能量是生物体生存的物质基础，因此，保持能量平衡对于生存具有关键作用。磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)在调节细胞能量代谢平衡的蛋白激酶级联反应中起重要作用，特别是在能量供应不规律时维持机体代谢平衡，在胰岛素抵抗和代谢综合征的发生过程中均扮演重要角色。近年来，发现2种治疗糖尿病的一线药物-二甲双胍和罗格列酮均可以在肌肉组织中激活AMPK。本文对AMPK作用机制及其在2型糖尿病等代谢性疾病治疗中的作用作一综述。

1 AMPK的结构和活性调控 1.1 AMPK的结构

AMPK是一个由α(63kD)、β(30kD)和γ(37～63kD)亚基形成的异源三聚体。α为催化亚基，β和γ为调节亚基。3种亚基存在不同的亚型，如α1和α2，β1和β2，γ1、γ2和γ3。目前已发现在α亚基中含有一段较短的保守片段(α1313-335)，这段片段中包含了一段α螺旋，并且与α亚基中的自动抑制序列有关。此外，人类AMPK的α亚基自动抑制区结构模型的建立表明缬氨酸(Va1-298)和Leu-328可以通过疏水键相互作用，稳定整个自动抑制区结构的功能，对自动抑制区功能的发挥起到重要作用^[1]。最近的研究为AMPK的结构作出了修正，认为α亚基同时与β亚基和γ亚基相互结合，而β亚基和γ亚基之间则并没有直接的相互连接^[2]。

1.2 AMPK的激活途径

AMPK作为一个有效的感受器，有多种可以激活AMPK的途径：(1)当细胞内腺苷一磷酸/三磷酸腺苷(AMP/ATP)的比例升高时AMPK被激活，调控细胞内的能量状况。AMPK与AMP结合时可以在一个上游激酶例如肿瘤抑制基因(LKBl)的调控下，通过苏氨酸-172(Thr-172)的磷酸化激活α亚基的活性，此外，在这种结合状态下还可以抑制蛋白质磷酸酶作用下的Thr-172的脱磷酸作用。(2)钙调蛋白激酶激酶(calmodulin-dependent protein kinase kinase，CaMKK)也可以作为调节AMPK活性的上游激酶，并且这种调节是由细胞内钙离子浓度的升高触发的，在这个过程中并没有出现AMP/ATP比例的升高^[3]。CaMKK在中枢神经系统中有较高的表达，而在人体的其他组织例如肝脏和骨骼肌中的表达却比较低，说明AMPK活性的调控存在多种可能的机制，并且具有组织特异性。(3)机体处于一系列代谢性应激状态如缺氧、局部缺血、高渗时、运动、葡萄糖缺乏等情况下AMPK的活性被激活，AMPK可以增强分解代谢从而产生更多ATP，同时关闭消耗ATP的合成代谢途径来保证细胞内的能量储备^[4]。(4)二甲双胍和噻唑烷二酮类这种广泛应用于2型糖尿病治疗的药物也可引起AMPK活性的上升，这也从一个侧面反映AMPK可能在型糖尿病的治疗中也有目前未知的作用。药物对AMPK的激活作用可以通过一个人造激活因子-甲酰胺眯唑核糖核苷(5-aminoimidazole-4-carboxamide Riboside，AICAR)对细胞的作用来证明。AICAR是一种可以穿过细胞膜的类腺苷物质，在被细胞吸收后可以通过磷酸化转化为某种类似于AMP的物质，从而模拟AMPK与AMP结合后的激活途径。(5)小檗碱也可以激活AMPK的活性，并且可以显著缓解2型糖尿病中的胰岛素抵抗，尽管这种作用的机制还不十分清楚，但小檗碱在糖尿病中的治疗作用已经得到了广泛承认。实验表明，小檗碱可以在不调整食物摄取的情况下降低体小鼠体重并且显著改善葡萄糖耐量。在应用小檗碱之后可以在3T3-L1脂肪细胞和L6肌管中观察到AMPK的活性上升，由此推断小檗碱发挥作用至少有一部分是由AMPK介导的^[5]。

2 AMFK在外周组织中的调节作用 2.1 AMPK在葡萄糖摄取中的作用

胰岛素抵抗是2型糖尿病发病中的—个重要因素，如果能够找出一种不依赖胰岛素的替代途径来刺激机体对葡萄糖的摄取，将有利于2型糖尿病的治疗。在离体的肌肉组织中通过肌肉的收缩可以增强葡萄糖的摄取，这种由收缩引起的葡萄糖摄取的增加可能与因细胞内能量缺乏而产生的某种信号转导途径有关，AMPK很可能是这种转导途径中的一个重要因子，因为AMPK在骨骼肌中AMP/MP比例升高或者磷酸肌酸的能量储备下降时都可以被激活。有报道^[6]，由AICAR激活AMPK活性后可以增强小鼠葡萄糖的摄取，慢收缩肌如比目鱼肌中AICAR尽管仍能增加AMPK的磷酸化，但它并不能促进葡萄糖的摄取。但即使在高糖原的情况下，肌收缩仍然能够促进葡萄糖的摄取，但不增强AMPK活性。而在快收缩肌中，AICAR能显著促进AMPK活性的增强和葡萄糖的摄取而去除骨骼肌中AMFK的α2和γ3亚基的表达，并不影响肌收缩对葡萄糖摄取的促进作用^[7]。说明AMFK在不同类型的肌纤维上对葡萄糖摄取的促进作用是不同的，并且可能不参与肌收缩引起的葡萄糖摄取的增强。

在骨骼肌中肾上腺素可以通过激活β受体来抑制由胰岛素激发的葡萄糖摄取的增强，但是，当胰岛素缺乏的情况下，肾上腺素反而可以促进葡萄糖的摄取。有报道^[8]，在L6骨骼肌细胞中，AMPK的活性可以被肾上腺素受体激活，至少在这种细胞中，AMPK的活性是通过α1受体而不是常见的α2或者β受体来激活，并调控葡萄糖的摄取。在骨骼肌中，由AMPK介导的对葡萄糖摄取的调控作用可能在2型糖尿病治疗中具有重要意义，并且应用在临床中。例如，在大鼠的骨骼肌中，二甲双胍可以激活AMPK的活性来增加葡萄糖的摄取，而二甲双胍往往作为一种胰岛素增敏剂来治疗人的2型糖尿病，由此推断二甲双胍对代谢的影响很可能是以骨骼肌中的AMPK为媒介的。

2.2 AMPK在肝脏生物活动中的作用

肝细胞中葡萄糖的合成和外周组织对葡萄糖的摄取之间保持平衡，使得葡萄糖浓度保持稳态。肝脏中葡萄糖的异生作用是由磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase，G6pase)等多种酶的共同作用下完成的，而在AMPK的活性激活后可以抑制这2种酶的相关基因的转录，从而抑制葡萄糖的合成。

实验发现，在完全缺失AMPKα2亚基的小鼠中，即使在禁食状态下仍然会出现高血糖症的现象，可能与由于失去AMPK抑制作用的PEPCK和G6pase的活性上升使得肝脏中的糖异生增强的结果^[9]。此外，胰高血糖素和节食状态会使得肝脏中调控cAMP反应序列结合蛋白(cAMP response element-binding，CREB)活性的转导蛋白2(transducer of regulated CREB activity 2，TORC2)发生核易位，从而增强CREB依赖的葡萄糖异生酶的转录。而AMDK在被激活后可以使得TORC2磷酸化并且隔离细胞质中的共活化物。如果消除AlVIPK的上游激活激酶，会阻止AMPK活性的激活，并最终导致糖异生的增强和血糖升高^[10]。

2.3 AIVIPK在脂肪组织中的调节作用

2型糖尿病的一个显著的特征就是循环中脂质浓度水平的显著提高，这主要是因为胰岛素抵抗使得其对脂解作用的抑制降低。AMPK可以通过磷酸化一些激素敏感的脂解酶来抑制脂解作用，并且可以抑制此后的蛋白激酶A的激活作用。AMPK对脂解作用的抑制作用己在离体的小鼠脂肪组织中得到证明，用AICAR激活AMPK活性后可以抵消被异丙肾上腺素激发而增强的脂解作用^[11]。实验表明，AMPK对全身的脂肪组织的总量都有一定的调控作用，例如在进餐高脂肪含量的饮食后，AMPKα2亚基缺失的小鼠在体重和脂肪总量的增加量都要明显高于正常小鼠，而且AMPK在脂肪组织中的活性还可以随着脂解作用的增强而增强，例如在节食的情况下可以观察到AMPK活性的显著增强^{[12, 13]}。

3 AMPK在调控能量内环境平衡中的作用 3.1 AMPK在下丘脑中的作用

在全身能量内环境稳态的维持中，下丘脑发挥着关键的作用，而AMPK在其中所扮演的是一个传感器的角色。在给啮齿类动物注入瘦素或者胰岛素后导致下丘脑中AMPK的活性下降，相反给其注入某些具有促进食欲作用的缩氨酸如生长激素配体ghrelin(胃内产生的一种肽)则会导致下丘脑中AMPK活性的增强^[14]。如果下丘脑的AMPK被AICAR或者α类脂酸激活会引起食物摄入的增加，相应的瘦素在降低食欲和体重方面的作用会随着AMPK活性的增强而有所减弱。除了由生物肽产生的信号，当能量缺乏的时候如在节食状态下，下丘脑中的AMPK的活性也会增强，高血糖之类的情况也会导致同样的结果。下丘脑中的AMPK对外周组织也有调节作用。实验发现，下丘脑-自主神经系统轴在由瘦素引发的脂肪酸氧化作用中也发挥了重要的媒介作用，通过脑内注射AICAR激活AMPK活性同时还使得骨骼肌中糖原合成增强。同时还发现，AMPKα2亚基缺失的小鼠，注入胰岛素后，葡萄糖利用和骨骼肌中的糖原合成的增强程度远不如正常小鼠，尽管其中的分子机制还不清楚，但是可以推断AMPK在其中具有重要作用^[13]。

3.2 AMPK在心肌组织中的作用

AMPK还可以通过降低内质网的张力来保护心肌症中因缺氧而受损的心肌组织。缺氧会导致内质网上错折叠蛋白的积聚，使得其张力增大，AMPK的活性会在此时激活并通过减少错折叠蛋白的合成和上调内质网伴侣蛋白的表达来缓解这种状况以及保持能量内环境的稳定。AMPK是通过抑制真核细胞延伸因子-(eukaryotic elongation factor，eEF-2)的活性从而减少错折叠蛋白的合成，上调内质网伴侣蛋白的表达的分子途径尚未阐明^[15]。

3.3 AMPK与其他内分泌调节因子

AMPK还可以与其他多种因子协同作用，例如瘦素在AMPK整合身体内的激素信号和能量信号以维持内环境稳定的过程中发挥了相当重要作用。瘦素是由白色脂肪细胞分泌的激素，可以通过减少食物的摄入来减少脂肪存储和提高胰岛素敏感度。在外周组织中，瘦素还可以减少甘油三酯的吸收，促进脂肪酸氧化作用和葡萄糖的摄取，其中后两者是通过AMPK介导完成的。瘦素在经静脉注射进入人体后主要通过抑制骨骼肌中乙酰辅酶a的活性和激活AMPKα2亚基的活性这种双相途径来促进脂肪酸氧化作用。AMPK活性的增强分为2次，第一次是出现在瘦素注入的早期，且迅速消失，激活途径主要是由于AMP浓度的升高使得AMP/ATP比值增大。第二次是通过下丘脑的交感神经系统和骨骼肌中的α型肾上腺素受体为媒介，活性维持的时间也较长。在给予小鼠连续8周的高脂肪饮食之后发现其体内脂肪组织含量明显上升，同时还可以观察到血液中瘦素浓度的波动(5.4～16.0ng/ml)，而与之同时出现的还：(1)解偶联蛋白-2(uncoupling protein 2，UCP-2)浓度的升高；(2)AMPK磷酸化的增强；(3)心肌组织中乳酸盐浓度的下降和乳酸脱氢酶活性的下降。表明AMPK在瘦素调整体内脂肪组织含量时也发挥着重要作用^[16]。研究发现，瘦素还能激活AMPK在肝脏细胞中发挥作用，主要是依赖于蛋白酪氨酸激酶2(janus kinase 2，JAK2)的作用^[17]。

脂联素是另外一种脂肪调控因子。实验中发现，鼠类在高脂肪饮食情况下会被激活来降低血液中葡萄糖和游离脂肪酸(FFA)的含量。这种作用有一部分是通过激活NMPK的活性来实现的，AMPK在被激活后会依次激活骨骼肌中的脂肪酸氧化作用和增强葡萄糖的摄取。此外，AMPK还可以抑制内生葡萄糖的合成以及PEPCK和G6pase的活性^{[5, 18]}，在骨骼肌和肝脏这2个储存糖原的器官中脂联素都是通过激活AMPK来发挥功能。

不过，AMPK活性过度的增强可能会对机体有不利的影响。目前，通过胰岛移植来治疗1型糖尿病已经因为缺乏功能性胰岛β细胞群而被限制。研究发现，移植后有腺病毒介导的NClPK活性变化，在体外培养中发现这种变化会引起胰岛素分泌的变化，也可能影响活体中移植后的胰岛功能^[19]。通过介入治疗来限制AMPK的活性可能让这种治疗方式重新被应用。

4 小结

AMPK是一种多功能的能量感受器和代谢调节因子，通过调节多种外周组织的代谢来控制整个身体的能量平衡，如在多种哺乳动物的组织中，AMPK控制着葡萄糖和脂类的代谢。营养缺乏时促进糖摄取和脂类氧化释放能量，营养充足时促进能量储存，此外，AMPK还可以通过整合下丘脑和其他组织间的信号转导从而达到控制饮食和身体的机体能量消耗之间的平衡。总之，AMPK是一个保守、敏感的能量感受器，调控着组织中的能量平衡。能量代谢紊乱是早期2型糖尿病及肥胖的重要病因，AMPK信号途径的基础研究有助于了解通过预防运动防治糖尿病和肥胖的作用机制，并且对于临床应用AMPK激活剂具有重要意义。