抗生素的生物合成

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。
• 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。
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： • ① 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）；② 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）；③ 通 过核糖体合成的机制。
• （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。
• （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β-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 。
• （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。
主要抗生素的生物合成途径
• （一）β-内酰胺类抗生素的生物合成途径 • β-内酰胺类抗生素（β-lactam antibiotics）是分子 中含有β-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β-内酰胺类抗生素可分为3类，即青霉 素、头孢菌素和新型β-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 β-内酰胺环闭环（B环）和噻唑环 （A环）组成，称为 6-氨基青Βιβλιοθήκη Baidu烷酸（简称6－APA）
• 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β-多酮次甲基链（βpolyketothylene chain），然后经过重复闭 环等反应，形成四环类抗生素。
• 丙酸激酶 酰基转移酶
• 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。 • ②羧化和转羧基反应
Ⅰ—激酶 Ⅱ—硫酯酶 Ⅲ—酰基CoA羧化物 Ⅳ—羧基转移酶
③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。
（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。
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α-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 • ①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。 • α-氨基已二酸：是由α-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-α-氨基己二酸。 • 三肽的合成：L-α-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。
• 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。
• ②β-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β-内酰胺环。具体过程目 前尚未完全了解。 • ③噻唑环的形成。噻唑环的形成过程也还不甚清楚 • ④青霉素G、6－APA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α-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α-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6－APA。它是合成 各种半合成青霉素的主要原料。
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。 RH＋O2＋NADPH2 → ROH＋H2O ＋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
• 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。α-甲基丙二酸也可作红霉素内酯的一个前体。用 [14C]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。 • ①酰基CoA亚单位的形成 • 丙酸 -----→丙酸磷酸 -------→丙酰CoA＋Pi