AMP -aktiverat proteinkinas - AMP-activated protein kinase

Får inte förväxlas med cAMP-aktiverat proteinkinas .
[hydroximetylglutaryl-CoA reduktas (NADPH)] kinas
MMDB ID 90115 PDB ID 3AQV AMP-aktiverat proteinkinas.png
AMP-aktiverat proteinkinas
Identifierare
EG -nr. 2.7.11.31
CAS -nr. 172522-01-9
Alt. namn AMP-aktiverat proteinkinas; HMG-CoA reduktas kinas
Databaser
IntEnz IntEnz -vy
BRENDA BRENDA -inträde
ExPASy NiceZyme -vy
KEGG KEGG -post
MetaCyc Metabolisk väg
PRIAM profil
PDB -strukturer RCSB PDB PDBe PDBsum

5 'AMP-aktiverat proteinkinas eller AMPK eller 5'-adenosinmonofosfataktiverat proteinkinas är ett enzym (EC 2.7.11.31) som spelar en roll vid cellulär energihomeostas, till stor del för att aktivera upptag av glukos och fettsyror och oxidation när cellulär energi är låg. Det tillhör en mycket konserverad eukaryotisk proteinfamilj och dess ortologer är SNF1 i jäst och SnRK1 i växter. Den består av tre proteiner ( subenheter ) som tillsammans bildar ett funktionellt enzym, konserverat från jäst till människor. Det uttrycks i ett antal vävnader, inklusive lever , hjärna och skelettmuskel . Som svar på bindning av AMP och ADP är nettoeffekten av AMPK -aktivering stimulering av leverfettsyraoxidation , ketogenes , stimulering av skelettmuskelfettsyraoxidation och glukosupptag, hämning av kolesterolsyntes , lipogenes och triglyceridsyntes , hämning av adipocytlipogenes , hämning av adipocyt lipolys , och modulering av insulinutsöndring genom pankreatiska beta-celler .

Det bör inte förväxlas med cykliskt AMP -aktiverat proteinkinas ( proteinkinas A ).

Strukturera

AMPK är ett heterotrimärt proteinkomplex som bildas av a, ß och y subenheter. Var och en av dessa tre subenheter har en specifik roll i både stabiliteten och aktiviteten hos AMPK. Specifikt inkluderar γ -subenheten fyra särskilda Cystathionine beta -syntas (CBS) -domäner , vilket ger AMPK dess förmåga att känsligt upptäcka förändringar i AMP : ATP -förhållandet. De fyra CBS -domänerna skapar två bindningsplatser för AMP som vanligtvis kallas Bateman -domäner. Bindning av en AMP till en Bateman domän samverkande ökar bindningsaffinitet för den andra AMP till den andra Bateman domänen. När AMP binder båda Bateman -domänerna genomgår y -subenheten en konformationsändring som exponerar den katalytiska domänen som finns på a -subenheten. Det är i detta katalytiska domänen där AMPK blir aktiverad när fosforylering sker vid treonin -172 av en uppströms AMPK kinas ( AMPKK ). A-, p- och y -underenheterna kan också hittas i olika isoformer: y -subenheten kan existera som antingen y1, y2 eller y3 isoform ; p -subenheten kan existera som antingen β1 eller β2 isoformen; och a -subenheten kan existera som antingen a1- eller α2 -isoformen. Även om de vanligaste isoformerna som uttrycks i de flesta celler är a1-, β1- och γ1 -isoformerna, har det visats att α2-, β2-, γ2- och γ3 -isoformerna också uttrycks i hjärt- och skelettmuskulatur .

Följande mänskliga gener kodar för AMPK -subenheter:

Kristallstrukturen för däggdjurs AMPK -regulatorisk kärndomän (α C -terminal, β C -terminal, γ) har lösts i komplex med AMP, ADP eller ATP.

Förordning

På grund av förekomsten av isoformer av dess komponenter finns det 12 versioner av AMPK hos däggdjur, som var och en kan ha olika vävnadslokaliseringar och olika funktioner under olika förhållanden. AMPK regleras allosteriskt och genom post-translationell modifiering, som fungerar tillsammans.

Om rest T172 i AMPK: s a-subenhet fosforyleras aktiveras AMPK; åtkomst till den återstoden med fosfataser blockeras om AMP eller ADP kan blockera åtkomst för och ATP kan förskjuta AMP och ADP. Den återstoden fosforyleras av minst tre kinaser ( leverkinas B1 (LKB1), som fungerar i ett komplex med STRAD och MO25 , kalcium/kalmodulinberoende proteinkinaskinas II- ( CAMKK2 ) och TGFβ-aktiverat kinas 1 (TAK1) ) och avfosforyleras av tre fosfataser ( proteinfosfatas 2A (PP2A); proteinfosfatas 2C (PP2C) och Mg2+-/Mn2+-beroende proteinfosfatas 1E ( PPM1E )).

AMPK regleras allosteriskt mestadels genom konkurrenskraftig bindning av sin gammaunderenhet mellan ATP (vilket möjliggör fosfatasåtkomst till T172) och AMP eller ADP (var och en blockerar åtkomst till fosfataser). Det verkar således som att AMPK är en sensor för AMP/ATP- eller ADP/ATP -förhållanden och därmed cellens energinivå. Reglering av AMPK med CaMKK2 kräver en direkt interaktion mellan dessa två proteiner via deras kinasdomäner. Interaktionen mellan CaMKK2 och AMPK involverar bara alfa- och beta -subenheterna i AMPK (AMPK gamma är frånvarande från CaMKK2 -komplexet), vilket gör reglering av AMPK i detta sammanhang till förändringar i kalciumnivåer men inte AMP eller ADP.

Det finns andra mekanismer genom vilka AMPK hämmas av insulin, leptin och diacylglycerol genom att inducera olika andra fosforyleringar.

AMPK kan hämmas eller aktiveras av olika vävnadsspecifika ubiquitinationer .

Det regleras också av flera protein-protein-interaktioner och kan antingen aktiveras eller hämmas av oxidativa faktorer; oxidationens roll vid regleringen av AMPK var kontroversiell från 2016.

Fungera

När AMPK fosforylerar acetyl-CoA karboxylas 1 (ACC1) eller sterolreglerande elementbindande protein 1c (SREBP1c), hämmar det syntesen av fettsyror, kolesterol och triglycerider och aktiverar fettsyrans upptag och β-oxidation.

AMPK stimulerar glukosupptag i skelettmuskeln genom att fosforylera Rab-GTPas-aktiverande protein TBC1D1 , vilket i slutändan inducerar fusion av GLUT1-vesiklar med plasmamembranet. AMPK stimulerar glykolys genom att aktivera fosforylering av 6-fosfofrukto-2-kinas/fruktos-2,6-bisfosfatas 2/3 och aktivera fosforylering av glykogenfosforylas, och det hämmar glykogensyntesen genom hämmande fosforylering av glykogensyntas. I levern hämmar AMPK glukoneogenes genom att hämma transkriptionsfaktorer inklusive hepatocytkärnfaktor 4 (HNF4) och CREB -reglerad transkriptionskoaktivator 2 (CRTC2).

AMPK hämmar den energiintensiva proteinbiosyntesprocessen och kan också tvinga en övergång från cap-beroende translation till cap-oberoende translation, vilket kräver mindre energi, genom fosforylering av TSC2 , RPTOR , transkriptionsinitieringsfaktor 1A.66 och eEF2K . När TSC2 är aktiverat hämmar det mTORC1. Som ett resultat av hämning av mTORC1 med AMPK, stannar proteinsyntesen . Aktivering av AMPK betyder låg energi i cellen, så alla energiförbrukande vägar som proteinsyntes hämmas och vägar som genererar energi aktiveras för att återställa lämpliga energinivåer i cellen.

AMPK aktiverar autofagi genom att direkt och indirekt aktivera ULK1 . AMPK verkar också stimulera mitokondriell biogenes genom att reglera PGC-1α som i sin tur främjar gentranskription i mitokondrier. AMPK aktiverar också antioxidantförsvar.

Klinisk signifikans

Träning/träning

Många biokemiska anpassningar av skelettmuskler som sker under en enda träningsperiod eller en längre träningstid , såsom ökad mitokondriell biogenes och kapacitet, ökad muskelglykogen och en ökning av enzymer som är specialiserade på glukosupptag i celler som GLUT4 och hexokinas II antas delvis förmedlas av AMPK när det aktiveras. Dessutom kan de senaste upptäckterna antyda en direkt AMPK -roll för att öka blodtillförseln till tränade/tränade muskelceller genom att stimulera och stabilisera både vaskulogenes och angiogenes . Sammantaget inträffar dessa anpassningar sannolikt till följd av både tillfälliga och bibehållna ökningar i AMPK-aktivitet som orsakas av ökningar i AMP: ATP-förhållandet under enstaka träningspass och långvarig träning.

Under en enda akut träningstillfälle tillåter AMPK de sammandragande muskelcellerna att anpassa sig till energiutmaningarna genom att öka uttrycket av hexokinas II, translokation av GLUT4 till plasmamembranet , för glukosupptag och genom att stimulera glykolys. Om träningspass fortsätter genom en långsiktig träning kommer AMPK och andra signaler att underlätta kontraherande muskelanpassningar genom att eskortera muskelcellsaktivitet till en metabolisk övergång som resulterar i en fettsyraoxideringsmetod för ATP-generation i motsats till ett glykolytiskt tillvägagångssätt. AMPK åstadkommer denna övergång till det oxidativa sättet för metabolism genom uppreglering och aktivering av oxidativa enzymer såsom hexokinas II , PPARalpha , PPARdelta , PGC-1 , UCP-3 , cytokrom C och TFAM .

Mutationer i skelettmuskelns kalciumfrisättningskanal ( RYR1 ) ligger till grund för ett livshotande svar på värme hos patienter med malign hypertermi-känslighet (MHS). Vid akut exponering för värme orsakar dessa mutationer okontrollerad Ca2+ -frisättning från sarkoplasmatisk retikulum, vilket leder till ihållande muskelkontrakturer, svår hypertermi och plötslig död. Vid basala förhållanden leder det temperaturberoende Ca2+ -läckaget också till ökat energibehov och aktivering av energikännande AMP-kinas (AMPK) i skelettmuskeln. Den aktiverade AMPK ökar muskelmetabolisk aktivitet, inklusive glykolys, vilket leder till markant förhöjning av cirkulerande laktat.

AMPK-aktiviteten ökar med träning och LKB1/MO25/STRAD- komplexet anses vara den huvudsakliga AMPKK uppströms för 5'-AMP-aktiverat proteinkinas som fosforylerar α-subenheten till AMPK vid Thr-172. Detta faktum är förbryllande med tanke på att även om AMPK protein överflöd har visat sig öka i skelettvävnad med uthållighetsträning har sin aktivitetsnivå har visat sig minska med uthållighetsträning i både utbildad och outbildad vävnad. För närvarande är AMPK: s aktivitet omedelbart efter en 2-timmars träning av en uthållighetsutbildad råtta oklar. Det är möjligt att det finns en direkt koppling mellan den observerade minskningen av AMPK -aktivitet i uthållighetstränade skelettmuskler och den uppenbara minskningen av AMPK -svaret på träning med uthållighetsträning.

Även om AMPKalpha2 -aktivering har ansetts vara viktigt för mitokondriella anpassningar till träningsträning, motsätter en ny studie som undersöker svaret på träningsträning i AMPKa2 -knockoutmöss denna idé. Deras studie jämförde svaret på träning av flera proteiner och enzymer i vildtyp och AMPKalpha2 knockout -möss. Och även om knockout-mössen hade lägre basala markörer för mitokondriell densitet (COX-1, CS och HAD), ökade dessa markörer på samma sätt som vildtypsmössen efter träningsträning. Dessa resultat stöds av en annan studie som inte heller visar någon skillnad i mitokondriella anpassningar till träningsträning mellan vildtyp och knockout -möss.

Maximal livslängd

Den C. elegans homologen av AMPK, aak-2, har visats av Michael Ristow och kollegor att krävas för förlängning av livslängden i tillstånd av glukosrestriktions medierar en process som heter mitohormesis .

Lipidmetabolism

En av effekterna av träning är en ökning av fettsyraomsättningen , vilket ger mer energi till cellen. En av de viktigaste vägarna i AMPK: s reglering av fettsyraoxidation är fosforylering och inaktivering av acetyl-CoA-karboxylas . Acetyl-CoA-karboxylas (ACC) omvandlar acetyl-CoA till malonyl-CoA , en hämmare av karnitinpalmitoyltransferas 1 ( CPT-1 ). CPT-1 transporterar fettsyror till mitokondrier för oxidation . Inaktivering av ACC resulterar därför i ökad fettsyratransport och efterföljande oxidation. Man tror också att minskningen av malonyl-CoA sker som ett resultat av malonyl-CoA-dekarboxylas (MCD), som kan regleras av AMPK. MCD är en antagonist mot ACC, dekarboxylerar malonyl-CoA till acetyl-CoA, vilket resulterar i minskad malonyl-CoA och ökad CPT-1 och fettsyraoxidation. AMPK spelar också en viktig roll i lipidmetabolismen i levern . Det har länge varit känt att ACC i lever har reglerats i levern genom fosforylering . AMPK fosforylerar och inaktiverar också 3-hydroxi-3-metylglutaryl-CoA-reduktas (HMGCR), ett nyckelenzym vid kolesterolsyntes . HMGR omvandlar 3-hydroxi-3-metylglutaryl-CoA, som är tillverkat av acetyl-CoA, till mevalonsyra , som sedan färdas ner flera metaboliska steg för att bli kolesterol . AMPK hjälper därför till att reglera fettsyraoxidation och kolesterolsyntes.

Glukostransport

Insulin är ett hormon som hjälper till att reglera glukosnivåerna i kroppen. När blodsockret är högt frigörs insulin från Langerhans öar . Insulin kommer bland annat att underlätta upptag av glukos i celler via ökat uttryck och translokation av glukostransportör GLUT-4 . Under träningsförhållanden är blodsockernivåerna dock inte nödvändigtvis höga, och insulin aktiveras inte nödvändigtvis, men musklerna kan fortfarande få in glukos. AMPK verkar delvis vara ansvarigt för denna träningsinducerade glukosupptagning. Goodyear et al. observerade att med träning ökade koncentrationen av GLUT-4 i plasmamembranet , men minskade i de mikrosomala membranen, vilket tyder på att träning underlättar translokation av vesikulär GLUT-4 till plasmamembranet . Medan akut träning ökar GLUT-4-translokationen, kommer uthållighetsträning att öka den totala mängden tillgängligt GLUT-4-protein. Det har visat sig att både elektrisk sammandragning och behandling med AICA-ribonukleotid (AICAR) ökar AMPK-aktivering, glukosupptag och GLUT-4-translokation i perfuserad råtta- bakbensmuskel , som kopplar mot träningsinducerad glukosupptagning till AMPK. Kroniska AICAR-injektioner, som simulerar några av effekterna av uthållighetsträning , ökar också den totala mängden GLUT-4- protein i muskelcellen .

Två proteiner är avgörande för regleringen av GLUT-4-uttryck på en transkriptionell nivå-myocytförstärkningsfaktor 2 ( MEF2 ) och GLUT4-förstärkarfaktor (GEF). Mutationer i DNA- bindningsregionerna för något av dessa proteiner resulterar i ablation av transgen GLUT-4-uttryck. Dessa resultat föranledde en studie 2005 som visade att AMPK direkt fosforylerar GEF, men det verkar inte direkt aktivera MEF2. AICAR-behandling har emellertid visat sig öka transporten av båda proteinerna till kärnan , liksom öka bindningen av båda till GLUT-4- promotorregionen .

Det finns ett annat protein involverat i kolhydratmetabolism som är värt att nämnas tillsammans med GLUT-4. Enzymet hexokinas fosforylerar ett sexkolsocker, framför allt glukos , vilket är det första steget i glykolys . När glukos transporteras in i cellen fosforyleras den med hexokinas. Denna fosforylering hindrar glukos från att lämna cellen , och genom att ändra glukosstrukturen genom fosforylering minskar den koncentrationen av glukosmolekyler, vilket bibehåller en gradient för att mer glukos ska transporteras in i cellen. Hexokinas II -transkription ökar i både röda och vita skelettmuskler vid behandling med AICAR. Med kroniska injektioner av AICAR, total proteinhalt av hexokinas II ökar i råttskelettmuskel.

Mitokondrier

Mitokondriella enzymer, såsom cytokrom c , succinat dehydrogenas , malat dehydrogenas , α-ketoglutarat dehydrogenas och citratsyntas , ökning av uttryck och aktivitet som svar på träning. AICAR- stimulering av AMPK ökar cytokrom c och δ-aminolevulinatsyntas ( ALAS ), ett hastighetsbegränsande enzym som är involverat i produktionen av hem . Malatdehydrogenas och succinatdehydrogenas ökar också, liksom citratsyntasaktivitet, hos råttor som behandlats med AICAR -injektioner. Omvänt, i LKB1 knockout -möss, finns det minskningar av cytokrom c- och citratsyntasaktivitet, även om mössen "tränas" genom frivillig träning.

AMPK krävs för ökad peroxisomproliferatoraktiverad receptor gamma-koaktivator-1α ( PGC-1α ) -uttryck i skelettmuskel som svar på kreatinutarmning . PGC-1α är en transkriptionell regulator för gener som är involverade i fettsyraoxidation , glukoneogenes och anses vara huvudregulator för mitokondriell biogenes .

För att göra detta förbättrar det aktiviteten hos transkriptionsfaktorer som nukleär respiratorisk faktor 1 ( NRF-1 ), myocytförstärkare faktor 2 (MEF2), värdcellsfaktor (HCF) och andra. Den har också en positiv återkopplingsslinga som förbättrar sitt eget uttryck. Både MEF2 och cAMP- svarselement ( CRE ) är väsentliga för sammandragningsinducerad PGC-1α- promotoraktivitet . LKB1 knockout-möss visar en minskning av PGC-1α, såväl som mitokondriella proteiner.

Sköldkörtelhormon

AMPK och sköldkörtelhormonet reglera vissa liknande processer. Genom att känna till dessa likheter, Winder och Hardie et al. utformat ett experiment för att se om AMPK påverkades av sköldkörtelhormon . De fann att alla subenheter av AMPK ökade i skelettmuskulatur , särskilt i soleus och röda quadriceps, med sköldkörtelhormonbehandling. Det fanns också en ökning av fosfo-ACC, en markör för AMPK-aktivitet.

Glukosavkänningssystem

Förlust av AMPK har rapporterats förändra känsligheten hos glukosavkännande celler genom dåligt definierade mekanismer. Förlust av AMPKα2 -subenheten i pankreasbetaceller och hypotalamiska neuroner minskar känsligheten för dessa celler för förändringar i extracellulär glukoskoncentration. Dessutom, exponering av råttor för återkommande anfall av insulininducerad hypoglykemi/glukopeni, minskar aktiveringen av AMPK i hypothalamus, samtidigt som det undertrycker det motreglerande svaret på hypoglykemi. Farmakologisk aktivering av AMPK genom leverans av AMPK -aktiverande läkemedel AICAR, direkt i hypotalamus kan öka det motreglerande svaret på hypoglykemi.

Lysosomal skada, inflammatoriska sjukdomar och metformin

AMPK rekryteras till lysosomer och regleras vid lysosomerna via flera system av klinisk betydelse. Detta inkluderar axin - LKB1 -komplexet, som agerar som svar på glukos begränsningar som fungerar oberoende av AMP avkänning, som detekterar låg glukos som frånvaro av fruktos-1,6-bisfosfat via en dynamisk uppsättning interaktioner mellan lysosomally lokaliserad V-ATPas - aldolas i kontakt med det endoplasmatiska retikulumet lokaliserat TRPV . En andra AMPK-styrsystem lokaliserad till lysosomer beror på galektin-9 - TAK1 system- och ubikvitinering svar vid kontrollerade genom deubiquitinating enzymer såsom USP9X leder till AMPK-aktivering som svar på lysosomal skada, ett tillstånd som kan uppstå biokemiskt, fysiskt via proteinaggregat såsom proteopatisk tau vid Alzheimers sjukdom , kristallin kiseldioxid som orsakar silikos , kolesterolkristaller som orsakar inflammation via NLRP3 inflammasom och bristning på aterosklerotiska lesioner, uratkristaller i samband med gikt , eller under mikrobiell invasion såsom Mycobacterium tuberculosis eller coronavirus som orsakar SARS . Båda ovanstående lysosomalt lokaliserade system som styr AMPK aktiverar det som svar på metformin , ett allmänt föreskrivet läkemedel mot diabetes .

Tumörundertryckning och marknadsföring

Vissa bevis tyder på att AMPK kan ha en roll vid tumörundertryckning. Studier har funnit att AMPK kan utöva de flesta, eller till och med alla, tumörhämmande egenskaperna hos leverkinas B1 (LKB1). Dessutom fann studier där AMPK -aktivatorn metformin användes för att behandla diabetes en korrelation med minskad risk för cancer jämfört med andra mediciner. Gen knockout- och knockdown- studier med möss fann att möss utan genen för att uttrycka AMPK hade större risker att utveckla lymfom, men eftersom genen slogs ut globalt istället för bara i B-celler var det omöjligt att dra slutsatsen att AMP-knockout hade cellautonom effekter inom tumörfaderceller.

Vissa studier har däremot kopplat AMPK till en roll som en tumörpromotor genom att skydda cancerceller från stress. Så snart cancerceller har bildats i en organism kan AMPK byta från att skydda mot cancer till att skydda själva cancern. Studier har funnit att tumörceller med AMPK -knockout är mer mottagliga för döden genom glukossvält eller extracellulär matrisavskiljning, vilket kan indikera att AMPK har en roll för att förhindra dessa två resultat. Det finns inga direkta bevis på att inhibering av AMPK skulle vara en effektiv cancerbehandling hos människor.

Kontrovers om roll i anpassning till träning/träning

En till synes paradoxal roll för AMPK uppstår när vi tittar närmare på det energisensande enzymet i förhållande till träning och långvarig träning. I likhet med kortsiktig akut träningsskala avslöjar långsiktiga uthållighetsträningsstudier också ökningar av oxidativa metaboliska enzymer, GLUT-4, mitokondriell storlek och kvantitet, och ett ökat beroende av oxidation av fettsyror; emellertid Winder et al. rapporterade 2002 att trots att man observerade dessa ökade oxidativa biokemiska anpassningar till långvarig uthållighetsträning (liknande dem som nämnts ovan), minskade AMPK-svaret (aktivering av AMPK med träningens början) mot akuta anfall av träning i röda quadriceps (RQ) med träning (3 - se bild 1). Omvänt observerade studien inte samma resultat i vita quadriceps (WQ) och soleus (SOL) muskler som de gjorde i RQ. De tränade råttor används för att uthållighet studie körde på löpband 5 dagar / vecka i två 1-h sessioner, morgon och eftermiddag . Råttorna sprang också upp till 31m/min (grad 15%). Slutligen, efter träning, avlivades råttorna antingen i vila eller efter 10 minuter. av träning.

Eftersom AMPK -svaret på träning minskar med ökad träningstid, uppstår många frågor som skulle utmana AMPK -rollen när det gäller biokemiska anpassningar till tränings- och uthållighetsträning. Detta beror delvis på de markanta ökningarna av mitokondriell biogenes , uppreglering av GLUT-4 , UCP-3 , Hexokinase II tillsammans med andra metaboliska och mitokondriella enzymer trots minskningar i AMPK-aktivitet med träning. Frågor uppstår också eftersom skelettmuskelcellerna som uttrycker dessa minskningar av AMPK-aktivitet som svar på uthållighetsträning verkar också vara upprätthålla en oxidativ beroende förhållningssätt till metabolism, som likaledes är tänkt att regleras i viss utsträckning genom AMPK-aktivitet.

Om AMPK -svaret på träning delvis är ansvarigt för biokemiska anpassningar till träning, hur kan då dessa anpassningar till träning upprätthållas om AMPK -svaret på träning dämpas med träning? Det antas att dessa adaptiva roller för träning upprätthålls av AMPK -aktivitet och att ökningarna av AMPK -aktivitet som svar på träning i tränade skelettmuskler ännu inte har observerats på grund av biokemiska anpassningar som själva träningen stimulerade i muskelvävnaden för att minska metaboliskt behov av AMPK -aktivering. Med andra ord, på grund av tidigare anpassningar till träning kommer AMPK inte att aktiveras, och ytterligare anpassning kommer inte att inträffa förrän de intracellulära ATP -nivåerna blir utarmade från en ännu högre intensitet energiutmaning än före de tidigare anpassningarna.

Se även

Referenser

externa länkar