藥用天然產(chǎn)物的生物合成--崔小清doc資料

1、藥用天然產(chǎn)物的生物合成-崔小清一、脂肪酸合成二、聚酮類藥物聚酮類化合物是由簡單脂肪酸在聚酮合酶催化下經(jīng)過類似長鏈脂肪酸的合成途徑生成的，其中心骨架是通過丙二酸(或有取代基的丙二酸) 硫酯重復的脫羧縮合而形成的。包括聚次甲基酮基團( (CH2一CO)n) 化合物及其加水、脫水或者脫羧的衍生物。聚酮合酶聚酮合酶(polyketide synthase) 聚酮合成酶通過催化前體物質(zhì)進行反復的縮合反應，可以形成多種聚酮體，再經(jīng)過甲基化、氧化還原、糖基化等修飾反應形成各種各樣結(jié)構(gòu)復雜的聚酮類化合物。 其生物合成有其共同的機制，其核心結(jié)構(gòu)均由聚酮合酶催化合成。根據(jù)聚酮合酶的結(jié)構(gòu)及其它性質(zhì)，聚酮合酶被分成型

2、(typePKS，又稱模件型)、型(typePKS，又稱迭代型)和型(typePKS，查爾酮型)3大類。PKS(polyketide synthase)型型PKS：是多個Module存在的多功能酶，每一模塊含有一套獨特的、不同功能非重復使用的催化功能域，其非重復使用的催化功能域與聚酮生物合成的反應順序呈線性對應，主要催化合成大環(huán)內(nèi)酯類、聚烯及聚醚類化合物。型型PKS ：型PKS是一個多功能酶復合體，只包含一套可重復使用的結(jié)構(gòu)域，每一結(jié)構(gòu)域在重復的反應步驟中都多次地用來催化相同的反應。型型PKST：型PKS和其它兩種PKS迥然不同，它在不需要ACP的情況下直接催化 負責延伸1個二碳單位的所有結(jié)構(gòu)

3、域稱為1個Module，I型聚酮合酶包括多個模塊。每個模塊上分別攜帶有參與聚酮生物合成所必需的各種具有不同催化功能的結(jié)構(gòu)域。型型PKS酰基轉(zhuǎn)移酶（AT）?；d體蛋白(ACP)-酮基硫酯合成酶（KS）-酮基還原酶（KR）脫水酶(DH)烯醇還原酶（ER）硫酯酶(TE)PKS紅霉素：用于治療革蘭氏陽性細菌感染的廣譜大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。 對紅霉素進行結(jié)構(gòu)修飾所產(chǎn)生的新一代藥物能提高它的臨床療效， 甚至對原本紅霉素的抗菌譜也有較大的擴展。顯然，通過組合生物合成對紅霉素進行結(jié)構(gòu)改造在新藥開發(fā)上具有巨大的潛力。目前關于紅霉素的生物化學方面的研究有許多報道，包括生物合成途徑的闡 明、關鍵酶結(jié)構(gòu)的鑒定和催化機制的

4、推導。以及產(chǎn)生菌的全基因組測序等， 這為紅霉素的組合生物合成提供了豐富的理論基礎。也正因為如此， 紅霉素成為當今組合生物合成研究最為熱點的模式化合物。三、紅霉素三、紅霉素 紅霉素紅霉素小分子羧酸為前提，合成一個十四元環(huán)內(nèi)酯及在大環(huán)內(nèi)酯上接合兩個糖基。 紅霉素 A (1)發(fā)酵液的主要產(chǎn)物。 以紅霉素 A 為基礎開發(fā)出來的第二代紅霉素如 (2)、 (3)、 (4)，以及第三代 (5)等是臨床上廣泛使用的抗生素之一。紅霉素紅霉素A類似物類似物丙酰CoA6-脫氧紅霉內(nèi)酯甲基丙二酰單酰CoAFigure 1 Modular organization of deoxyerythronolide B syn

5、thase (DEBS)紅霉內(nèi)酯3-O-碳霉糖基紅霉內(nèi)酯紅霉素D 下面途徑催化效率比較低，為紅霉素A合成的副途徑，在紅霉素工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵液里有大量中間產(chǎn)物紅霉素B和紅霉素 C 積累。紅霉素 B 和紅霉素 C 的抗菌活性要比紅霉素 A 低, 毒副作用卻比紅霉素 A 大。 B、C在紅霉素難除去但卻必須除去，可通過增加EryK和EerG基因拷貝數(shù)來調(diào)控酶的活性，將其轉(zhuǎn)化為A。D-德胺糖(desosamine)L-碳霉糖(mycarose)四、紅霉素的組合生物的合成研究四、紅霉素的組合生物的合成研究生物合成內(nèi)酯環(huán)的形成內(nèi)酯環(huán)的后修飾對紅霉素的組合生物合成研究, 也可以分為兩個方向: 1、對合成紅霉素大

6、環(huán)內(nèi)酯的 PKS 進行遺傳操作, 改變大環(huán)內(nèi)酯 的結(jié)構(gòu)。 2、對紅霉素合成的后修飾途徑進行改造, 合成具有不同糖基的 紅霉素類似物.甲基丙二酸單酰CoA丙二酰CoAAT特異性識別底物替換1-6 AT模塊C-12、C-10、C-8、C-6、C-4、C-2。與紅霉素結(jié)構(gòu)類似物（缺少甲基）AT特異特異性識別性識別底物底物1、?；D(zhuǎn)移酶、?；D(zhuǎn)移酶AT 許多 I 型 PKS 聚酮化合物如泰樂菌素(tylosin)、苦霉素(pikromycin)、多殺菌素(spino- syn)等的起始模塊AT-ACP的前端還含有KSQ（酮基硫酯酮基硫酯合成酶）合成酶）功能域. 使起始模塊 AT 首先識別的是二酸單酰輔

7、酶A, 結(jié)合到ACP后不是直接轉(zhuǎn)移到延伸模塊的 KS 結(jié)構(gòu)域中, 而是由KSQ 催化脫羧, 再轉(zhuǎn)移 KS1 上進行下一步的合成。 二酸單酰輔酶A丙酰CoA2、紅霉素、紅霉素 PKS 結(jié)構(gòu)修飾功能域的改結(jié)構(gòu)修飾功能域的改變變 在 I 型 PKS 的某些模塊組合KR、 DH 和酶 ER 等功能域, 這些非PKS 催化反應往下延伸的必須基團, 存在會影響大環(huán)骨架上 -羰基的還原水平，這些結(jié)構(gòu)域的功能如Scheme 1 所示。 分別對紅霉素PKS延伸模塊6中KR功能域和模塊 4 中ER 功能域失活, 可以得到相應的 C-3 酮基類似物 27 和 C-6C-7 不飽和類似物28。-酮基還原酶(KR)烯醇

8、還原酶(ER)脫水酶（DH)6-脫氧紅霉內(nèi)酯3、內(nèi)酯環(huán)單元數(shù)的改變、內(nèi)酯環(huán)單元數(shù)的改變紅霉素大環(huán)內(nèi)酯合成單元鏈 DEBS3的羥基端有TE, 負責將長鏈脂肪酸從 PKS 上水解下來, 并與 PKS 的其它部位共同作用, 將產(chǎn)物環(huán)化成一個十四元環(huán)的化合物 6-脫氧紅霉內(nèi)酯硫酯酶酶域 TE如把TE結(jié)構(gòu)域連到DEBS1的羥基末端能夠產(chǎn)生6元環(huán)內(nèi)酯化合物 354、后修飾途徑過程中的組合生物合成 有報道顯示德胺糖存在于所有 14 元大環(huán)內(nèi)酯活性天然產(chǎn)物中, 是紅霉素與核糖體接合從而抑制細菌生長的一個關鍵因素。C-3 上的 L-碳霉糖并不是紅霉素抗菌活性所必須的。這些發(fā)現(xiàn)都顯示著糖基在紅霉素生物活性上的重要

9、作用，因此糖基的改變也成為紅霉素組合生物合成研究的一個熱點。D-德胺糖(desosamine)L-碳霉糖五、五、聚酮化合物組合生物合成面臨的困難聚酮化合物組合生物合成面臨的困難 PKS全酶基因簇的異源表達還有比較大的難度，這是由于PKS的異源表達對宿主提出許多要求：遺傳背景清楚、有成熟的遺傳操作方法、有成熟的培養(yǎng)方法、宿主的生長不受PKS蛋白表達的影響、有能力表達高分子量的PKS(約10010000 kDa)、可以對PKS進行翻譯后修飾、自身可產(chǎn)生足夠的合成前體(如脂酰CoA或衍生物)、對聚酮化合物的修飾、宿主不受聚酮產(chǎn)物毒害、具有某些必需的細胞因子等等。 目前組合生物合成聚酮產(chǎn)物種類非常多，

10、2008年在PubMed上已發(fā)表論文中報道的組合生物合成聚酮已經(jīng)超過200多種，但是這些新產(chǎn)物的生物活性都沒有能夠超過原來的聚酮化合物，商品化的組合生物合成聚酮產(chǎn)物也沒有出現(xiàn)。 在自然界中存在的酶催化反應都是由千百萬年進化而來, 天然的酶與天然的底物在進化過程中已經(jīng)處于一個相對最適的狀態(tài). 人為的方法產(chǎn)生新雜合酶從概率上來說是很難比天然的酶對底物更加匹配參考文獻：參考文獻：吳杰群, 劉文, 張嗣良. 紅霉素的生物合成與組合生物合成J. 有機化學. 2012: 32, 1232-1240. 在新藥的研發(fā)領域, 通過組合生物合成優(yōu)化先導化合物的結(jié)構(gòu)與隨機合成化合物庫篩選相比具有明顯的優(yōu)勢. 綜合使用上述方法對紅霉素進行組合生物合成理論上幾乎可以產(chǎn)生無數(shù)種紅霉