抗生素的生物合成

1、抗生素的生物合成 抗生素的合成過程可以概括為如下模式： 營養(yǎng)物質(zhì)（C、N、P、S） 初級代謝 前體 聚合、結(jié)構(gòu)修飾、裝配 抗生素 第一步，前體聚合：前體單元在合成酶催化下進(jìn)行聚合。例如四環(huán)素合成中，在多酮鏈合成酶催化下，由丙二酰CoA等形成多酮鏈，進(jìn)而合成四環(huán)素及大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。 第二步，結(jié)構(gòu)修飾。聚合后的產(chǎn)物再經(jīng)過修飾反應(yīng)如環(huán)化、氧化、甲基化、氯化等。氧化作用是在加氧酶催化下進(jìn)行的。次級代謝中的加氧酶多是單加氧酶，它把氧分子中的一個(gè)氧原子添加到底物上，另一個(gè)氧原子還原成水，并常伴有NADPH的氧化。 RHO2NADPH2 ROHH2O NADP 第三步，不同組分的裝配。如新生霉素的幾個(gè)組分

2、：4-甲氧基-5，5-二甲基-L-來蘇糖（noviose）、香豆素和對羥基苯甲酸等形成后，再經(jīng)裝配成新生霉素 主要抗生素的生物合成途徑主要抗生素的生物合成途徑 （一）（一）-內(nèi)酰胺類抗生素的生物合成途徑內(nèi)酰胺類抗生素的生物合成途徑 -內(nèi)酰胺類抗生素（-lactam antibiotics）是分子中含有-內(nèi)酰胺環(huán)的一類天然的和半合成的抗生素的總稱。臨床應(yīng)用的-內(nèi)酰胺類抗生素可分為3類，即青霉素、頭孢菌素和新型-內(nèi)酰胺類抗生素。 1、青霉素的合成 青霉素是含有青霉素母核的一類化合物的總稱。母核由-內(nèi)酰胺環(huán)閉環(huán)（B環(huán)）和噻唑環(huán) （A環(huán)）組成，稱為6-氨基青霉烷酸（簡稱6APA） 青霉素青霉素G和頭孢

3、霉素和頭孢霉素C生物合成途徑生物合成途徑 青霉素的母核部分是以半胱氨酸和纈氨酸為前體合成的，側(cè)鏈?zhǔn)怯?氨基己二酸構(gòu)成。前體物質(zhì)經(jīng)過下面四步反應(yīng)最后合成青霉素 前體及三肽的合成。 纈氨酸：兩分子丙酮酸在乙酰乳酸合成酶催化下，轉(zhuǎn)變成乙酰乳酸，再經(jīng)異構(gòu)、還原和轉(zhuǎn)氨等反應(yīng)，形成L-纈氨酸。 半胱氨酸：TCA中檸檬酸在異檸檬酸裂解酶催化下產(chǎn)生乙醛酸，再經(jīng)過還原氨基化，巰基化反應(yīng)最后生成L-半胱氨酸。 -氨基已二酸：是由-酮戊二酸與乙酰CoA的二碳單位縮合生成高檸檬酸，再經(jīng)過脫羧、氨基化反應(yīng)，最后生成L-氨基己二酸。 三肽的合成：L-氨基己二酸首先與半胱氨酸縮合形成二肽，然后L-纈氨酸的氨基與半胱氨酸的羧

4、基縮合形成三肽。 -內(nèi)酰胺環(huán)的形成。在環(huán)化酶（cyclase，即異青霉素N合成酶）催化下，三肽中的酰胺N原子與S原子相鄰的C原子連接進(jìn)行環(huán)化，形成-內(nèi)酰胺環(huán)。具體過程目前尚未完全了解。 噻唑環(huán)的形成。噻唑環(huán)的形成過程也還不甚清楚 青霉素G、6APA的形成。三肽化合物閉環(huán)以后，形成異青霉素N，它是合成各種青霉素的前體。其中的側(cè)鏈?zhǔn)?氨基己二酸。它可以被?；D(zhuǎn)移酶催化轉(zhuǎn)換成其他側(cè)鏈。在發(fā)酵液中加入苯乙酸，與-氨基己二酸進(jìn)行交換后，帶上苯乙酸側(cè)鏈就是青霉素G。異青霉素N被青霉素酰化酶催化使側(cè)鏈裂解生成6APA。它是合成各種半合成青霉素的主要原料。 （2）頭孢菌素C的合成 頭孢菌素C（即先鋒霉素）由頭

5、孢菌（Cephalsporium salomosynnemata）產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)與青霉素相似，它是由?；鶄?cè)鏈和7-氨基頭孢烷酸（7-ACA）組成。7-ACA結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)雙氫噻唑環(huán)（A）和一個(gè)-內(nèi)酰胺環(huán)（B）。 頭孢菌素C與青霉素具有相同的前體物質(zhì)。當(dāng)三肽化合物閉環(huán)后，形成異青霉素N ，其中的L-氨基己二酸異構(gòu)為D型后，轉(zhuǎn)變成青霉素N。然后在擴(kuò)環(huán)酶 （expandase，即脫乙酰氧頭孢素C合成酶）催化下，使硫原子和纈氨酸的一個(gè)甲基之間脫氫，形成雙氫噻唑環(huán)，即脫乙酰氧頭孢素C。再在加氧酶、乙酰轉(zhuǎn)移酶作用下，最后合成頭孢菌素C 。（二）氨基糖苷類抗生素的生物合成（二）氨基糖苷類抗生素的生物合成 氨基

6、糖苷類抗生素（amino glycoside antibiotics）是一類分子中含有一個(gè)環(huán)己醇配基，以糖苷鍵與氨基糖（或中性糖）相結(jié)合的一類廣譜抗生素，以鏈霉素為代表，其他常見的還有慶大霉素、卡那霉素、新霉素、阿普霉素、潮霉素、春雷霉素和核糖霉素等。 不同的氨基糖苷類抗生素分子中含有不同的氨基環(huán)醇，其中主要有2-脫氧鏈霉胺、鏈霉胍和actinamine。這些氨基環(huán)醇均源自葡萄糖，通 過一個(gè)共同的中間體和 不同的途徑獲得其結(jié)構(gòu)。 鏈霉素是由鏈霉胍、鏈 霉糖和N-甲基-L-氨基葡 萄糖胺三部分組成。 鏈霉胍的合成途徑 二氫鏈霉糖生物合成途徑 由D-葡萄糖形成N-甲基-L-葡萄糖胺的假設(shè)途徑 鏈霉

7、素的的生物合成 （三）四環(huán)素類抗生素的生物合成四環(huán)素類抗生素的生物合成 四環(huán)類（tetracyclines）抗生素是以四駢苯（萘并萘）為母核的一類有機(jī)化合物，包括四環(huán)素、土霉素、金霉素以及一些衍生物。 合成四環(huán)素的起始化合物是丙二酰胺輔酶A，它同8個(gè)丙二酰輔酶A分子重復(fù)縮合、脫羧，形成一個(gè)直鏈化合物-多酮次甲基鏈（-polyketothylene chain），然后經(jīng)過重復(fù)閉環(huán)等反應(yīng)，形成四環(huán)類抗生素。 四四環(huán)環(huán)素素族族抗抗生生素素生生物物合合成成途途徑徑 丙二酰輔酶A可能是葡萄糖通過磷酸烯醇式丙酮酸鹽經(jīng)羧化作用形成草酰乙酸、再氧化脫羧為丙二酰輔酶A而形成的； 氯來源于培養(yǎng)基中的氯離子，氨基可

8、能來源于谷氨酸，甲基來源于蛋氨酸 金霉菌從葡萄糖開始合成金霉素，約有二十多步酶反應(yīng)，考慮到可能存在的競爭和平行反應(yīng)，則可能增加至約300步酶反應(yīng)，生物合成全過程包括70多個(gè)中間體。 （四）聚酮類化合物的生物合成聚酮類化合物的生物合成 從生物合成的角度由低級脂肪酸聚合而成的具有長碳鏈結(jié)構(gòu)的化合物，稱為聚酮類化合物（包括大環(huán)內(nèi)酯類、安莎類、聚醚類、蒽醌類等抗生素和一些真菌毒素）。其中抗生素的典型代表有紅霉素、雷帕霉素、利福霉素、螺旋霉素、制霉菌素、柔紅菌素等 。 聚酮類化合物生物合成的基本過程是，由低級脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸）等經(jīng)活化后，以丙二酰、丙?；蚣谆］o酶A的形式，由?；鶖y帶蛋白（A

9、CP）介導(dǎo)經(jīng)聚酮縮合酶將碳鏈不斷延長，最后由硫酯酶催化進(jìn)行碳鏈的環(huán)化形成聚酮體內(nèi)酯（在碳鏈的延長過程中可伴隨著還原、脫水等反應(yīng)，導(dǎo)致聚酮內(nèi)酯環(huán)中酮基或烯鍵的形成 ）。聚酮內(nèi)酯環(huán)形成后再進(jìn)行配糖體的糖苷化、內(nèi)酯環(huán)不同C位的甲基化、羥基化或糖分子C位上的?；炔煌揎?。 1、大環(huán)內(nèi)酯抗生素的生物合成大環(huán)內(nèi)酯抗生素的生物合成 大環(huán)內(nèi)酯抗生素又可分為非多烯類和多烯類 前者有12元環(huán)的：酒霉素和新酒霉素； 14元環(huán)的：紅霉素、竹桃霉素、藍(lán)卡霉素、苦霉素、巨大霉素； 16元環(huán)的：柱晶白霉素、交沙霉素、針棘霉素、螺旋霉素、碳霉素、麥里多霉素； 后者有制霉菌素、兩性霉素、魯斯霉素、匹馬菌素等。 紅霉素A、B

10、、C、D的詳細(xì)結(jié)構(gòu) 21個(gè)碳原子的紅霉內(nèi)酯是七個(gè)丙酸單位通過聚合作用形成的。-甲基丙二酸也可作紅霉素內(nèi)酯的一個(gè)前體。用14C甲基丙二酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)說明紅霉內(nèi)酯生物合成是由一分子的丙酸CoA打頭，依次接上6分子2-甲基丙二酰CoA。 ?；；鵆oACoA亞單位的形成亞單位的形成 丙酸 -丙酸磷酸 -丙酰CoAPi 高產(chǎn)菌株的丙酸激酶對丙酸的Km值較低。這一步活化作用可能是紅霉素生物合成的限制步驟。 羧化和轉(zhuǎn)羧基反應(yīng)羧化和轉(zhuǎn)羧基反應(yīng) 丙酸激酶 ?；D(zhuǎn)移酶 激酶 硫酯酶酰基CoA羧化物 羧基轉(zhuǎn)移酶紅霉內(nèi)酯的形成及后期轉(zhuǎn)化紅霉內(nèi)酯的形成及后期轉(zhuǎn)化 大環(huán)內(nèi)酯合成酶能將標(biāo)記的丙二酰CoA和 2-甲基丙二酰Co

11、A結(jié)合到6-去氧紅霉內(nèi)酯B中。紅霉素生物合成的最后幾步是紅霉素內(nèi)酯與兩種脫氧糖形成一糖苷，并進(jìn)行甲基化，最終形成具有生物活性的紅霉素。括號表示紅霉素糖苷配基，數(shù)字表示內(nèi)酯碳的排列。 Eb紅霉素內(nèi)酯B；Ea紅霉素內(nèi)酯A；M碳霉糖 （五）多肽類化合物的生物合成多肽類化合物的生物合成 許多次級代謝產(chǎn)物是氨基酸的衍生物，它們或者是純粹以氨基酸作為組成的化合物，或者是氨基酸與其他代謝物（糖、脂肪酸）相結(jié)合的產(chǎn)物，或者是一個(gè)或幾個(gè)氨基酸的衍生物相結(jié)合的產(chǎn)物，它們總稱為多肽類或環(huán)肽化合物。已經(jīng)知道在次級代謝產(chǎn)物的生物合成中肽鍵的形成有三種方式： 通過簡單的酶偶聯(lián)形成至多5個(gè)氨基酸的短鏈多肽（谷胱甘肽、肽聚糖）； 通過多酶復(fù)合體合成非核糖體合成的長鏈多肽（包括大約50個(gè)氨基酸）； 通過核糖體合成的機(jī)制。 （1 1）非核糖體介導(dǎo)的肽類化合物的合成）非核糖體介導(dǎo)的肽類化合物的合成 利用多酶復(fù)合體系合成的寡肽（作為一種重要的機(jī)制），如短桿菌肽（gramicidins）、細(xì)菌素（bactitracin）和短桿菌酪肽（tyrocidin）及真菌次級代謝產(chǎn)物，如恩鏈孢菌素（enniatins）和環(huán)孢菌素（cyclosporins） 。由多酶體系的多功能基因所控制的 ，非核糖體形成機(jī)制的這種特性有利于低分子量多肽的結(jié)構(gòu)多樣性的特殊方式，而這些多肽