АМФ-активированная протеинкиназа - AMP-activated protein kinase

Не путать с протеинкиназой, активируемой цАМФ .
[гидроксиметилглутарил-КоА редуктаза (НАДФН)] киназа
MMDB ID 90115 PDB ID 3AQV AMP-активированная протеинкиназа.png
АМФ-активированная протеинкиназа
Идентификаторы
ЕС нет. 2.7.11.31
№ CAS 172522-01-9
Альт. имена АМФ-активированная протеинкиназа; Киназа редуктазы HMG-CoA
Базы данных
IntEnz Просмотр IntEnz
BRENDA BRENDA запись
ExPASy Просмотр NiceZyme
КЕГГ Запись в KEGG
MetaCyc метаболический путь
ПРИАМ профиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum

5 'AMP-активированная протеинкиназа или AMPK или 5' аденозинмонофосфат-активированная протеинкиназа представляет собой фермент (EC 2.7.11.31), который играет роль в гомеостазе клеточной энергии, в основном для активации поглощения и окисления глюкозы и жирных кислот, когда клеточная энергия снижается. низкий. Он принадлежит к семейству высококонсервативных эукариотических белков, а его ортологами являются SNF1 у дрожжей и SnRK1 у растений. Он состоит из трех белков ( субъединиц ), которые вместе образуют функциональный фермент, сохраняемый дрожжами для человека. Он экспрессируется в ряде тканей, включая печень , мозг и скелетные мышцы . В ответ на связывание AMP и АДФ , чистый эффект активации АМФК является стимуляция печени жирных кислот окислением, кетогенеза , стимуляции скелетных мышц окисления жирных кислот и поглощение глюкозы, ингибирование от холестерина синтеза, липогенеза , и триглицерида синтеза, ингибирование адипоцитов липогенеза , ингибирование липолиза адипоцитов и модуляция секреции инсулина бета-клетками поджелудочной железы .

Его не следует путать с протеинкиназой, активируемой циклическим АМФ ( протеинкиназой А ).

Структура

AMPK представляет собой гетеротримерный белковый комплекс, который образован субъединицами α, β и γ. Каждая из этих трех субъединиц играет определенную роль как в стабильности, так и в активности AMPK. В частности, субъединица γ включает четыре конкретных домена цистатионин-бета-синтазы (CBS) , что дает AMPK возможность чувствительно обнаруживать сдвиги в соотношении AMP : ATP . Четыре домена CBS создают два сайта привязки для AMP, обычно называемые доменами Бейтмана. Связывание одного AMP с доменом Бейтмана кооперативно увеличивает сродство связывания второго AMP с другим доменом Бейтмана. Поскольку AMP связывает оба домена Бейтмана, субъединица γ претерпевает конформационное изменение, которое обнажает каталитический домен, обнаруженный на субъединице α. Именно в этом каталитическом домене AMPK активируется, когда происходит фосфорилирование треонина -172 вышестоящей киназой AMPK ( AMPKK ). Субъединицы α, β и γ также могут быть найдены в различных изоформах: субъединица γ может существовать как изоформа γ1, γ2 или γ3 ; субъединица β может существовать как изоформа β1, так и β2; и субъединица α может существовать как изоформа α1, так и α2. Хотя наиболее распространенными изоформами, экспрессируемыми в большинстве клеток, являются изоформы α1, β1 и γ1, было продемонстрировано, что изоформы α2, β2, γ2 и γ3 также экспрессируются в сердечных и скелетных мышцах .

Следующие человеческие гены кодируют субъединицы AMPK:

Кристаллическая структура регуляторного корового домена AMPK млекопитающих (α C-конец, β C-конец, γ) была решена в комплексе с AMP, ADP или ATP.

Регулирование

Из-за наличия изоформ его компонентов у млекопитающих существует 12 версий AMPK, каждая из которых может иметь различную тканевую локализацию и различные функции в разных условиях. AMPK регулируется аллостерически и посттрансляционной модификацией, которые работают вместе.

Если остаток T172 α-субъединицы AMPK фосфорилируется, AMPK активируется; доступ к этому остатку для фосфатаз блокируется, если AMP или ADP могут блокировать доступ, а ATP может вытеснять AMP и ADP. Этот остаток фосфорилируется по крайней мере тремя киназами ( киназа печени B1 (LKB1), которая работает в комплексе с STRAD и MO25 , кальций / кальмодулин-зависимая протеинкиназа киназа II- ( CAMKK2 ) и TGFβ-активированная киназа 1 (TAK1). ) и дефосфорилируется тремя фосфатазами ( протеинфосфатаза 2A (PP2A); протеинфосфатаза 2C (PP2C) и Mg2 + - / Mn2 + -зависимая протеинфосфатаза 1E ( PPM1E )).

AMPK регулируется аллостерически, главным образом, путем конкурентного связывания своей гамма-субъединицы между АТФ (который обеспечивает доступ фосфатаз к T172) и AMP или ADP (каждый из которых блокирует доступ к фосфатазам). Таким образом, кажется, что AMPK является датчиком соотношений AMP / ATP или ADP / ATP и, следовательно, уровня энергии клетки. Регулирование AMPK с помощью CaMKK2 требует прямого взаимодействия этих двух белков через их киназные домены. Взаимодействие CaMKK2 с AMPK включает только альфа- и бета-субъединицы AMPK (гамма AMPK отсутствует в комплексе CaMKK2), тем самым влияя на регуляцию AMPK в этом контексте на изменения уровней кальция, но не на AMP или ADP.

Существуют и другие механизмы, с помощью которых AMPK ингибируется инсулином, лептином и диацилглицерином , вызывая различные другие фосфорилирования.

AMPK может ингибироваться или активироваться различными тканеспецифическими убиквитинациями .

Он также регулируется несколькими белок-белковыми взаимодействиями и может либо активироваться, либо подавляться окислительными факторами; роль окисления в регулировании AMPK была противоречивой по состоянию на 2016 год.

Функция

Когда AMPK фосфорилирует ацетил-КоА-карбоксилазу 1 (ACC1) или белок 1c, связывающий регуляторный элемент стерола (SREBP1c), он ингибирует синтез жирных кислот, холестерина и триглицеридов и активирует поглощение жирных кислот и β-окисление.

AMPK стимулирует захват глюкозы в скелетных мышцах, фосфорилируя Rab-GTPase-активирующий белок TBC1D1 , который в конечном итоге индуцирует слияние везикул GLUT1 с плазматической мембраной. AMPK стимулирует гликолиз, активируя фосфорилирование 6-фосфофрукто-2-киназы / фруктозо-2,6-бисфосфатазы 2/3 и активируя фосфорилирование гликогенфосфорилазы, а также ингибирует синтез гликогена путем ингибирования фосфорилирования гликогенсинтазы. В печени AMPK ингибирует глюконеогенез путем ингибирования факторов транскрипции, включая ядерный фактор гепатоцитов 4 (HNF4) и коактиватор транскрипции 2, регулируемый CREB (CRTC2).

AMPK ингибирует энергоемкий процесс биосинтеза белка, а также может вызвать переключение с кэп-зависимой трансляции на кэп-независимую трансляцию, которая требует меньше энергии, путем фосфорилирования TSC2 , RPTOR , фактора инициации транскрипции 1A.66 и eEF2K . Когда TSC2 активирован, он подавляет mTORC1. В результате ингибирования mTORC1 AMPK синтез белка останавливается. Активация AMPK означает низкую энергию внутри клетки, поэтому все пути потребления энергии, такие как синтез белка, ингибируются, а пути, генерирующие энергию, активируются для восстановления соответствующих уровней энергии в клетке.

AMPK активирует аутофагию , прямо или косвенно активируя ULK1 . AMPK также, по-видимому, стимулирует биогенез митохондрий, регулируя PGC-1α, который, в свою очередь, способствует транскрипции генов в митохондриях. AMPK также активирует антиоксидантную защиту.

Клиническое значение

Упражнения / тренировки

Многие биохимические адаптации скелетных мышц, которые происходят во время одного упражнения или длительной тренировки , такие как усиление митохондриального биогенеза и емкости, увеличение мышечного гликогена и увеличение ферментов, которые специализируются на поглощении глюкозы клетками, такими как GLUT4 и Считается, что гексокиназа II частично опосредуется AMPK, когда она активируется. Кроме того, недавние открытия могут предположить прямую роль AMPK в увеличении кровоснабжения тренированных / тренированных мышечных клеток путем стимуляции и стабилизации как васкулогенеза, так и ангиогенеза . Взятые вместе, эти адаптации, скорее всего, происходят в результате как временного, так и постоянного повышения активности AMPK, вызванного увеличением отношения AMP: ATP во время одиночных тренировок и длительных тренировок.

Во время однократной интенсивной тренировки AMPK позволяет сокращающимся мышечным клеткам адаптироваться к энергетическим нагрузкам за счет увеличения экспрессии гексокиназы II, транслокации GLUT4 на плазматическую мембрану , поглощения глюкозы и стимуляции гликолиза. Если тренировки продолжаются в течение длительного режима тренировок , AMPK и другие сигналы будут способствовать адаптации сокращающихся мышц, сопровождая активность мышечных клеток до метаболического перехода, что приводит к подходу окисления жирных кислот к выработке АТФ в отличие от гликолитического подхода. AMPK осуществляет этот переход к окислительному режиму метаболизма повышающей регуляции и активации окислительные ферменты , такие как гексокиназы II , PPAR - альфа , PPAR - дельта , PGC-1 , ОГП-3 , цитохром С и TFAM .

Мутации в канале высвобождения кальция в скелетных мышцах ( RYR1 ) лежат в основе опасной для жизни реакции на тепло у пациентов с предрасположенностью к злокачественной гипертермии (MHS). При остром воздействии тепла эти мутации вызывают неконтролируемое высвобождение Са2 + из саркоплазматического ретикулума, что приводит к стойким мышечным контрактурам, тяжелой гипертермии и внезапной смерти. В базовых условиях зависящая от температуры утечка Ca2 + также приводит к увеличению потребности в энергии и активации чувствительной к энергии AMP-киназы (AMPK) в скелетных мышцах. Активированный AMPK увеличивает метаболическую активность мышц, включая гликолиз, что приводит к заметному увеличению циркулирующего лактата.

AMPK активность возрастает с физическими упражнениями и LKB1 / MO25 / STRAD комплекса считается основным вверх по течению AMPKK 5'-АМФ-активируемой протеинкиназы фосфорилирования альфа - субъединицу AMPK на Thr-172. Этот факт вызывает недоумение, учитывая, что, хотя было показано, что изобилие белка AMPK увеличивается в скелетных тканях при тренировках на выносливость , уровень его активности снижается при тренировках на выносливость как в тренированных, так и в нетренированных тканях. В настоящее время активность AMPK сразу после 2-часовой тренировки у крысы, тренированной на выносливость, неясна. Возможно, существует прямая связь между наблюдаемым снижением активности AMPK в скелетных мышцах, тренируемых на выносливость, и очевидным снижением реакции AMPK на упражнения с тренировкой на выносливость.

Хотя активация AMPKalpha2 считается важной для митохондриальной адаптации к тренировкам с физической нагрузкой, недавнее исследование, посвященное изучению реакции на тренировку с физической нагрузкой у мышей с нокаутом AMPKa2, опровергает эту идею. В их исследовании сравнивалась реакция на тренировку нескольких белков и ферментов у мышей дикого типа и мышей с нокаутом AMPKalpha2. И хотя у мышей с нокаутом были более низкие базальные маркеры митохондриальной плотности (COX-1, CS и HAD), эти маркеры увеличивались так же, как и у мышей дикого типа после тренировки. Эти результаты подтверждаются другим исследованием, также показывающим отсутствие различий в митохондриальной адаптации к тренировкам между мышами дикого типа и мышами с нокаутом.

Максимальный срок службы

В C. Элеганс гомолог AMPK, аак-2, было показано Майкла Ristow и его коллегами , которые будут необходимы для продления срока службы в состояниях ограничения глюкозы , опосредующих процесс с именем mitohormesis .

Липидный обмен

Одним из эффектов физических упражнений является усиление метаболизма жирных кислот , что обеспечивает клетке больше энергии . Одним из ключевых путей регуляции AMPK окисления жирных кислот является фосфорилирование и инактивация ацетил-КоА-карбоксилазы . Ацетил-КоА-карбоксилаза (АСС) превращает ацетил-КоА в малонил-КоА , ингибитор карнитин-пальмитоилтрансферазы 1 ( СРТ-1 ). CPT-1 переносит жирные кислоты в митохондрии для окисления . Следовательно, инактивация ACC приводит к увеличению транспорта жирных кислот и их последующему окислению. Также считается, что снижение уровня малонил-КоА происходит в результате действия декарбоксилазы малонил-КоА (MCD), которая может регулироваться AMPK. MCD является антагонистом ACC, декарбоксилируя малонил-КоА до ацетил-КоА, что приводит к снижению малонил-КоА и увеличению окисления СРТ-1 и жирных кислот. AMPK также играет важную роль в метаболизме липидов в печени . Давно известно, что АЦЦ печени регулируется в печени путем фосфорилирования . AMPK также фосфорилирует и инактивирует 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-редуктазу (HMGCR), ключевой фермент в синтезе холестерина . HMGR превращает 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА, который производится из ацетил-КоА, в мевалоновую кислоту , которая затем проходит еще несколько метаболических ступеней, чтобы стать холестерином . Таким образом, AMPK помогает регулировать окисление жирных кислот и синтез холестерина.

Транспорт глюкозы

Инсулин - это гормон, который помогает регулировать уровень глюкозы в организме. Когда уровень глюкозы в крови высок, инсулин высвобождается из островков Лангерганса . Инсулин, помимо прочего, будет способствовать усвоению глюкозы клетками за счет повышенной экспрессии и транслокации переносчика глюкозы GLUT-4 . Однако в условиях физических упражнений уровень сахара в крови не обязательно высок, и инсулин не обязательно активируется, но мышцы по-прежнему способны доставлять глюкозу. AMPK, по-видимому, частично ответственен за это вызванное физическими упражнениями поглощение глюкозы. Goodyear et al. наблюдали, что при физической нагрузке концентрация GLUT-4 увеличивалась в плазматической мембране , но снижалась в микросомальных мембранах, предполагая, что упражнения облегчают перемещение везикулярного GLUT-4 к плазматической мембране . В то время как острые упражнения увеличивают транслокацию GLUT-4, тренировки на выносливость увеличивают общее количество доступного белка GLUT-4. Было показано, что как электрическое сокращение, так и лечение рибонуклеотидом AICA (AICAR) увеличивают активацию AMPK, захват глюкозы и транслокацию GLUT-4 в перфузируемой мышце задних конечностей крысы , связывая поглощение глюкозы, вызванное физической нагрузкой, с AMPK. Хронические инъекции AICAR, имитирующие некоторые эффекты тренировки на выносливость , также увеличивают общее количество белка GLUT-4 в мышечной клетке .

Два белка необходимы для регуляции экспрессии GLUT-4 на уровне транскрипции - фактор-усилитель миоцитов 2 ( MEF2 ) и фактор-усилитель GLUT4 (GEF). Мутации в ДНК области связывания для любого из этих белков приводит к абляции из трансгенной экспрессии GLUT-4. Эти результаты послужили поводом для исследования в 2005 году, которое показало, что AMPK непосредственно фосфорилирует GEF, но, по-видимому, не активирует напрямую MEF2. Однако было показано, что обработка AICAR увеличивает транспорт обоих белков в ядро , а также увеличивает связывание обоих с областью промотора GLUT-4 .

Существует еще один белок, участвующий в углеводном обмене, который стоит упомянуть наряду с GLUT-4. Фермент гексокиназа фосфорилирует шестиуглеродный сахар, в первую очередь глюкозу , что является первой стадией гликолиза . Когда глюкоза транспортируется в клетку, она фосфорилируется гексокиназой. Это фосфорилирование не дает глюкозе покидать клетку и, изменяя структуру глюкозы посредством фосфорилирования, снижает концентрацию молекул глюкозы, поддерживая градиент для переноса большего количества глюкозы в клетку. Транскрипция гексокиназы II увеличивается как в красных, так и в белых скелетных мышцах после обработки AICAR. При хронических инъекциях AICAR общее содержание белка гексокиназы II увеличивается в скелетных мышцах крыс .

Митохондрии

Митохондриальные ферменты, такие как цитохром с , сукцинатдегидрогеназа , малатдегидрогеназа , α-кетоглутаратдегидрогеназа и цитратсинтаза , увеличивают экспрессию и активность в ответ на упражнения. Стимуляция AICAR AMPK увеличивает цитохром с и δ-аминолевулинатсинтазу ( ALAS ), ограничивающий скорость фермент, участвующий в производстве гема . Малатдегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа также увеличивают активность цитратсинтазы у крыс, получавших инъекции AICAR. Напротив, у мышей с нокаутом LKB1 наблюдается снижение активности цитохрома с и цитратсинтазы, даже если мышей «тренируют» произвольными упражнениями.

AMPK требуется для повышенной экспрессии рецептора гамма-коактиватора-1α ( PGC-1α ), активируемого пролифератором пероксисом, в скелетных мышцах в ответ на истощение креатина . PGC-1α является регулятором транскрипции генов, участвующих в окислении жирных кислот , глюконеогенезе , и считается главным регулятором митохондриального биогенеза .

Для этого он увеличивает активность факторов транскрипции, таких как ядерный респираторный фактор 1 ( NRF-1 ), фактор усиления миоцитов 2 (MEF2), фактор клетки-хозяина (HCF) и другие. У него также есть положительная обратная связь , усиливающая его собственное выражение. И MEF2, и элемент ответа цАМФ ( CRE ) важны для индуцированной сокращением активности промотора PGC-1α . У мышей с нокаутом LKB1 наблюдается снижение PGC-1α, а также митохондриальных белков.

Гормон щитовидной железы

АМФК и гормон щитовидной железы регулируют схожие процессы. Зная об этом сходстве, Уиндер и Харди и др. разработали эксперимент, чтобы увидеть, влияет ли AMPK на гормон щитовидной железы . Они обнаружили, что все субъединицы AMPK были увеличены в скелетных мышцах , особенно в камбаловидной мышце и красной четырехглавой мышце , при лечении гормонами щитовидной железы. Также наблюдалось повышение фосфо-АСС, маркера активности AMPK.

Системы определения уровня глюкозы

Сообщалось, что потеря AMPK изменяет чувствительность клеток, чувствительных к глюкозе, через плохо определенные механизмы. Потеря субъединицы AMPKα2 в бета-клетках поджелудочной железы и нейронах гипоталамуса снижает чувствительность этих клеток к изменениям во внеклеточной концентрации глюкозы. Более того, воздействие на крыс повторяющихся приступов индуцированной инсулином гипогликемии / глюкопении снижает активацию AMPK в гипоталамусе, одновременно подавляя контррегуляторную реакцию на гипогликемию. Фармакологическая активация AMPK путем доставки активирующего AMPK препарата AICAR непосредственно в гипоталамус может усилить контррегуляторный ответ на гипогликемию.

Лизосомные повреждения, воспалительные заболевания и метформин

AMPK набирается в лизосомы и регулируется в лизосомах с помощью нескольких систем, имеющих клиническое значение. Это включает в себя Axin - LKB1 комплекс, действующий в ответ на ограничения глюкозы , функционирующих независимо AMP зондирования, который определяет низкий уровень глюкозы как отсутствие фруктоза-1,6-бисфосфат с помощью динамического набора взаимодействий между lysosomally локализованного V-АТФазы - альдолазы в контакте с эндоплазматическим ретикулумом локализован TRPV . Вторая AMPK-контрольная система, локализованная в лизосомах, зависит от системы галектин-9 - TAK1 и ответов убиквитинирования, контролируемых деубиквитинирующими ферментами, такими как USP9X, что приводит к активации AMPK в ответ на лизосомное повреждение, состояние, которое может возникать биохимически, физически через белковые агрегаты. такие , как proteopathic тау в болезни Альцгеймера , кристаллический кремнезем вызывает силикоз , кристаллы холестерина , вызывающие воспаление через NLRP3 инфламмасому и разрыв атеросклеротических поражений, кристаллы уратов , связанные с подагрой , или во время вторжения микробов , таких как микобактерии туберкулез или коронавирусы , вызывающего SARS . Обе вышеупомянутые системы, локализованные в лизосомах, контролирующие AMPK, активируют его в ответ на метформин , широко назначаемый антидиабетический препарат.

Подавление и продвижение опухолей

Некоторые данные указывают на то, что AMPK может играть роль в подавлении опухоли. Исследования показали, что AMPK может проявлять большую часть или даже все свойства киназы печени B1 (LKB1) по подавлению опухоли . Кроме того, исследования, в которых активатор AMPK метформин использовался для лечения диабета, обнаружили корреляцию со сниженным риском рака по сравнению с другими лекарствами. Исследования нокаута и нокдауна гена на мышах показали, что мыши без гена, экспрессирующего AMPK, имели больший риск развития лимфом, хотя, поскольку ген был нокаутирован глобально, а не только в B-клетках , было невозможно сделать вывод, что нокаут AMP имел клеточно-автономный характер. эффекты внутри клеток-предшественников опухоли.

Напротив, некоторые исследования связывают AMPK с ролью промотора опухоли, защищая раковые клетки от стресса. Таким образом, как только в организме сформировались раковые клетки, AMPK может переключаться с защиты от рака на защиту самого рака. Исследования показали, что опухолевые клетки с нокаутом AMPK более подвержены гибели из-за голодания по глюкозе или отслоения внеклеточного матрикса , что может указывать на то, что AMPK играет роль в предотвращении этих двух исходов. Нет прямых доказательств того, что ингибирование AMPK могло бы быть эффективным лечением рака у людей.

Споры о роли в адаптации к упражнениям / тренировкам

Казалось бы, парадоксальная роль AMPK проявляется, если мы более внимательно посмотрим на чувствительный к энергии фермент в отношении физических упражнений и длительных тренировок. Подобно шкале краткосрочных интенсивных тренировок, долгосрочные исследования тренировок на выносливость также показывают увеличение окислительных метаболических ферментов, GLUT-4, размера и количества митохондрий, а также повышенную зависимость от окисления жирных кислот; однако Winder et al. сообщили в 2002 году, что, несмотря на наблюдаемую повышенную окислительную биохимическую адаптацию к длительным тренировкам на выносливость (аналогичные тем, которые упоминались выше), ответ AMPK (активация AMPK в начале упражнения) на острые приступы упражнений уменьшился в красных квадрицепсах (RQ). с обучением (3 - см. рис.1). Напротив, в исследовании не наблюдались те же результаты для белых четырехглавых мышц (WQ) и камбаловидной мышцы (SOL), которые они получили в RQ. Дрессированные крысы, использованные для этого исследования на выносливость, бегали на беговых дорожках 5 дней в неделю за два 1-часовых занятия, утром и днем . Крысы также бежали со скоростью 31 м / мин (степень 15%). Наконец, после обучения крыс умерщвляли либо в состоянии покоя, либо через 10 мин. упражнения.

Поскольку реакция AMPK на упражнения уменьшается с увеличением продолжительности тренировки, возникает много вопросов, которые могут поставить под сомнение роль AMPK в отношении биохимической адаптации к упражнениям и тренировкам на выносливость. Частично это связано с заметным усилением митохондриального биогенеза , активацией GLUT-4 , UCP-3 , гексокиназы II наряду с другими метаболическими и митохондриальными ферментами, несмотря на снижение активности AMPK во время тренировки. Вопросы также возникают из-за того, что клетки скелетных мышц, которые выражают это снижение активности AMPK в ответ на тренировку на выносливость, также, по-видимому, поддерживают окислительно-зависимый подход к метаболизму, который также считается в некоторой степени регулируемым активностью AMPK.

Если реакция AMPK на упражнения частично отвечает за биохимическую адаптацию к тренировке, как тогда эта адаптация к тренировке может поддерживаться, если реакция AMPK на тренировку ослабляется тренировкой? Предполагается, что эти адаптивные роли к тренировкам поддерживаются активностью AMPK и что увеличение активности AMPK в ответ на упражнения в тренированных скелетных мышцах еще не наблюдалось из-за биохимических адаптаций, которые тренировка сама стимулировала в мышечной ткани, чтобы уменьшить метаболическая потребность в активации AMPK. Другими словами, из-за предыдущих адаптаций к тренировкам AMPK не будет активироваться, и дальнейшая адаптация не произойдет, пока внутриклеточные уровни АТФ не истощатся из-за еще более интенсивного энергетического вызова, чем до этих предыдущих адаптаций.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки