結構生物化學/AMPK
AMP啟用的蛋白激酶，或AMPK，是一種眾所周知的能量感測器，能夠調節通路以增加細胞中ATP的含量。然而，最近的研究表明，AMPK也是一種通用的應激感測器，在應激期間在維持細胞內穩態中發揮重要作用。
AMPK是一種可以在大多數真核生物（如酵母、植物和人類）中發現的酶。哺乳動物AMPK是“由一個催化亞基（α-亞基）和兩個調節亞基（β-和γ-亞基）組成的異三聚體複合物”。每個亞基有多種亞型，它們由分佈在幾個染色體上的特定基因編碼。
AMPK的α-亞基包含多個結構域：催化結構域（位於N端）、C端結構域和自身抑制結構域。C端結構域允許與β-和γ-亞基相互作用。催化結構域，也稱為激酶結構域，包含殘基Thr172。該殘基對AMPK啟用至關重要：Thr172的磷酸化允許AMPK啟用。儘管研究人員一致認為Thr172是AMPK的一個重要位點，但關於AMP結合的影響仍然存在進一步的爭論。最初，有人提出“AMP透過促進上游激酶在Thr172處對AMPK的磷酸化來促進AMPK啟用”。然而，最近的研究表明“AMP結合也抑制Thr172的去磷酸化”。[1]
AMPK的β-亞基也包含多個結構域。這些包括位於C端的α-和γ-結合結構域以及位於N端的糖原結合結構域。位於C端的結構域允許穩定其他兩個AMPK亞基之間的相互作用，而位於N端的結構域將AMPK靶向糖原。這種靶向是透過連線到β-亞基N端區域的碳水化合物結合模組（CBM）實現的。
AMPK的γ-亞基有四個結構域，所有這些結構域都是胱硫醚β-合成酶（CBS）結構域。這些結構域協調結合AMP、ADP和ATP，使AMPK γ-亞基能夠“透過催化α-亞基的變構結構變化來調節AMPK啟用，調節上游激酶的磷酸化並調節Thr172的去磷酸化”。[1]
AMPK在調節細胞能量狀態中發揮重要作用。當細胞內AMP水平升高時，AMPK被啟用；這種啟用發生在AMPK的γ-亞基處，AMP可以在那裡結合。隨後，AMPK經歷變構結構變化，導致AMPK活性大幅增加。然而，如“AMPK結構”部分所述，AMPK亞基有多種亞型。亞基的不同亞型，特別是α-和γ-亞基，會影響AMP對AMPK的變構啟用程度；研究發現，“AMP在含有α2和γ2亞型的複合物中啟用程度最大；然而，在含有γ3亞型的複合物中，僅發生弱啟用”。[1]
在最近使用哺乳動物AMPK晶體結構的研究中，發現ADP可以結合到γ-亞基中的AXP（AMP/ADP/ATP）結合位點，從而保護AMPK免受去磷酸化，並因此使其活性更高。此外，AMP允許AMPK調控，因為當AMP結合到γ-亞基時，已觀察到上游激酶對Thr172的磷酸化增強，而各種蛋白磷酸酶對Thr172的去磷酸化受到抑制。
儘管AMPK透過變構調控進行調控，如上一小節所述，但AMPK也受上游激酶的調控。AMPK的兩個上游激酶包括肝激酶B1（LKB1）和Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶β（CaMKKβ）。在體外，純化的重組LKB1複合物磷酸化AMPK α-亞基上的Thr172。然而，與許多激酶不同，LKB1不被磷酸化啟用；相反，它受“與STRAD（Ste20相關銜接蛋白）和MO25（小鼠蛋白25）結合後從細胞核轉移到細胞質”的調控。[1] CaMKKβ作為AMPK上游激酶的發現是由於對LKB1缺陷細胞的研究。與LKB1啟用AMPK相反，CaMKKβ啟用AMPK依賴於細胞內Ca2+的增加。這種啟用通常發生在AMP不增加的情況下。
如“AMP/ATP比率對AMPK的調控”小節末尾所述，Thr172的去磷酸化可能是由各種蛋白磷酸酶引起的；兩種這樣的蛋白磷酸酶是PP2A和PP2C。因此，PP2A和PP2C可以使AMPK去磷酸化，從而抑制其啟用。一種已被提議用於調節AMPK活性的機制包括AMPK可以透過“由CIDEA（細胞死亡誘導DNA斷裂因子-α樣效應因子A）介導的泛素依賴性蛋白酶體降解”進行調節的概念。這一觀點得到了在AMPK β-亞基上發現的CIDEA結合位點的支援。另一個由其他證據支援的概念表達“AMPK β-豆蔻醯化在響應代謝應激訊號的上游激酶對AMPK的完全磷酸化和啟用中起關鍵作用”。[1]
由於AMPK參與疾病預防和治療，研究人員對發現和研究各種AMPK啟用劑產生了濃厚的興趣。截至今天，已經報道了許多啟用劑，包括直接和間接啟用劑。
在多種生理和病理條件下，AMPK 參與調節眾多靶點，使機體能夠適應這些條件。這些條件的一些例子包括缺氧、熱量限制 (CR) 和生理性運動。
缺氧是指機體或機體某個區域缺乏充足的氧氣供應。這可能發生在生理條件下，例如劇烈運動或氧氣含量較低的地方（例如高海拔地區），以及病理條件下，例如“貧血、通氣不足和肺纖維化”。[1] 缺氧是危險的，主要是因為完全缺氧會導致細胞死亡。然而，細胞能夠透過啟用適應性過程在氧氣減少的情況下存活下來，這種過程被稱為缺氧誘導因子-1 (HIF)。HIF 在適應低氧條件中發揮著核心作用。
雖然 AMPK 在缺氧條件下啟用的機制看起來有些複雜，但總的來說，可以認為這些機制取決於缺氧的程度。例如，研究人員已經確定，活性氧 (ROS) 和活性氮 (RNS) 在非嚴重缺氧期間的 AMPK 啟用中起著重要作用。事實上，在缺氧條件下，細胞內 AMP/ATP 水平保持恆定不變，而透過線粒體電子傳遞鏈進行的 ROS 產生則顯著增加。導致 AMPK 啟用的另一種機制是 ATP 產生減少；這種減少是由於“缺氧條件下 β-氧化的抑制”造成的。[1] 還有許多其他機制：過氧亞硝酸鹽 (ONOO-) 啟用內皮細胞中的 AMPK，而線粒體 RNS 是二甲雙胍啟用 AMPK 所必需的。
儘管研究人員已經確定在體育鍛煉期間 AMPK 啟用會增加，但 AMPK 啟用透過運動帶來的有益影響的具體機制尚不清楚。然而，一些發現證明 AMPK 啟用透過運動一定是有益的。AMPK 啟用會增加大鼠肌肉中的脂肪酸氧化和葡萄糖攝取。此外，5-氨基-4-咪唑甲醯胺核苷 (AICAR) 啟用 AMPK имитирует 訓練效果，並改善小鼠的運動能力。這些證據表明，運動期間 AMPK 的啟用具有益處。AMPK 還參與肌肉纖維型別變化調節。最近，使用“骨骼肌特異性 AMPKβ1/AMPKβ2 敲除小鼠”，一位研究人員“證明了 AMPK 在維持運動期間線粒體含量和葡萄糖攝取方面是必需的”。[1]
已經發現幾種生理激素和天然植物化合物能夠啟用 AMPK。其中一種分子是瘦素，一種由脂肪細胞分泌的激素。研究人員報告說，急性治療和慢性瘦素治療“都會增加齧齒動物骨骼肌中 AMPK 的表達和/或磷酸化”。[1] 這一發現表明了一種重要的機制，即瘦素透過該機制調節能量儲存。另一種由脂肪細胞產生的激素，稱為脂聯素，具有心臟保護作用，據信其功能是透過 AMPK 啟用機制實現的。兩種發現與 AMPK 啟用相關的天然化合物是白藜蘆醇和 berberine。白藜蘆醇存在於紅葡萄中，能夠延長壽命。這種能力被認為是由 AMPK 介導的。白鮮鹼，存在於Berberis 中，可以增加 AMPK 活性。儘管這些激素和天然化合物在 AMPK 的啟用中很重要，但這些物質用於啟用 AMPK 的具體機制仍在研究中。
根據王少斌、宋平、鄒明輝的說法，“研究中最廣泛使用的 AMPK 化學啟用劑是 AICAR”。[1] AICAR，在AMPK 由體育鍛煉啟用小節中提到，是 5-氨基-4-咪唑甲醯胺核苷，它是一種在細胞中轉化為單磷酸 AICAR (ZMP) 的化學物質。ZMP 能夠模仿 AMP 在啟用 AMPK 中的作用。另一種強效 AMPK 啟用劑稱為 2-脫氧-D-葡萄糖或 2-DG。這種分子是一種葡萄糖類似物，能夠阻斷葡萄糖利用來複制熱量限制 (CR) 的效果。最後，另一種用於臨床環境治療 2 型糖尿病的 AMPK 啟用劑是二甲雙胍。
研究 AMPK 抑制劑的重要性與研究 AMPK 啟用劑的原因相關——為了提高對各種疾病的理解、預防和治療。
雖然最近的研究表明啟用的 AMPK 有益於全身的能量穩態，但在高血糖水平下，AMPK 的啟用受到抑制。事實上，在動物模型中，葡萄糖會誘導急性高血糖，以及大鼠肌肉和肝臟中 AMPK 啟用水平的下降。然而，高血糖水平抑制 AMPK 啟用的確切機制尚未確定。類似地，高糖原條件可以抑制動物模型中 AMPK 的啟用：大鼠骨骼肌中 AMPK 的啟用在這些條件下會降低。有人提出，糖原透過與 AMPK 糖原結合域（存在於 AMPK 的β亞基中）結合來抑制 AMPK 的啟用。
研究人員觀察到，高脂飲食的小鼠“在多個組織和器官中，包括骨骼肌、心臟、肝臟和下丘腦，AMPK 的磷酸化和蛋白質表達受損”。[1] 其他以棕櫚酸酯為富集飲食的小鼠表現出 PP2A 介導的 AMPK 去磷酸化的增強，這隨後會抑制 AMPK 的啟用。
研究表明，高蛋白飲食會降低 AMPK 活性，尤其是在下丘腦中。因此，神經肽 Y (NYP) 被抑制，食物攝取減少。類似地，其他細胞，特別是 C2C12 細胞，用亮氨酸處理後，AMPK 磷酸化減少，而哺乳動物 TOR (mTOR) 啟用增強。這些發現以及其他發現表明，AMPK/mTOR 通路參與氨基酸代謝的協調。
一種稱為化合物 C 的化合物被廣泛用作 AMPK 抑制劑。化合物 C 是一種“細胞通透性吡唑並嘧啶化合物”。[1] 但是，在使用化合物 C 時，研究人員必須考慮到化合物 C 也會靶向其他蛋白激酶。受化合物 C 影響的一些蛋白激酶包括細胞外訊號調節激酶 1 (ERK8)、磷酸化酶激酶 (PHK) 和 Ephrin A2 受體 (Ephrin-A2)。
營養不足和營養過剩都會導致細胞脅迫。當體內能量大量耗盡時，AMPK 會被強烈啟用，而在營養過剩的條件下會被抑制。因此，AMPK 在感知和調節營養脅迫中起著關鍵作用——AMPK 對維持細胞內能量穩態至關重要。
無論是生理還是病理狀態下，營養物質的耗竭都會導致細胞內AMP水平升高；這種升高隨後直接啟用AMPK。熱量限制（CR），作為AMPK的啟用劑，被認為可以透過延長壽命來促進人類健康。CR是指“在不影響日常營養需求的情況下，將熱量攝入減少20-40%”。[1] 此外，雖然其機制尚未完全闡明，但已提出了一些可能的機制。事實上，其中一個假設認為CR透過ROS介導的AMPK啟用來調節AMPK。
AMPK透過靶向特定底物來調節多個器官的能量平衡。例如，啟用的AMPK使乙醯輔酶A羧化酶（ACC）失活，從而抑制脂肪酸的合成並促進線粒體β-氧化；AMPK還抑制3-羥基-3-甲基戊二醯輔酶A（HMG-CoA）還原酶以減少膽固醇合成。AMPK的另一個功能是促進自噬的起始。自噬是“一種主要的保護機制，使細胞能夠在多種應激條件下，特別是營養物質耗竭的情況下存活”。[1] 雖然這些只是AMPK調節的少數幾個通路，但如此多不同功能的存在證明了AMPK參與了維持細胞內穩態的多個通路。
氧化應激是“促氧化劑和抗氧化劑水平之間的失衡”；[1] 它會導致大分子損傷和氧化還原訊號傳導和控制的破壞。通常，由氧化應激引起的大分子損傷是由自由基引起的，例如O2-、NO和OH-。在最近的研究中，AMPK被認為是一種氧化應激感測器和氧化還原調節劑。
如AMPK被缺氧啟用小節所述，活性氧物質或ROS參與了AMPK的啟用。這種ROS誘導的啟用被認為對許多藥物的益處具有重要意義。此外，已發現ROS在七氟醚實驗中透過依賴於ROS啟用的AMPK的機制，對大鼠心臟提供了缺血損傷的保護。其他能夠啟用AMPK的氧化物質包括過氧化氫和ONOO-，它們透過不同的機制發揮作用。
AMPK能夠充當氧化還原感測器，並因此被增加量的ROS/RNS啟用，這也使得AMPK在維持細胞內氧化還原狀態方面至關重要。這種控制是透過AMPK抑制NADPH氧化酶和線粒體產生的氧化劑，或AMPK促進抗氧化酶表達來實現的。
AMPK透過控制幾個對細胞生長和分裂很重要的通路來調節細胞增殖。AMPK被啟用後，透過控制細胞增殖所需的特異性過程來抑制細胞生長和分裂：AMPK可以“抑制生長因子和氨基酸對mTOR訊號通路的刺激，從而控制蛋白質合成”。其他研究表明AMPK可以控制CDKIs，這將是影響細胞生長控制的更直接的方法。例如，AMPK已被證明可以透過“調節p52 NF-кB-2依賴性Skp2（S期激酶相關蛋白2）調節的p27KiP1表達”來控制小鼠血管平滑肌細胞（mVSMC）的增殖。[1]
Song, Ping, Shaobin Wang, Ming-Hui Zou. "AMP啟用蛋白激酶、應激反應和心血管疾病。" http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3367961/。2012年9月1日。