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丙酮酸脱氢酶的结构、功能与相关疾病

丙酮酸彻底氧化分解需要先转变为乙酰辅酶A，由丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex，PDH或PDC）催化。这个反应需要三种酶连续催化，依次称为E1（丙酮酸脱羧酶，pyruvate decarboxylase，EC1.2.4.1）、E2（二氢硫辛酰胺转乙酰基酶，dihydrolipoyllysine-residue acetyltransferase，EC2.3.1.12）和E3（二氢硫辛酰胺脱氢酶，dihydrolipoyl dehydrogenase，EC1.8.1.4）。

需要注意的是有些酶的名称容易混淆，需要结合名称与编号才能分辨。例如酵母中催化丙酮酸生成乙醛的酶也叫丙酮酸脱羧酶，但它属于裂合酶，编号是EC4.1.1.1。整个丙酮酸脱氢酶复合体的编号也是EC1.2.4.1，正式名称（accepted name）为pyruvate dehydrogenase (acetyl-transferring)。

反应过程分为5步，不可逆的是第一步，即丙酮酸脱羧，生成羟乙基TPP（硫胺素焦磷酸，ThDP），由E1催化。然后羟乙基被氧化成乙酰基，再转移给硫辛酰胺，由E2催化。E2还催化第三步，形成乙酰辅酶A。最后两步由E3催化，将硫辛酰胺上的电子先传递到FADH2，再传递到NADH。此过程除以上五种辅酶以外，还需要镁离子，所以辅因子共有六种。

丙酮酸脱氢酶催化的反应分为五步，引自引自J Biol Chem. 2014

PDH是典型的多酶体系，将催化连续反应的几种酶结合成复杂有序的结构，以提高效率。原核生物的复合体较为简单，大肠杆菌的PDH含有12个E1二聚体，24个E2和6个E3二聚体。真核生物的复合体结构更加复杂，比如人的复合体除含有30个E1四聚体（α2 β 2），60个E2和12个E3二聚体外，还含有三种调控蛋白，包括E3结合蛋白（E3BP），丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）和丙酮酸脱氢酶磷酸酶（PDP）。

原核生物的PDH直径30纳米，真核的直径50纳米，而核糖体的直径才20纳米。近年来由于X-射线衍射和冷冻电镜技术的进步，才解析出其基本结构，但仍有些细节尚不明确。真核PDH以E2和E3BP构成十二面体核心，E1、E3、PDK和PDP结合在外围。E3与E3BP结合，其它酶与E2结合。

丙酮酸脱氢酶结构模型，引自J Biol Chem.2006

真核PDH之所以如此复杂，是因为它催化三碳向二碳的转化，不仅控制着糖和脂的分界线，也决定氧化代谢还是无氧代谢。如果PDH被抑制，酵解产生的丙酮酸就不能通过三羧酸循环彻底氧化，只能进行低效的乳酸发酵。肿瘤细胞的Warburg效应就与此有关。

真核生物对PDH的调控主要包括产物抑制、核苷酸反馈调节和共价调节三种。产物抑制是指乙酰辅酶A抑制E2，NADH抑制E3。可被辅酶A和NAD+逆转。核苷酸反馈调节指E1受GTP抑制，被AMP活化。

共价调节是目前的研究热点。E1上的特殊丝氨酸被PDK磷酸化时失去活性，被PDP水解后恢复活性。丙酮酸抑制磷酸化作用，钙和胰岛素增加去磷酸化作用，ATP、乙酰辅酶A、NADH增加磷酸化作用。

PDH的可逆磷酸化调控，引自 Int J Biol Sci. 2015

PDH的共价调节正常情况下是用于协调酵解与氧化磷酸化，但若调控异常，就会与许多疾病相关，包括乳酸酸中毒，糖尿病和心脑血管疾病，迟发性神经变性，肺动脉高血压，衰老以及癌症。

正常细胞与肿瘤细胞代谢差异，引自 Int J Biol Sci. 2015

80多年前，Otto Warburg注意到肿瘤细胞倾向于优先利用糖酵解（乳酸发酵）而不是线粒体氧化来产生能量，即使存在足够的氧浓度。近十年来逐渐阐明了这种现象的分子基础，称之为有氧酵解或Warburg效应。有氧酵解是肿瘤细胞最显著的代谢特征，也是目前肿瘤治疗领域的研究热点。

有氧酵解相关调控通路，引自 Int J Biol Sci. 2015

实验表明，靶向抑制PDK可逆转肿瘤细胞中的Warburg效应，降低肿瘤微环境中的乳酸浓度，增加线粒体产生的活性氧（ROS）的产生，降低HIF1α的表达，并诱导caspase介导的肿瘤细胞选择性凋亡，导致肿瘤血管生成和体内增殖减少，并在几个实验模型中提高存活率（J Natl Cancer Inst. 2017）。

目前以开发出多种PDK抑制剂，同时也有其它相关代谢酶或蛋白作为靶点，比如HK、PK和GLUT等。希望这些研究，能够使肿瘤治疗进入一个崭新的阶段。

参考文献：

  1. Mulchand S Patel, et al. The pyruvate dehydrogenase complexes: structure-based function and regulation. J Biol Chem. 2014 Jun 13;289(24):16615-23.

  2. Michaela Smolle, et al. A new level of architectural complexity in the human pyruvate dehydrogenase complex. J Biol Chem. 2006 Jul 14;281(28):19772-80.

  3. Wen Zhang, et al. Targeting Tumor Metabolism for Cancer Treatment: Is Pyruvate Dehydrogenase Kinases (PDKs) a Viable Anticancer Target? Int J Biol Sci. 2015 Nov 1;11(12):1390-400.

  4. Peter W Stacpoole. Therapeutic Targeting of the Pyruvate Dehydrogenase Complex/Pyruvate Dehydrogenase Kinase (PDC/PDK) Axis in Cancer. J Natl Cancer Inst. 2017 Nov 1;109(11). doi: 10.1093/jnci/djx071.

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