Cảm biến dinh dưỡng và tín hiệu mTOR/AMPK

Cảm biến dinh dưỡng là tập hợp các cơ chế phân tử mà qua đó tế bào phát hiện sự sẵn có của chất dinh dưỡng và năng lượng, đồng thời điều chỉnh quá trình trao đổi chất của chúng cho phù hợp. Hai trung tâm chính là mTOR, được kích hoạt bởi sự dồi dào của chất dinh dưỡng và yếu tố tăng trưởng để thúc đẩy quá trình trao đổi chất đồng hóa, định hướng tăng trưởng, và AMPK, được kích hoạt bởi sự khan hiếm năng lượng để khôi phục cân bằng năng lượng bằng cách bật quá trình dị hóa. Cùng nhau, chúng phối hợp cách tế bào phản ứng với việc ăn và nhịn ăn.

Definition

Cảm biến dinh dưỡng bao gồm các cơ chế tín hiệu phát hiện axit amin, glucose, lipid và điện tích năng lượng tế bào, sau đó chuyển đổi chúng thành các quyết định trao đổi chất. mTOR (mục tiêu cơ học của rapamycin) là một kinase được kích hoạt bởi sự đủ chất dinh dưỡng, thúc đẩy các quá trình đồng hóa, trong khi AMPK (protein kinase được kích hoạt bởi AMP) được kích hoạt bởi sự gia tăng AMP/ADP dưới áp lực năng lượng và thúc đẩy các con đường dị hóa, tạo năng lượng.

Scope

Chủ đề này bao gồm các con đường cảm biến chất dinh dưỡng và năng lượng chính — đặc biệt là mTOR và AMPK — các đầu vào của chúng và các chương trình trao đổi chất mà chúng kiểm soát. Đây là một tài liệu tham khảo và giáo dục về hóa sinh tín hiệu trong cân bằng năng lượng, không phải là hướng dẫn lâm sàng hoặc dược lý.

Core questions

• Các tế bào cảm nhận những tín hiệu dinh dưỡng và năng lượng nào, và thông qua những cảm biến nào?
• mTOR kết nối sự dồi dào chất dinh dưỡng với quá trình trao đổi chất đồng hóa và tăng trưởng như thế nào?
• AMPK phát hiện sự khan hiếm năng lượng và khôi phục cân bằng năng lượng như thế nào?
• Các con đường này tương tác như thế nào để phối hợp các phản ứng ăn và nhịn ăn?

Key concepts

• Cảm biến dinh dưỡng và năng lượng
• Phức hợp mTOR 1 và tín hiệu axit amin
• AMPK và tỷ lệ AMP/ATP
• Các chương trình trao đổi chất đồng hóa so với dị hóa
• Điều hòa quá trình tự thực
• Phối hợp đối ứng của mTOR và AMPK
• Chuyển đổi trao đổi chất ăn-nhịn ăn

Key theories

mTOR như một cảm biến dinh dưỡng đồng hóa

Phức hợp mTOR 1 tích hợp sự sẵn có của axit amin, trạng thái năng lượng và tín hiệu yếu tố tăng trưởng để thúc đẩy tổng hợp protein, lipid và nucleotide đồng thời ức chế quá trình dị hóa như tự thực, biến nó thành một bộ điều hòa chính của quá trình trao đổi chất định hướng tăng trưởng.

AMPK như một cảm biến căng thẳng năng lượng

AMPK được kích hoạt khi năng lượng tế bào giảm và tỷ lệ AMP/ADP trên ATP tăng; sau đó nó bật các con đường dị hóa tạo ATP và tắt các con đường đồng hóa tiêu thụ ATP, hoạt động như một người bảo vệ cân bằng nội môi năng lượng tế bào.

Mechanisms

Các tế bào cảm nhận trạng thái dinh dưỡng và năng lượng thông qua các con đường chuyên biệt hội tụ tại các yếu tố tác động trao đổi chất (Efeyan et al., 2015). Phức hợp mTOR 1 được kích hoạt bởi sự đủ axit amin và tín hiệu yếu tố tăng trưởng, thúc đẩy quá trình trao đổi chất đồng hóa — tổng hợp protein, lipid và nucleotide — đồng thời ức chế quá trình tự thực, từ đó thúc đẩy tăng trưởng khi chất dinh dưỡng dồi dào (Saxton & Sabatini, 2017). AMPK được kích hoạt bởi sự gia tăng AMP và ADP so với ATP trong quá trình căng thẳng năng lượng; khi hoạt động, nó kích thích các con đường dị hóa, tạo ATP như oxy hóa axit béo và ức chế các quá trình đồng hóa tiêu thụ ATP, đồng thời nó có thể kiềm chế hoạt động của mTOR, do đó hai cảm biến hoạt động đối ứng để điều chỉnh quá trình trao đổi chất phù hợp với sự sẵn có của năng lượng (Herzig & Shaw, 2017).

Clinical relevance

Các con đường mTOR và AMPK là trung tâm để hiểu cách trạng thái dinh dưỡng và năng lượng định hình quá trình trao đổi chất, và chúng được nghiên cứu rộng rãi liên quan đến bệnh chuyển hóa, tăng trưởng và lão hóa. Nội dung ở đây mang tính mô tả và giáo dục và không cấu thành lời khuyên về dược lý hoặc điều trị.

History

Việc phát hiện ra mục tiêu của rapamycin và sau đó là protein kinase được kích hoạt bởi AMP đã tiết lộ cách các tế bào liên kết sự sẵn có của chất dinh dưỡng và năng lượng với các quyết định trao đổi chất. Các công trình nghiên cứu trong những năm 1990 và 2000 đã lập bản đồ cách mTOR cảm nhận axit amin và yếu tố tăng trưởng để thúc đẩy quá trình đồng hóa và cách AMPK phản ứng với căng thẳng năng lượng, và các đánh giá tổng hợp (Efeyan et al., 2015; Saxton & Sabatini, 2017; Herzig & Shaw, 2017) đã củng cố các con đường này như là các trung tâm cảm biến chất dinh dưỡng chính.

Key figures

• David Sabatini
• Reuben Shaw
• Alejo Efeyan

Seminal works

• efeyan-2015
• saxton-sabatini-2017
• herzig-shaw-2017

Frequently asked questions

mTOR và AMPK khác nhau như thế nào trong những gì chúng cảm nhận?

mTOR được kích hoạt chủ yếu bởi sự dồi dào chất dinh dưỡng — đặc biệt là axit amin — cùng với các tín hiệu yếu tố tăng trưởng, trong khi AMPK được kích hoạt bởi sự khan hiếm năng lượng, được cảm nhận là sự gia tăng AMP và ADP so với ATP; nói rộng ra, mTOR báo hiệu 'đã ăn và phát triển' và AMPK báo hiệu 'năng lượng thấp, bảo tồn và tạo ATP'.

Các con đường này có tương tác không?

Có. Chúng được phối hợp đối ứng: AMPK có thể ức chế hoạt động của mTOR dưới áp lực năng lượng, giúp chuyển quá trình trao đổi chất từ các chương trình đồng hóa, định hướng tăng trưởng sang các chương trình dị hóa, tạo năng lượng.