腺苷单磷酸激活蛋白激酶参与调控心脏能量代谢的研究进展

，

腺苷单磷酸激活蛋白激酶(AMPK)是丝氨酸-苏氨酸激酶，作为代谢传感器，在心脏分解与合成代谢通路中起着协调作用。活化的AMPK可激活能量产生途径，减少能量消耗，恢复能量稳态，有助于心肌细胞的健康和生存[1]。健康的成人心脏在机体内相对其他器官具有更多的能量代谢需求，因此不断产生的三磷酸腺苷(ATP)对于维持心脏功能是非常必要的。研究表明，当氧气充足时，线粒体氧化磷酸化产生最大量的ATP(95%)。而在大多数情况下，心肌细胞使用约70%的ATP产生心脏收缩功能[2]，其余大部分ATP用于调节离子稳态[3-4]。在正常生理条件下，大部分心肌ATP由外源底物的分解代谢产生，外源底物主要由来自线粒体脂肪酸氧化(FAO)产生的脂肪酸和葡萄糖分解产生的碳水化合物组成。对FAO以及葡萄糖分解代谢进行有效和适当的管理，对于维护正常的心脏功能至关重要。因此，AMPK在调节心脏脂质代谢，葡萄糖分解代谢中发挥重要作用。本文主要对AMPK的结构、活化机制、参与心脏能量代谢做一综述。

1 AMPK概述

1.1 AMPK的结构 AMPK是由催化亚基(α)和2个调节亚基(β和γ)组成的异源三聚蛋白[5-6]。每个亚基具有由不同基因编码形成的两个或三个同种型。心脏表达α1和α2，β1和β2，γ1和γ2同种型[7]。在α亚单位的2种同种型中，α1同种型在内皮细胞中最丰富，而α2同种型在心肌细胞中更为主导[8]。α亚基具有负责AMPK活性的丝氨酸/苏氨酸激酶结构域，其包括由上游激酶调节的重要活化位点Thr172，Thr172是AMPK活化的主要调节位点[9]。β亚基作为其他两个亚基的支架。它具有糖原结合结构域，该结构域之一的生理作用可能是糖原代谢的控制。最广泛表达的γ同种型是γ1，几乎身体内的每种细胞类型和组织都表达了这种同种型[10]。γ2亚基在心脏、脑、胎盘和骨骼肌中表达，而γ3亚基存在骨骼肌中[11]。

1.2 AMPK的激活 AMPK的激活在很大程度上取决于细胞内的能量水平，由ATP浓度间接决定的。更具体地说，AMPK能够“感知”细胞能量水平是由AMP与ATP的比例决定[12]。当心脏利用ATP时，产生二磷酸腺苷(ADP)，该ADP最终可以转换成腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)[13]。通常，细胞中的AMP或ADP浓度是比ATP低得多，ATP的小幅下降会大幅增加AMP浓度[14]。细胞中AMP的增加的水平与γ亚基结合，导致AMPK复合物的构象变化，这导致Thr172上的α-亚基的磷酸化随后激活AMPK。AMPK对能量状态的变化非常敏感，即使在生理状态下，AMPK也可能在细胞中不断激活/失活，从而有助于维持细胞生存。

AMPK的活性主要由两个上游激酶调节：钙/钙调素依赖性蛋白激酶β(CaMKKβ)和肿瘤抑制因子(LKB1)[15]。其中LKB1是心脏中AMPK的主要上游激酶[16]。LKB1缺乏减弱了包含α2同种型的全酶的AMPK活化，表明LKB1主要调节心脏中的α2同种型。此外，LKB1的过度表达促进心肌细胞中的AMPK活化，抑制心肌细胞生长[17]，而心肌细胞特异性缺失LKB1导致AMPK活化和心肌细胞肥大[18]。

CaMKKβ也在心肌细胞中表达，其在心脏中的作用尚未明了[19]。此外，研究表明转化生长因子β激活激酶1(TAK1)直接调节酵母中的AMPK活性[20]。然而，在心肌细胞中，TAK1调节LKB1活性而不直接磷酸化AMPK，因此可能不是心脏中真正的AMPK激酶，综上这些发现，表明LKB1可能是心脏中最重要的AMPK激酶。

2 AMPK在心脏能量代谢中的作用

2.1 AMPK在调节脂质代谢中的作用 研究表明，健康心脏所需要的50%～75% ATP是由脂肪酸氧化产生。用于产生ATP的大部分脂肪酸(FAs)通过促进FA摄取的蛋白质，如FA转运酶(CD36)，质膜FA结合蛋白(FABPpm)和FA转运蛋白(FATP)进入心肌细胞。进入心肌细胞后，长链酰基辅酶A合成酶(ACSL)将FA酯化成长链酰基辅酶A酯，长链酰基辅酶A进入三酰基甘油(TAG)池，或在线粒体中进入β-氧化，最终产生ATP。从TAG池释放或在摄取后的长链酰基-CoA，通过肉碱棕榈酰转移酶(CPT)1在外线粒体膜转化成长链脂肪酰基肉碱后进入线粒体基质。进入线粒体基质后，CPT2将长链酰基肉碱转化为长链酰基辅酶A，然后将这些长链酰基辅酶A进入β-氧化产生乙酰辅酶A。乙酰辅酶A的氧化发生在三羧酸(TCA)循环中，产生NADH，FADH2，进而促使氧化磷酸化并随后产生大量的ATP。由于健康的心脏在很大程度上依赖于FAO产生的ATP，所以心脏对FAs的摄取和利用，对于维持适当收缩功能所需的足够的ATP供应至关重要。

AMPK激活可以诱导很多有助于增加脂质代谢的途径。二甲双胍和5-氨基咪唑-4-甲酰胺1-β-D-呋喃核糖苷(AICAR)激活AMPK后，增加心脏内皮脂蛋白脂肪酶(LPL)活性，增加的LPL可水解富含三酰基甘油的脂蛋白以增加心肌细胞的FA可用性。除了可以通过激活LPL向心肌细胞提供FAs外，AMPK还将FABPpm从细胞内存储转移到心肌细胞的肌膜中，而这有助于FA进入心肌细胞中。此外，由收缩引起的AMPK激活，通过增加在肌膜上定位的CD36的量并随后通过CD36依赖性机制增加FA摄取来促进心肌细胞中的FA吸收[21-23]。因此，AMPK的激活不仅增加了FA的可用性，而且促进了心肌细胞对FA的摄取，表明了AMPK在控制FA可用性和利用性中的重要作用。

AMPK调节FAO的核心是AMPK磷酸化和抑制乙酰辅酶A羧化酶(ACC1/ACC2)的能力，可抑制乙酰辅酶A转化为丙二酰辅酶A。由于丙二酰辅酶A可以通过抑制CPT1阻止FA进入线粒体[24-25]，依赖于AMPK途径可降低丙二酰辅酶A水平，进而导致FA进入线粒体的摄取增加[26]。虽然这种机制可能足以说明AMPK介导心脏中FAO的调节，但最近的研究表明，AMPK对ACC的抑制对于控制心肌的FAO不是至关重要的。事实上，在没有这种信号传导途径的情况下，与AMPK无关的代谢调整可以维持脂肪酸氧化率，从而表明脂肪酸氧化的额外监管机构可以补偿FAO对AMPK控制的损失。

2.2 AMPK在调节葡萄糖分解代谢中的作用 葡萄糖主要通过葡萄糖转运蛋白(GLUT)1和GLUT 4进入心肌细胞。进入细胞质后，葡萄糖经历磷酸化以产生葡萄糖6-磷酸，其进入糖原储存池或者针对糖酵解以进行分解代谢。心脏中存在一个小的糖原池(约30 μmol/g)，糖原转换率较高，糖原供应的葡萄糖6-磷酸产生约40%ATP。不管葡萄糖是作为糖原还是直接分解代谢，葡萄糖6-磷酸的糖酵解分解代谢产生丙酮酸，NADH和少量的ATP。由糖酵解产生的丙酮酸可能进入线粒体进行氧化或在细胞溶质中转化为乳酸盐[27]。对于前者，线粒体局部丙酮酸脱氢酶(PDH)复合物将丙酮酸转化为乙酰辅酶A，可用于TCA循环中以最终产生ATP。虽然糖酵解和/或糖原储存是心肌细胞中葡萄糖的主要来源，但葡萄糖-6-磷酸也可以进入戊糖磷酸途径(PPP)或己糖胺生物合成途径(HBP)。PPP通过葡萄糖6-磷酸脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶产生NADPH。HBP作为代谢传感器，调节葡萄糖，乙酰辅酶A和谷氨酰胺代谢状态。因此，尽管PPP和HBP在葡萄糖分解代谢方面发挥了较小的作用，仍然是心肌细胞能量代谢的重要调节因子。

除FAO可以产生能量外，葡萄糖代谢也有助于心脏中的ATP产生。正如对负责调节细胞能量稳态的激酶所预期的那样，AMPK还调节了许多有助于心脏中的葡萄糖代谢的途径。例如，在心肌细胞能量消耗的时期，AMPK的激活促进GLUT4向心肌细胞肌膜的转运，以增加葡萄糖摄取。此外，AMPK还可以抑制心肌细胞中GLUT4的内化，从而增加肌膜GLUT4含量，促进随后的葡萄糖转运。AMPK涉及Akt底物，160 kDa(AS160)- G蛋白Rab的GAP，蛋白激酶C(PKC)，内皮一氧化氮合酶(eNOS)和p38丝裂原活化蛋白激酶/转化生长因子β-激活蛋白激酶1结合蛋白复合物(TAB)1的磷酸化和活化，所有这些似乎都起到了抑制心肌细胞中GLUT4活化的作用。

AMPK除调节葡萄糖转运外，还参与控制糖酵解和糖原合成来调节葡萄糖代谢。在进入心肌细胞后，葡萄糖经历磷酸化以产生葡萄糖6-磷酸，其进入糖原储存池或被引导到不同途径，例如糖酵解或戊糖磷酸途径。对于糖酵解，AMPK活化促进通过磷酸化和磷酸果糖激酶2(PFK2)的激活间接地从葡萄糖-6-磷酸合成丙酮酸，其将果糖-6-磷酸转化为果糖-2，6-二磷酸酯。增加的果糖-2，6-二磷酸酯是PFK1的活化剂，并且PFK1将果糖-6-磷酸转化为果糖-1，6-二磷酸酯，这是糖酵解调节的关键步骤。AMPK通过对PFK2的调节，间接激活PFK1，通过这种机制有助于增加PFK1 糖酵解速率。

ATP足量产生的时候，过量的葡萄糖-6-磷酸不进入糖酵解途径被用于合成糖原[28]，进入糖原池以进行储存。糖原合成酶(GS)和糖原磷酸化酶(GP)调节细胞内糖原水平。许多激酶如糖原合酶激酶-3(GSK-3)、酪蛋白激酶Ⅱ、酪蛋白激酶Ⅰ、磷酸化酶激酶和PKA可以调节GS活性，最近的研究表明AMPK也可以抑制骨骼肌细胞中的GS活性。此外，AMPK通过激活骨骼肌中的GP活性来刺激糖原动员。因此，当细胞内ATP水平降低并且AMPK被激活时，糖原合成被阻止并且使糖原转化回葡萄糖。

研究表明AMPKα2蛋白在糖原水平的调控中起着重要的作用。事实上，尽管AMPKα1存在活性，在基础条件下敲除小鼠心脏中的AMPKα2降低了糖原水平。然而，敲除小鼠的心脏LKB1蛋白显示AMPKα2活性显著降低。这些研究表明AMPKα2蛋白对调节心脏糖原水平很重要。AMPK活性，对调节心脏糖原水平很重要。然而，尽管事实上AMPK似乎在调节心脏糖原水平方面发挥了关键作用，但没有明确的证据表明，AMPK通过与骨骼中所描述的相同的信号通路调控心脏糖原水平肌肉(即GS和GP)。

3 小 结

AMPK作为一种能量调控器，对心脏尤其是当心脏面临缺血性损伤对能量需求显著增加的时候具有重要作用。活化的 AMPK能够增加葡萄糖摄取和糖酵解，加速脂肪酸氧化增加心肌组织的能量供应，并能抑制心肌细胞凋亡来保护心肌组织。除了通过调节代谢量维持心肌细胞能量的平衡外，心脏中的AMPK信号也协调了包括蛋白质合成和转换，细胞器周转，翻译后乙酰化，自噬，凋亡，内质网应激的各种细胞过程。因此，尽管AMPK激动剂具有促进心肌细胞健康和生存的潜力，但由于AMPK在心肌细胞中发挥作用的不确定性，我们应该慎重地开发AMPK激活剂。

参考文献：

[1] Hardie DG,Ross FA,Hawley SA.AMPK:a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2012,13:251-262.

[2] Doenst T,Nguyen TD,Abel ED.Cardiac metabolism in heart failure:implications beyond ATP production[J].Circulation Research,2013,113(6)：709-724.

[3] Lopaschuk GD,Ussher JR,Folmes CD,et al.Myocardial fatty acid metabolism in health and disease[J].Physiological Reviews,2010,90(1)：207-258.

[4] Stanley WC,Recchia FA,Lopaschuk GD.Myocardial substrate metabolism in the normal and failing heart[J].Physiological Reviews,2005,85(3)：1093-1129.

[5] Zaha VG,Young LH.AMP-activated protein kinase regulation and biological actions in the heart[J].Circulation Research,2012,111(6)：800-814.

[6] Kim AS,Miller EJ,Young LH.AMP-activated protein kinase:a core signalling pathway in the heart[J].Acta Physiologica,2009,196(1)：37-53.

[7] Dyck JRB,Lopaschuk GD.AMPK alterations in cardiac physiology and pathology:enemy or ally?[J].Journal of Physiology,2006,574(Pt 1)：95-112.

[8] Iii R RR,Li J,Coven DL,et al.AMP-activated protein kinase mediates ischemic glucose uptake and prevents postischemic cardiac dysfunction,apoptosis,and injury[J].Journal of Clinical Investigation,2004,114(4)：495-503.

[9] Woods A,Vertommen D,Neumann D,et al.Identification of phosphorylation sites in AMP-activated protein kinase (AMPK) for upstream AMPK kinases and study of their roles by site-directed mutagenesis[J].Journal of Biological Chemistry,2003,278(31)：28434-28442.

[10] Young LH,Li J,Baron SJ,et al.AMP-activated protein kinase:a key stress signaling pathway in the heart[J].Trends in Cardiovascular Medicine,2005,15(3)：110-118.

[11] Pinter K,Grignani RT,Watkins H,et al.Localisation of AMPK gamma subunits in cardiac and skeletal muscles[J].J Muscle Res Cell Motil,2013,34:369-378.

[12] Hardie DG,Carling D.The AMP-activated protein kinase--fuel gauge of the mammalian cell?[J].European Journal of Biochemistry,1997,246(2)：259-273.

[13] Kim M,Shen M,Ngoy S,et al.AMPK isoform expression in the normal and failing hearts[J].Journal of Molecular & Cellular Cardiology,2012,52(5)：1066-1073.

[14] Cantó C,Gerhart-Hines Z,Feige J N,et al.AMPK regulates energy expenditure by modulating NAD+ metabolism and SIRT1 activity[J].Nature,2009,458(7241)：1056-1060.

[15] Baron SJ,Li J,Russell RR,et al.Dual mechanisms regulating AMPK kinase action in the ischemic heart[J].Circulation Research,2005,96(3)：337-345.

[16] Woods A,Johnstone SR,Dickerson K,et al.LKB1 is the upstream kinase in the AMP-activated protein dinase cascade[J].Current Biology Cb,2003,13(22):2004-2008.

[17] Sakamoto K,Zarrinpashneh E,Budas GR,et al.Deficiency of LKB1 in heart prevents ischemia-mediated activation of AMPKα2 but not AMPKα1[J].American Journal of Physiology Endocrinology & Metabolism,2006,290(5)：E780-E788.

[18] Ikeda Y,Sato K,Pimentel DR,et al.Cardiac-specific deletion of LKB1 leads to hypertrophy and dysfunction[J].Journal of Biological Chemistry,2009,284(51):35839-35849.

[19] Hardie DG.AMP-activated protein kinase:the guardian of cardiac energy status[J].Journal of Clinical Investigation,2004,114(4)：465-468.

[20] Tian W,Li W,Chen Y,et al.Phosphorylation of ULK1 by AMPK regulates translocation of ULK1 to mitochondria and mitophagy[J].Febs Letters,2015,589,(15):1847-1854.

[21] Nagendran J,Waller TJ,Dyck J R.AMPK signalling and the control of substrate use in the heart[J].Molecular & Cellular Endocrinology,2013,366(2)：180-193.

[22] Luiken JJ,Coort SL,Willems J,et al.Bonen A,Contraction-induced fatty acid translocase/CD36 translocation in rat cardiac myocytes is mediated through AMP-activated protein kinase signaling[J].Diabetes,2003,52(7)：1627-1634.

[23] Kim TT,Dyck J RB.The role of CD36 in the regulation of myocardial lipid metabolism [J].Biochim Biophys Acta,2016,1861(10)：1450-1460.

[24] Dyck JR,Hopkins TA,Bonnet S,et al.Absence of malonyl coenzyme A decarboxylase in mice increases cardiac glucose oxidation and protects the heart from ischemic injury[J].Circulation,2006,114(16)：1721-1728.

[25] Reszko AE,Kasumov T,David F,et al.Regulation of malonyl-CoA concentration and turnover in the normal heart[J].Journal of Biological Chemistry,2004,279(33)：34298-34301.

[26] Kudo N,Gillespie JG,Kung L,Characterization of 5'AMP-activated protein kinase activity in the heart and its role in inhibiting acetyl-CoA carboxylase during reperfusion following ischemia[J].Biochimica Et Biophysica Acta,1996,1301(1/2)：67-75.

[27] Samovski D,Su X,Xu Y,et al.Insulin and AMPK regulate FA translocase/CD36 plasma membrane recruitment in cardiomyocytes via Rab GAP AS160 and Rab8a Rab GTPase[J].Journal of Lipid Research,2012,53(4):709-717.

[28] Nagendran J,Waller TJ,Dyck JR.AMPK signalling and the control of substrate use in the heart[J].Molecular & Cellular Endocrinology,2013,366(2)：180-193.