抗生素的生物合成

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,抗生素的生物合成,抗生素的合成过程可以概括为如下模式：,营养物质（C、N、P、S）,初级代谢,前体,聚合、结构修饰、装配,抗生素,第一步，前体聚合,：前体单元在合成酶催化下进行聚合。例如四环素合成中，在多酮链合成酶催化下，由丙二酰,CoA,等形成多酮链，进而合成四环素及大环内酯类抗生素。,第二步，结构修饰,。聚合后的产物再经过修饰反应如环化、氧化、甲基化、氯化等。氧化作用是在加氧酶催化下进行的。次级代谢中的加氧酶多是单加氧酶，它把氧分子中的一个氧原子添加到底物上，另一个氧原子还原成水，并常伴有NADPH的氧化。,RHO,2,NADPH,2,ROHH,2,O NADP,第三步，不同组分的装配,。如新生霉素的几个组分：4-甲氧基-5，5-二甲基-L-来苏糖（noviose）、香豆素和对羟基苯甲酸等形成后，再经装配成新生霉素,主要抗生素的生物合成途径,（一）-内酰胺类抗生素的生物合成途径,-内酰胺类抗生素（-lactam antibiotics）是分子中含有-内酰胺环的一类天然的和半合成的抗生素的总称。临床应用的-内酰胺类抗生素可分为3类，即青霉素、头孢菌素和新型-内酰胺类抗生素。,1、青霉素的合成,青霉素是含有青霉素母核的一类化合物的总称。母核由-内酰胺环闭环（B环）和噻唑环（A环）组成，称为6-氨基青霉烷酸（简称6APA）,青霉素,G,和头孢霉素,C,生物合成途径,青霉素的母核部分是以半胱氨酸和缬氨酸为前体合成的，侧链是由-氨基己二酸构成。前体物质经过下面四步反应最后合成青霉素,前体及三肽的合成,。,缬氨酸,：两分子丙酮酸在乙酰乳酸合成酶催化下，转变成乙酰乳酸，再经异构、还原和转氨等反应，形成L-缬氨酸。,半胱氨酸,：TCA中柠檬酸在异柠檬酸裂解酶催化下产生乙醛酸，再经过还原氨基化，巯基化反应最后生成L-半胱氨酸。,-氨基已二酸,：是由-酮戊二酸与乙酰CoA的二碳单位缩合生成高柠檬酸，再经过脱羧、氨基化反应，最后生成L-氨基己二酸。,三肽的合成,：L-氨基己二酸首先与半胱氨酸缩合形成二肽，然后L-缬氨酸的氨基与半胱氨酸的羧基缩合形成三肽。,-内酰胺环的形成,。在环化酶（cyclase，即异青霉素N合成酶）催化下，三肽中的酰胺N原子与S原子相邻的C原子连接进行环化，形成-内酰胺环。具体过程目前尚未完全了解。,噻唑环的形成,。噻唑环的形成过程也还不甚清楚,青霉素G、6APA的形成,。三肽化合物闭环以后，形成异青霉素N，它是合成各种青霉素的前体。其中的侧链是-氨基己二酸。它可以被酰基转移酶催化转换成其他侧链。在发酵液中加入苯乙酸，与-氨基己二酸进行交换后，带上苯乙酸侧链就是青霉素G。异青霉素N被青霉素酰化酶催化使侧链裂解生成6APA。它是合成各种半合成青霉素的主要原料。,（2）头孢菌素C的合成,头孢菌素C（即先锋霉素）由头孢菌（,Cephalsporium salomosynnemata,）产生，其结构与青霉素相似，它是由酰基侧链和7-氨基头孢烷酸（7-ACA）组成。7-ACA结构中含有一个双氢噻唑环（A）和一个-内酰胺环（B）。,头孢菌素C与青霉素具有相同的前体物质。当三肽化合物闭环后，形成异青霉素N，其中的L-氨基己二酸异构为D型后，转变成青霉素N。然后在扩环酶（expandase，即脱乙酰氧头孢素C合成酶）催化下，使硫原子和缬氨酸的一个甲基之间脱氢，形成双氢噻唑环，即脱乙酰氧头孢素C。再在加氧酶、乙酰转移酶作用下，最后合成头孢菌素C。,（二）氨基糖苷类抗生素的生物合成,氨基糖苷类抗生素（amino glycoside antibiotics）是一类分子中含有一个环己醇配基，以糖苷键与氨基糖（或中性糖）相结合的一类广谱抗生素，以链霉素为代表，其他常见的还有庆大霉素、卡那霉素、新霉素、阿普霉素、潮霉素、春雷霉素和核糖霉素等。,不同的氨基糖苷类抗生素分子中含有不同的氨基环醇，其中主要有2-脱氧链霉胺、链霉胍和actinamine。这些氨基环醇均源自葡萄糖，通,过一个共同的中间体和,不同的途径获得其结构。,链霉素是由链霉胍、链,霉糖和N-甲基-L-氨基葡,萄糖胺三部分组成。,链霉胍的合成途径,二氢链霉糖生物合成途径,由D-葡萄糖形成N-甲基-L-葡萄糖胺的假设途径,链霉素的的生物合成,（三）,四环素类抗生素的生物合成,四环类（tetracyclines）抗生素是以四骈苯（萘并萘）为母核的一类有机化合物，包括四环素、土霉素、金霉素以及一些衍生物。,合成四环素的起始化合物是,丙二酰胺辅酶A,，它同,8个丙二酰辅酶A,分子重复缩合、脱羧，形成一个直链化合物-多酮次甲基链（-polyketothylene chain），然后经过重复闭环等反应，形成四环类抗生素。,四环素族抗生素生物合成途径,丙二酰辅酶A,可能是葡萄糖通过磷酸烯醇式丙酮酸盐经羧化作用形成草酰乙酸、再氧化脱羧为丙二酰辅酶A而形成的；,氯,来源于培养基中的氯离子，,氨基,可能来源于谷氨酸，,甲基,来源于蛋氨酸,金霉菌从葡萄糖开始合成金霉素，约有二十多步酶反应，考虑到可能存在的竞争和平行反应，则可能增加至约300步酶反应，生物合成全过程包括70多个中间体。,（四）,聚酮类化合物的生物合成,从生物合成的角度由,低级脂肪酸聚合,而成的具有长碳链结构的化合物，称为聚酮类化合物（包括大环内酯类、安莎类、聚醚类、蒽醌类等抗生素和一些真菌毒素）。其中抗生素的典型代表有红霉素、雷帕霉素、利福霉素、螺旋霉素、制霉菌素、柔红菌素等。,聚酮类化合物生物合成的基本过程是，由,低级脂肪酸,（乙酸、丙酸、丁酸）等经活化后，以,丙二酰、丙酰或甲基丙二酰辅酶A,的形式，由酰基携带蛋白（ACP）介导经聚酮缩合酶将碳链不断延长，最后由硫酯酶催化进行碳链的环化形成,聚酮体内酯,（在碳链的延长过程中可伴随着还原、脱水等反应，导致聚酮内酯环中酮基或烯键的形成）。聚酮内酯环形成后再进行,配糖体的糖苷化、内酯环不同C位的甲基化、羟基化或糖分子C位上的酰基化,等不同修饰。,1、,大环内酯抗生素的生物合成,大环内酯抗生素又可分为非多烯类和多烯类,前者有,12,元环的：酒霉素和新酒霉素；,14,元环的：红霉素、竹桃霉素、蓝卡霉素、苦霉素、巨大霉素；,16,元环的：柱晶白霉素、交沙霉素、针棘霉素、螺旋霉素、碳霉素、麦里多霉素；,后者有制霉菌素、两性霉素、鲁斯霉素、匹马菌素等。,红霉素,A,、,B,、,C,、,D,的详细结构,21个碳原子的红霉内酯是七个丙酸单位通过聚合作用形成的。-甲基丙二酸也可作红霉素内酯的一个前体。用,14,C甲基丙二酸进行实验说明红霉内酯生物合成是由一分子的丙酸CoA打头，依次接上6分子2-甲基丙二酰CoA。,酰基CoA亚单位的形成,丙酸-丙酸磷酸-丙酰CoAPi,高产菌株的丙酸激酶对丙酸的Km值较低。这一步活化作用可能是红霉素生物合成的限制步骤。,羧化和转羧基反应,丙酸激酶 酰基转移酶,激酶 硫酯酶,酰基CoA羧化物 羧基转移酶,红霉内酯的形成及后期转化,大环内酯合成酶能将标记的丙二酰CoA和 2-甲基丙二酰CoA结合到6-去氧红霉内酯B中。红霉素生物合成的最后几步是红霉素内酯与两种脱氧糖形成一糖苷，并进行甲基化，最终形成具有生物活性的红霉素。括号表示红霉素糖苷配基，数字表示内酯碳的排列。,Eb红霉素内酯B；Ea红霉素内酯A；M碳霉糖,（五）,多肽类化合物的生物合成,许多次级代谢产物是氨基酸的衍生物，它们或者是纯粹以氨基酸作为组成的化合物，或者是氨基酸与其他代谢物（糖、脂肪酸）相结合的产物，或者是一个或几个氨基酸的衍生物相结合的产物，它们总称为多肽类或环肽化合物。已经知道在次级代谢产物的生物合成中肽键的形成有三种方式：,通过简单的酶偶联形成至多5个氨基酸的短链多肽（谷胱甘肽、肽聚糖）；通过多酶复合体合成非核糖体合成的长链多肽（包括大约50个氨基酸）；通过核糖体合成的机制。,（1）非核糖体介导的肽类化合物的合成,利用多酶复合体系合成的寡肽（作为一种重要的机制），如短杆菌肽（gramicidins）、细菌素（bactitracin）和短杆菌酪肽（tyrocidin）及真菌次级代谢产物，如恩链孢菌素（enniatins）和环孢菌素（cyclosporins）。由多酶体系的多功能基因所控制的，非核糖体形成机制的这种特性有利于低分子量多肽的结构多样性的特殊方式，而这些多肽就是许多微生物形成的次级代谢产物。,硫模板机制,P197图4-31,（2）核糖体介导的肽类化合物的合成,由核糖体介导生物合成的肽类次级代谢产物具有多种生物活性，一般分子量较大，如抗菌的乳链菌肽、枯草菌素、乳酸菌肽、抗病毒的肉桂霉素。这类化合物生物合成是由核糖体介导的肽类化合物的组成氨基酸是由基因直接编码的，与一般蛋白质的合成相同。,