AMPK和运动骨骼肌摄取葡萄糖和胰岛素敏感性

AMPK和运动：骨骼肌摄取葡萄糖和胰岛素敏感性AMPK是一个进化保守的细胞能量感受器，在运动过程中被激活。激活的AMPK可以增加骨骼肌葡萄糖摄取、脂肪酸氧化、线粒体生物合成和胰岛素敏感性，这些过程在肥胖患者体内减弱，从而易引发胰岛素抵抗。运动促进葡萄糖摄取的机制涉及AMPK，但不明确AMPK是否参与运动提高胰岛素敏感性的过程。了解这些代谢过程将为治疗肥胖和胰岛素抵抗提供新的契机，故本综述将讨论AMPK如何参与调节骨骼肌代谢（葡萄糖的摄取和胰岛素敏感性）。AMPK和运动运动时，为了给肌肉收缩提供足够的能量，骨骼肌中ATP代谢速度增加（100倍）[1]。在这种情况下，AMP和ADP浓度迅速增加，而ATP水平只略有下降。AMPK是细胞能量感受器，能被AMP和ADP激活，与此相一致，啮类动物和人类的骨骼肌中AMPK在运动过程中被激活[2-5]。运动通过AMPK介导的胰岛素非依赖性机制调节葡萄糖摄取[6]。重要的是，在2型糖尿病患者的骨骼肌中，运动调节GLUT4转运的通路没有受损[7]，并且，运动可以提高胰岛素的敏感性。由于这些原因，运动通常被建议用于预防和治疗胰岛素抵抗。因此，理解运动调节葡萄糖的摄取潜在机制是一个重要的研究领域。骨骼肌摄取葡萄糖的调节胰岛素促进骨骼肌摄取葡萄糖胰岛素生物学效应通过信号转导而实现，随着分子生物学的发展，人们对胰岛素信号转导途径中的的系列级联反应逐步明确。简言之，胰岛素通过IRIRSPI3KAkt/PKC/AS160信号通路调节GLUT4转运到细胞膜上，从而促进葡萄糖的摄取。运动促进骨骼肌摄取葡萄糖同胰岛素，运动也是通过调节GLUT4转运到质膜和横小管，增加骨骼肌葡萄糖摄取。但是，在骨骼肌中，胰岛素和运动/收缩通过不同的机制调节对葡萄糖的摄取。此观点来自于以下发现：1）PI3激酶抑制剂渥曼霉素（Wortmannin）抑制胰岛素刺激的葡萄糖摄取，但不抑制收缩刺激的葡萄糖摄取。收缩不促进IRS-1自身磷酸化或增加PI3激酶的活性[8-11]。2）基因敲除主要的胰岛素信号蛋白IRS1和AKT2，不影响收缩介导的葡萄糖摄取[42-43]。3）胰岛素与收缩刺激葡萄糖的摄取有叠加作用[14-15]。4）胰岛素抵抗患者和啮齿动物，收缩介导的葡萄糖摄取不受影响[16-19]。相反，也有研究发现离体骨骼肌收缩使Akt磷酸化水平上升，并且Goodyear等人报道，PI3激酶抑制剂Wortmannin和LY294002可抑制收缩引起的Akt活性增加。究竟运动/骨骼肌收缩是否激活PI3K-Akt还有待进一步的研究证实。慢性运动训练虽然有研究表明肥胖者体内的AMPK活性和蛋白表达降低，但慢性运动训练仍能增强AMPK的蛋白表达和活性[30]。因此，AMPK可能通过TBC1D1和TBC1D4的磷酸化，增强胰岛素的敏感性。基于人类和大鼠的研究都表明，慢性运动训练增加了TBC1D4的蛋白表达和PAS磷酸化，这一结果支持了上述观点。正常情况下，肥胖2型糖尿病患者骨骼肌中TBC1D4的磷酸化被削弱，但10周的耐力训练可以使TBC1D4的磷酸化恢复到非糖尿病患者的水平[31]。目前尚不知TBC1D1是否有类似的发现。有趣的是，旨在为肥胖者减重的两周的饮食干预改善了胰岛素敏感性，却没有影响TBC1D1的磷酸化。而相反研究报道，饮食干预的确增加了TBC1D1Ser231和Ser660，却没有像锻炼那样增加Ser700或PAS的磷酸化[32]。肥胖的2型糖尿病患者的耐力训练和健康男性的耐力训练都导致了AMPKγ3表达减少[33]。而敲除γ3亚基则会损害锻炼后的糖元合成。一种可能的解释是，γ3表达的减少是一种对运动的应激反应，提高了机体氧化能力和脂肪氧化，而增加糖原利用率。近期有研究认为，考虑到γ3的表达减弱，AMPK活性水平的增加可能是由于与γ1有关的复合物的形成。结论总之，AMPK在运动调节葡萄糖摄取过程中起重要作用，并可能参与急性和慢性两种运动的胰岛素增敏作用。许多研究已经提出了一些介导运动的胰岛素增敏作用的可能机制，但明确定义AMPK在其中的作用需要进一步的研究。运动为健康提供无限益处，是预防和治疗肥胖诱导的胰岛素抵抗最经济有效的方法之一。因此，未来关于运动的胰岛素增敏作用机制的研究至关重要，它可以为相关疾病的药物和非药物（如运动）治疗的发展提供新的策略。参考文献[1]SahlinK,TonkonogiMandSoderlundK.Energysupplyandmusclefatigueinhumans[J].ActaPhysiolScand,1998,162:261-266.[2]HayashiT,HirshmanMF,KurthEJ,WinderWWandGoodyearLJ.Evidencefor5'AMP-activatedproteinkinasemediationoftheeffectofmusclecontractiononglucosetransport[J].Diabetes,1998,47:1369-1373.[3]HutberCA,HardieDGandWinderWW.Electricalstimulationinactivatesmuscleacetyl-CoAcarboxylaseandincreasesAMP-activatedproteinkinase[J].AmJPhysiol,1997,272:E262-266.[4]IhlemannJ,PlougT,HellstenYandGalboH.Effectoftensiononcontraction-inducedglucosetransportinratskeletalmuscle[J].AmJPhysiol,1999,277:E208-214.[5]RasmussenBB,HancockCRandWinderWW.Postexerciserecoveryofskeletalmusclemalonyl-CoA,acetyl-CoAcarboxylase,andAMP-activatedproteinkinase[J].JApplPhysiol,1998,85:1629-1634.[6]O'NeillHM,MaarbjergSJ,CraneJD,JeppesenJ,JorgensenSB,SchertzerJD,ShyrokaO,KiensB,vanDenderenBJ,TarnopolskyMA,KempBE,RichterEAandSteinbergGR.AMP-activatedproteinkinase(AMPK)beta1beta2musclenullmicerevealanessentialroleforAMPKinmaintainingmitochondrialcontentandglucoseuptakeduringexercise[J].ProcNatlAcadSciUSA,2011,108:16092-16097.[7]KennedyJW,HirshmanMF,GervinoEV,OcelJV,ForseRA,HoenigSJ,AronsonD,GoodyearLJandHortonES.AcuteexerciseinducesGLUT4translocationinskeletalmuscleofnormalhumansubjectsandsubjectswithtype2diabetes[J].Diabetes,1999,48:1192-1197.[8]YehJI,GulveEA,RamehLandBirnbaumMJ.Theeffectsofwortmanninonratskeletalmuscle.Dissociationofsignalingpathwaysforinsulin-andcontraction-activatedhexosetransport[J].JBiolChem,1995,270:2107-2111.[9]MeirhaegheA,CrowleyV,LenaghanC,LelliottC,GreenK,StewartA,HartK,SchinnerS,SethiJK,YeoG,BrandMD,CortrightRN,O'RahillyS,MontagueCandVidal-PuigAJ.Characterizationofthehuman,mouseandratPGC1beta(peroxisome-proliferator-activatedreceptor-gammaco-activator1beta)geneinvitroandinvivo[J].BiochemJ,2003,373:155-165.[10]LundS,HolmanGD,SchmitzOandPedersenO.ContractionstimulatestranslocationofglucosetransporterGLUT4inskeletalmusclethroughamechanismdistinctfromthatofinsulin[J].ProcNatlAcadSciUSA,1995,92:5817-5821.[11]BrozinickJT,Jr.andBirnbaumMJ.Insulin,butnotcontraction,activatesAkt/PKBinisolatedratskeletalmuscle[J].JBiolChem,1998,273:14679-14682.[12]DumkeCL,WetterAC,AriasEB,KahnCRandCarteeGD.Absenceofinsulinreceptorsubstrate-1expressiondoesnotalterGLUT1orGLUT4abundanceorcontraction-stimulatedglucoseuptakebymouseskeletalmuscle[J].HormMetabRes,2001,33:696-700.[13]SakamotoK,ArnoldsDE,FujiiN,KramerHF,HirshmanMFandGoodyearLJ.RoleofAkt2incontraction-stimulatedcellsignalingandglucoseuptakeinskeletalmuscle[J].AmJPhysiolEndocrinolMetab,2006,291:E1031-1037.[14]ConstableSH,FavierRJ,CarteeGD,YoungDAandHolloszyJO.Muscleglucosetransport:interactionsofinvitrocontractions,insulin,andexercise[J].JApplPhysiol,1988,64:2329-2332.[15]GaoJ,RenJ,GulveEAandHolloszyJO.AdditiveeffectofcontractionsandinsulinonGLUT-4translocationintothesarcolemma[J].JApplPhysiol,1994,77:1597-1601.[16]MartinIK,KatzAandWahrenJ.SplanchnicandmusclemetabolismduringexerciseinNIDDMpatients[J].AmJPhysiol,1995,269:E583-590.[17]HanX,PlougTandGalboH.Effectofdietoninsulin-andcontraction-mediatedglucosetransportanduptakeinratmuscle[J].AmJPhysiol,1995,269:R544-551.[18]KingPA,BettsJJ,HortonEDandHortonES.Exercise,unli