青蒿素的制备

Jay D Keasling Berk eley, CA, USA
Patrick Covello NRC Plant Biotechnology Institute
1 Jay D Keasling. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Nature Biotechnology, 2003,21:796-802
代谢工程：通过基因工程的方法，人为在DNA分子水 平上，改变和控制细胞的代谢，使目的产物大量生成。 即利用重组DNA技术，对生物细胞内固有代谢途径进 行定向改造，赋予细胞新的代谢途径或增强已存在的 代谢途径，尽可能的提高目的代谢产物的代谢产率。
与青蒿一样，酵母是真核生物、 存在糖酵解过程以及甲羟戊酸 途径，但是酵母的生长代谢速 率较青蒿要高出许多，而且其 培养条件容易控制。所以相比 青蒿，酵母体内合成更高效、 高产。
青蒿及其他高等植物与酵母等真核微生物合成法呢基焦 磷酸的酶促反应完全相同( 循甲羟戊酸途径)。
*在表达了CYP71AV1和CPR的 S. cerevisiae菌株 EPY224中设 计的青蒿酸生物合成路径示意 图 摘自J D Keasling“抗疟药物前 体青蒿酸在工程菌中的生产”，
1. 在硫酸亚铁或铁蛋白的催化下裂解产生自由基，攻击疟原虫细胞膜 和胞内膜结构，或直接氧化破坏膜蛋白质分子导致细胞死亡；
2. 当青蒿素产生自由基后，在烷化底物存在时还能以共价键的方式与 疟原虫蛋白质结合，使疟蛋白烷基化
3. 青蒿素显著抑制疟原虫细胞内的PfATP6酶活力(疟原虫体内唯一的 SERCA型钙离子调节酶)，干扰能量代谢。
生物代谢： 构件分子 酶、合 A成TP代或谢光能生物聚合体
青蒿素的生物合成途径属于植物类异戊二烯代谢途径。 近年来的研究表明，植物类异戊二烯的生物合成至少 存在两条途径，即细胞质内的甲羟戊酸途径(MVA途 径)和质体内的丙酮酸/磷酸甘油醛途径。青蒿素等倍 半萜类的生物合成途径属于甲羟戊酸途径。
*甲羟戊酸途径（Mevalonate pathway）是以乙酰辅酶A为原料合成异戊 二烯焦磷酸(IPP) 和二甲烯丙基焦磷酸(DAMPP) 的一条合成代谢途径， 存在于所有高等真核生物和很多病毒中。该途径的产物可以看作是活化 的异戊二烯单位，是类固醇、类萜等生物分子的合成前体。
1 从乙酰CoA到法尼基焦磷酸(FDP) 2 从法尼基焦磷酸 (FDP)到青蒿素(Artemisinin)
*为关键酶
*Towler 和Weathers 用两种化学试剂分别抑制 MVA途 径和MEP途径，然后分析青蒿素含量的变化。结果发 现，这两个 异戊烯焦磷酸(IPP )合成途径被抑制后，
青蒿素的含量都显著降低。这表明，青蒿素生物合成 所需的 IPP 前体有MVA途径和MEP途径共同提供，胞 质里面的IPP 和质体里面的IPP 可以相互补偿。
*曾庆平.青蒿素合成生物学及代谢工程研究进展[J]. 中国科学, 2011 *实线箭头表示已被证实的反应步骤, 虚线箭头表示推测或未被证实的反应步骤; 粗 线箭头表示主要反应步骤, 细线箭头表示次要反应步骤; 单箭头表示一个反应步骤, 多箭头表示多个反应步骤
从天然产物中萃取
化学合成法
生物法 培育高产青蒿素的转基因青蒿 通过调节激素及发育基因表达促进青蒿素合成 在微生物(酵母)体内合成青蒿素 在异种植物(烟草)体内合成青蒿素 青蒿细胞的培养
2 J D Keasling. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast.Nature,2006, 440:940-943
3 P Covello. Molecular cloning of an aldehyde dehydrogenase implicated in ar temisinin biosynthesis in Artemisia annua . Botany, 2009, 87: 635–642
2012-11-05
2011年，屠呦呦在美国纽约举 行的拉斯克奖颁奖仪式上领奖。
黄花蒿 Artemisia annua L.
Βιβλιοθήκη Baidu
青蒿素研究历史 青蒿素的结构与抗疟机理 生物合成青蒿素
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究工作协作会议组织全国有关卫生、医药、科研、 医疗、教学、生产的60多个单位的500多位研究开 展抗疟新药的研究(即523项目任务)。
倍半萜烯又称倍半萜，萜烯系统 (C5H8)n中n=3的一类化合物，即三个 异戊二烯单位的聚合体，可分为链 状、单环、三环和四环。在植物体 以甲羟戊酸为原料合成。常见倍半 萜类化合物：
4. 青蒿素还可能开放白细胞膜上的离子通道，使细胞内钙离子浓度升 高而激活卡配因，导致胱冬酶非依赖性细胞胀亡；
5. 青蒿素作用于疟原虫和某些肿瘤细胞，能减少钾离子内向流动，使 细胞线粒体跨膜电位下降，导致促凋亡物质释放，激活胱冬酶导致 细胞死亡；
6. 青蒿琥酯作用于HL-60早幼粒白血病细胞，抑制生存蛋白的基因表 达。
青蒿素 (Artemisinin)， C15H22O5 ，是具 有 “ 过氧桥” 结构的倍半萜内酯。它是倍半 萜烯的衍生物。
青蒿素类衍生物含有过氧化桥结构，在Fe(Ⅱ)或者其他还原性物质作用 下产生一些活性中间体(包括自由基、Fe(IV)=O、 亲电中间体和活性氧 等)．这些中间体通过过氧化膜脂质、干扰线粒体的功能、烷基化、与 疟原虫的 蛋白质作用等途径杀死疟原虫．