發(fā)酵工程韋革宏楊祥第3章5節(jié)

第五節(jié)抗生素發(fā)酵機(jī)制當(dāng)前第1頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、抗生素的發(fā)酵機(jī)制（一）抗生素合成的一般過程前體聚合結(jié)構(gòu)修飾不同組分的裝配當(dāng)前第2頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、抗生素的發(fā)酵機(jī)制（二）糖代謝產(chǎn)物為前體的合成途徑直接由葡萄糖合成次級(jí)代謝產(chǎn)物(鏈霉素)由預(yù)苯酸合成芳香族次級(jí)代謝產(chǎn)物(氯霉素)由磷酸戊糖合成次級(jí)代謝產(chǎn)物(核苷類抗生素)（三）與脂肪酸代謝有關(guān)合成途徑以脂肪酸為前體(紅霉素)以丙二酰CoA為前體(四環(huán)素)當(dāng)前第3頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、抗生素的發(fā)酵機(jī)制（四）與萜烯有關(guān)的合成途徑(赤霉素)（五）與TCA環(huán)有關(guān)的合成途徑(松蕈酸)（六）與氨基酸代謝有關(guān)合成途徑由一個(gè)氨基酸形成的次級(jí)代謝產(chǎn)物(環(huán)絲氨酸)由二個(gè)氨基酸形成的次級(jí)代謝產(chǎn)物(青霉素)由三個(gè)以上氨基酸縮合而成的次級(jí)產(chǎn)物(多肽類抗生素)當(dāng)前第4頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（一）β-內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素）

β-內(nèi)酰胺類抗生素是分子內(nèi)含有β-內(nèi)酰胺環(huán)的一類天然和半合成抗生素的總稱。由于它們的毒性是已知抗生素中最低的，而且容易化學(xué)改造，產(chǎn)生一系列高效、廣譜、抗耐藥菌的半合成抗生素，因而受到人們的高度重視，成為目前品種最多，使用最廣泛的一類抗生素。由于β-內(nèi)酰胺類抗生素的多樣性，目前可以毫不夸張的說，除了分支桿菌等極少數(shù)病原菌外，β-內(nèi)酰胺類抗生素對(duì)其他所有細(xì)菌感染都能提供安全有效的治療。當(dāng)前第5頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（一）β-內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素）青霉素簡(jiǎn)介青霉素是發(fā)現(xiàn)最早的β-內(nèi)酰胺類抗生素，也是目前應(yīng)用最普遍的β-內(nèi)酰胺類抗生素。青霉素的抑菌機(jī)制在于作用于青霉素結(jié)合蛋白（penicillin-bindingproteins，PBPs），抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，菌體失去滲透屏障而膨脹、裂解，而產(chǎn)生抗菌作用。由于青霉素的這種抑菌機(jī)制，所以它對(duì)靜止的細(xì)菌無效。青霉素是一族抗生素的總稱，不同的青霉素有不同的抑菌譜，其中半合成類多為廣譜型抗生素。當(dāng)前第6頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)當(dāng)前第7頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（一）β-內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素）青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)從青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以看出，它由三部分組成，一部分是帶?；膫?cè)鏈，另一部分是青霉素的母核，稱為6-氨基青霉烷酸（6-amino-penicillanicacid,簡(jiǎn)稱6-APA）。當(dāng)前第8頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)噻唑環(huán)β-內(nèi)酰胺環(huán)圖3-6青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)當(dāng)前第9頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（一）β-內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素）青霉素的生物合成過程由前體合成、縮合反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)和側(cè)鏈取代反應(yīng)4個(gè)步驟構(gòu)成。當(dāng)前第10頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)葡萄糖L-半胱氨酸L-纈氨酸L-α-氨基己二酸初級(jí)代謝二肽LLD-三肽β-內(nèi)酰胺環(huán)形成噻唑環(huán)形成青霉素環(huán)化酶異青霉素NLLD-三肽青霉素G苯乙酸所有青霉素前體苯乙酸Step1：前體合成Step2：縮合反應(yīng)Step3：環(huán)化反應(yīng)Step4：側(cè)鏈取代反應(yīng)當(dāng)前第11頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)（二氫）圖3-7幾種青霉素的側(cè)鏈天然青霉素半合成青霉素當(dāng)前第12頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（二）氨基環(huán)醇類抗生素（鏈霉素）

氨基環(huán)醇類抗生素（前稱氨基糖苷類抗生素）是分子中含有一個(gè)環(huán)己醇配基，以糖苷鍵與氨基糖連接的抗生素。主要包括鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素、新霉素等200余種天然抗生素，加上其半合成產(chǎn)物目前已達(dá)2000多種，主要由鏈霉菌和小單孢菌產(chǎn)生。氨基環(huán)醇類抗生素是廣譜型抗生素，尤其對(duì)革蘭氏陰性菌有效，但過量使用對(duì)腦神經(jīng)有損害。這類抗生素的抑菌機(jī)制在于細(xì)菌核糖體30S亞基，其作用當(dāng)前第13頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成

涉及蛋白質(zhì)合成過程的各個(gè)階段：在始動(dòng)階段，抑制70S起始復(fù)合物的形成；在肽鏈延伸階段，與30S亞基結(jié)合，引起對(duì)mRNA模板遺傳密碼的錯(cuò)譯，合成無功能的蛋白質(zhì)；在終止階段，阻止核糖體與終止因子結(jié)合，使已合成的肽鏈不能釋放，并阻止70S核糖體的解離。此外，還可能通過抑制細(xì)胞膜蛋白質(zhì)合成，影響細(xì)菌細(xì)胞膜屏障功能，因而藥物更易于進(jìn)入胞漿內(nèi)而增強(qiáng)作用，最后膜結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)成分外漏而死亡。氨基環(huán)醇類抗生素屬于靜止期殺菌劑。當(dāng)前第14頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（二）氨基環(huán)醇類抗生素（鏈霉素）鏈霉素簡(jiǎn)介鏈霉素是1943年美國(guó)S.A.瓦克斯曼從鏈霉菌中分離得到的，是繼青霉素后第二個(gè)生產(chǎn)并用于臨床的抗生素。它的抗結(jié)核桿菌的特效作用，開創(chuàng)了結(jié)核病治療的新紀(jì)元。當(dāng)前第15頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（二）氨基環(huán)醇類抗生素（鏈霉素）鏈霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)鏈霉素是由鏈霉胍、鏈霉糖和N-甲基-L-氨基葡萄糖組成的三糖結(jié)構(gòu)。當(dāng)前第16頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（二）氨基環(huán)醇類抗生素（鏈霉素）鏈霉素的生物合成過程由鏈霉胍的生物合成、鏈霉糖的生物合成、N-甲基-L-葡萄糖胺的生物合成和三者的縮合反應(yīng)四步組成。當(dāng)前第17頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)葡萄糖6-Pi-葡萄糖肌醇(環(huán)己醇)經(jīng)磷酸化、環(huán)化和去磷酸化經(jīng)氧化、氨化、磷酸化、轉(zhuǎn)脒基和去磷酸化含有一個(gè)胍基的中間物含有兩個(gè)胍基的鏈霉胍重復(fù)上述過程Gln、ATP、Arg酮戊二酰胺、ADP、OrgAla、ATP、ArgPyr、ADP、Org鏈霉胍的生物合成過程當(dāng)前第18頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)鏈霉糖的生物合成過程葡萄糖活化脫氧腺苷二磷酸(dTDP)dTDP-葡萄糖脫氧酮糖中間體氧化脫水二氫鏈霉糖分子重排氧化二氫鏈霉糖鏈霉糖當(dāng)前第19頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)N-甲基-L-葡萄糖胺的生物合成葡萄糖6-pi-葡萄糖6-Pi-果糖6-Pi-葡萄糖胺L-6-Pi-葡萄糖胺L-葡萄糖胺N-甲基-L-葡萄糖胺磷酸化異構(gòu)化氨化Gluα-酮戊二酸差向異構(gòu)化去磷酸化甲基化SAM當(dāng)前第20頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（三）大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素）

大環(huán)內(nèi)酯類抗生素是以一個(gè)大環(huán)內(nèi)酯環(huán)為母核，以糖苷鍵與1~3個(gè)糖配基連接的抗生素。有多烯型和非多烯型兩種，通常所說的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素即指后者。非多烯型內(nèi)酯環(huán)常為12、14、16或17元環(huán)，取代性高，自1950年來已發(fā)現(xiàn)100余種，如紅霉素、麥迪霉素、螺旋霉素等。抑菌譜為多數(shù)G+菌和部分G-菌，某些種類對(duì)螺旋體、支原體、衣原體、立克次氏體、大型病毒和原蟲有效。大環(huán)內(nèi)酯類抗生素抑菌當(dāng)前第21頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成

機(jī)制也是干擾細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成，具體是抑制核糖體在mRNA上的移位。大環(huán)內(nèi)酯類抗生素也主要由各種鏈霉菌產(chǎn)生。多烯大環(huán)內(nèi)酯類抗生素與前述完全不同，其內(nèi)酯環(huán)為26~28元環(huán)，內(nèi)有數(shù)目不等的共軛雙鍵，主要抑制酵母、霉菌等真菌，抑菌機(jī)制為干擾細(xì)胞膜固醇的合成從而影響細(xì)胞膜的透性，已發(fā)現(xiàn)100余種，如制霉素、兩性霉素等。當(dāng)前第22頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（三）大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素）紅霉素簡(jiǎn)介紅霉素是1952年由麥考爾等發(fā)現(xiàn)的由紅霉素鏈霉菌產(chǎn)生的14元大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，由紅霉內(nèi)酯環(huán)、紅霉糖和紅霉糖胺組成，有多種組分。其抗菌譜與青霉素類似但抗菌力不及青霉素，抑菌機(jī)制是與核糖核蛋白體的50S亞單位相結(jié)合，抑制肽酰基轉(zhuǎn)移酶，影響核糖核蛋白體的移位過程，妨礙肽鏈增長(zhǎng)，抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成。當(dāng)前第23頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（三）大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素）紅霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖3-9紅霉素化學(xué)結(jié)構(gòu)當(dāng)前第24頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（三）大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素）紅霉素的生物合成過程包括紅霉內(nèi)酯環(huán)的合成、紅霉糖及紅霉糖胺的合成和側(cè)鏈修飾三部分。當(dāng)前第25頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)丙酰CoAC21聚酮體甲基丙二酰CoA6×H2OCO26×6×末端酮基還原內(nèi)酯合成酶脫水酯化閉環(huán)脫氧紅霉內(nèi)酯環(huán)紅霉內(nèi)酯環(huán)6次重復(fù)縮合丙酸脂肪酸降解丙酰磷酸轉(zhuǎn)酰基反應(yīng)丙酰CoA磷酸化羧化反應(yīng)紅霉內(nèi)酯環(huán)的生物合成丙酸激酶當(dāng)前第26頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)紅霉糖和紅霉糖胺的生物合成葡萄糖TDP活化TDP-葡萄糖經(jīng)脫水、烯醇化、酮化、甲基化、還原5步反應(yīng)SAM紅霉糖經(jīng)氨基化和分子重排紅霉糖胺GluTDP當(dāng)前第27頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)紅霉素合成中的側(cè)鏈修飾去氧紅霉內(nèi)酯紅霉內(nèi)酯環(huán)紅霉糖苷紅霉內(nèi)酯紅霉糖紅霉素D紅霉糖胺紅霉素C紅霉素A紅霉素E紅霉素B羥基化甲基化內(nèi)酯環(huán)化甲基化羥基化當(dāng)前第28頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（四）四環(huán)素類抗生素（四環(huán)素）

四環(huán)素類抗生素是以四駢苯為母核的一類抗生素，由鏈霉菌產(chǎn)生，50年代左右開始研究，目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，如四環(huán)素、土霉素、金霉素等。四環(huán)素類抗生素是一類廣譜型抗生素，對(duì)某些立克次氏體、大型病毒和某些原蟲有一定抑制作用，其抑菌機(jī)制在于與核糖體30s亞基結(jié)合阻止tRNA參與反應(yīng)從而抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)合成。四環(huán)類抗生素會(huì)造成胃腸道不良反應(yīng)，并會(huì)影響骨骼和牙齒的發(fā)育。當(dāng)前第29頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（四）四環(huán)素類抗生素（四環(huán)素）四環(huán)素簡(jiǎn)介為一類應(yīng)用較早的四環(huán)類抗生素，對(duì)很多G+菌和G-菌以及四體、阿米巴蟲等均有抑殺作用。由于其抑菌能力在四環(huán)類抗生素中排位靠后，近年來已被多西環(huán)素(強(qiáng)力霉素)等取代。當(dāng)前第30頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（四）四環(huán)素類抗生素（四環(huán)素）四環(huán)素的生物合成過程四環(huán)素的生物合成過程比較復(fù)雜，涉及70多種中間物和300余步反應(yīng)，有些現(xiàn)在還沒有搞清楚，但總的來說可以分成三個(gè)部分：一是前體苯駢體的合成，二是該前體經(jīng)過多步復(fù)雜修飾反應(yīng)合成該類抗生素共同中間體脫氫四環(huán)素，三是由脫氫四環(huán)素合成各種四環(huán)類抗生素。當(dāng)前第31頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)前體苯駢體的合成當(dāng)前第32頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)脫氫四環(huán)素及金霉素、土霉素和四環(huán)素的合成前體苯駢體復(fù)雜反應(yīng)脫氫四環(huán)素當(dāng)前第33頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、幾種抗生素的生物合成（五）其他抗生素除了前述的4種主要抗生素外，目前臨床應(yīng)用的抗生素還包括環(huán)橋類抗生素(利福霉素)、蒽環(huán)類抗生素(阿克拉霉素)、氨基糖苷類抗生素(林可霉素)以及多肽類抗生素(短桿菌肽、多粘菌素、纈氨霉素)以及為數(shù)不少的農(nóng)牧用抗生素。本節(jié)結(jié)束Thanks當(dāng)前第34頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)表3-2自然界中的典型β-內(nèi)酰胺類抗生素當(dāng)前第35頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)

類別常用藥物天然青霉素

耐青霉素酶青霉素

廣譜青霉素氨基青霉素

羧基青霉素

磺基青霉素

酰脲類青霉素主要作用于G(-)桿菌的青霉素

青霉素（benzylpenicillin）青霉素V（penicillinV）苯氧乙青霉素（phenecillin)

苯唑西林（oxacillin）氯唑西林（cloxacillin）雙氯青霉素（dicloxacillin）

氨芐西林（ampicillin）阿莫西林（amoxicillin）

羧芐西林（carbenicillin）替卡西林(ticarcillin)

磺芐西林(sulbenicillin)

呋芐西林（furbenicillin）阿洛西林（azlocillin）美洛西林(mezlocillin)哌拉西林（piperacillin）

美西林（mecillinam）匹美西林(pivmecillinam)

替莫西林(temocillin)表3-3常見青霉素藥物當(dāng)前第36頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)圖3-8幾種氨基環(huán)醇類抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)鏈霉素新霉素慶大霉素卡納霉素當(dāng)前第37頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)圖3-9氨基苷類抗菌作用機(jī)制藥物導(dǎo)致錯(cuò)誤編碼