躯干四肢骨骼肌运动传导通路【运动与骨骼肌葡萄糖转运通路研究进展】
摘要：经过近40年的研究，现在已经证实不论是规律的有氧运动、剧烈的单次运动或者长期的抗阻训练，以及有氧结合抗阻运动训练都可以缓解胰岛素抵抗症状、增强胰岛素敏感性、提高整个机体的血糖清除能力以及增加骨骼肌的葡萄糖转运能力。
在骨骼肌胰岛素信号转导通路涉及：胰岛素受体自动磷酸化、IRS—1/2酪氨酸残基的磷酸化、酪氨酸激酶激活以及磷脂酰肌醇3激酶的激活。
目前的研究主要集中在AMPK、CaMK、MAPKs、PKCs以及SIRTs等信号分子。
在此对近年来关于AMPK和CaMK在运动诱导骨骼肌葡萄糖转运中的作用的研究进展进行综述。
关键词：糖尿病；胰岛素抵抗；葡萄糖转运；运动；AMPK；CaMK 中图分类号：G804.7 文献标识码：A 文章编号：1007—3612(2010)12—0072—05 Progress of the Research on the Relations between Sport and Glucose Transport in Skeletal Muscle LI Xue�mei，WANG Zheng�zhen (Beijing Sport University, Beijing 100084, China) Abstract:Over the past 40 years’ research, it has been proved that the aerobic exercise training, single bout of acute exercise and long�term resistant exercise training or aerobic exercise connected with resistant exercise training could increase the insulin sensitivity and alleviate the symptoms of insulin resistance.Insulin signaling involves the rapid phosphorylation of the insulin receptor, insulin receptor substrate�1 and �2 on tyrosine residues and the activation of phosphatidylinositol 3�kinase (PI3�kinase). It seems that there may be a number of signaling proteins involved in the exercise signaling mechanism. Recently more and more studies have focused on identifying the functions of AMPK，CaMK，MAPKs，PKCs and SIRTs. The objective of this article is to discuss the role of AMPK and CaMK as mediators of exercise�induced signaling events. Key words: diabetes; insulin resistance; glucose transport; exercise; AMPK; CaMK 通过将近40多年的研究，已经证实运动对缓解胰岛素抵抗具有积极作用。
不论是规律的有氧运动、剧烈的单次运动或者长期的抗阻训练，以及有氧运动结合抗阻运动训练都可以缓解胰岛素抵抗症状、增强胰岛素敏感性、提高整个机体的血糖清除能力以及增加骨骼肌的葡萄糖转运能力。
近年来，对运动缓解胰岛素抵抗的研究重心逐渐转移到对这些现象的机制探讨上。
关于运动诱导骨骼肌葡萄糖转运增加的研究也已经深入到分子水平。
在骨骼肌可以通过两种途径刺激葡萄糖转运：一是通过胰岛素激活［1］；二是在收缩活动的刺激下［2］。
通过对动物模型和胰岛素抵抗的人群研究发现，单次剧烈运动即可增加大鼠骨骼肌细胞膜葡萄糖转运子的数量［3］。
运动可以引起胰岛素抵抗的啮齿动物其整个机体的糖耐量、血糖清除率、胰岛素刺激的骨骼肌葡萄糖转运、GLUT4转位和蛋白质表达以及胰岛素刺激的胰岛素受体酪氨酸磷酸化、胰岛素刺激的IRS—1酪氨酸磷酸化都增加。
而在胰岛素抵抗的人类运动使其整个机体的糖耐量、血糖清除率、胰岛素刺激的骨骼肌血糖转运、GLUT4转位和表达都增加［4］。
最近的研究还表明抗阻运动也能提高人体骨骼肌GLUT4在细胞膜表面的转位和骨骼肌葡萄糖转运率［5］。
骨骼肌收缩运动刺激葡萄糖转运并不依赖胰岛素，但其具体途径和机制目前还尚未阐明清除。
已经有越来越多的证据指出AMPK、CaMK参与此调节过程，本综述将重点阐述上述两种途径。
1 骨骼肌葡萄糖转运、胰岛素信号转导通路与运动 在大多数生理条件下，葡萄糖穿过细胞膜进入细胞内是骨骼肌利用葡萄糖的限速步骤。
胰岛素和骨骼肌收缩都可以刺激葡萄糖转运至骨骼肌细胞内，研究发现Ⅱ型糖尿病患者其胰岛素刺激的葡萄糖转运受损而骨骼肌收缩刺激的葡萄糖转运并未受到影响［6］。
骨骼肌中葡萄糖转运子异构体主要为GLUT4，并且GLUT4从细胞内转位至细胞膜表面以及T小管主要是通过胰岛素刺激和骨骼肌收缩刺激［7］。
收缩刺激在没有胰岛素存在的情况下也能引起GLUT4转位至细胞膜表面［7］。
还有一些研究证实在细胞内存在不同的储存 投稿日期：2010—03—31 基金项目：国家科技支撑计划（2006BAK33B04）。
GLUT4的“池”，一种接受胰岛素刺激；另一种接受骨骼肌收缩刺激［8］。
近年来大量的研究致力于解释运动刺激骨骼肌葡萄糖转运增加的信号转导机制上。
研究发现大鼠骨骼肌运动并不能增强胰岛素与其受体结合的能力［9］。
随后的研究显示，运动后胰岛素生物学效应的提高既不与基础酪氨酸激酶活性增强同步，也不与胰岛素刺激的酪氨酸激酶活性增强以及胰岛素受体自动磷酸化增强同步［10］。
Treadway 和之后的Goodyear等人研究发现运动或肌肉收缩对胰岛素受体酪氨酸残基磷酸化和IRS—1的酪氨酸残基磷酸化或PI3K活性都没有影响［11］。
而实验证明通过药物阻滞剂渥蔓青霉素抑制PI3K的活性后发现胰岛素刺激的GLUT4转位和葡萄糖转运显著减少，因此证实PI3K在此过程中发挥着必不可少的作用［12］，而渥蔓青霉素并不抑制收缩刺激的葡萄糖转运［13］。
在Jonathan P.对大鼠模型的研究中还发现渥蔓青霉素完全阻断了胰岛素对收缩刺激葡萄糖转运的协同作用，更明确的证实胰岛素刺激的葡萄糖转运是通过PI3K依赖途径的［14］。
通过他的研究还发现收缩运动完全抑制了胰岛素刺激的IRS—1和2相关的PI3K活性，而且收缩导致胰岛素受体和IRS—1的磷酸化中度降低以及PI3K的募集活性中度降低。
p70S6K磷酸化也受到收缩运动的抑制，而胰岛素刺激的PKB磷酸化没有受到收缩运动的影响。
综合以上研究，我们认为胰岛素刺激的血糖摄取和转运是PI3K依赖途径，而收缩刺激的血糖摄取与转运是非PI3K依赖途径的。
然而Goodyear［15］等人研究的结果令人费解，他们发现骨骼肌收缩引起胰岛素刺激的酪氨酸磷酸化下降以及胰岛素反应序列1免疫沉淀PI3K的活性下降。
另外还发现之前的运动在人体骨骼肌不能增强胰岛素诱导Akt或糖原合酶激酶3活性改变的能力。
相反地，Zhou［16］等人发现运动提高了胰岛素刺激磷酸酪氨酸免疫沉淀PI3K的活性，并且Howlett［17］还观察到胰岛素受体底物2相关的PI3K活性在运动后增加。
这种矛盾现象的解释可能为运动与胰岛素协同提高血糖摄取和葡萄糖转运是通过IRS—2调节的途径，从而增加胰岛素刺激的磷酸酪氨酸相关的PI3K活性。
使得骨骼肌IRS—2对胰岛素反应磷酸化加速，与PI3K的p85亚基结合，激活PI3K。
还有通过对IRS—1缺陷小鼠的研究，进一步证实IRS—2可能作为胰岛素发挥作用的一条备选途径［18］。
而胰岛素刺激的Akt活性在运动后提高也有研究中报道［19］。
而在Goodyear［20］等人的进一步研究中发现，运动可以模仿由胰岛素引起的信号转导通路的改变，包括MAPK、Akt和p70S6K的激活增强及糖原合酶激活的抑制。
2 骨骼肌葡萄糖转运的AMPK途径与运动 2.1 AMPK的构成 �AMPK是一个由α(63kD)、β(30kD)和γ(37～63kD)亚基形成的异源三聚体。
3种亚基存在不同的亚型，如α1和α2、β1和β2、γ1、γ2和γ3。
在骨骼肌，α2、β2、γ1或γ3是AMPK表达的主要异构体形式并且形成AMPK异构体复合物的主要成分［21］。
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)和亮氨酸（Leu—328）可以通过疏水键相互作用，具有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。
最近的研究为认为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［22］。
β亚基有着公认的糖原结合区，而γ亚基参与结合AMP并且该亚基突变会导致糖原代谢异常［23］。
2.2 AMPK的激活途径 �AMPK系统是一种保守而敏感的能量感受器，在体内存在多种激活AMPK的途径［24］：1)细胞内AMP/ATP比例升高时；2) 磷酸肌酸与肌酸比例下降时；3)钙调蛋白激酶激酶(CaMKK)也可以激活AMPK，这种调节是由细胞内钙离子浓度的升高触发的，而且在这个过程中并没有出现AMP/ATP比例的升高；4) AMPK还可在多种代谢性应激状态下被激活，例如缺氧、缺血和细胞内高渗状态时。
2.3 AMPK与骨骼肌葡萄糖转运 持续一个阶段的较大强度运动可诱导机体多种组织产生有益的适应性改变。
通过长期利用药物AICAR激活AMPK，观察到啮齿动物骨骼肌会产生类似运动诱导的一些反应：包括葡萄糖转运子GLUT4、己糖激酶、柠檬酸合酶以及细胞色素C的基因表达都增加，还有线粒体浓度和骨骼肌糖原含量都增加［25］。
而且，利用AICAR激活AMPK可以提高啮齿动物骨骼肌胰岛素诱导的葡萄糖利用率［25］，而运动训练也会产生类似的反应。
但是AICAR并非特异性激活AMPK，我们对上述发现还需要做进一步研究。
而在Fryer的研究中得到直接支持AMPK参与这些适应性改变的证据：利用在H—2Kb骨骼肌细胞株中表达构成性激活AMPK突变体。
实验显示在运动训练中提高AMPK活性即足以增加GLUT4和己糖激酶的蛋白水平［26］。
图1 骨骼肌AMPK活性；*与R比较�P�Ⅱa型>Ⅰ型）且与训练状态无关。
因此，在人类骨骼肌中AMPK磷酸化和AMPK亚基的表达是有肌纤维特异性的。
事实上，我们已知运动训练诱导的细胞内适应性改变是依赖于运动量和运动强度的渐进性增加的。
在Clark的研究中，证实了训练诱导的机体适应性改变既不依赖于休息状态肌糖原含量的改变也不依赖标准运动中的肝糖原利用的减少［34］。
而Jensen等人发现，收缩刺激或胰岛素刺激的骨骼肌葡萄糖转运以及糖原合酶的活性与骨骼肌糖原含量呈负相关［35］，而且AMPK在收缩中的活性也与骨骼肌糖原含量呈负相关。
在啮齿动物骨骼肌，由运动诱导的或结合饮食而引起的骨骼肌高糖原水平是与运动诱导的或AICAR刺激的低AMPKα2活性有关的。
重要的是，这种糖原含量的影响很有可能是不依赖于腺嘌呤核苷酸浓度改变的。
图2 AMPK没有参与小鼠慢肌骨骼肌收缩刺激的葡萄糖运转 *�P� 虽然随着研究手段的日益发展，我们对运动诱导骨骼肌产生的各种适应性改变的机制较之过去有了更深的了解，但距离完全阐明骨骼肌细胞内这些信号转导通路还需要更细致的研究。
在将来的研究中，目标在于阐明运动诱导胰岛素敏感性提高的机制，以研制出可以模仿这些信号或分子的药物以治疗肥胖或代谢异常综合症等疾病。
在最近的一篇综述里，提出一些有潜力的研究靶点：AMPK、热休克蛋白72、GLUT4、PGC—1α、蛋白激酶C—λ以及钙离子信号转导通路等，运动可激活上述靶点。
通过药物模拟上述分子的作用从而治疗肥胖或胰岛素抵抗等疾病是完全有可能的。
AICAR可长期激活AMPK而提高机体耐力运动能力和骨骼肌脂肪氧化能力而不用进行运动训练。
但AICAR并非特异性激活AMPK，因此AICAR的应用受到局限。
在以后的研究中，针对不同类型骨骼肌的运动特征和代谢特点，进一步研究机体对运动产生适应性改变的各种信号转导通路以及各通路之间的交叉的关系，将会对临床工作给予极大的支持。
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