药用天然产物的生物合成-红霉素的生物合成与衍生物的研究进展

红霉素的生物合成与衍生物的研究进展

崔小清微生物与生化药学21140811040

摘要红霉素及其衍生物属于大环内酯类抗生素，近年来作为抗菌药物被广泛使用在临床、养殖业和农业中。作为抗生素类生物合成的一种模式化合物，本文对红霉素的生物合成机制和红霉素衍生物的研究进展进行了概述，并对其前景作了展望。

Biosynthesis of Erythromycin and Research progress of its

Derivatives

Abstract Erythromycin and its Derivatives are belong to macrolide antibiot ics, recently, they,as Antimicrobial agents, are Widely used in clinical, aquaculture and agriculture. Being a model compound of antibiotic biosynthesis, research progress on erythromycin biosynthesis mechanism and erythromycin derivatives were reviewed, and the prospects were studied.

红霉素( erythromycin) 作为人类发现的第一个大环内酯类抗菌药物，它的临床应用可追溯到20世纪50 年代，红霉素等大环内酯类抗生素主要用于治疗由革兰氏阳性菌引起的多种感染，不良反应为对消化道的刺激作用[1]，在临床和畜用上都具有良好的治疗效果，属人畜共用药物，由于红霉素在动物体内代谢时间较长，因此不可避免地在动物体内产生残留，其毒、副作用给人蓄带来危害[2]。对红霉素类抗生素的分析一直是药物分析中令人注目的研究课题，因此，自红霉素问世以来，红霉素衍生物的研究一直是抗菌药物研究的重要领域之一。

霉素最早于1952 年从红色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea)，当时命名为红霉素链霉菌（Streptomyces erythreus)的发酵产物里分离得到。红霉素A 是发酵液的主要产物, 结构上由一个十四元环内酯及在大环内酯上接合两个糖基组成.目前关于红霉素的生物化学方面的研究有许多报道，包括生物合成途径的阐明、关键酶结构的鉴定和催化机制的推导，以及产生菌的全基因组测序等，这为红霉素的组合生物合成提供了丰富的理论基础。也正因为如此，红霉素成为当今组合生物合成研究最为热点的模式化合物。由于大部分天然产物的结构十分复杂，采用化学方法进行合成或结构修饰往往非常困难[3]，近年来发展的组合生

物合成(Combinatorial biosynthesis)技术为复杂天然产物及其类似物的获得提供了一条生物合成的方法，本文综述了近年来红霉素生物合成机制的相关研究以及其组合生物合成取得的进展。

1 红霉素的生物合成[4-5]

红霉素的生物合成包括2 个方面：大环内酯环的合成（见图1）和大环内酯环的后修饰（见图2）。

1. 1 大环内酯环( 6-deoxyery thronolide B, 6- dEB)的合成

6- dEB的生物合成是由丙酸和甲基丙二酸在复合酶系多酮合成酶Ⅰ( poly- ketide synthase, P KS) 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。

DEBS 由DEBS1、DEBS2 和DEBS3 三条肽链组成。DEBS的3 条肽链每个都含有两套结构和功能相近的酶域( domain)，每套酶域称为一个模块（module，M) , 每个M催化完成一轮碳链的延伸和还原，每个模块都有 3 个基本酶域。在DEBS1 的N 端有一个由AT 和ACP 组成的 1 个起始模块( loading domain, LD)，负责选择和结合起始单元第一个小分子羧酸；在DEBS3 的羟基端有一个硫酯酶酶域( t hioesterase,TE)，负责将合成的长链脂肪酸从P KS 上水解下来，并与PKS 的其它部位共同作用，将产物环化成一个十四元环的化合物6-脱氧红霉内酯[6]。

6- dEB的合成首先通过LD中的AT0特异性识别丙酰辅酶A，将其转移到ACP0上作为合成的起始单元。随后起始单元被转移到module1的KS1上，同时module1的AT1特异识别甲基丙二酸单酰辅酶 A 为底物并将其转移到module1的ACP1上。在ACP1上KS1催化起始单元丙酰基与延伸单元物甲基丙二酸单酰基缩合形成β-酮完成第一轮延伸。其它 5 个module采用类似的机理依次线性完成缩合，最终形成一个十四碳骨架的单元链。在DEBS3 的羟基端TE作用下，将合成的长链脂肪酸从PKS 上水解下来并环化形成一个十四元环的化合物—6- dEB。

1. 2对大环内酯环的结构修饰

6- dEB的后修饰首先是通过EryF在C-6 位接上一个羟基形成红霉内酯(erythronolide B，EB, 7)，在C-3 羟基的位置上由EryBV连接上一个L-碳霉糖

(mycarose)形成3-O-碳霉糖基红霉内酯(erythronolide B, MEB, 8). 紧接着又通过EryCIII在C-5羟基的位置上连接一个D-德胺糖(desosamine)，从而形成红霉素合成中间代谢产物中第一个有生物活性的Er-D。Er-D 在一个C-12 EryK 的催化下合成Er-C，在EyG作用下在C-3的碳霉糖上加上一个甲基合成最终产物Er-A。此外，Er-D 也可以先在EryG的作用下在C-3 碳霉糖的糖基上得到一个甲基合成红霉素B，再通过EryK在C-12位置羟化合成红霉素A。此条途径催化效率较低，为Er-A合成的副途径(图2)在红霉素工业生产的发酵液里有大量中间产物Er-B和Er-C 积累。Er-B 和Er- C 的抗菌活性要比Er- A 低，毒副作用却比Er- A 大，在红霉素工业生产过程中属于很难除去但又必须除去的杂质，将Er-B和Er-C高效率转化为Er-A，为今后提高红霉素的工业生产带来了新的途径。

图1 红霉素DEBS 蛋白的模块组成