AMP激活的蛋白激酶及其對肉類生產(chǎn)的意義

李澤, 靳燁

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

AMP激活的蛋白激酶及其對肉類生產(chǎn)的意義

李澤, 靳燁＊

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

AMP激活的蛋白激酶(AMPK)廣泛存在于真核生物細(xì)胞中,其活性主要受AMP/ATP比例的調(diào)節(jié),AMPK可以通過控制ATP的合成和分解調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝,是機(jī)體能量狀態(tài)的傳感器。作者綜述了AMPK的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和活性調(diào)節(jié),并對其在肉類生產(chǎn)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,AMPK調(diào)節(jié)糖酵解的深入研究有可能成為改善肉品質(zhì)的有效靶點(diǎn)。

AMPK;糖酵解;肉;品質(zhì)

AMP激活的蛋白激酶(AMPK)是一種能被一磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶,是蛋白激酶級聯(lián)的下游組件[1]。AMPK的研究最早始于1973年, Beg等報(bào)道在三磷酸腺苷(ATP)存在的同時(shí),大鼠肝臟細(xì)胞中的一種可溶性物質(zhì)可導(dǎo)致肝臟微粒體HMGR呈時(shí)間依賴性失活,后來的研究發(fā)現(xiàn)這種失活現(xiàn)象是因某個酶的磷酸化而產(chǎn)生的,Hardie等1988年首次將該酶命名為AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK),因?yàn)檫@種酶在機(jī)體A TP含量減少,AMP含量升高時(shí)被激活,它的功能是協(xié)調(diào)機(jī)體能量和代謝的需要,對其十多年的研究發(fā)現(xiàn),AMPK能感知機(jī)體細(xì)胞能量代謝狀態(tài)的改變,并通過影響物質(zhì)代謝的多個環(huán)節(jié)來維持細(xì)胞能量的供求平衡,能夠根據(jù)機(jī)體的需能狀況而調(diào)節(jié)產(chǎn)能和耗能(A TP的生成與消耗)代謝,當(dāng)機(jī)體ATP減少時(shí),AMPK一方面可以通過抑制糖原、脂肪和膽固醇的合成減少A TP的利用,另一方面可以通過促進(jìn)脂肪酸氧化、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)等促進(jìn)ATP的生成,其活性受細(xì)胞內(nèi)AMP/A TP比值的調(diào)控,因此被稱為真核細(xì)胞的“代謝感受器”,或是調(diào)控細(xì)胞ATP、AMP水平的“燃料開關(guān)”[2]。

1 AMPK的結(jié)構(gòu)

AMPK是由α、β和γ亞基組成的異源三聚體酶[3]。其中α為催化亞基,β和γ為調(diào)節(jié)亞基[4]。α和β亞基各自分別由兩種基因型編碼(α1、α2和β1、β2),γ亞基由3種基因型編碼(γ1、γ2和γ3)[5]。α、β和γ3種亞基各司其職,α亞基是激酶的主要催化部位,負(fù)責(zé)將A TP的磷酸傳遞至目標(biāo)蛋白,其含有2個功能區(qū):N末端是催化核心部位,C末端主要負(fù)責(zé)活性調(diào)節(jié)及與其它亞基的聯(lián)系[6]。β和γ亞基各自參與了亞細(xì)胞的靶向作用和調(diào)節(jié)功能[7]。以往認(rèn)為α、β、γ3個亞基對于AMPK活性都是必需的,近年研究發(fā)現(xiàn),未與β和γ亞基結(jié)合的α激酶結(jié)構(gòu)域,仍具有激酶活性,這說明α亞基對于AMPK活化才是必需的,β和γ亞基主要是調(diào)節(jié)AMPK活性,對激酶的最適酶活力是必需的。而α亞基中的數(shù)個位點(diǎn)(蘇氨酸172、蘇氨酸258、絲氨酸485等)均可被磷酸化,其中蘇氨酸172位點(diǎn)(Thr 172)對AMPK活性調(diào)節(jié)最為重要,這一位點(diǎn)的磷酸化對AMPK的活化是充分和必需的[8]。所以無論是α、β、γ形成的AMPK復(fù)合物,還是單獨(dú)的α激酶結(jié)構(gòu)域,都需要α亞基Thr 172的磷酸化才具有活性。

2 AMPK的特點(diǎn)

AMPK在動物機(jī)體中具有進(jìn)化保守性、分布廣泛性、組織特異性和功能專一性的特點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)AMPK具有高度保守性,幾乎所有真核細(xì)胞(包括哺乳動物、真菌和植物)都存在AMPK系統(tǒng)[2]。近年來的研究表明,AMPK廣泛存在于真核生物的細(xì)胞中,但具有組織特異性,在不同動物各組織中AMPK的活性也有很大不同。Davies(1989)在小鼠中研究表明,AMPK存在于肝、乳腺、心、肌肉、肺、腎、大腦等組織器官[9]。秦玉輝(2003)研究表明,蛋雞在正常生理?xiàng)l件下,體內(nèi)各組織器官AMPK酶活分布為肝臟中AMPK活性比較低,骨骼肌、心肌、小腸中有較高的AMPK酶活[10]。余冰(2003)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AMPK分布于仔豬的肝臟、骨骼肌、心臟和十二指腸,仔豬體內(nèi)骨骼肌中AMPK活性最高,分別是心臟和十二指腸中AMPK活性的3.66倍和6.28倍,而肝臟中AMPK活性最低是骨骼肌AMPK活性的9.9%[11]。另外,AMPK的不同亞基在動物不同組織中分布也不相同。Proszkowiec-Weglarz(2006)通過RT-PCR的基因表達(dá)分析表明來自3周齡肉雞的肝臟、腦、腎、脾、胰、十二指腸、腹部脂肪和下丘腦優(yōu)先地表達(dá)AMPKα1、β2、γ1亞基亞型。心臟主要表達(dá)α2、β2、γ1,骨骼肌優(yōu)先表達(dá)α2、β2、γ3,AMPKγ3只在心臟和骨骼肌表達(dá)[12]。在大鼠肝臟中,AMPK主要以α1、α2、β1、γ1為主[13],而在骨骼肌中以α2、β2、γ1為主[14]。這些分布的差異可能是因?yàn)椴煌N類動物的組織功能不同導(dǎo)致的,一般代謝越高的組織AMPK活性越高。雖然AMPK在不同物種不同組織中分布不同,但是AMPK所起的作用是同一的,即協(xié)調(diào)機(jī)體的能量和代謝。

3 AMPK的活性調(diào)節(jié)

AMPK的激活主要有兩種途徑,通過AMP途徑和不依賴AMP的途徑。

3.1 AMP途徑激活

多種因素可激活A(yù)MPK,如運(yùn)動、熱應(yīng)激、缺氧、缺血和營養(yǎng)不良等。當(dāng)體內(nèi)能量被耗竭,細(xì)胞內(nèi)ATP水平降低、AMP水平增加時(shí),AMPK的活性就升高,所以AMP是AMPK的特異性激活劑[15]。但是AMP對AMPK的激活受到高濃度ATP的抑制,AMP與AMPK的親和力也會因ATP濃度的升高而下降,因?yàn)锳 TP可與AMP競爭AMPK上的變構(gòu)位點(diǎn)[16]。因此,調(diào)控AMPK的信號不是AMP,而是AMP/ATP比值,AMP/ATP比值的升高可激活A(yù)MPK。

AMP途徑激活的AMPK可能通過以下4種方式被激活:AMP直接作用于AMPK,變構(gòu)激活A(yù)MPK;AMP和AMPK結(jié)合使之成為其上游激酶AMPKK(AMP激活的蛋白激酶激酶)的良好底物,容易被AMPKK磷酸化;AMP變構(gòu)激活A(yù)MPKK,后者通過磷酸化作用激活A(yù)MPK;降低與抑制蛋白磷酸化酶的親和力[17]。目前對AMPK的上游激酶AMPKK的認(rèn)識還很貧乏,僅發(fā)現(xiàn)了兩種:腫瘤抑制性激酶L KB1和鈣調(diào)節(jié)依賴蛋白激酶激酶(CaMKK)[18-19]。

3.2 通過激活劑和抑制劑的調(diào)節(jié)

近年研究較多的AMPK激活劑是5-氨基-4-咪唑羧基酰胺核苷(5-amino-4-imidazolecarboxamide, AICAR)和抗糖尿病藥物二甲雙胍(metformin)。AICAR被動物攝取后,可轉(zhuǎn)化為單核苷衍生物ZMP,Henin比較了ZMP和AMP的作用動力學(xué)特征,結(jié)果表明兩者都影響酶與其專一底物SAMS肽的飽和曲線,與AMPK的親和力都隨ATP的降低而增加,都結(jié)合在同一變構(gòu)位點(diǎn),并且作用具有可加性和競爭性,兩者對大鼠肝臟AMPK的作用具有高度相似性,具有相同的最大激活效應(yīng)[20]。因而AICAR被視為AMPK的特異性激活劑。二甲雙胍是一種治療糖尿病的藥物,是最近研究發(fā)現(xiàn)的對AMPK有激活作用的制劑。在分離的大鼠肌肉中二甲雙胍劇烈地激活A(yù)MPKα1和α2,伴隨著肌肉葡萄糖攝取的提高[21]。但是它對AMPK的激活不依賴于AMP,無AMP/ATP比值的升高,所以它不屬于AMPK的特異性激活劑。

目前尚未發(fā)現(xiàn)AMPK的特異性抑制劑,Davies等(1989)研究發(fā)現(xiàn)8Br-AMP是AMPK的抑制劑,用20μmol/L的AMP激活A(yù)MPK,2 mmol/L Br-AMP可使AMPK活性的80%受到抑制[9]。廖波(2003)在豬肝細(xì)胞中加入0.2 mmol/L 8Br-AMP,培養(yǎng)30、60 min后,得出結(jié)論在體外研究中抑制劑8Br-AMP可以有效的抑制豬肝細(xì)胞AMPK的活性[22]。有研究向腹腔內(nèi)注射復(fù)合物(Compound C)可抑制宰后大鼠骨骼肌AMPK活性[1],但對其性質(zhì)并沒有敘述。另外,殷仁富等(2000)報(bào)道腺嘌呤-9-β-D-阿糖呋喃腺苷(araA)能夠抑制心肌的AMPK活力和葡萄糖攝取[23]。

AMPK激活劑和抑制劑種類繁多,但是大部分的作用機(jī)制還不十分清楚,有待更深入的研究。

圖1 AMPK活性調(diào)節(jié)示意圖Fig.1 The conceptual diagram of AMPKactivity regulation

4 AMPK調(diào)節(jié)糖酵解及其對肉類生產(chǎn)的意義

AMPK能夠調(diào)節(jié)動物機(jī)體糖代謝和肌肉葡萄糖攝入,當(dāng)AMPK活化以后可以通過促進(jìn)糖酵解和糖原分解來提高細(xì)胞的A TP水平,抑制糖原合成和糖異生來阻止A TP的消耗。

牲畜宰后血液循環(huán)和氧氣供應(yīng)中斷,肌肉不能再進(jìn)行有氧氧化,糖原不能再徹底轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水來獲取能量。肌肉組織的物質(zhì)供應(yīng)停止,原來復(fù)雜的平衡關(guān)系被打破,因此就開始發(fā)生一系列與活體完全不同的變化。由于剛屠宰后的肌肉組織細(xì)胞并不馬上死亡,這些組織仍具有活體時(shí)的一些功能,如肌漿網(wǎng)繼續(xù)執(zhí)行其鈣泵機(jī)能等,這些功能的執(zhí)行需要消耗ATP,所需的能量只有通過肌肉的無氧酵解來提供,而無氧酵解產(chǎn)生的A TP顯然大大少于有氧氧化,這種能量狀態(tài)的改變會激活A(yù)MPK。AMPK活化后可通過直接磷酸化糖酵解關(guān)鍵酶提高其活性,進(jìn)而促進(jìn)糖酵解,甚至可通過增強(qiáng)糖酵解關(guān)鍵酶的基因表達(dá)來發(fā)揮其作用[24]。無氧酵解的最終產(chǎn)物是乳酸,宰后生成的乳酸不會再通過血液循環(huán)排除或在肝中再合成肝糖元,乳酸的蓄積導(dǎo)致肌肉p H值的下降,另外磷酸肌酸緩沖系統(tǒng)產(chǎn)生的肌酸和ATP分解產(chǎn)生的磷酸也會使p H值下降,因此p H值的下降與動物死亡時(shí)肌肉內(nèi)的ATP、磷酸肌酸和糖原含量有很大關(guān)系。

畜禽宰后一定時(shí)間內(nèi)p H值的變化速度與幅度是改變?nèi)馄菲焚|(zhì)的主要因素,動物宰后肌肉p H值下降速度可影響肌肉肉色、系水力、多汁性、貨架壽命[25]。佟輝等(2008)報(bào)道,較高的肉色評分與肌肉高的臨界p H值緊密相關(guān)[26];馮京海等(2006)報(bào)道,p H值的下降速度過快影響了肌肉的肉色和持水力,從而影響肉雞胸肌品質(zhì)[27]。因此p H值下降速度和幅度決定了肉質(zhì)的優(yōu)劣。

糖酵解是宰后肌肉p H值下降的主要原因,因此糖酵解影響宰后肉質(zhì)。Shen等(2006)報(bào)道宰前運(yùn)輸提高了豬肉中A TP的消耗,與對照組相比,這導(dǎo)致宰后豬肉較低的能量狀態(tài),使AMPK被激活,導(dǎo)致了迅速的糖酵解[4]。隨后Shen等(2008)又研究了向試驗(yàn)小鼠腹腔注射一種AMPK的抑制劑-復(fù)合物C后產(chǎn)生的效應(yīng),數(shù)據(jù)顯示復(fù)合物C抑制了宰后小鼠背最長肌中AMPK的活性和糖酵解,提高了肌肉的p H值[1]。由此證明了AMPK能夠調(diào)節(jié)宰后肌肉的糖酵解。

綜上所述,AMPK能夠調(diào)節(jié)宰后肌肉的糖酵解,而糖酵解的程度又可以影響到動物肉質(zhì)的優(yōu)劣,因此推測AMPK也能影響肉質(zhì)。已有研究表明,氟烷基因陽性豬宰后早期A TP即迅速被消耗,使AMPK較早被活化,糖酵解提高,乳酸蓄積,導(dǎo)致了較高的PSE肉發(fā)生率[28]。宰后早期未成熟豬具有肉質(zhì)性狀差異,是由骨骼肌能量代謝造成的,最長肌具有較低AMPK活性的豬種具有較好的肉質(zhì)性狀[29]。通過控制宰后肌肉的糖酵解來改善肉質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo),能夠調(diào)節(jié)能量代謝的AMPK無疑是一個有效的研究靶點(diǎn)。而且AMPK的活性又是可調(diào)節(jié)的,調(diào)節(jié)AMPK活性→糖酵解發(fā)生改變→改善肉質(zhì)這一路線的細(xì)化研究,以及AMPK改善肉質(zhì)的機(jī)理,都有待更深入的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行確定。

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(責(zé)任編輯:朱明)

Role of AMP-Activated Protein Kinase(AMPK)on Meat Production

LI Ze, J IN Ye＊
(College of Food Science and Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,huhhot 010018,China)

AMP-activated protein kinase(AMPK)is a kind of kinase that regulated by the AMP/ ATP ratio and wildly exist in eukaryote cell.AMPK could regulate the energy metabolism through controlling the synthesis and decomposition of ATP,an index of energy state.In this review,the structure,characteristic and activity regulation ofAMPK weresummarized, furthermore,the potential application of it on meat production was also suggested.

AMPK;glycolysis;meat;quality

Q 591.8

:A

1673-1689(2010)01-0009-05

2009-04-16

內(nèi)蒙自治區(qū)科技廳科技專項(xiàng)(20050203)。

李澤(1984-),女,蒙古族,內(nèi)蒙古赤峰人,農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程博士研究生。Email:lize561@sina.com

＊通訊作者:靳燁(1964-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,教授,工學(xué)博士,博士生導(dǎo)師,主要從事畜產(chǎn)品加工方面的研究。Email:jinyeyc@yahoo.com.cn