结构生物化学/AMPK
AMP激活的蛋白激酶，或AMPK，是一种众所周知的能量传感器，能够调节通路以增加细胞中ATP的含量。然而，最近的研究表明，AMPK也是一种通用的应激传感器，在应激期间在维持细胞内稳态中发挥重要作用。
AMPK是一种可以在大多数真核生物（如酵母、植物和人类）中发现的酶。哺乳动物AMPK是“由一个催化亚基（α-亚基）和两个调节亚基（β-和γ-亚基）组成的异三聚体复合物”。每个亚基有多种亚型，它们由分布在几个染色体上的特定基因编码。
AMPK的α-亚基包含多个结构域：催化结构域（位于N端）、C端结构域和自身抑制结构域。C端结构域允许与β-和γ-亚基相互作用。催化结构域，也称为激酶结构域，包含残基Thr172。该残基对AMPK激活至关重要：Thr172的磷酸化允许AMPK激活。尽管研究人员一致认为Thr172是AMPK的一个重要位点，但关于AMP结合的影响仍然存在进一步的争论。最初，有人提出“AMP通过促进上游激酶在Thr172处对AMPK的磷酸化来促进AMPK激活”。然而，最近的研究表明“AMP结合也抑制Thr172的去磷酸化”。[1]
AMPK的β-亚基也包含多个结构域。这些包括位于C端的α-和γ-结合结构域以及位于N端的糖原结合结构域。位于C端的结构域允许稳定其他两个AMPK亚基之间的相互作用，而位于N端的结构域将AMPK靶向糖原。这种靶向是通过连接到β-亚基N端区域的碳水化合物结合模块（CBM）实现的。
AMPK的γ-亚基有四个结构域，所有这些结构域都是胱硫醚β-合成酶（CBS）结构域。这些结构域协调结合AMP、ADP和ATP，使AMPK γ-亚基能够“通过催化α-亚基的变构结构变化来调节AMPK激活，调节上游激酶的磷酸化并调节Thr172的去磷酸化”。[1]
AMPK在调节细胞能量状态中发挥重要作用。当细胞内AMP水平升高时，AMPK被激活；这种激活发生在AMPK的γ-亚基处，AMP可以在那里结合。随后，AMPK经历变构结构变化，导致AMPK活性大幅增加。然而，如“AMPK结构”部分所述，AMPK亚基有多种亚型。亚基的不同亚型，特别是α-和γ-亚基，会影响AMP对AMPK的变构激活程度；研究发现，“AMP在含有α2和γ2亚型的复合物中激活程度最大；然而，在含有γ3亚型的复合物中，仅发生弱激活”。[1]
在最近使用哺乳动物AMPK晶体结构的研究中，发现ADP可以结合到γ-亚基中的AXP（AMP/ADP/ATP）结合位点，从而保护AMPK免受去磷酸化，并因此使其活性更高。此外，AMP允许AMPK调控，因为当AMP结合到γ-亚基时，已观察到上游激酶对Thr172的磷酸化增强，而各种蛋白磷酸酶对Thr172的去磷酸化受到抑制。
尽管AMPK通过变构调控进行调控，如上一小节所述，但AMPK也受上游激酶的调控。AMPK的两个上游激酶包括肝激酶B1（LKB1）和Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶β（CaMKKβ）。在体外，纯化的重组LKB1复合物磷酸化AMPK α-亚基上的Thr172。然而，与许多激酶不同，LKB1不被磷酸化激活；相反，它受“与STRAD（Ste20相关衔接蛋白）和MO25（小鼠蛋白25）结合后从细胞核转移到细胞质”的调控。[1] CaMKKβ作为AMPK上游激酶的发现是由于对LKB1缺陷细胞的研究。与LKB1激活AMPK相反，CaMKKβ激活AMPK依赖于细胞内Ca2+的增加。这种激活通常发生在AMP不增加的情况下。
如“AMP/ATP比率对AMPK的调控”小节末尾所述，Thr172的去磷酸化可能是由各种蛋白磷酸酶引起的；两种这样的蛋白磷酸酶是PP2A和PP2C。因此，PP2A和PP2C可以使AMPK去磷酸化，从而抑制其激活。一种已被提议用于调节AMPK活性的机制包括AMPK可以通过“由CIDEA（细胞死亡诱导DNA断裂因子-α样效应因子A）介导的泛素依赖性蛋白酶体降解”进行调节的概念。这一观点得到了在AMPK β-亚基上发现的CIDEA结合位点的支持。另一个由其他证据支持的概念表达“AMPK β-豆蔻酰化在响应代谢应激信号的上游激酶对AMPK的完全磷酸化和激活中起关键作用”。[1]
由于AMPK参与疾病预防和治疗，研究人员对发现和研究各种AMPK激活剂产生了浓厚的兴趣。截至今天，已经报道了许多激活剂，包括直接和间接激活剂。
在多种生理和病理条件下，AMPK 参与调节众多靶点，使机体能够适应这些条件。这些条件的一些例子包括缺氧、热量限制 (CR) 和生理性运动。
缺氧是指机体或机体某个区域缺乏充足的氧气供应。这可能发生在生理条件下，例如剧烈运动或氧气含量较低的地方（例如高海拔地区），以及病理条件下，例如“贫血、通气不足和肺纤维化”。[1] 缺氧是危险的，主要是因为完全缺氧会导致细胞死亡。然而，细胞能够通过激活适应性过程在氧气减少的情况下存活下来，这种过程被称为缺氧诱导因子-1 (HIF)。HIF 在适应低氧条件中发挥着核心作用。
虽然 AMPK 在缺氧条件下激活的机制看起来有些复杂，但总的来说，可以认为这些机制取决于缺氧的程度。例如，研究人员已经确定，活性氧 (ROS) 和活性氮 (RNS) 在非严重缺氧期间的 AMPK 激活中起着重要作用。事实上，在缺氧条件下，细胞内 AMP/ATP 水平保持恒定不变，而通过线粒体电子传递链进行的 ROS 产生则显着增加。导致 AMPK 激活的另一种机制是 ATP 产生减少；这种减少是由于“缺氧条件下 β-氧化的抑制”造成的。[1] 还有许多其他机制：过氧亚硝酸盐 (ONOO-) 激活内皮细胞中的 AMPK，而线粒体 RNS 是二甲双胍激活 AMPK 所必需的。
尽管研究人员已经确定在体育锻炼期间 AMPK 激活会增加，但 AMPK 激活通过运动带来的有益影响的具体机制尚不清楚。然而，一些发现证明 AMPK 激活通过运动一定是有益的。AMPK 激活会增加大鼠肌肉中的脂肪酸氧化和葡萄糖摄取。此外，5-氨基-4-咪唑甲酰胺核苷 (AICAR) 激活 AMPK имитирует 训练效果，并改善小鼠的运动能力。这些证据表明，运动期间 AMPK 的激活具有益处。AMPK 还参与肌肉纤维类型变化调节。最近，使用“骨骼肌特异性 AMPKβ1/AMPKβ2 敲除小鼠”，一位研究人员“证明了 AMPK 在维持运动期间线粒体含量和葡萄糖摄取方面是必需的”。[1]
已经发现几种生理激素和天然植物化合物能够激活 AMPK。其中一种分子是瘦素，一种由脂肪细胞分泌的激素。研究人员报告说，急性治疗和慢性瘦素治疗“都会增加啮齿动物骨骼肌中 AMPK 的表达和/或磷酸化”。[1] 这一发现表明了一种重要的机制，即瘦素通过该机制调节能量储存。另一种由脂肪细胞产生的激素，称为脂联素，具有心脏保护作用，据信其功能是通过 AMPK 激活机制实现的。两种发现与 AMPK 激活相关的天然化合物是白藜芦醇和 berberine。白藜芦醇存在于红葡萄中，能够延长寿命。这种能力被认为是由 AMPK 介导的。白鲜碱，存在于Berberis 中，可以增加 AMPK 活性。尽管这些激素和天然化合物在 AMPK 的激活中很重要，但这些物质用于激活 AMPK 的具体机制仍在研究中。
根据王少斌、宋平、邹明辉的说法，“研究中最广泛使用的 AMPK 化学激活剂是 AICAR”。[1] AICAR，在AMPK 由体育锻炼激活小节中提到，是 5-氨基-4-咪唑甲酰胺核苷，它是一种在细胞中转化为单磷酸 AICAR (ZMP) 的化学物质。ZMP 能够模仿 AMP 在激活 AMPK 中的作用。另一种强效 AMPK 激活剂称为 2-脱氧-D-葡萄糖或 2-DG。这种分子是一种葡萄糖类似物，能够阻断葡萄糖利用来复制热量限制 (CR) 的效果。最后，另一种用于临床环境治疗 2 型糖尿病的 AMPK 激活剂是二甲双胍。
研究 AMPK 抑制剂的重要性与研究 AMPK 激活剂的原因相关——为了提高对各种疾病的理解、预防和治疗。
虽然最近的研究表明激活的 AMPK 有益于全身的能量稳态，但在高血糖水平下，AMPK 的激活受到抑制。事实上，在动物模型中，葡萄糖会诱导急性高血糖，以及大鼠肌肉和肝脏中 AMPK 激活水平的下降。然而，高血糖水平抑制 AMPK 激活的确切机制尚未确定。类似地，高糖原条件可以抑制动物模型中 AMPK 的激活：大鼠骨骼肌中 AMPK 的激活在这些条件下会降低。有人提出，糖原通过与 AMPK 糖原结合域（存在于 AMPK 的β亚基中）结合来抑制 AMPK 的激活。
研究人员观察到，高脂饮食的小鼠“在多个组织和器官中，包括骨骼肌、心脏、肝脏和下丘脑，AMPK 的磷酸化和蛋白质表达受损”。[1] 其他以棕榈酸酯为富集饮食的小鼠表现出 PP2A 介导的 AMPK 去磷酸化的增强，这随后会抑制 AMPK 的激活。
研究表明，高蛋白饮食会降低 AMPK 活性，尤其是在下丘脑中。因此，神经肽 Y (NYP) 被抑制，食物摄取减少。类似地，其他细胞，特别是 C2C12 细胞，用亮氨酸处理后，AMPK 磷酸化减少，而哺乳动物 TOR (mTOR) 激活增强。这些发现以及其他发现表明，AMPK/mTOR 通路参与氨基酸代谢的协调。
一种称为化合物 C 的化合物被广泛用作 AMPK 抑制剂。化合物 C 是一种“细胞通透性吡唑并嘧啶化合物”。[1] 但是，在使用化合物 C 时，研究人员必须考虑到化合物 C 也会靶向其他蛋白激酶。受化合物 C 影响的一些蛋白激酶包括细胞外信号调节激酶 1 (ERK8)、磷酸化酶激酶 (PHK) 和 Ephrin A2 受体 (Ephrin-A2)。
营养不足和营养过剩都会导致细胞胁迫。当体内能量大量耗尽时，AMPK 会被强烈激活，而在营养过剩的条件下会被抑制。因此，AMPK 在感知和调节营养胁迫中起着关键作用——AMPK 对维持细胞内能量稳态至关重要。
无论是生理还是病理状态下，营养物质的耗竭都会导致细胞内AMP水平升高；这种升高随后直接激活AMPK。热量限制（CR），作为AMPK的激活剂，被认为可以通过延长寿命来促进人类健康。CR是指“在不影响日常营养需求的情况下，将热量摄入减少20-40%”。[1] 此外，虽然其机制尚未完全阐明，但已提出了一些可能的机制。事实上，其中一个假设认为CR通过ROS介导的AMPK激活来调节AMPK。
AMPK通过靶向特定底物来调节多个器官的能量平衡。例如，激活的AMPK使乙酰辅酶A羧化酶（ACC）失活，从而抑制脂肪酸的合成并促进线粒体β-氧化；AMPK还抑制3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶以减少胆固醇合成。AMPK的另一个功能是促进自噬的起始。自噬是“一种主要的保护机制，使细胞能够在多种应激条件下，特别是营养物质耗竭的情况下存活”。[1] 虽然这些只是AMPK调节的少数几个通路，但如此多不同功能的存在证明了AMPK参与了维持细胞内稳态的多个通路。
氧化应激是“促氧化剂和抗氧化剂水平之间的失衡”；[1] 它会导致大分子损伤和氧化还原信号传导和控制的破坏。通常，由氧化应激引起的大分子损伤是由自由基引起的，例如O2-、NO和OH-。在最近的研究中，AMPK被认为是一种氧化应激传感器和氧化还原调节剂。
如AMPK被缺氧激活小节所述，活性氧物质或ROS参与了AMPK的激活。这种ROS诱导的激活被认为对许多药物的益处具有重要意义。此外，已发现ROS在七氟醚实验中通过依赖于ROS激活的AMPK的机制，对大鼠心脏提供了缺血损伤的保护。其他能够激活AMPK的氧化物质包括过氧化氢和ONOO-，它们通过不同的机制发挥作用。
AMPK能够充当氧化还原传感器，并因此被增加量的ROS/RNS激活，这也使得AMPK在维持细胞内氧化还原状态方面至关重要。这种控制是通过AMPK抑制NADPH氧化酶和线粒体产生的氧化剂，或AMPK促进抗氧化酶表达来实现的。
AMPK通过控制几个对细胞生长和分裂很重要的通路来调节细胞增殖。AMPK被激活后，通过控制细胞增殖所需的特异性过程来抑制细胞生长和分裂：AMPK可以“抑制生长因子和氨基酸对mTOR信号通路的刺激，从而控制蛋白质合成”。其他研究表明AMPK可以控制CDKIs，这将是影响细胞生长控制的更直接的方法。例如，AMPK已被证明可以通过“调节p52 NF-кB-2依赖性Skp2（S期激酶相关蛋白2）调节的p27KiP1表达”来控制小鼠血管平滑肌细胞（mVSMC）的增殖。[1]
Song, Ping, Shaobin Wang, Ming-Hui Zou. "AMP激活蛋白激酶、应激反应和心血管疾病。" http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3367961/。2012年9月1日。