微生物药物的生物合成

微生物制药微生物药物的生物合成4.1微生物的代谢代谢初级代谢：微生物用于自身生长繁殖的营养物质的分结合成。次级代谢：某些微生物生长到稳定期后以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初级代谢产物为前体，通过复杂的次生代谢途径所合成各种结构复杂的化合物。微生物的初级代谢和次级代谢项目初级代谢次级代谢功能代谢产物主要针对生长必须的小分子化合物如：氨基酸、核苷酸、维生素等，是合成生物大分子的材料或辅酶；在各种生物中相近或相同代谢产物非生长必需，但功能对产生菌在自然环境中的生存有益，化学结构往往比较复杂，且种类繁多；具种属甚至菌株的特异性合成过程包括主要的碳氮代谢途径，在各类生物中基本相同是初级代谢途径的延伸，合成途径复杂，具特异性初级代谢和次级代谢途径密切相关，所涉及的酶系和调控机制也是相互交错，彼此影响项目初级代谢次级代谢合成时期主要在生长期合成往往在生长停止后开始从初级代谢向次级代谢转换受某些环境条件调控，主要是营养限制或代谢产物累积限制合成专一性普遍存在，各种生物都能合成，只是速率不同，酶反应具有高度的专一性产物合成具有明显的种属特异性，产物往往以一族化合物的形式出现合成条件一般只需简单的营养条件，在各种可生长环境中代谢物均能形成常需要复杂的营养条件，甚至需供给复杂的天然物质，产物只能在某些特定培养条件下合成遗传控制主要受染色体DNA控制受染色体DNA和质粒DNA的控制微生物的初级代谢和次级代谢④合成次级代谢产物的酶系对底物的特异性不强，进行次级代谢的产生菌往往同时合成多种结构相似的次级代谢产物，而且代谢过程中也存在着许多结构相似的次级代谢中间产物。①微生物的次级代谢是微生物生理、生化状态的体现，通常次级代谢产物是在菌体生长后期开始形成，当培养液中缺乏某种重要的营养物质而使细胞生长繁殖受到限制时，次级代谢产物的合成才被启动。4.2微生物次级代谢产物生物合成的

基本特征①合成滞后性；②受初级代谢的调节性；③菌种与产物的不对应性；④代谢产物的不确定性；⑤代谢产物合成的不稳定性。⑤在次级代谢产物的合成过程中，有时控制次级代谢产物生成的基因不仅位于染色体上，也可位于染色体以外的遗传物质(如质粒)中，而且质粒在次级代谢产物生物合成中所起的作用要比在初级代谢产物生物合成中大得多。正因为染色体外遗传物质更容易受外界环境的影响而从细胞中丢失，所以造成了次级代谢产物生物合成的不稳定性。②次级代谢产物的生物合成是以初级代谢产物为前体物，并受初级代谢的调节。当与次级代谢产物生物合成有关的初级代谢受阻时，该次级代谢产物也不能合成。③一种微生物能够合成多种结构上完全不同的次级代谢产物；相反，不同的微生物也可能合成相同的次级代谢产物。微生物菌种在分类学上的位置与产生的次级代谢产物的结构之间没有明确的内在联系。4.3微生物药物生物合成的

基本途径一、次级代谢产物的生源二、次级代谢产物生物合成的基本途径一、次级代谢产物的生源1.聚酮体2.糖类3.肽类抗生素中的不常见氨基酸4.非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱5.吩恶嗪酮6.莽草酸7.甲羟戊酸1.聚酮体聚酮体即含多个羰基的聚合物聚酮体的组成单位

乙酸、丙酸、丁酸和短链脂肪酸聚酮体的起始单位乙酰CoA、丙酰CoA及丙二酰胺CoA和丁酰CoA等聚酮体的延伸单位丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA和乙基丙二酰CoA等β-聚酮体的合成途径重复缩合2.糖类(1)氨基糖(2)糖胺(3)核糖海藻氨基糖N-甲基-L-葡糖胺核糖2.糖类(4)环多醇和氨基环多醇链霉胍R=-C(=NH)NH2Actinamine放线菌胺2-脱氧链霉胺2.糖类(5)其他糖类d-TDP-链霉糖

抗生素产生菌常见氨基酸不常见氨基酸短杆菌肽s短杆菌L-缬氨酸L-亮氨酸L-脯氨酸L-鸟氨酸

D-苯氨酸

D-谷氨酸杆菌肽地衣形芽L-异亮氨酸L-亮氨酸D-天-NH2D-鸟氨酸孢杆菌L-门氨酸L-赖氨酸L-组氨酸D-鸟氨酸异丝氨酸异酪氨酸短杆菌甘氨酸α,β-二氨基丙酸多粘菌素B1多粘杆菌L-苏氨酸L-亮氨酸2，6-二氨基-7-羟-杜鹃花酸放线菌素DⅣ链霉菌L-苏氨酸L-脯氨酸D-苯氨酸L-二氨基丁酸棘霉素海胆链霉素L-苏氨酸L-丙氨酸D-缬氨酸,肌氨酸，N-甲基-缬氨酸，D-丝氨酸，N-甲基-L-缬氨酸宜他霉素淡紫灰链霉素L-丙氨酸D-亮氨酸,D-别-羟脯氨酸，肌氨酸，α-苯肌氨酸3、肽类抗生素中的不常见氨基酸4.非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱5.吩恶嗪酮6.莽草酸4-甲基-3-羟基-邻氨基苯甲酸利福霉素等放线菌素等7、甲羟戊酸甲羟戊酸异戊焦磷酸二、次级代谢产物生物合成的

基本途径1.前体聚合2.修饰3.不同组分的装配1.前体聚合（1）聚酮体的聚合+-CO2-H2O+7个丙二酰CoA-7CO2-7H2O九酮化合物（1）聚酮体的聚合（续）

CH3(1)(2)HS-E(3)H2O甲基预四环酰胺（1）聚酮体的聚合（续）(4)(5)2NAD+(6)H2O(7)Cl2NADH（2）氨基酸的聚合

①氨基酸活化，消耗ATP形成AMP-AA；②AA转移到酶的巯基，依次形成巯酯键；③巯酯键断裂提供能量，在第一和第二AA间形成肽键；④第二AA巯酯键断裂，与第三AA形成三肽，重复这一过程直至完成多肽合成。⑤催化酶类由多酶复合体组成，独立完成AA的活化、巯酯化以及肽键的形成等反应。①酶促生化合成②转录翻译系统③硫模板机理多肽合成的硫模板机理++短杆菌肽S通过硫模板机理进行生物合成的途径2.修饰NH2CH3ClNAD+青霉素G合成的修饰青霉素N异青霉素N6-APA青霉素G异构酶乙酰基转移酶N酰胺酶3.不同组分的装配次级代谢产物所必需的几个部分合成后，需要按照一定的顺序在特异酶的催化下组装在一起才会形成具有生理活性的物质。对羟基苯甲酸部分异戊烯部分香豆素部分新生霉糖部分新生霉素的结构4.4微生物次级代谢产生物合成的调节机制1.初级代谢对次级代谢的调节2.碳代谢物的调节3.氮代谢物的调节4.磷酸盐的调节5.ATP调节6.酶的诱导调节7.反馈调节8.细胞膜通透性调节9.金属离子和溶解氧的调节初级代谢与次级代谢的关系两者均菌体代谢调节，相互交错，相互影响，其中初级代谢受菌体代谢调控更严格次级代谢产物的化学结构多种多样，但其生源是由少数几大类物质构成的，是以初级代谢产物为母体衍生而来，因此次级代谢途径并不孤立存在初级代谢的调控机制酶活力调节酶的激活和抑制酶合成调节

酶的诱导和阻遏1.初级代谢对此级代谢的调节当初级代谢与次级代谢具有共同的途径，而初级代谢产物过量时，往往会抑制次级代谢产物的合成。分叉中间体初级终产物次级终产物α-氨基-己二酸赖氨酸青霉素头孢霉素丙二酰COA乙酰COA脂肪酸四环素大环内酯类安沙霉素类莽草酸对氨基苯丙氨酸苯丙氨酸色氨酸对氨基苯甲酸氯霉素绿脓霉素新生霉素常见的分叉中间体2.碳代谢物的调节速效碳源——葡萄糖效应，一般情况下，凡能被微生物快速利用、促进菌体快速生长的碳源，对此级代谢产物合成都表现出抑制作用。是葡萄糖的降解产物抑制了包括几乎所有的微生物药物的次级代谢产物的合成。调节方式：少量多次流加；菌体生长和产物发酵其采用不同的碳源3.氮代谢物的调节研究发现：高浓度的铵离子抑制次级代谢产物的合成是一个普遍的特征；无机氮源或简单的有机氮源能促进菌体生长，却不利于次级代谢产物合成；而利用较慢的氮源可以防止和减缓但代谢物的阻遏作用，从而有利于次级代谢产物合成。其调节应针对不同氮源区别对待。菌体生长期可以添加无机铵盐，而产物合成期采用复杂氮源。4.磷酸盐调节促进初级代谢，抑制次级代谢抑制次级代谢产物前体的形成阻遏次级代谢产物合成中某些关键酶的合成抑制碱性磷酸酯酶的合成增加菌体能荷状态以促进初级代谢5.ATP调节ATP直接影响次级代谢产物合成和糖代谢中某些酶的活性。以四环素的合成为例：

菌体生长期：PEP丙酮酸乙酰COA丙二酰COA产物合成期：PEP草酰乙酸丙二酰COACO2乙酰COA羧化酶CO2PEP羧化酶羧基转移酶6.酶的诱导调节在次级代谢过程中，有些参与次级代谢产物合成的酶为诱导酶，需要有诱导物存在时才能合成。诱导物一般为酶的底物或底物类似物。有些需外源加入，有些可以内源产生。