全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第11期
2010年11月
Vol. 22, No. 11
Nov., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)11-1184-08
收稿日期：2010-06-04；修回日期：2010-06-21
基金项目：广州市科技计划项目(10C52130100)
* 通讯作者：T e l : 0 2 0 - 3 9 3 5 2 3 2 6 ，E - m a i l :
lihaoming@gdpu.edu.cn
丙酮酸脱羧酶及其应用研究
朱碧云，李浩明*
(广东药学院 生命科学与生物制药学院，广州510006)
摘　要：丙酮酸脱羧酶(pyruvate decarboxylase, PDC)，EC4.1.1.1，是一种胞内酶，是焦磷酸硫胺素
(thiamine pyrophosphate，ThPP)依赖性的非氧化酶, 是由辅酶ThPP、Mg2+ 和蛋白质构成的全酶，在
辅助因子焦磷酸硫胺素和 Mg 2 + 参与下作用于丙酮酸而产生乙醛和 CO 2。P DC 是丙酮酸合成乙醇的关键
酶。它广泛存在于酵母菌、霉菌、细菌和植物等多种生物体中，不同来源的丙酮酸脱羧酶的结构、
相对分子质量、酶学性质等均不尽相同。该文综述了丙酮酸脱羧酶生物学性质及其应用前景。
关键词：丙酮酸脱羧酶(PDC) ；焦磷酸硫胺素(ThPP) ；结构；基因表达
中图分类号：Q814; Q786 文献标识码：A
Reviews on pyruvate decarboxylase and its application
ZHU Bi-yun, LI Hao-ming*
(School of Life Science and Biopharmacology, Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510006, China)
Abstract: Pyruvate decarboxylase, EC4.1.1.1, an intracellular enzyme, is a thiamine pyrophosphate-dependent
non-oxidative enzyme. The holoenzyme, composed of coenzyme ThPP, Mg2+ and protein, catalyzes the non-
oxidative decarboxylation of pyruvate to acetaldehyde using Mg2+ and thiamine pyrophoshate(ThPP) as
cofactors. Pyruvate decarboxylase (PDC) is the key enzyme for all homo-fermentative ethanol pathways, and
widely distributed among plants, yeasts, fungi, and bacteria. Pyruvate decarboxylases from different sources
are not quite similar in structure, molecular weight, characterization and so on. This paper reviews the biological
properties of pyruvate decarboxylase and its application.
Key words: pyruvate decarboxylase (PDC); thiamine pyrophosphate(ThPP); structure; gene expression
乙醇是一种重要的化工原料，广泛用作有机溶
媒；作为一种生物能源，乙醇有望取代日益减少的
化石燃料，而且它燃烧污染较小，具有显著的环境
友好性。先进的乙醇生产工艺大都使用农业原料，
这一过程有利于推动太阳光能的转化利用，同时促
进大气中CO2 的去除和循环。许多经济发达国家都
注重以碳水化合物为原料发酵生产乙醇的生物技术
开发，并期望由此稳定能源供应、改善能源保障、
拉动农业及其他相关传统经济的发展。丙酮酸脱羧
酶(pyruvate decarboxylase, PDC)是发酵生产乙醇的
关键酶，本文从 PDC 的结构性质、分布、基因研
究等方面综述了 PDC 近年来的研究进展和应用。
1　PDC 的结构与性质
PDC 是一种胞内酶，它广泛存在于许多生物体
中，不同来源的 PDC 的结构、相对分子质量等均
不尽相同。根据来源不同，P D C 既可以是单一亚
基或是相同亚基的多聚体，如细菌、单倍体酵母菌
和非传统酵母菌中的酶[1,2] ；也可以由两种不同的亚
基组成，如双倍体酵母菌、大豆、玉米[3]和小麦[4]
1185第11期 朱碧云，等：丙酮酸脱羧酶及其应用研究
中的酶。所有这些来源不同的酶的亚基的相对分子
质量都约为60 k。一般PDC是四聚体酶，每个亚基
含有一分子的焦磷酸硫胺素(thiamine pyrophosphate,
ThPP)和一分子的 Mg2+。到目前为止，人们己经研
究清楚了一些物种的PDC的三维结构，如运动发酵
单胞菌[1]、酿酒酵母[2]等。
1.1　PDC 的基本结构特性
不同物种的PDC在结构上是不同的，但是，两
种不同类型的PDC(α4和α2β2 )又具有一些共性，它
们都具有四个活性位点，都以ThPP 和 Mg2+ 作为辅
助因子[5]。PDC 是 ThPP 依赖型酶, ThPP 的结合位
点位于两个亚单位之间的界面处的深沟内，两个亚
单位上的天冬氨酸和天冬酰胺等参与了与ThPP的结
合。另外，发现所有的 ThPP 依赖型酶都有一个保
守结构模体：GDGX24 一 27NN，其中 X 代表任一
氨基酸。这一序列被认为与二价金属离子的结合有
关，而二价金属离子同时又与ThPP 上的磷酸基团
相结合[5]。
ThPP 结合部位的一些氨基酸残基(如Phe、Thr)
可以帮助 T h P P 保持在“V”结构，“V”结构是
催化反应必需的。有报道Glu-50和Phe-496残基对
发酵单胞菌PDC起作用，Asp-27和 Glu-473残基与
发酵单胞菌PDC的催化作用有密切关系[6,7]。另外，
PDC嘧啶环的N1 位通过氢键结合到谷氨酸盐，能影
响ThPP 上的4 位氨基和ThPP C2 氢键的活性。
1.2　PDC 的酶学性质
PDC 含有两种不同的催化性质，即形成酮酸的
非氧化脱羧反应和导致形成α-羟基酮的carboligase
副反应[8]。在正常的生长环境中，PDC 主要催化丙
酮酸形成乙醛，这是乙醇发酵的关键反应。在糖酵
解途径中，葡萄糖分解形成两分子的丙酮酸，同时
以ATP 和 NADH 的形式为细胞提供能量。丙酮酸在
PDC 控制下进行乙醇发酵的厌氧过程，也就是丙酮
酸的非氧化脱羧，产生乙醛并释放 CO2，接着乙醇
脱氢酶(alcohol dehydrogenase, ADH)催化乙醛生产乙
醇[9 ]。
不同来源 P D C 的酶学性质不同，如 K m、最
适反应温度、最适 pH、热稳定性、比活等都不相
同。目前已有报道的物种的PDC性质[3,5-6,10-17]详见
表1 。
目前研究较多的是运动发酵单胞菌和酿酒酵母
P D C ，它们具有较低的 K m 值，较高的比活，热
稳定性好。
1.3　PDC 的空间结构
目前，在酵母菌、霉菌、一些细菌以及一些
高等植物中都发现有PDC存在。已有酿酒酵母、运
动发酵单胞菌等物种的丙酮酸脱羧酶的立体结构被
确立并公布在GenBank上。剑桥大学的Pei等[1]利用
晶体衍射分析了运动发酵单胞菌 PDC 的空间结构，
PDC 的四级结构见图1。四个活性位点都深藏在蛋
白内部，位于两条单体的界面上。
酿酒酵母 PD C 是同源四聚体，每个单体含有
563 个氨基酸残基。两个亚基紧密结合组成晶体不
对称单元，两不对称单元形成一个近似对称的二聚
体。每个PDC亚基可以包含3个结构紧凑的域(标识
为 α、β、γ)，如图2 所示，辅助因子(ThPP)结合
域(α域1~187氨基酸残基和γ域360~556氨基酸残基)
基本上与中央六股平行 β折叠的拓扑结构相同[2]。
表 1 不同来源的PDC的酶学性质
物种 最适p H 最适反应温度(℃) Km(mmol/L) 比活(μmol/min/mg) 热稳定性(℃)
运动发酵单胞菌 6.50 30 0.30 181 20~30
酿酒酵母 6.50 30 2.29 515 4~30
乳酸克鲁维斯酵母 5.70 30 0.24 1.81
光滑球拟酵母 46.00 0.80 40
米根霉 6.30 35 3.90 75.4
胎三毛滴虫 5.75 0.62 5.7
胃八叠球菌 6.50 25 2.80
沼泽红假单胞菌 6.30 12.20
嗜热菌 7.50 0.117
乳酸乳球菌 6.50 45 18.00 80.7
玉米 5.80 0.50 96.4
甘薯 6.10 0.55 12.3
小麦 7.50 3.00
1186 生命科学 第22卷
图1 运动单胞菌PDC结构
A：运动单胞菌同源四聚体PDC 结合了ThP P 的总体结构，四个单体以不同的颜色表现；B：将 A 绕轴旋转90°所得的图
像；C：以卡通的形式表现A 的一个单体。分别用棕色、黄色、蓝绿色标记PYR 域(氨基酸残基1~ 18 8)、R 域(氨基酸残
基189~354)、PP 域(氨基酸残基355~566)，用N、C 标记肽链的两端，不同颜色的棍形图像表明单体结合了不同的辅助因
子：红色为 O 2；蓝色为 N 2；紫色为 M g 2 +；橙色为磷酸盐
图2 酿酒酵母PDC结构
A：结合了ThPP 的酿酒酵母PDC 单体的结构；B：酿酒酵母PDC 四级结构图； C：酿酒酵母PDC 的两个亚基紧密结合组成
的晶体不对称单元，ThPP 以填充物的形式表现； D：丝带图表现的是酿酒酵母PDC 四聚体晶体图，ThPP 以填充物形式表现
1187第11期 朱碧云，等：丙酮酸脱羧酶及其应用研究
酿酒酵母、运动发酵单胞菌PDC 都是同源四聚
体结构，每个四聚体需要四个 Mg 2 + 结合作辅助因
子。每个亚基单体有 3 个功能结构域：结合 ThPP
的嘧啶环的N端区(α-嘧啶结合域) ；核心区(β-调控
域) ；结合二磷酸基团的C端区(γ- 二磷酸结合域)。
嘧啶(PYR)结合域在许多关键代谢酶中都有发
现，其使用ThPP 作为辅助因子，ThPP 结合在PYR
域和PP 域形成的缝隙中。ThPP 的氨基嘧啶环结合
在 PYR 域，果糖残基结合在 PP 域。PYR 和 PP 域
含有一个相同的折叠区，但是没有共享一段很长的
保守序列。大多数ThPP 依赖酶在一个亚基上同时
含有PYR 和 PP 域，尽管这些域会因一级结构不同
而变化。ThPP 依赖酶是多亚基蛋白，最小的催化
单位为二聚体蛋白，许多活性位点在不同亚基的PP
和 PYR 域之间 [19]。
天然状态下运动单胞菌PDC活性位点上的各个
氨基酸残基的作用都有被调查研究过[20]。其主要的
方法是对活性位点附近的氨基酸残基进行定点突
变，考察突变体的脱羧酶与醛聚酶的活性、动力学
常数和稳定性等。
E473是维持酶的催化活性和结构完整性所必需
的，分别用 A、N、T 、D 、I 和 V 替代 E 4 7 3 残
基，检测不到突变异构体的表达，可能是由于错误
折叠的蛋白质快速降解了，E473 功能受损，突变
体酶的脱羧活性降低，聚醛酶活性受影响。通过X
射线结构研究E473 和 N482 的相互作用，用D 替换
N482，PDC 的催化反应受到显著影响，但辅助因
子结合和耐热性却未受影响。这显示了N482和E473
的相互作用是协调催化反应产生乙醛所必需的。
活性中心附近的保守疏水氨基酸(L112、I472
和 I476)位于C2-ThPP 附近。因此，对PDC 催化过
程中的过渡态有潜在影响。用Ala替代L112的突变
蛋白可以在大肠杆菌中正常表达，而且其动力学性
质和催化反应也未受影响。因此，可以排除 L112
直接参与活性位点。X射线结构中I472和I476排列
在辅助因子结合的裂缝中，I472 距离 C2-ThPP 仅
0.5 nm，I476 距离C2-ThPP 约 0.8 nm。I472 的突
变体的丙酮酸脱羧活性降低 30%，K m 值增大了 8
倍，催化效果下降 6 0 %，结构的稳定性有轻微降
低；虽然I476 距离活性中心较远，但是其却明显
影响了酶的稳定性，I4 76 突变体的稳定性降低。
I472和I476突变体证明了Ile残基侧链对催化反应中
PDC过渡态立体结构的影响。减小I472位置的残基
侧链大小导致底物结合位点变大，Ala取代I472的
PDC 对无支链的脂肪族 2- 酮酸的亲和性大于丙酮
酸，K m 值降低，降低了催化过程中的底物选择
性。这些结果清楚的证明了I472在底物特异性和脱
羧与醛聚反应的选择性中都是非常重要的。I476可
能保护“E473/N482”复合物远离水。因此，其
对E473 的正确功能是很重要的。
I472和I476是影响底物结合位点大小和醛聚酶
对映选择性的重要氨基酸。E473是酶活性所必不可
少的氨基酸残基。E473 的功能受邻近碱基N482 和
I476 的影响。
2　PDC 基因
随着人们对PDC研究的深入，目前对编码此酶
的基因也有了较清楚的认识，现在有277条 PDC的
mRNA、114 个含有 PDC 基因的基因组序列已经测
定并公布在 GenBank 中。PDC 基因己经从许多生
物体中分离得到，如酵母菌和霉菌中的Saccharo-
myces cerevisiae、 Hanseniaspora uvarum、
Kluyveromyces marxianus、 Kluyveromyces lactis、
Zygosaccharomyces bisporu、Neurospora crassa、
Aspergillus parasiticus、Aspergillus nidulans、As-
pergillus oryzae；植物中的玉米(Zea mays)、水稻
(Oryza sativa)、大豆(Pisum sativum) ；细菌中的
Zymomonas mobilis、Zymobacter palmae、
Acetobacter pasteurianus、Sarcina ventriculi等。所
有这些酶的亚基都包含552～610个氨基酸残基，来
自植物的酶亚基氨基酸残基数略大于来自酵母菌、
霉菌和细菌的酶的残基数。
我们实验室已克隆到红曲霉PDC基因(GenBank
accession HM191265)，在GenBank上对红曲霉PDC
蛋白序列进行同源序列比对，发现其与目前公布在
GenBank 上的其他物种的PDC 蛋白序列有很高的同
源性，尤其与曲霉属真菌 P D C 同源性更高，同
Aspergillus fischeri NRRL 181 PDC：Score=983 bits
(2542)，Identities = 461/568 (81%)，Positives=514/
568(90%)，Gaps=1/568(0%) ；同Aspergillus terreus
NIH2624 PDC：Score=954 bits(2465)，Identi-
ties=443/569(77%)，Positives=502/569(88%)，
Gaps=1/569(0%)。
对GenBank 中红曲霉Monascus、烟曲霉As-
pergillus fumigatus、棒曲霉Aspergillus clavatus、费
舍尔曲霉Neosartorya fischeri、构巢曲霉Aspergillus
1188 生命科学 第22卷
nidulans、黄青霉Penicillium chrysogenum、米
曲霉 Aspergillus oryzae、皮炎组织胞浆菌
Ajellomyces dermatitidis、土曲霉Aspergillus
terreus、康乃馨Dianthus caryophyllus、玉米Zea
mays、拟南芥Arabidopsis thaliana、水稻Oryza
sativa、热带念珠菌Candida tropicalis等的PDC
基因做进化树分析，如图 3 。
可以看到真菌类红曲霉、皮炎组织胞浆菌、热
带念珠菌、黄青霉、土曲霉、构巢曲霉的 PD C 在
进化树中距离短、差异较小，有很高的相似度；
而植物类的玉米、水稻、拟南芥的 PD C 在进化树
中结点间的距离较短，差异程度较小。发现相同种
属的物种间的距离小，差异程度较小。
红曲霉二级结构预测：S W I S S - M O D E L 及
NPS@(Network Protein Sequence Analysis)网络服务
器(http://npsa-pbil.ibcp.fr)，选用DPM、DSC、
GOR4、PHD、Predator、SIMPA96、SOPM 程序
综合分析，输出结果如下图4：该方法是将几个独
立的二级结构预测方法汇集成“一致预测结果”，
综合应用这些方法的总体效果比用单个方法好。
红曲霉PDC 的二级结构主要由 α- 螺旋、无规
卷曲和延伸链构成，这同已报道的酿酒酵母[2]和运
动单胞菌[1]PDC 的结构类似。
从表2中看出红曲霉、运动发酵单胞菌、酿酒
酵母 PDC 的 OR F s 长度、氨基酸残基量相似，且
都属于稳定蛋白。
密码子使用的兼容模式对异源系统的功能表达
是特别重要的[21]。G+C含量表可以作为一个初步的
简单的指导，巴氏醋杆菌(Acetobacter pasteurianus)
pdc G+C含量60%，胃八叠球菌(Sarcina ventriculi)
pdc G+C 含量31%，大肠杆菌(E.coli)ORFs G+C 含
量平均为52%，与运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)图 3 对不同来源的 PDC 做进化树分析
图4 红曲霉二级结构预测
蓝色(最高条) ：α- 螺旋；紫色(最矮条) ：无规则卷曲；深红(中等高度) ：延伸链；绿色：β - 转角
表 2 不同来源 PDC 基因对应氨基酸序列的组成成分及理化性质分析
物种 开放阅读 氨基酸 相对分 等电点pI 氨基酸比例(% mol/mol) 蛋白不
框ORF(bp) 残基数 子质量(ka) 稳定性
碱性氨 酸性氨 疏水氨 极性氨
基酸 基酸 基酸 基酸
运动发酵 1707 568 60.926 5.74 11.44 11.09 49.47 22.54 31.86
单胞菌
酿酒酵母 1692 563 61.564 5.80 11.19 10.66 46.71 21.85 30.85
玉米 1782 593 63.665 5.80 10.79 10.12 48.23 20.91 34.19
红曲霉 1713 570 63.133 6.17 13.16 11.58 45.44 24.74 32.21
1189第11期 朱碧云，等：丙酮酸脱羧酶及其应用研究
PDC (52%)相同，同棕榈发酵细菌(Zymobacter
palmae) PDC (55%)相似。这两种生物的大多数氨
基酸的密码子使用模式都非常相似。重组Z.palmae
PDC在大肠杆菌中高表达(约1/3蛋白活性)。重组A.
pasteurianus pdc在大肠杆菌中表达水平较低(7%～
9%蛋白活性)，重组Sarcina ventriculi PDC在大肠
杆菌中几乎不表达(小于0.3%)[15]。为了增大重组的
Sarcina ventriculi PDC的产量，修饰 E.coli宿主中
携带稀有密码子的 tR N A，如 A G A ( A r g )、G G A
(Gly)、AUA(Ile)、CUA(Leu)，提高了约1/4蛋白
活性。已证明Sarcina ventriculi PDC的密码子使用
模式是非常有用的，特别是与基因工程手段合成乙
醇途径中的低 G+C 的革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌
ORFs作比较。红曲霉Monascus PDC G+C 含量51%，
同大肠杆菌和运动单胞菌PDC 的 G+C 含量相似。
从表 3 可以看到，运动单胞菌和胃八叠球菌
P D C 基因的密码子利用有着显著性差异，特别指
出，胃八叠球菌 P D C 基因使用的 t R N A A U A 和
tRNA A G A，在大肠杆菌中都是不大常见的，这同运
动单胞菌PDC 相反，胃八叠球菌PDC 使用大肠杆菌
中携带稀有基因的tRNA，限制了其mRNA 的翻译过
程，这可能影响其在基因工程宿主中的翻译。而红
曲PDC 很少使用大肠杆菌中稀有密码子，所以也暗
示了其在大肠杆菌中能够大量甚至超量表达。
3　PDC 的应用
专家预测在未来的 10 年左右时间里，石油的
生产将达到峰值，随后生产能力必然呈下降趋势。
燃料酒精除具有替代车用燃料的功能外，还具有用
作汽油辛烷值改进剂和增加汽油氧含量以减少汽车
尾气中的一氧化碳、烃类等污染物的排放等优点。
丙酮酸脱羧酶已经应用于乙醇生产和药物合
成，应用的重点在生物乙醇生产。
在20世纪80年代，Ingram等[22]利用运动发酵
单胞菌中的高活力丙酮酸脱羧酶(pdc)和乙醇脱氢酶
基因(adhB)构建了PET操纵子——pLOI297，并将
该操纵子导入大肠杆菌中表达，结果大肠杆菌工程
菌株能发酵葡萄糖产生乙醇。为提高工程菌的遗传
稳定性，Ingram研究组又将这两个基因整合至大肠
杆菌ATCC 11303染色体Pyruvate formate lyase (pfl)
基因位点上，但该重组菌株乙醇产率较质粒型
ATCC11303 (pLOI297)菌株低，通过高浓度氯霉素
抗性筛选，得到乙醇产率较高的菌株；为了进一步
提高该菌株的乙醇产量，通过将琥珀酸合成途径中
的延胡索酸合成酶frd基因打断，阻断琥珀酸的合成，
提高了乙醇产量，该菌株被定名为E. coli KO11 [23]。研
究表明，在厌氧条件下，E. coli KO11可发酵半纤
维素水解产物中几乎所有的糖生产乙醇，其乙醇生
产能力较高，并且对木质纤维素水解产物中的抑制
剂具有相对高的耐受性。
汤川英明构建了一种能同时表达PDC和 ADHⅡ
基因的棒状杆菌，这种杆菌在没有实质性增殖的乙
醇生产条件下，可以高生产率生产乙醇[24]。佛罗里
达大学的Julie等[25]的发明专利《来源于细菌的丙酮
酸脱羧酶(PDC)基因的克隆和测序及其用途》提供
了编码 PDC 的分离核酸分子，改进了 PDC 的脱羧
酶活性、底物亲和性、热稳定性和在不同 pH 值下
的活性，并且该核酸分子还具有允许在各种宿主细
胞中高水平表达的密码子使用。这个发明提供了含
有这种核酸分子的重组表达载体，含有该表达载体
的重组宿主细胞，进一步含有其他产乙醇酶的宿主
细胞，以及使用这种宿主细胞生产有用的物质，如
乙醛和乙醇。
目前对于利用木质纤维素生产乙醇的菌种研究
主要集中于酿酒酵母、运动发酵单胞菌和大肠杆菌
等，但它们不能高效利用纤维素类水解物，所以研
究者一直致力于通过基因工程的手段寻找可以解决
这一难题的方法。在能源紧缺的今天，酒精的生产
已越来越被重视，因而丙酮酸脱羧酶在酒精发酵生
产中的应用亦将受到更多关注。
[参　考　文　献]
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1190 生命科学 第22卷
表
3
运
动
单
胞
菌
、
胃
八
叠
球
菌
和
红
曲
霉
PD
C基
因
的
密
码
子
利
用
氨
基
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密
码
子
运
动
单
胞
菌
胃
八
叠
球
菌
红
曲
霉
大
肠
杆
菌
氨
基
酸
密
码
子
运
动
单
胞
菌
胃
八
叠
球
菌
红
曲
霉
大
肠
杆
菌
Al
a
GC
A
28
.1
32
.5
22
.8
20
.1
Le
u
CU
G
33
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0
24
.6
52
.6
GC
C
35
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0
17
.5
25
.5
CU
U
12
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14
.5
8.
8
11
.0
GC
G
12
.3
1.
8
12
.3
33
.6
U
U
A
1.
8
59
.7
0
13
.9
GC
U
73
.8
34
.4
35
.1
15
.3
U
U
G
5.
4
0
17
.5
13
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g
A
G
A
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8
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.4
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19
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CG
C
15
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0
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0
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.0
A
A
G
31
.6
5.
4
26
.3
10
.3
CG
G
1.
8
0
7.
0
5.
4
Me
t
A
U
G
21
.1
27
.1
15
.8
27
.9
CG
U
12
.3
0
10
.5
20
.9
Ph
e
UU
C
31
.6
18
.1
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