抗生素的生物合成

關(guān)于抗生素的生物合成第二步，結(jié)構(gòu)修飾。聚合后的產(chǎn)物再經(jīng)過(guò)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(jí)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。

RH＋O2＋NADPH2→ROH＋H2O＋NADP第三步，不同組分的裝配。如新生霉素的幾個(gè)組分：4-甲氧基-5′，5′-二甲基-L-來(lái)蘇糖（noviose）、香豆素和對(duì)羥基苯甲酸等形成后，再經(jīng)裝配成新生霉素第2頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天主要抗生素的生物合成途徑

（一）β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素的生物合成途徑β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素（β-lactamantibiotics）是分子中含有β-內(nèi)酰胺環(huán)的一類(lèi)天然的和半合成的抗生素的總稱(chēng)。臨床應(yīng)用的β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素可分為3類(lèi)，即青霉素、頭孢菌素和新型β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素。1、青霉素的合成

青霉素是含有青霉素母核的一類(lèi)化合物的總稱(chēng)。母核由β-內(nèi)酰胺環(huán)閉環(huán)（B環(huán)）和噻唑環(huán)（A環(huán)）組成，稱(chēng)為6-氨基青霉烷酸（簡(jiǎn)稱(chēng)6－APA）第3頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天青霉素G和頭孢霉素C生物合成途徑

第4頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天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)怯搔?氨基己二酸構(gòu)成。前體物質(zhì)經(jīng)過(guò)下面四步反應(yīng)最后合成青霉素①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(guò)還原氨基化，巰基化反應(yīng)最后生成L-半胱氨酸。α-氨基已二酸：是由α-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(guò)脫羧、氨基化反應(yīng)，最后生成L-α-氨基己二酸。三肽的合成：L-α-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基縮合形成三肽。第5頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天②β-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β-內(nèi)酰胺環(huán)。具體過(guò)程目前尚未完全了解。③噻唑環(huán)的形成。噻唑環(huán)的形成過(guò)程也還不甚清楚④青霉素G、6－APA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)铅?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α-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?；复呋箓?cè)鏈裂解生成6－APA。它是合成各種半合成青霉素的主要原料。第6頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）頭孢菌素C的合成頭孢菌素C（即先鋒霉素）由頭孢菌（Cephalsporiumsalomosynnemata）產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)與青霉素相似，它是由酰基側(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)β-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。第7頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）氨基糖苷類(lèi)抗生素的生物合成氨基糖苷類(lèi)抗生素（aminoglycosideantibiotics）是一類(lèi)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(lèi)廣譜抗生素，以鏈霉素為代表，其他常見(jiàn)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(lèi)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(guò)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。第8頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天鏈霉胍的合成途徑第9頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天

二氫鏈霉糖生物合成途徑第10頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天由D-葡萄糖形成N-甲基-L-葡萄糖胺的假設(shè)途徑第11頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天鏈霉素的的生物合成第12頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天（三）四環(huán)素類(lèi)抗生素的生物合成

四環(huán)類(lèi)（tetracyclines）抗生素是以四駢苯（萘并萘）為母核的一類(lèi)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β-多酮次甲基鏈（β-polyketothylenechain），然后經(jīng)過(guò)重復(fù)閉環(huán)等反應(yīng)，形成四環(huán)類(lèi)抗生素。第13頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天四環(huán)素族抗生素生物合成途徑

第14頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天丙二酰輔酶A可能是葡萄糖通過(guò)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(lái)源于培養(yǎng)基中的氯離子，氨基可能來(lái)源于谷氨酸，甲基來(lái)源于蛋氨酸金霉菌從葡萄糖開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)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(guò)程包括70多個(gè)中間體。第15頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天（四）聚酮類(lèi)化合物的生物合成

從生物合成的角度由低級(jí)脂肪酸聚合而成的具有長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)的化合物，稱(chēng)為聚酮類(lèi)化合物（包括大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)、安莎類(lèi)、聚醚類(lèi)、蒽醌類(lèi)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。第16頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天聚酮類(lèi)化合物生物合成的基本過(guò)程是，由低級(jí)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（ACP）介導(dǎo)經(jīng)聚酮縮合酶將碳鏈不斷延長(zhǎng)，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(zhǎng)過(guò)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位上的酰基化等不同修飾。第17頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、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(lèi)和多烯類(lèi)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。

第18頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天紅霉素A、B、C、D的詳細(xì)結(jié)構(gòu)

第19頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天21個(gè)碳原子的紅霉內(nèi)酯是七個(gè)丙酸單位通過(guò)聚合作用形成的。α-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(shuō)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。①?；鵆oA亞單位的形成

丙酸-----→丙酸磷酸-------→丙酰CoA＋Pi高產(chǎn)菌株的丙酸激酶對(duì)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。②羧化和轉(zhuǎn)羧基反應(yīng)

丙酸激酶?；D(zhuǎn)移酶Ⅰ—激酶Ⅱ—硫酯酶Ⅲ—?；鵆oA羧化物Ⅳ—羧基轉(zhuǎn)移酶第20頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天③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CoA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(hào)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

第21頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天（五）多肽類(lèi)化合物的生物合成

許多次級(jí)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(chēng)為多肽類(lèi)或環(huán)肽化合物。已經(jīng)知道在次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成中肽鍵的形成有三種方式：①通過(guò)簡(jiǎn)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）；②通過(guò)多酶復(fù)合體合成非核糖體合成的長(zhǎng)鏈多肽（包括大約50個(gè)氨基酸）；③通過(guò)核糖體合成的機(jī)制。第22頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）非核糖體介導(dǎo)的肽類(lèi)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(jí)代謝產(chǎn)物，如恩鏈孢菌素（enniatins）