发酵工程韦革宏杨祥第3章5节

1、第五节 抗生素发酵机制第一页，共四十九页。一、抗生素的发酵机制（一）抗生素合成的一般过程前体聚合结构修饰不同组分的装配第二页，共四十九页。一、抗生素的发酵机制（二）糖代谢产物为前体的合成途径直接由葡萄糖合成次级代谢产物(链霉素)由预苯酸合成芳香族次级代谢产物(氯霉素)由磷酸戊糖合成次级代谢产物(核苷类抗生素)（三）与脂肪酸代谢有关合成途径以脂肪酸为前体(红霉素)以丙二酰CoA为前体(四环素)第三页，共四十九页。一、抗生素的发酵机制（四）与萜烯有关的合成途径(赤霉素)（五）与TCA环有关的合成途径(松蕈酸)（六）与氨基酸代谢有关合成途径 由一个氨基酸形成的次级代谢产物(环丝氨酸)由二个氨基酸形成

2、的次级代谢产物(青霉素)由三个以上氨基酸缩合而成的次级产物(多肽类抗生素)第四页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（一）-内酰胺类抗生素（青霉素） -内酰胺类抗生素是分子内含有-内酰胺环的一类天然和半合成抗生素的总称。由于它们的毒性是已知抗生素中最低的，而且容易化学改造，产生一系列高效、广谱、抗耐药菌的半合成抗生素，因而受到人们的高度重视，成为目前品种最多，使用最广泛的一类抗生素。由于-内酰胺类抗生素的多样性，目前可以毫不夸张的说，除了分支杆菌等极少数病原菌外， -内酰胺类抗生素对其他所有细菌感染都能提供安全有效的治疗。第五页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（一）-内酰胺类抗生素（青

3、霉素）青霉素简介 青霉素是发现最早的-内酰胺类抗生素，也是目前应用最普遍的-内酰胺类抗生素。青霉素的抑菌机制在于作用于青霉素结合蛋白（penicillin- binding proteins，PBPs），抑制细菌细胞壁的合成，菌体失去渗透屏障而膨胀、裂解，而产生抗菌作用。由于青霉素的这种抑菌机制，所以它对静止的细菌无效。青霉素是一族抗生素的总称，不同的青霉素有不同的抑菌谱，其中半合成类多为广谱型抗生素。第六页，共四十九页。第七页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（一）-内酰胺类抗生素（青霉素）青霉素的化学结构 从青霉素的化学结构可以看出，它由三部分组成，一部分是带酰基的侧链，另一部分是青霉

4、素的母核，称为6-氨基青霉烷酸（6-amino-penicillanic acid, 简称6-APA）。 第八页，共四十九页。噻唑环-内酰胺环图3-6 青霉素的化学结构第九页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（一）-内酰胺类抗生素（青霉素）青霉素的生物合成过程 由前体合成、缩合反应、环化反应和侧链取代反应4个步骤构成。第十页，共四十九页。葡萄糖L-半胱氨酸L-缬氨酸 L-氨基己二酸 初级代谢二肽LLD-三肽-内酰胺环形成噻唑环形成青霉素环化酶异青霉素NLLD-三肽青霉素G苯乙酸所有青霉素前体苯乙酸Step1：前体合成Step2：缩合反应Step3：环化反应Step4：侧链取代反应第十一页，

5、共四十九页。（二氢）图3-7 几种青霉素的侧链天然青霉素半合成青霉素第十二页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（二）氨基环醇类抗生素（链霉素） 氨基环醇类抗生素（前称氨基糖苷类抗生素）是分子中含有一个环己醇配基，以糖苷键与氨基糖连接的抗生素。主要包括链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素等200余种天然抗生素，加上其半合成产物目前已达2000多种，主要由链霉菌和小单孢菌产生。氨基环醇类抗生素是广谱型抗生素，尤其对革兰氏阴性菌有效，但过量使用对脑神经有损害。这类抗生素的抑菌机制在于细菌核糖体30S亚基，其作用第十三页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成 涉及蛋白质合成过程的各个阶段：在始动阶段

6、，抑制70S起始复合物的形成；在肽链延伸阶段，与30S亚基结合，引起对mRNA模板遗传密码的错译，合成无功能的蛋白质；在终止阶段，阻止核糖体与终止因子结合，使已合成的肽链不能释放，并阻止70S核糖体的解离。 此外，还可能通过抑制细胞膜蛋白质合成，影响细菌细胞膜屏障功能，因而药物更易于进入胞浆内而增强作用，最后膜结构破坏，导致细胞内成分外漏而死亡。氨基环醇类抗生素属于静止期杀菌剂。第十四页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（二）氨基环醇类抗生素（链霉素）链霉素简介 链霉素是1943年美国 S.A.瓦克斯曼从链霉菌中分离得到的，是继青霉素后第二个生产并用于临床的抗生素。它的抗结核杆菌的特效作用

7、，开创了结核病治疗的新纪元。 第十五页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（二）氨基环醇类抗生素（链霉素）链霉素的化学结构 链霉素是由链霉胍、链霉糖和N-甲基-L-氨基葡萄糖组成的三糖结构。 第十六页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（二）氨基环醇类抗生素（链霉素）链霉素的生物合成过程 由链霉胍的生物合成、链霉糖的生物合成、N-甲基-L-葡萄糖胺的生物合成和三者的缩合反应四步组成。第十七页，共四十九页。葡萄糖6-Pi-葡萄糖肌醇(环己醇)经磷酸化、环化和去磷酸化经氧化、氨化、磷酸化、转脒基和去磷酸化含有一个胍基的中间物含有两个胍基的链霉胍重复上述过程Gln、ATP、Arg酮戊二酰胺、AD

8、P、OrgAla、ATP、ArgPyr、ADP、Org链霉胍的生物合成过程第十八页，共四十九页。链霉糖的生物合成过程葡萄糖活化脱氧腺苷二磷酸(dTDP)dTDP-葡萄糖脱氧酮糖中间体氧化脱水二氢链霉糖分子重排氧化二氢链霉糖链霉糖第十九页，共四十九页。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-葡萄糖胺磷酸化异构化氨化Glu-酮戊二酸差向异构化去磷酸化甲基化SAM第二十页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（三）大环内酯类抗生素（红霉素） 大环内酯类抗生素是以一个大环内酯环为母核，以糖苷键与13个糖配基连

9、接的抗生素。有多烯型和非多烯型两种，通常所说的大环内酯类抗生素即指后者。非多烯型内酯环常为12、14、16或17元环，取代性高，自1950年来已发现100余种，如红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素等。抑菌谱为多数G+菌和部分G-菌，某些种类对螺旋体、支原体、衣原体、立克次氏体、大型病毒和原虫有效。大环内酯类抗生素抑菌第二十一页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成 机制也是干扰细菌蛋白质的合成，具体是抑制核糖体在mRNA上的移位。大环内酯类抗生素也主要由各种链霉菌产生。 多烯大环内酯类抗生素与前述完全不同，其内酯环为2628元环，内有数目不等的共轭双键，主要抑制酵母、霉菌等真菌，抑菌机制为干扰细胞膜固

10、醇的合成从而影响细胞膜的透性，已发现100余种，如制霉素、两性霉素等。第二十二页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（三）大环内酯类抗生素（红霉素）红霉素简介 红霉素是1952年由麦考尔等发现的由红霉素链霉菌产生的14元大环内酯类抗生素，由红霉内酯环、红霉糖和红霉糖胺组成，有多种组分。其抗菌谱与青霉素类似但抗菌力不及青霉素，抑菌机制是与核糖核蛋白体的50S亚单位相结合，抑制肽酰基转移酶，影响核糖核蛋白体的移位过程，妨碍肽链增长，抑制细菌蛋白质的合成。 第二十三页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（三）大环内酯类抗生素（红霉素）红霉素的化学结构图3-9 红霉素化学结构第二十四页，共四十九页

11、。二、几种抗生素的生物合成（三）大环内酯类抗生素（红霉素）红霉素的生物合成过程 包括红霉内酯环的合成、红霉糖及红霉糖胺的合成和侧链修饰三部分。第二十五页，共四十九页。丙酰CoAC21聚酮体甲基丙二酰CoA6H2OCO266末端酮基还原内酯合成酶脱水酯化闭环脱氧红霉内酯环红霉内酯环6次重复缩合丙酸脂肪酸降解丙酰磷酸转酰基反应丙酰CoA磷酸化羧化反应红霉内酯环的生物合成丙酸激酶第二十六页，共四十九页。红霉糖和红霉糖胺的生物合成葡萄糖TDP活化TDP-葡萄糖经脱水、烯醇化、酮化、甲基化、还原5步反应SAM红霉糖经氨基化和分子重排红霉糖胺GluTDP第二十七页，共四十九页。红霉素合成中的侧链修饰去氧红

12、霉内酯红霉内酯环红霉糖苷红霉内酯红霉糖红霉素D红霉糖胺红霉素C红霉素A红霉素E红霉素B羟基化甲基化内酯环化甲基化羟基化第二十八页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（四）四环素类抗生素（四环素） 四环素类抗生素是以四骈苯为母核的一类抗生素，由链霉菌产生，50年代左右开始研究，目前已发现数百种，如四环素、土霉素、金霉素等。四环素类抗生素是一类广谱型抗生素，对某些立克次氏体、大型病毒和某些原虫有一定抑制作用，其抑菌机制在于与核糖体30s亚基结合阻止tRNA参与反应从而抑制细菌蛋白质合成。四环类抗生素会造成胃肠道不良反应，并会影响骨骼和牙齿的发育。第二十九页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（

13、四）四环素类抗生素（四环素）四环素简介 为一类应用较早的四环类抗生素，对很多G+菌和G-菌以及四体、阿米巴虫等均有抑杀作用。由于其抑菌能力在四环类抗生素中排位靠后，近年来已被多西环素(强力霉素)等取代。第三十页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（四）四环素类抗生素（四环素）四环素的生物合成过程 四环素的生物合成过程比较复杂，涉及70多种中间物和300余步反应，有些现在还没有搞清楚，但总的来说可以分成三个部分：一是前体苯骈体的合成，二是该前体经过多步复杂修饰反应合成该类抗生素共同中间体脱氢四环素，三是由脱氢四环素合成各种四环类抗生素。第三十一页，共四十九页。前体苯骈体的合成第三十二页，共四十

14、九页。脱氢四环素及金霉素、土霉素和四环素的合成前体苯骈体复杂反应脱氢四环素第三十三页，共四十九页。二、几种抗生素的生物合成（五）其他抗生素 除了前述的4种主要抗生素外，目前临床应用的抗生素还包括环桥类抗生素(利福霉素)、蒽环类抗生素(阿克拉霉素)、氨基糖苷类抗生素(林可霉素)以及多肽类抗生素(短杆菌肽、多粘菌素、缬氨霉素)以及为数不少的农牧用抗生素。本节结束Thanks第三十四页，共四十九页。表3-2 自然界中的典型-内酰胺类抗生素第三十五页，共四十九页。 类 别 常用药物 天然青霉素耐青霉素酶青霉素广谱青霉素 氨基青霉素 羧基青霉素 磺基青霉素 酰脲类青霉素 主要作用于G(-)杆菌的青霉素

15、青霉素（benzylpenicillin） 青霉素V（penicillin V） 苯氧乙青霉素（phenecillin) 苯唑西林（oxacillin） 氯唑西林（cloxacillin） 双氯青霉素（dicloxacillin） 氨苄西林（ampicillin） 阿莫西林（amoxicillin） 羧苄西林（carbenicillin） 替卡西林(ticarcillin) 磺苄西林(sulbenicillin) 呋苄西林（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 常见青霉素药物第三十六页，共四十九页。图3-8 几种氨基环醇类抗生素的化学结构链霉素新霉素庆大霉素卡纳霉素第三十七页，共四十九页。图3-9 氨基苷类抗菌作用机制药物导致错误编码53mRNA正常细菌细胞起始密码子50S亚基新合成的肽链肽链释放30S 亚基53mRNA氨基环醇类抗生素处理的细菌细胞药物阻断起始复合物形成药物阻断移位药物阻断核糖体70S解离及肽链释放30S亚基-50S亚基第三十八页，共四十九页。若干参与反应的物质CH2CH2CH2NH2CHCOOHNHCONH2L-精氨酸CH2CH2CH2NH2C