不同时间运动骨骼肌AMP/ATP比值及AMPK活性的变化特点

来源 :北京体育大学学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:judycome7
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  摘要:目的:研究不同时间一次性运动大鼠腓肠肌AMP、ATP含量及AMPK活性,旨在阐明不同时间运动AMPK的变化特点及机制。方法:62只雄性SD大鼠分为4大组:安静对照组(n=8)、30 min运动组(n=18)、60 min运动组(n=18)、90 min运动组(n=18),其中运动组又各分为3小组(n=6),分别在运动后即刻、1 h和6 h取材。运动速度18 m/min,坡度10%。结果:和安静组相比,各组ATP运动后无显著改变;AMP在60和90 min运动后即刻显著升高(0.183,0.212 Vs 0.158,P<0.05),AMP/ATP比值在60、90 min显著升高(0.048,0.053 Vs 0.037, P<0.05,0.01),1 h回到安静水平;各组AMPK在运动后即刻均显著升高(4.16,4.79,5.26 Vs 3.18, P<0.05,0.01,0.01),其中60、90 min组至1h仍保持升高,6 h回到安静水平。结论:骨骼肌AMPK在运动中的激活具有时间依赖性,其机制与AMP/ATP比值升高有关。
  关键词:AMPK;AMP/ATP比值;运动时间;骨骼肌
  中图分类号:G804.2文献标识码:A文章编号:1007-3612(2008)06-0776-03
  
  5′-一磷酸腺苷激活的蛋白激酶(5′-AMP activated protein kinase , AMPK)称为细胞能量感受器,对运动骨骼肌能量代谢发挥着重要调控作用[1-2]。本实验研究不同时间运动AMP/ATP比值的变化特点及与AMPK活性的关系,探讨AMPK活性变化的分子机制。实验假设运动能以时间依赖方式激活骨骼肌AMPK,其机制与AMP/ATP比值的升高有关。
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  1材料与方法
  
  1.1动物分组62只8周龄健康雄性SD大鼠,购进时平均体重(187±14)g,由北京大学医学部实验动物中心提供。昼夜节律人工控制光照(光照时间为07:00-19:00),环境温度(23±2)℃,自由饮食。
  大鼠随机分为4大组:安静对照组(n=8)、30 min运动组(n=18)、60 min运动组(n=18)、90 min运动组(n=18)。除安静组外,其余各组又分为3个小组,每小组各6只,分别在运动后即刻(0 h)、1 h、6 h取材。取材前动物用乌拉坦腹腔麻醉(0.8 mL/100 g体重)后,速取右后肢腓肠肌的白肌部分(位于腓肠肌外侧浅层)投入液氮中保存。
  


  1.2运动方案运动动物先进行6 d适应性训练,方法如下:前三天分别以10 m/min、15 m/min、20 m/min的强度和10 min、20 min、30 min的时间进行递增负荷和时间跑台运动,后3 d固定于20 m/min的强度和30 min的时间进行运动,坡度均为10%,每天一次,在上午9:00-10:00进行,周日休息。适应性训练结束后,动物进行一次性运动。速度18 m/min,坡度10%,相当于65%V·O2max强度,时间分别为30、60、90 min。
  1.3测试方法AMP、ATP含量测定使用高效液相色谱法(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)。样品前处理过程:称取肌组织100 mg,剪碎后加入0.9% NaCl(内含0.5 mM EDTA-2Na)制成10%匀浆液,取0.5 mL匀浆液加入0.5 mL 3% HClO4,4℃下沉淀蛋白,3 000转/min4℃离心10 min,取上清液0.5 mL加入20% KOH 40 μL, 4℃静置30 min,11 000转/分5 min离心,取上清200 μL -80℃保存待测。色谱条件为:日本Dikma公司ODS-3反相柱(250×4.6 mm) ,流动相为50 mmo1/L磷酸钾缓冲液,调pH至6.5,等比洗脱,流速为1.2 mL/min,检测波长254 nm,柱温20℃,进样量20 μL。
  AMPK活性的測定采用放射性同位素方法。即根据AMPK使特异性肽底物SAMS(氨基酸序列为HMRSAMSGLHLVKRR)磷酸化的原理,以[γ-32P]ATP作为磷供体检测酶的活性。按照Shin Terada[3]和Seung Hun Cha[4]提供的方法进行。AMPK活力单位: 30℃条件下,每分钟将1 nmol磷催化转入SAMS的酶量即1个单位酶活。
  1.4统计处理数据分析均采用SPSS13.0统计软件进行。计量资料用均数±标准差(X±SD)表示。计量资料的组间比较采用单因素方差分析,显著性水平取P<0.05,非常显著性水平取P<0.01。AMPK活性和AMP/ATP比值的关系采用Pearson单相关分析。
  
  2结果
  
  2.1不同时间运动腓肠肌AMPK活性的变化与安静组相比, 各组运动后即刻显著升高(P<0.01),其中,60、90 min组1 h仍显著或非常显著高于安静水平(P<0.05,P<0.01);与30 min相比,90 min组在运动后即刻和1 h有显著性差异(P<0.05)(表2)。
  


  2.2不同时间运动腓肠肌AMP含量的变化与安静组相比,60、90 min组运动后即刻显著升高(P<0.05),90 min组与30和60 min组相比亦有显著性差异(P<0.05),1 h回到安静水平(表3)。
  


  2.3不同时间运动腓肠肌ATP含量的变化各组间比较均无显著性差异(表4)。
  


  2.4不同时间运动腓肠肌AMP/ATP比值的变化与安静组相比,60 min组运动后即刻显著升高(P<0.05);90 min组运动后即刻非常显著地升高(P<0.01),且非常显著高于30 min组(P<0.01),1 h均恢复到安静水平(表5)。
  


  2.5不同时间运动后即刻AMPK活性与AMP/ATP比值相关分析结果见图1。
  


  3讨论与分析
  
  有关运动时间对AMPK活性影响的研究甚少。Fugii等以45% V·O2max强度长时间运动至力竭导致AMPKα2活性增高,但若以该强度运动时间较短时则不升高[5]。Stephens TJ等发现,受试者以62.8%±1.3% V·O2max强度蹬自行车运动时,第5 minα2活性增加2倍,到第30 min上升到3倍,同时ACCβ磷酸化分别增加18倍和36倍[6](ACCβ常作为AMPK活性变化的间接指标)。以上文献只研究了α2亚基,迄今尚未见有关α1与运动时间关系的报道,所以,AMPK信号与运动时间的关系目前尚不清楚。
  本实验采用总AMPK活性研究AMPK的激活与运动时间的关系,结果表明,运动30、60、90 min运动均能激活腓肠肌AMPK,随着运动时间的延长,AMPK活性持续升高,提示AMPK的激活具有时间依赖性。最近对2型糖尿病患者的研究发现,持续40 min的中等强度运动(70%V·O2max),运动第10 min和40 min分别进行肌肉活检,发现对照组(健康消瘦者)α1活性不改变,而α2活性持续升高[7]。本实验结论与之相同,因为二者的运动强度和时间都较为相近。一般认为,α1和α2在运动中的激活不完全一致。由于总AMPK的活性主要取决于α2亚基(骨骼肌尤其如此),所以,α2亚基活性在不同时间中的变化特点应该与总AMPK活性基本一致,我们的研究对此予以了证实,从而表明α1亚基活性对总AMPK活性而言可能并不重要。
  实验对调控AMPK活性的主要分子机制AMP/ATP比值在不同时间中的变化同步进行了研究。三组ATP在运动后即刻均无显著下降。AMP在30 min运动无显著增加,60和90 min运动出现显著性增加,相应地,AMP/ATP比值在运动后60和90 min有显著升高。对不同时间运动AMPK与AMPATP比值相关分析发现,运动后即刻呈显著正相关(r=0.67)。以上结果表明不同时间运动AMPK的激活主要由AMP/ATP比值升高所调控。本实验未发现30 min运动AMP的增加,Matthew报道人体以60%V·O2max强度持续运动,在第10 min骨骼肌游离AMP(AMPfree)即由安静时的(0.32±0.12)mol/kg D.M升至(2.51±1.08)mol/kg D.M,并在随后的时间中持续增加[8]。本研究与之出现差异的原因可能与测试指标不同有关,总AMP的变化没有AMPfree的變化敏感。
  对比AMPK与AMP的增加幅度发现, 二者的增幅相差较大,即AMP的变化相对平缓,AMPK的变化更为急剧。分析出现这种差异的原因可能是:一方面,AMPK对AMP浓度的变化极为敏感,AMP浓度的较小变化都能引起AMPK的明显变化;另一方面,AMPK活性的变化主要受AMPfree而非总AMP的影响,本实验测得的总AMP的变化虽然不大,但事实上,AMPfree的变化可能已经很大,总AMP的微小变化不能完全反应出AMPfree极大变化的真实情况,这应该是总AMP指标的不足之处。另外,也不能排除AMP非依赖性机制对AMPK的作用。
  实验发现,运动后恢复期AMPK活性下降缓慢,60和90 min运动后1 h仍高于安静水平,6 h才恢复正常,而AMP/ATP比值下降极为迅速,1h即已完全恢复,二者的恢复时程并不一致。分析其原因可能是,一方面AMPK被激活后,其恢复速度本身慢于AMP/ATP,另一方面,AMP/ATP比值恢复后其他因素仍在维持AMPK活性,如运动后体内酸性产物清除较慢、运动后过量氧耗等。此外,应关注非AMP/ATP依赖性机制的作用,如Ca2+/CaMKK信号通路也可以激活AMPK[9-10],虽然研究认为这一机制不起主要作用[11],但在运动后恢复期,随着AMP/ATP作用的消失,其作用可能反而更为突出,对此尚需进一步研究。
  运动中AMPK的激活应该是强度和时间作用效应的综合,在分析时不能将二者割裂开来。本实验采用的强度是中等强度,相当于65%V·O2max。运动强度和时间对AMPK活性的影响哪个更重要?结合前人的研究似乎可以做出某种似乎合理的推测:Stephens TJ让受试者以62.8%±1.3% V·O2max强度运动至第5 min即发现AMPK活性显著升高[6],而Fugii的受试者以45% V·O2max强度运动至力竭才观察到AMPK活性增加[5],对比两实验不难看出运动强度较时间对AMPK的影响更大。本课题组在研究AMPK与运动强度的关系时,发现运动后即刻二者的相关系数为0.89(将另文发表),高于本研究运动时间与AMPK的相关系数0.67,似乎也印证了这一判断。分析其原因,可能是ATP分解的速率主要受强度而不是时间的影响,骨骼肌ATP的变化在一定的强度下,随时间的延长带来的积累效应可能并不显著。当然,鉴于强度和时间对AMP的影响孰大孰小尚不清楚,毕竟AMP相对ATP而言对AMPK的作用更为关键,所以上述推测还需实验支持。
  本实验采用30、60、90 min三种运动时间进行研究,尚不能完整地分析不同运动时间对骨骼肌AMPK活性变化影响的规律。首先,AMPK活性的升高并非随着运动的开始立即显现,而要经过一定时间,尽管此时间可能很短暂[6]。由于本实验30 min 即见AMPK活性显著性升高,所以无法得知AMPK活性出现显著变化的最初时间。其次,随着时间的持续,AMPK活性是持续上升?还是升高到某一水平后稳定不变?还是升高到一定的程度后开始下降?目前都还不清楚。Clark报道以45%V·O2max强度运动至力竭时,导致α2活性升高[12],而Mcconell报道长期次最大强度(64%V·O2max)自行车运动削弱α1和完全抑制α2活性[13]。当然,以上报道都还无法对上述问题给予回答,所以,今后需要进一步展开研究。
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  4结论
  
  骨骼肌AMPK在运动中的激活具有时间依赖性,其机制与AMP/ATP比值升高有关。由于以65%V·O2max强度进行不同时间运动未降低骨骼肌ATP含量,所以 AMP/ATP比值的升高仅受AMP升高的影响。运动后AMP/ATP的恢复快于AMPK的恢复。
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