miniatura|304x304px|Subunitats proteiques d'AMPK. LAMPK (per la seva forma en anglès AMP-activated protein kinase) és una proteïna cinasa altament conservada en l'evolució que ha guanyat reconeixement com a regulador central de l'homeòstasi energètica cel·lular. Al llarg del temps, s'han anat revelant els mecanismes moleculars i les condicions fisiològiques que regulen la seva activitat i funció.
Aquesta cinasa té la capacitat d'actuar com a sensor del ràtio AMP o ADP / ATP (indicador de l'estat energètic cel·lular) i en resposta, activar-se per restaurar l'equilibri energètic. Aquesta activació està estrictament regulada per dos mecanismes principals: la regulació al·lostèrica i les modificacions posttraduccionals. La combinació d'aquests mecanismes permet a l'AMPK adaptar la seva resposta amb precisió als canvis en l'estat energètic cel·lular i dur a terme una funció metabòlica determinada.
Estructura AMPK és un complex proteic heterotrimèric format per tres subunitats: α, β i γ. En els mamífers, cada subunitat presenta isoformes alternatives que li confereixen una gran versatilitat i complexitat molecular. S'han descrit dues isoformes alternatives de la subunitat α (α1 i α2), dues isoformes de la β (β1 i β2) i tres isoformes γ alternatives (γ1, γ2 i γ3). La combinació d'aquestes subunitats pot donar lloc fins a un total de 12 isoformes αβγ diferents, cadascuna amb característiques i funcions úniques. Per exemple, la isoforma α1β1γ1 s'expressa en la majoria de les cèl·lules, mentre que les isoformes α2β2γ2 i α2β2γ3 es troben principalment expressades al múscul cardíac i esquelètic. De fet, In vivo, s'ha observat que certs tipus de cèl·lules només expressen una combinació específica d'aquestes 12 isoformes. Això suggereix que cada complex d'AMPK té una sensibilitat única a diferents tipus d'estímuls d'estrès metabòlic.
La codificació genètica d'aquestes isoformes es distribueix de la següent manera:
Subunitats α: α1 i α2 estan codificades pels gens PRKAA1 i PRKAA2. Subunitats β: β1 i β2 estan codificades pels gens PRKAB i PRKAB2. Subunitats γ: γ1, γ2 i γ3 estan codificades pels gens PRKAG1, PRKAG2 i PRKAG3.
Cada complex d'AMPK està format per una subunitat α que presenta activitat catalítica, una subunitat β reguladora i una subunitat γ que també té funció reguladora.
nina (Arg), de manera que no s'ha observat cap unió de nucleòtids per a CBS2 en estructures heterotrímeres.Subunitat α (catalítica): posseeix un domini canònic Ser/Thr cinasa (KD), un domini autoinhibidor (AID), un segment sensor de nucleòtids d'adenina (α-linker) i un domini C-terminal que interactua amb la subunitat β (α-CTD) i conté llocs de fosforilació per les quinases AKT, PKA i GSK. La subunitat α és la subunitat clau del complex, ja que conté els llocs de fosforilació Thr172 (subunitat α1) i Thr174 (subunitat α2) que són activades per les quinases LKB1 o CAMKK2. Subunitat β (reguladora): presenta un extrem N no estructurat i miristoil·lat, un mòdul d'unió a carbohidrats (CBM, també conegut com a GDB) que s'uneix al glucogen, un domini C-terminal (β-CTD) que interactua amb les subunitats α (α-CTD) i γ. També conté un bucle β-linker que connecta el CBM amb el β-CTD. Aquesta subunitat actua com a plataforma d'ancoratge per a les subunitats α i γ i pot modular l'activitat del complex en resposta a diversos senyals. Subunitat γ (reguladora): conté quatre motius de cistationina β-sintasa (CBS) en tàndem que permeten que AMPK s'uneixi als nucleòtids d'adenina per respondre als canvis als nivells d'AMP, ADP i ATP. CBS1, 3 i 4 són funcionals, mentre que a CBS2, el residu d'aspartat (Asp) que s'uneix a la ribosa se substitueix per una argi
Regulació L'activació d'AMPK està sotmesa a un control rigorós i precís per garantir una resposta adequada a les fluctuacions dels nivells d'energia cel·lular. Aquesta regulació complexa es duu a terme a través d'una combinació de mecanismes interrelacionats que operen a diversos nivells:miniatura|345x345px|Molècules implicades en la regulació d'AMPK.|center Acció sobre les subunitats α / γ Unió de nucleòtids d'adenina: Un dels mecanismes d'activació d'AMPK més ben definits és la competició entre ATP, ADP i AMP per la unió a la subunitat γ de la cinasa. En condicions d'abundància energètica (baixes concentracions d'ADP/AMP), l'ATP s'uneix a la subunitat γ, desplaçant l'ADP i AMP tot impedint la seva unió. Això permet que fosfatases com ara PP2A, PP2E i PPM1E, puguin desfosforilar la Thr172 de la subunitat α, mantenint AMPK en un estat inactiu. No obstant això, diferents estressos metabòlics, com ara alteracions mitocondrials, inhibició de la glicòlisi, exercici o hipòxia, provoquen un augment en els nivells d'AMP o ADP. Aquests nucleòtids d'adenina s'uneixen preferentment a CBS3 de la subunitat γ, impedint l'accés de les fosfatases i facilitant la fosforilació de Thr172 per quinases upstream. A més, l'AMP (però no l'ADP) que s'uneix a CBS1 augmenta l'activitat intrínseca d'AMPK, induint la seva activació al·lostèrica.
Fosforilació de Thr172 a la subunitat α: es tracta del principal mecanisme d'activació d'AMPK i ha estat objecte de diversos estudis. Aquesta fosforilació és produïda per tres quinases upstream principals: LKB1 (Quinasa Hepàtica B1): fosforila i activa AMPK directament. No obstant això, la seva activitat pot ser regulada per diverses molècules, com ara la resistina (secretada pel teixit adipós), que disminueix la fosforilació de LKB1 i, per tant, la d'AMPK. TAK1: actua com a intermediari en la senyalització de TGFβ (un factor de creixement). CaMKK: s'activa per un augment en el [Ca2+] intracel·lular sigui per senyalització hormonal o per vies α-adrenèrgiques. La subunitat α presenta diversos punts reguladors addicionals que modulen la seva activitat en resposta a una àmplia gamma de senyals cel·lulars: Fosforilació per cAMP-PKA: La proteïna kinasa A (PKA), activada per vies de senyalització β-adrenèrgiques i pel segon missatger cAMP, pot fosforilar Ser173 a la subunitat α d'AMPK. Aquesta fosforilació inhibeix l'activitat d'AMPK, contrarestant l'efecte de les quinases upstream. Fosforilació per cAMP-PKA i PKB: La c-AMP-PKA i la proteïna kinasa B (PKB, també coneguda com a AKT), activades per factors de creixement com la insulina, poden fosforilar Ser485/491 a la subunitat α d'AMPK. Aquesta fosforilació també inhibeix l'activitat d'AMPK, promovent el metabolisme anabòlic i la proliferació cel·lular. Fosforilació per PKC: La proteïna kinasa C (PKC), activada per un increment en la concentració de diacilglicerol (DAG), pot fosforilar Ser491 a la subunitat α d'AMPK. La fosforilació per PKC inhibeix l'activitat d'AMPK, contribuint a la resistència a la insulina i a la disfunció metabòlica. Oxidació per ROS: Els radicals lliures d'oxigen (ROS) poden oxidar diversos aminoàcids a la subunitat α d'AMPK. L'oxidació de C299/C304 activa AMPK, mentre que l'oxidació de C130/C174 linhibeix. Aquest mecanisme pot estar relacionat amb l'estrès oxidatiu i la senyalització redox.
Acció sobre la subunitat β Fosforilació directa per A769662 i Salicilat: El compost A769662 i l'àcid salicílic (un analgèsic comú), poden activar AMPK independentment del nivell energètic cel·lular. Aquests, fosforilen la Ser108 a la subunitat β d'AMPK, provocant la seva activació. Per tant, aquesta via d'activació no requereix la unió d'AMP a la subunitat γ per poder-hi interaccionar.
Autofosforilació: AMPK té la capacitat d'autofosforilar-se a diversos llocs de la subunitat β, incloent-hi Ser24/25, Ser108, Ser96, Ser101 i Thr148. L'autofosforilació pot activar o inhibir AMPK, així com afectar la seva localització subcel·lular i, serà determinat pel lloc específic fosforilat.
Ubiqüitinització/sumoilació: La degradació d'AMPK pot ser regulada per ubiqüitinació i sumoilació, processos posttranslacionals que marquen les proteïnes per a la seva degradació. Proteïnes com CIDEA (subunitat β), TRIM28 (subunitat α) i WWP1 (subunitat α) poden participar en la ubiqüitinació i sumoilació d'AMPK, inhibint la seva activitat.
Funció miniatura|241x241px|Funcions d'AMPK en resposta a l'estrès metabòlic. miniatura|237x237px|Regulació del metabolisme lipídic per AMPK. L'AMPK exerceix una funció dual crucial en el metabolisme cel·lular: inhibir vies anabòliques (de consum d'energia) i activar vies catabòliques (de generació d'energia) per restablir els nivells basals d'energia cel·lulars. Aquesta acció reguladora s'activa en situacions d'estrès metabòlic, on els nivells d'energia són baixos, convertint l'AMPK en una proteïna clau en la resposta a aquest tipus d'estrès.
Metabolisme lipídic Enfront de situacions d'estrès cel·lular, AMPK actua com a regulador crucial del metabolisme lipídic, promovent canvis metabòlics per a obtenir energia. Per tal de satisfer les demandes cel·lulars, l'accés a l'energia emmagatzemada en el teixit adipós requereix una regulació precisa. AMPK aconsegueix aquesta transformació metabòlica mitjançant l'activació d'un conjunt d'enzims clau incloent: la Hexocinasa II, PPAR-α, PPAR-δ, PGC-1, UCP-3, TFAM i el Citocrom C.
En aquest context, l'AMPK actua com a regulador negatiu de la síntesi de lípids (àcids grassos, colesterol i triglicèrids), promovent la mobilització i degradació d'aquests per a obtenir energia. Per tal d'aconseguir-ho, fosforila de manera inhibitòria enzims clau de la síntesi de novo de lípids, com lacetil-CoA carboxilasa 1 i 2 (ACC1, ACC2), enzims que catalitzen la conversió d'acetil-CoA a malonil-CoA. El malonil-CoA, al seu torn, actua com a senyal inhibitori per a la carnitina palmitoiltransferasa 1 (CPT1), una proteïna transportadora situada a la membrana mitocondrial externa. La CPT1 facilita l'entrada d'àcids grassos de cadena llarga a la matriu mitocondrial, on són degradats per a obtenir energia a través de la β-oxidació. La fosforilació d'ACC1 i ACC2 per AMPK provocarà una reducció de la producció de malonil-CoA, alleujant la inhibició de la CPT1 i augmentant així el transport d'àcids grassos a la matriu per a la seva degradació.
Addicionalment, AMPK fosforila de manera inhibitòria la HMGCoA reductasa (enzim clau en la ruta biosintètica del colesterol), o la proteïna reguladora de la unió a l'esterol 1c (SREBP1C). Això provoca el bloqueig de la producció de colesterol de novo. Així mateix, AMPK fosforila de manera inhibitòria ChREBP, un factor de transcripció que controla l'expressió de gens involucrats en la lipogènesi. La fosforilació de ChREBP reprimeix la transcripció d'aquests gens, reduint la síntesi de triacilglicèrids. A més, AMPK pot augmentar la mobilització d'àcids grassos controlant l'activitat del transportador d'àcids grassos cap al plasma (CD36), tot i que encara es desconeix el mecanisme específic.
Metabolisme glucídic L'AMPK exerceix una regulació important sobre el metabolisme de la glucosa, adaptant la seva degradació, síntesi i emmagatzematge a les necessitats energètiques cel·lulars. En situacions de baix nivell energètic, l'AMPK s'activa i modula diversos enzims clau per promoure la degradació de la glucosa (glicòlisi) i alhora inhibir la seva síntesi (gliconeogènesi) i emmagatzematge (glicogenogènesi).
En la glicòlisi, l'AMPK estimula la fosforilació i activació de l'enzim PFKFB 2/3 que produeix el factor al·lostèric fructosa-2,6-bisfosfat, el qual activa l'enzim glicolític fosfofructocinasa-1 (PFK-1). AMPK també inhibeix la síntesi de glucogen per la fosforilació inhibitòria de la glucogen sintasa (GS). A més, fosforila activant la glucogen fosforilasa per degradar el glucogen i obtenir energia.
A més de promoure la degradació de la glucosa, l'AMPK també inhibeix la gliconeogènesi. Això ho aconsegueix fosforilant i inhibint el factor nuclear d'hepatòcits 4 (HNF1) i el coactivador de transcripció regulat CREB 2 (CRTC2), dos factors de transcripció que promouen l'expressió d'enzims gluconeogènics com la fosfoenolpiruvat carboxicinasa (PEPCK) o la glucosa-6-fosfatasa (G6PC).