸172、苏氨酸258、丝氨酸485等）均可被磷酸化，其中苏氨酸172位点（Thr172）的磷酸化是AMPK的活化所必需的。因此，无论是α、β、γ形成的AMPK复合物，还是单独的α激酶结构域，都需要α亚基Thr172的磷酸化才具有活性。

1.2 AMPK的活性调节

各种生理变化和病理应激通过增加ATP消耗或者减少ATP产量改变了细胞AMP/ATP比例，AMPK作为应答被激活。活化的AMPK将细胞由合成代谢转变为分解代谢，关闭了ATP消耗途径，开始了ATP合成途径，进而恢复能量的平衡状态。除了应答代谢应激，AMPK还可以被上游AMPK激酶（AMPKK）所激活，包括LKB-1，CA2+/ calmodulin依赖蛋白激酶激酶（CaMKK）。AMPK还可以被各种药物和化合物所激活，例如5-氨基-4-咪唑羧基酰胺核苷（AICAR），肾上腺素能药，异丙肾上腺，抗糖尿病药物（二甲双胍、罗西格列酮、和来普汀）。研究表明，这些化合物通过较小程度减弱ATP合成间接激活AMPK。激活主要有两种途径，通过AMP途径和不依赖AMP的途径。

2 AMPK活性对宰后肌肉糖酵解途径的影响

AMPK的活化对物质代谢的影响是多方面的，概括为在脂肪代谢方面，AMPK可抑制甘油二酯和甘油三酯的合成，抑制脂肪酸和固醇的合成，可促进脂肪酸的β-氧化；在碳水化合物代谢方面，AMPK可促进肌细胞对葡萄糖吸收，抑制糖异生、糖原合成和糖酵解。

2.1 AMPK调节糖酵解的生化机理

越来越多的研究认为AMPK的活性变化不仅标志着正常代谢的能量变化，而且也感受和反馈细胞的应激反应，包括局部缺血。体内试验表明，AMPK在缺血的心肌和骨骼肌中被激活[3-4]。AMPK在缺氧应激时同样可以提高骨骼肌中AMPK的活性[5]。类似的，当畜禽被屠宰时，所有的肌纤维都变成低氧缺血状态，宰后的肌肉能量代谢转为无氧糖酵解，AMP/ATP的比例快速增加。AMP结合到AMPK使其成为其上游激酶AMPK激酶（AMP⁃KK）的良好底物。

活化的AMPK通过两种方式影响糖酵解。AMPK能够激活磷酸化酶激酶，激活的磷酸化酶激酶再激活糖原磷酸化酶，加强糖原分解；AMPK能够磷酸化磷酸果糖激酶（PFK-2），该酶催化形成果糖2，6-二磷酸。果糖2，6-二磷酸是糖酵解的限速酶PFK-1的变构激活剂[2,6]。因此，AMPK激活间接的增加了糖酵解的进程，使其成为调节肉质的关键控制点。因此，AMPK在调节宰后肌肉糖酵解过程中扮演着重要的作用。

2.2 AMPK活性对肉质性状的影响

AMPKγ3的突变提高了猪肉糖原含量70%，降低了终末pH和持水力，首次证明了AMPK能够控制宰后糖酵解代谢[7]。之后很多试验围绕AMPK在宰后糖酵解的作用展开。在小鼠试验中，饲喂AMPK的特异激活剂AICAR，或者诱导小鼠运动都提高了AMPK活性，并且降低了宰后肌肉的终末pH。相反AMPK基因敲除的小鼠无论是否受到运动应激都会有较高的终末pH[8]。宰前应激通过激活糖原磷酸化酶显著加速了糖原分解，AMPK在维持宰后肌肉在糖原分解和糖酵解途径中起了重要作用。但是AMPK的激活无法完全解释由应激引起的早期糖酵解。

进一步研究结果表明，是宰前应激激活的β-肾上腺素受体通路激活了糖原磷酸化酶，导致了宰后早期短暂的快速糖酵解，同样表明，激活AMPK能维持糖原磷酸化酶和丙酮酸激酶的活性，引起持久的糖酵解和较低的终末pH[9]。这些数据反映出的AMPK的变化趋势表明小鼠骨骼肌宰后代谢的增加是部分由宰前AMPK磷酸化状态控制的。为了消除活体AMPK激活对宰后代谢的影响，给小鼠腹下注射compound C（AMPK特异抑制剂），和前面的试验结果相同，宰后糖酵解和pH的下降都被抑制[10]。结果表明，由运动、应激和药物激活的AMPK能够影响早期宰后pH的下降速度和程度，因此可以成为控制肉质的分子调控点。

在猪的试验中，把宰前运输作为应激原，检测AMPK活性和猪肉的宰后能量代谢状况，和小鼠的试验结果不完全相同，受运输应激影响，猪肉的AMPK活性在宰后最早期就最先达到最高水平，同时（AMP+IMP）/ATP比例也显著增高[10]。和AMPK变化一致的是PFK-2的活性。糖原磷酸化酶可能由于宰后早期阶段猪肉较高的温度和较低的pH而失活。和宰后小鼠肌肉pH相比，宰后猪肌肉的pH很低，另外猪肉较大的体积也限制了热量的散发。这两个原因导致了糖原磷酸化酶的失活。

瘦肉型猪种氟烷基因（HAL）的携带频率较高，该基因是影响肉品质性状的一个主效基因。HAL突变猪和正常猪相比，宰后肌肉糖原代谢速度很快，早期乳酸快速堆积，易受应激或产生PSE肉。Shen等研究了宰前早期AMPK激活和PSE猪肉的关系，结果表明，HAL猪肉的快速糖酵解部分也是由于宰前早期AMPK的激活[10]。尽管AMPK可以因AMP/ATP的增加而激活，但是在此试验中宰后早期的AMP/ATP在PSE猪肉和正常猪肉中差别不显著，而（AMP+IMP）/ATP变化和AMPK的变化一致。宰后肌肉中的AMP转化为IMP，二者之和才能反映宰后肌肉AMP的总量，一致表明了是细胞AMP水平的增高激活了AMPK。然而在宰后0和0.5 h，尽管AMPK都被激活，但是（AMP+IMP）/ ATP和AMP/ATP都没有差别，暗示还有其他的机制导致AMPK的早期激活。在一些心脏局部缺血的试验中，尽管AMP/ATP没有变化，AMPK也仍然被激活。最近的研究表明，CaMKK是一种AMPK上游的激活剂，在AMP/ATP没有变化的情况下，也可以激活AMPK。

在反刍动物试验中，研究宰后羊肉AMPK的活化程度对糖酵解的影响，进而对肉质的影响。结果表明，宰后羊肉的保存温度越高，AMPK越容易被激活，肉的糖酵解和成熟速度越快，且同龄羊的不同部位肌肉中AMPK活性和糖酵解也存在差异，运动量大的部位AMPK活性高，糖酵解速度快[12-13]。

3 硫辛酸对糖酵解的调节作用

3.1 硫辛酸的生物学功能

α-硫辛酸（LA），化学名为1，2-二硫戊环-3-戊酸，分子式是C8H14O2S2，相对分子质量为206.33，由Lester Reed等在1951年分离并确认了其分子结构。存在R-和S-两种构型，在生物体中只有R-是必需的。由于LA是能量代谢中辅酶和细胞氧化状态的调节因子，在能量代谢和氧化还原反应中起到重要的作用。LA在不同组织的多样性作用可以归纳为抗氧化作用、金属螯合、参与免疫和Ⅱ阶段酶诱导的转录反应，细胞信号反馈，尤其在对心血管和葡萄糖代谢中起重要作用[13]。

3.2 硫辛酸对AMPK的影响

硫辛酸对AMPK的作用位置可以是外周组织还可以是下丘脑，有研究表明，硫辛酸可以通过抑制下丘脑AMPK的活性发挥抗糖尿病的作用，通过激活骨骼肌AMPK提高胰岛素的敏感性而降低血糖[3,14]。

Shen等研究了对小鼠宰后肌肉AMPK的影响，试验结果表明，在宰后0 h，LA组小鼠肌肉的AMPK的活性要高于对照组，然而宰后1 h和24 h，对照组小鼠肌肉AMPK的被大幅度激活，且高于硫辛酸组小鼠AMPK的活性[10]。LA下调宰后肌肉的AMPK的机制还不清楚，但是可能和反馈抑制有关。反馈抑制在细胞通路中是很常见的机制。AMPK对能量代谢有中心调控作用，LA诱导的体内AMPK活化提高了分解代谢，抑制了合成代谢，然而这一过程如果不及时的调整，对机体是有害的。这时AMPK的反馈抑制作用防止AMPK的过度激活。这种反馈抑制可能减弱了宰后AMPK的活化，因此，降低了宰后肌肉的AMPK活性。

3.3 硫辛酸对肉质的影响

在屠宰前5 d开始每天添加LA 600 mg，显著提高了猪背最长肌45 min pH，同时也降低了肌肉的滴水损失[15]。研究表明，LA组小鼠宰后肌肉的pH显著高于对照组，这与其AMPK活性的变化相关性很大，pH越高，AMPK活性越低。LA抑制了宰后AMPK活性，下调了糖原磷酸化酶的活性，抑制了宰后肌肉糖酵解[9,11]。也有研究表明，LA通过其氧化活性和线粒体的解耦联抑制小鼠比目鱼肌的糖原合成[16]。

4 结论

AMPK途径不仅存在于哺乳动物中，也存在于鸡的各组织中，并和哺乳动物具有同样的特点[17]。Sibut认为鸡肉中AMPK蛋白激酶也可以作为调控宰后肌肉代谢和肉质的关键点[18]。因此，日粮中添加硫辛酸提高了肉仔鸡宰后胸肌和腿肌的24 h pH，抑制了AMPK的活性，降低了糖酵解过程中关键酶的活性[19-20]。

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The Effects of AMPK on the Energy Metabolism of Postmortem Muscle for Meat Animals

CHEN Peng,MENG Li
（Beijing Enhalor Biotechnology Co.,Ltd.,Beijing 100081,China）

The development of various indexes of meat quality was to a large extent affected by the rate and de⁃gree of pH declining after the meat animals slaughtered.For example,the dual effect of abnormal ending pH and the high temperature of postmortem muscle leaded to meat color changing from red to white due to the structure change of myoplasm and myoglobin.The ATP need of postmortem muscleis provided by glycogenolysis and glycolysis,in these two processes of which lactic acid and H+are produced with pH declining.Therefore,the key factors of affecting the meat quality included the intermediate products of glycolysis,the signal pathways of energy for regulating glycolysis activity and metabolic ways to different muscle type.In recent years,adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase(AMPK)has been found involving in the energy metabolism of postmortem muscle.This paper reviewed the structure characteristics and its regulating role in energy metabolism.And it was also explored that the possibility of application of liopic acid to improve meat quality through regulating AMPK activity to increase the pH value of post⁃mortem muscle.

AMPK;muscle;energy metabolism;lipoic acid

Q55；S814

A

1001-0084（2017）03-0010-04

2017-02-03

陈鹏（1983-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，主要从事生物饲料和添加剂的研究。