微生物藥物的生物合成

1、微生物制藥學(xué)微生物制藥學(xué)微生物藥物的生物合成微生物藥物的生物合成4.1 4.1 微生物的代謝微生物的代謝代謝代謝初級代謝：初級代謝：微生物用于自身生長繁殖的營微生物用于自身生長繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)的分結(jié)合成養(yǎng)物質(zhì)的分結(jié)合成。次級代謝：次級代謝：某些微生物生長到穩(wěn)定期后以某些微生物生長到穩(wěn)定期后以結(jié)構(gòu)簡單、代謝途徑明確、產(chǎn)量較大的結(jié)構(gòu)簡單、代謝途徑明確、產(chǎn)量較大的初級代謝產(chǎn)物為前體，通過復(fù)雜的次生初級代謝產(chǎn)物為前體，通過復(fù)雜的次生代謝途徑所合成各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。代謝途徑所合成各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。初級代謝和次級代謝的關(guān)系初級代謝和次級代謝的關(guān)系4.2 4.2 微生物次級代謝產(chǎn)物生物合成的微生物次級

2、代謝產(chǎn)物生物合成的基本特征基本特征 微生物的次級代謝是微生物生理、生化狀態(tài)的體現(xiàn)，通常次級代謝產(chǎn)物是在微生物的次級代謝是微生物生理、生化狀態(tài)的體現(xiàn)，通常次級代謝產(chǎn)物是在菌體生長后期開始形成，當(dāng)培養(yǎng)液中缺乏某種重要的營養(yǎng)物質(zhì)而使細(xì)胞生長菌體生長后期開始形成，當(dāng)培養(yǎng)液中缺乏某種重要的營養(yǎng)物質(zhì)而使細(xì)胞生長繁殖受到限制時，次級代謝產(chǎn)物的合成才被啟動。繁殖受到限制時，次級代謝產(chǎn)物的合成才被啟動。 次級代謝產(chǎn)物的生物合成是以初級代謝產(chǎn)物為前體物，并受初級代謝的調(diào)節(jié)。次級代謝產(chǎn)物的生物合成是以初級代謝產(chǎn)物為前體物，并受初級代謝的調(diào)節(jié)。當(dāng)與次級代謝產(chǎn)物生物合成有關(guān)的初級代謝受阻時，該次級代謝產(chǎn)物也不能當(dāng)與次級

3、代謝產(chǎn)物生物合成有關(guān)的初級代謝受阻時，該次級代謝產(chǎn)物也不能合成。合成。 一種微生物能夠合成多種結(jié)構(gòu)上完全不同的次級代謝產(chǎn)物；相反，不同的微一種微生物能夠合成多種結(jié)構(gòu)上完全不同的次級代謝產(chǎn)物；相反，不同的微生物也可能合成相同的次級代謝產(chǎn)物。微生物菌種在分類學(xué)上的位置與產(chǎn)生生物也可能合成相同的次級代謝產(chǎn)物。微生物菌種在分類學(xué)上的位置與產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)之間沒有明確的內(nèi)在聯(lián)系。的次級代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)之間沒有明確的內(nèi)在聯(lián)系。 合成次級代謝產(chǎn)物的酶系對底物的特異性不強(qiáng)，進(jìn)行次級代謝的產(chǎn)生菌往往合成次級代謝產(chǎn)物的酶系對底物的特異性不強(qiáng)，進(jìn)行次級代謝的產(chǎn)生菌往往同時合成多種結(jié)構(gòu)相似的次級代謝產(chǎn)物，而且代

4、謝過程中也存在著許多結(jié)構(gòu)同時合成多種結(jié)構(gòu)相似的次級代謝產(chǎn)物，而且代謝過程中也存在著許多結(jié)構(gòu)相似的次級代謝中間產(chǎn)物。相似的次級代謝中間產(chǎn)物。在次級代謝產(chǎn)物的合成過程中，有時控制次級代謝產(chǎn)物生成的基因不僅位于染在次級代謝產(chǎn)物的合成過程中，有時控制次級代謝產(chǎn)物生成的基因不僅位于染色體上，也可位于染色體以外的遺傳物質(zhì)色體上，也可位于染色體以外的遺傳物質(zhì)( (如質(zhì)粒如質(zhì)粒) )中，而且質(zhì)粒在次級代謝中，而且質(zhì)粒在次級代謝產(chǎn)物生物合成中所起的作用要比在初級代謝產(chǎn)物生物合成中大得多。正因?yàn)楫a(chǎn)物生物合成中所起的作用要比在初級代謝產(chǎn)物生物合成中大得多。正因?yàn)槿旧w外遺傳物質(zhì)更容易受外界環(huán)境的影響而從細(xì)胞中丟失，

5、所以造成了次染色體外遺傳物質(zhì)更容易受外界環(huán)境的影響而從細(xì)胞中丟失，所以造成了次級代謝產(chǎn)物生物合成的不穩(wěn)定性。級代謝產(chǎn)物生物合成的不穩(wěn)定性。4.3 4.3 微生物藥物生物合成的微生物藥物生物合成的基本途徑基本途徑一、次級代謝產(chǎn)物的生源一、次級代謝產(chǎn)物的生源 1.1.聚酮體聚酮體1.聚酮體 聚酮體的組成單位聚酮體的組成單位 乙酸、丙酸、丁酸和短鏈脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸和短鏈脂肪酸聚酮體的起始單位聚酮體的起始單位乙酰乙酰coacoa、丙酰、丙酰coacoa及丙二酰胺及丙二酰胺coacoa和丁酰和丁酰coacoa等等聚酮體的延伸單位聚酮體的延伸單位丙二酰丙二酰coacoa、甲基丙二酰、甲基丙二酰coa

6、coa和乙基丙二酰和乙基丙二酰coacoa等等 2.2.糖類糖類(1)(1)氨基糖氨基糖2.2.糖類糖類(2) (2) 糖胺糖胺2.2.糖類糖類(3) (3) 核糖核糖(4) (4) 環(huán)多醇和氨基環(huán)多醇環(huán)多醇和氨基環(huán)多醇2.2.糖類糖類(5) (5) 其他糖類其他糖類3.3.不常見氨基酸不常見氨基酸4.4.非核酸的嘌呤堿和嘧啶堿非核酸的嘌呤堿和嘧啶堿5.5.吩惡嗪酮吩惡嗪酮6.6.莽草酸莽草酸7.7.甲羥戊酸甲羥戊酸二二 、次級代謝產(chǎn)物生物合成的基、次級代謝產(chǎn)物生物合成的基本途徑本途徑1.1.前體聚合前體聚合2.2.修飾修飾3.3.不同組分的裝配不同組分的裝配1.1.前體聚合前體聚合（1 1）

7、聚酮體的聚合）聚酮體的聚合1.1.前體聚合前體聚合（1 1）聚酮體的聚合（續(xù)）聚酮體的聚合（續(xù)）1.1.前體聚合前體聚合（2 2）氨基酸的聚合）氨基酸的聚合酶促生化合成酶促生化合成轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)硫模板機(jī)理硫模板機(jī)理2 2.修飾修飾3.3.不同組分的裝配不同組分的裝配4.44.4微生物次級代謝產(chǎn)生物合成的調(diào)微生物次級代謝產(chǎn)生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制節(jié)機(jī)制1.1.初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)2.2.碳代謝物的調(diào)節(jié)碳代謝物的調(diào)節(jié)3.3.氮代謝物的調(diào)節(jié)氮代謝物的調(diào)節(jié)4.4.磷酸鹽的調(diào)節(jié)磷酸鹽的調(diào)節(jié)5.atp5.atp調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)6.6.酶的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)酶的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)7.7.反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)

8、8.8.細(xì)胞膜通透性調(diào)節(jié)細(xì)胞膜通透性調(diào)節(jié)9.9.金屬離子和溶解氧的調(diào)節(jié)金屬離子和溶解氧的調(diào)節(jié)初級代謝與次級代謝的關(guān)系初級代謝與次級代謝的關(guān)系 兩者均菌體代謝調(diào)節(jié)，相互交錯，相互影響，兩者均菌體代謝調(diào)節(jié)，相互交錯，相互影響，其中初級代謝受菌體代謝調(diào)控更嚴(yán)格其中初級代謝受菌體代謝調(diào)控更嚴(yán)格 次級代謝產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)多種多樣，但其生源次級代謝產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)多種多樣，但其生源是由少數(shù)幾大類物質(zhì)構(gòu)成的，是以初級代謝產(chǎn)是由少數(shù)幾大類物質(zhì)構(gòu)成的，是以初級代謝產(chǎn)物為母體衍生而來，因此次級代謝途徑并不孤物為母體衍生而來，因此次級代謝途徑并不孤立存在立存在初級代謝的調(diào)控機(jī)制初級代謝的調(diào)控機(jī)制 酶活力調(diào)節(jié)酶活力調(diào)節(jié)

9、酶的激活和抑制酶的激活和抑制 酶合成調(diào)節(jié)酶合成調(diào)節(jié) 酶的誘導(dǎo)和阻遏酶的誘導(dǎo)和阻遏1.1.初級代謝對此級代謝的調(diào)節(jié)初級代謝對此級代謝的調(diào)節(jié) 當(dāng)初級代謝與次級代謝具有共同的途徑，當(dāng)初級代謝與次級代謝具有共同的途徑，而初級代謝產(chǎn)物過量時，往往會抑制次級而初級代謝產(chǎn)物過量時，往往會抑制次級代謝產(chǎn)物的合成。代謝產(chǎn)物的合成。分叉中間體分叉中間體初級終產(chǎn)物初級終產(chǎn)物次級終產(chǎn)物次級終產(chǎn)物-氨基氨基-己二酸己二酸賴氨酸賴氨酸青霉素青霉素 頭孢霉素頭孢霉素丙二酰丙二酰coacoa乙酰乙酰coacoa脂肪酸脂肪酸四環(huán)素四環(huán)素 大環(huán)內(nèi)酯類大環(huán)內(nèi)酯類安沙霉素類安沙霉素類莽草酸莽草酸對氨基苯丙氨酸對氨基苯丙氨酸 苯苯丙氨

10、酸丙氨酸 色氨酸色氨酸 對對氨基苯甲酸氨基苯甲酸氯霉素氯霉素 綠膿霉素綠膿霉素新生霉素新生霉素常見的分叉中間體常見的分叉中間體2.2.碳代謝物的調(diào)節(jié)碳代謝物的調(diào)節(jié) 速效碳源速效碳源葡萄糖效應(yīng)，一般情況下，凡能葡萄糖效應(yīng)，一般情況下，凡能被微生物快速利用、促進(jìn)菌體快速生長的碳源，被微生物快速利用、促進(jìn)菌體快速生長的碳源，對此級代謝產(chǎn)物合成都表現(xiàn)出抑制作用。對此級代謝產(chǎn)物合成都表現(xiàn)出抑制作用。 調(diào)節(jié)方式：少量多次流加；菌體生長和產(chǎn)物發(fā)調(diào)節(jié)方式：少量多次流加；菌體生長和產(chǎn)物發(fā)酵其采用不同的碳源酵其采用不同的碳源3.3.氮代謝物的調(diào)節(jié)氮代謝物的調(diào)節(jié) 研究發(fā)現(xiàn)：無機(jī)氮源或簡單的有機(jī)氮源能促進(jìn)研究發(fā)現(xiàn)：無

11、機(jī)氮源或簡單的有機(jī)氮源能促進(jìn)菌體生長，卻不利于次級代謝產(chǎn)物合成；而利菌體生長，卻不利于次級代謝產(chǎn)物合成；而利用較慢的氮源可以防止和減緩但代謝物的阻遏用較慢的氮源可以防止和減緩但代謝物的阻遏作用，從而有利于次級代謝產(chǎn)物合成。作用，從而有利于次級代謝產(chǎn)物合成。 其調(diào)節(jié)應(yīng)針對不同氮源區(qū)別對待。其調(diào)節(jié)應(yīng)針對不同氮源區(qū)別對待。4.4.磷酸鹽調(diào)節(jié)磷酸鹽調(diào)節(jié) 促進(jìn)出級代謝，抑制次級代謝促進(jìn)出級代謝，抑制次級代謝 抑制次級代謝產(chǎn)物前體的形成抑制次級代謝產(chǎn)物前體的形成 阻遏次級代謝產(chǎn)物合成中某些關(guān)鍵酶的合成阻遏次級代謝產(chǎn)物合成中某些關(guān)鍵酶的合成 抑制堿性磷酸酯酶的合成抑制堿性磷酸酯酶的合成 增加菌體能荷狀態(tài)以促

12、進(jìn)初級代謝增加菌體能荷狀態(tài)以促進(jìn)初級代謝5.atp5.atp調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) atpatp直接影響次級代謝產(chǎn)物合成和糖代謝中某些直接影響次級代謝產(chǎn)物合成和糖代謝中某些酶的活性。以四環(huán)素的合成為例：酶的活性。以四環(huán)素的合成為例： 菌體生長期：菌體生長期：pep pep 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰coa coa 丙二酰丙二酰coacoa產(chǎn)物合成期：產(chǎn)物合成期：pep pep 草酰乙酸草酰乙酸 丙二酰丙二酰coacoaco2乙酰coa羧化酶co2pep羧化酶羧基轉(zhuǎn)移酶6.6.酶的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)酶的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)7.7.反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié) 與初級代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)機(jī)理類似，誘導(dǎo)調(diào)節(jié)通與初級代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)機(jī)理類似，誘導(dǎo)調(diào)節(jié)通過底物（誘導(dǎo)劑）誘導(dǎo)后，特異性酶才會被誘過底物（誘導(dǎo)劑）誘導(dǎo)后，特異性酶才會被誘導(dǎo)產(chǎn)生；反饋調(diào)節(jié)則是由于產(chǎn)物的過量積累導(dǎo)導(dǎo)產(chǎn)生；反饋調(diào)節(jié)則是由于產(chǎn)物的過量積累導(dǎo)致的。致的。8.8.細(xì)胞膜通透性調(diào)節(jié)細(xì)胞膜通透性調(diào)節(jié) 通過調(diào)節(jié)膜的通透性，影響攝入前體或通過調(diào)節(jié)膜的通透性，影響攝入前體或