抗生素生物合成原理及应用

MeO
N
. .
O
CH3
MeO O
N
CH3
MeO O
MeO OMe
SAM
cularine
AMARYLLIS ALKALOIDS
THREE TYPES
HO HO HO NH
oxidative coupling + other steps
HO HO HO N
A
fold
HO HO NH
OH HO HO N
乙酸途径
• 单元：乙酰辅酶A • 来源：糖酵解 • 酚类、前列腺素类、大环内脂类、脂肪酸类
Erythromycin Biosynthesis
Rifamycin biosynthesis
Tetracycline biosynthesis
莽草酸途径（shikimate pathway）
初级代谢 初级代谢与次级代谢
组合生物合成 (combinatorialbi osynthesis)
• 对自然产物的生物合成路径中编码酶的基 因应用基因操作，重新设计抗生素的结构， 实现新的结构和功能的组合，使其产生新 的活性，进而获得新的产物。
前景
• 应 用组 合 生物合成可以改变抗生素原有的 生物合成过程，使其结构多样化，而这一 点通过化学方法是很难甚至是无法达到的。 因此，这方面的进一步研究将有助于理解 医学上的一些重要二级代谢产物的结构和 功能的关系。相信，随着这一研究方法的 不断发展，人们将能够合成更多抗酸且对 耐药性致病菌具有活性的新的红霉素类物 质，从而使更安全、更有效的药物不断出 现。
C1
C2
C5
C6C3
C6C2N
C4N C5N
吲哚C2N
吲哚C2N+C5+C1
组装机制 天然产物由一系列酶催化产生
• 烃化反应：亲核取代，亲电加成 • 迁移反应：Wagner-meerwein重排 • C-C键形成：羟醛反应（aldol reaction）和 克莱森反应（Claisen reaction） • 希夫碱的形成以及曼尼希反应 • 转氨基反应 • 脱羧反应 • 氧化还原反应 • 糖基化反应
氧化还原反应2氧化酶（oxydase）
氧化还原反应3加单氧酶（mono-oxygenase）
Cytochrom P450
氧化还原反应4-加双氧酶 （dioxygenase）
加双氧酶-（2-酮戊二酸依赖型） 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase
2-oxoglutaratedependent dioxygenase
抗生素生物合成原理及应用
抗生素的分类
根据抗生素的来源分 放线菌：占目前发现的抗生素的2/3。 真菌：主要包括青霉菌和头孢菌素。 细菌：多粘杆菌，枯草杆菌，芽孢杆菌产生的粘多菌素 动植物：蒜中的蒜素，动物脏器中的鱼素（ekmolin)
根据作用谱分:
广谱抗生素：如氨苄青霉素，可抑制G-&G+细菌 抗G+菌的抗生素：如青霉素 抗G-菌的抗生素：如链霉素 抗真菌的抗生素：如制霉菌素 抗病毒的抗生素：如四环类抗生素 抗癌抗生素：如阿霉素（Adriamycin)
radical
(has resonance)
Even mild oxidizing agents (like O2 )can initiate coupling.
OXIDATIVE COUPLING MAKES SIMPLE COMPOUNDS MORE COMPLEX VERY QUICKLY
按照作用机制分类 抑制细胞壁合成的抗生素 影响细胞膜功能的抗生素 抑制病原菌蛋白质合成的抗生素，如四环素 抑制核酸合成的抗生素如丝裂霉素C
——抑制细菌细胞壁的合成 ——
N-乙酰胞壁酸前体 磷霉素→ N-乙酰胞壁酸
-内酰胺类 消旋酶 环丝氨酸↗ ↓ 万古霉素 杆菌肽 ↘ 合成酶 粘肽合成酶 ↓ N-乙酰胞壁酸 直链十肽 ↓ 粘肽
碳正离子的脱去过程
迁移反应：Wagner-meerwein重排
1,2氢迁移，甲基迁移，烃基迁移
羟醛缩合和克莱森反应
Claisen缩合产物
羟醛型产物
生物合成中辅酶A的参与
共振降低a氢酸性
Aldol reaction
Reverse aldol and reverse Claisen
希夫碱的形成以及曼尼希反应
制霉菌素 红菌素
四环素 嘌呤霉素
莫能霉素
柔红霉素
次级代谢产物的生物合成途径
乙酸途径（acetate pathway） 莽草酸途径（shikimate pathway） 甲羟戊酸途径（mevalonate pathway） 磷酸脱氧木糖途径（deoxyxylulose phosphate pathway）
糖肽类（肽类）： 万古霉素、博莱霉素；
多肽类（肽类）： 多粘菌素、放线菌素D； 氨基糖苷类（糖类衍生物）： 链霉素、卡那霉素、庆大霉素 大环内酯类： 红霉素、螺旋霉素、麦迪霉素、交沙霉素 四环类： 四环素、金霉素、土霉素； 多烯大环类： 两性霉素B、制霉菌素、杀假丝菌素； 核苷类： 阿糖腺苷、嘌呤霉素、多氧菌素、日光霉素；
糖基化反应
SN2
UDPglucose
复杂天然产物生物合成的分子基础
• 复杂天然产物的生物合成是从简单的小分 子前提到终产物形成的多步骤反应。 • 有特定的蛋白酶催化 • 分子水平的研究和基因组计划给复杂天然 产物的合成带来福音：参与复杂天然产物 生物合成的基因，通常特征性的成簇分布 与微生物染色体的某一区域。
Folate biosynthesis
甲羟戊酸途径 磷酸脱氧木糖 途径
甲羟戊酸途径
常见天然产物的构造单元
• • • • • C1单元：L-甲硫氨酸，OCH2O C2单元：乙酰辅酶A，丙二酸单酰辅酶A C3单元：？？ C5单元：甲羟戊酸、磷酸脱氧木糖 C6C3单元：L-络氨酸、L-苯丙氨酸（有时C6C2， C6C1，C6C2N等为C6C3修饰后的单元） • 吲哚C2N单元：L-色氨酸脱羧 • C4N单元：L-鸟氨酸脱羧脱氨 • C5N单元：L-赖氨酸脱羧脱氨
OH
B
rotate
OH HO NH OH HO N OH OH
C
Compounds can “fold”, twist rings around, and adopt other conformations before oxidative coupling takes place. This makes interesting bicyclics and some variations in the substitution pattern.
氧化还原反应5-胺氧化酶 （amine oxidase）
氧化还原反应5酚的氧化偶联（phenolic oxidative coupling）
anion
OH
.. O: ..
-e
()
. .
COUPLING !
at any of the indicated positions
()
.
.. O. ..
()
The formation of a beta-keto ester from two esters, one of which has an alphahydrogen atom; malate synthase, citrate synthase, and ATP citrate lyase all catalyze such reactions.
APORPHINES
MeO HO HO MeO N
(TWO TYPES)
standard benzylisoquinoline
CH3
2 tyrosine
[O]
Note how the benzene ring can rotate around its attachment to make a different substitution pattern.
• 抗生素品种从化学结构类别包括（续）：
聚醚类：盐霉素、莫能霉素；（兽药） 蒽环类： 柔红霉素、阿克拉霉素； 醌类： 丝裂霉素C； 甾体类： 羧链孢酸； 安莎类： 利福霉素； 其他： 灰黄霉素、新生霉素、林可霉素、磷霉素、 氯霉素、赤霉素、有效霉素（井岗霉素）。
链霉素
多粘菌素
酶学水平上的生物合成
• 天然产物是药物的主要来源。
• 天然产物结构上的多样性是生物活性多样 化的基础。 • 由PKS和NRPS催化合成的聚酮和聚肽类化合 物是天然产物中非常有特色的一类。 （青霉素， 红霉素，埃博霉素）
聚酮类化合物的生物合成机制
• 以小分子羧酸为前体，由聚酮合酶pks催化合成的 一类天然产物。 • 以红霉素为例的组合生物合成：红 霉 素 的大环 内醋环即6一脱氧红霉内醋(6-deoxyerythronolide B, 6-dEB)的生物合成是由丙酸和甲基丙二酸在复合 酶系一多酮合成酶（PKS）的催化作用下，经缩合、 酮还原、脱水和烯还原等多轮循环完成的。丙酸 和甲基丙二酸均由初级代谢产物分解而来，因PKS 具有脱梭酶的活性，甲基丙二酸脱竣也能产生丙 酸。
席夫碱
曼尼希反应
转氨基反应（transamination） -引入氮原子或者失去氮原子
转氨酶
辅酶PLP
脱羧反应（decarboxylation） 脱去一个碳原子
丙酮酸 乙醛
氨基酸脱羧
Beta-酮酸脱羧，体外自发
a-酮酸脱羧
氧化还原反应1脱氢酶（dehydrogenase）
NAD，NADP
FAD，FMN
五肽复合物 胞浆内
脂载体 二糖复合物
胞浆膜
细胞膜外
——影响胞浆膜通透性——
氨基苷类抗菌药 多肽类抗菌药 多烯类抗真菌药 咪唑类抗真菌药 → 通过离子吸附作用 → 与G- 菌胞浆膜磷脂Hale Waihona Puke Baidu合 → 与真菌胞浆膜固醇类物质结合 → 抑制真菌胞浆膜麦角固醇合成
—— 抑制核酸合成 ——
喹诺酮类
抑制DNA回旋酶→ 复制受阻 → DNA合成↓
MeO O MeO O MeO
.
N
.
CH3
HO MeO
N
CH3
coupling
O
(S)-orientalinone
NADPH
MeO HO MeO N CH3 MeO HO MeO N H CH3
MeO HO N CH3
+
(S)-isothebaine
-H2O
MeO HO
H+
orientalinol
CULARINE
利福平
抑制依赖DNA的RNA多聚酶→转录受阻 →mRNA↓
—— 影响蛋白合成 ——
氨基苷类 → 影响蛋白质合成全过程
四环素类 氯霉素类 林可霉素类 大环内酯类 通过与 50S 核糖体亚基结合 → 通过与 30S 核糖体亚基结合
• 抗生素品种从化学结构类别包括：
β-内酰胺类（肽类）：青霉素、头孢菌素 环肽类（肽类）： 杆菌肽、环丝氨酸；
MeO O O MeO
MeO
. .
N
CH3
O
. .
O
N
CH3
rotate
MeO MeO
MeO HO MeO MeO N CH3
coupling, rearomatization via enolization, SAM
coupling, rearomatization via enolization, SAM
1. 烃化反应：亲核取代
L-蛋氨酸
S-腺苷甲硫氨酸 S-adenosylmethionine SAM
SAM作用下的O-烃化及N-烃化
优良的离去基团
SAM作用下的C-烃化
DMAPP作用下的氧烃化
焦磷酸是优良的离去基团
1. 烃化反应：亲电加成
• 分子内和分子间的加成
IPP
GPP
碳正离子产生过程
MeO
N
CH3
(+)-corydine
MeO OMe
(+)-glaucine
ORIENTALINONE
MeO HO MeO HO N
From a poppy-relative that grows in China.
standard benzylisoquinoline
CH3
2 tyrosine
[O]