抗生素的生物合成与调节机制

1、第九章 抗生素的生物合成与调节机制 狭义抗生素:由微生物（包括细菌、放线菌、真菌等）产生的在低浓度条件下，对特异微生物（包括细菌、真菌、立克次体、支原体、衣原体等）的生长有抑制作用的次级代谢产物或化学半合成法制造的相同的和类似的化合物,广义抗生素：由微生物产生的抗菌及抗其他病原微生物的物质；与微生物产物相同的化学合成物。即首先发现于微生物代谢物中，如氯霉素；以微生物产物为原料，经化学反应所得的衍生物或盐类；由以上三种来源的驱虫物质。 现代抗生素定义：一切由某些微生物产生的，能抑制微生物和其他细胞增殖的化学物质,虽然青霉素对感染产生了不可思议的作用，但肺结核仍然是当时棘手的绝症。直到1952年，

2、瓦克斯曼发现了第一个能够有效治疗人类肺结核的药物链霉素，从而对肺结核的治疗迈出一大步。 随后，氯霉素（1947年）、新霉素（1949年）、土霉素（1950年）、红霉素（1952年）、四环素（1953年）、头孢菌素（1959年）、喹诺酮类（1980年）也都相继被发现。在一段时期内,人们曾普遍认为，人类健康将不再受到严重的细菌感染的威胁。 由细菌引起的疾病，如结核病、肺炎、淋病以及其它疾病都能够被至少一种抗生素治愈,时过境迁，现在有越来越多的由新型细菌感染所造成的死亡病例，而我们对这些病例出现的预警机制还很不完善，这是一个不容忽视且令人痛心的问题 加拿大魁北克省舍布鲁克大学附属医院的专家日前透露，

3、从2003年年初至今，一种普通的肠道细菌梭状芽孢杆菌历经两年变异，已成为致命的“超级病菌”，它可引起65岁以上老年人和服用抗生素的病人产生严重痢疾，并最终致死。 该病菌已使这家医院的100名病人死亡，如不采取紧急行动，这种“超级病菌”很可能会引发一场致命传染病的蔓延,最近几年出现了一批抗万古霉素的新型致病菌。这些抗性菌株常常居住在医院的病房中，造成了越来越多难以治愈的医源性传染病的发生。 对抗万古霉素菌种的自然选择作用，普遍认为是由动物饲料中相关抗生素的广泛使用所造成的。 目前，传染病专家们已经开始敦促医院进一步健全卫生服务体系，并向议员们施压，出台相关的法律，禁止在农业生产上使用抗生素。研究

4、人员也已经修改了万古霉素的部分化学结构，生产出若干类万古霉素衍生物，以期杀灭对万古霉素有抗性的细菌,分类： -内酰胺类抗生素 氨基糖苷类抗生素 大环内酯类抗生素 氯霉素类抗生素 四环素类抗生素 其他类抗生素,1、-内酰胺类抗生素 1）青霉素 青霉素在临床上主要用于治疗葡萄球菌传染症如脑膜炎、化脓症、骨髓炎等，溶血性链球菌传染症如腹膜炎、产褥热，以及肺炎、淋病、梅毒等。 已有的研究认为，青霉素的抗菌作用与抑制细胞壁的合成有关。 革兰氏阳性菌细胞壁的组成是肽聚糖占细胞壁干重的5080（革兰氏阴性菌为110）、磷壁酸质、脂蛋白、多糖和蛋白质。其中肽聚糖是一种含有乙酰基葡萄糖胺和短肽单元的网状生物大分

5、子，在它的生物合成中需要一种关键的酶即转肽酶。青霉素作用的部位就是这个转肽酶,由青霉菌所产生的一类抗生素类物质总称为青霉素。青霉素发酵液中含有5种以上天然青霉素（如青霉素F、G、X、K、F和V等），它们的差别仅在于侧链R基团的结构不同，其中青霉素G在医疗中用得最多，它的钠或钾盐为治疗革兰氏阳性菌的首选药物，对革兰氏阴性菌也有强大的抑制作用。青霉素的结构通式可表示为（见下页,2）半合成青霉素 氨苄青霉素和羟氨苄青霉素这样的抗生素是以天然抗生素为原料，经过“加工”（即化学或生化反应）而得到的，所以称为半合成抗生素。自1959年以来，各国报道的半合成青霉素已达上千种,3）头孢菌素： 是以冠头孢菌培养

6、得到的天然头孢菌素C作为原料，经半合成改造其侧链而得到的一类抗生素。常用的约30种，按其发明年代的先后和抗菌性能的不同而分为一、二、三、四代。 第1代头孢菌素：60年代初开始上市的，包括头孢噻吩、头孢唑啉、头孢氨苄等 特点：对G+菌较强；-内酰胺酶较差；有肾毒性,第2代头孢菌素：头孢孟多、头怨呋辛、头孢克洛等； 特点：对G+菌，G-菌均有效，对绿脓杆菌无效；-内酰胺酶较稳定； 肾毒性低； 第3代头孢菌素：噻肟头孢、头孢哌酮、头孢他定等； 特点：对G+菌，G-菌均有效，对绿脓杆菌有效；-内酰胺酶较高稳定性；基本无肾毒性,笫四代头孢菌素： 第三代头孢菌素对革兰阳性菌的作用弱，不能用于控制金黄色葡萄

7、球菌感染。近年来发现一些新品种如头孢匹罗等，不仅具有第三代头孢菌素的抗菌性能，还对葡萄球菌有抗菌作用，称为第四代头孢菌素,青霉素G,半合成青霉素阿莫西林（羟氨苄青霉素,头孢菌素,2、氨基糖苷类抗生素 链霉素发明于1944年。它的抗结核杆菌的特效作用，开创了结核病治疗的新纪元。从此，结核杆菌肆虐人类生命几千年的历史得以遏制。 链霉素是一种从灰链霉菌的培养液中提取的抗菌素。属于氨基糖甙碱性化合物，它与结核杆菌菌体核糖核酸蛋白体结合，起到了干扰结核杆菌蛋白质合成的作用，从而杀灭或者抑制结核杆菌生长的作用,卡那霉素：硫酸卡那霉素是一种氨基糖苷类抗生素。对多数肠杆菌科细菌如大肠埃希菌、克雷伯菌属、肠杆菌

8、属、沙门菌属、枸橼酸杆菌属等均有良好抗菌作用；脑膜炎球菌、淋球菌等对本品也大多敏感。 庆大霉素：主要用于治疗严重革兰阴性杆菌感染，如败血症、肺炎、脑膜炎及骨髓炎等，常与-内酰胺类或其他抗菌药联合用药，但不应置于同一容器中混合使用。 巴龙霉素； 核糖霉素； 新霉素等,3、大环内酯类抗生素 十四元大环的抗生素：红霉素 琥乙红霉素 罗红霉素 十六元大环的抗生素：麦迪霉素 交沙霉素 螺旋霉素 乙酰螺旋霉素 白霉素等,红霉素：由链霉素产生，是一种碱性抗生素。其游离碱供口服用，乳糖酸盐供注射用。 抗菌谱与青霉素相似，且对支原体，衣原体，立克次体等及军团菌有抗菌作用。适用于支原体肺炎、沙眼衣原体引起的新生儿

9、结膜炎、婴儿肺炎、生殖泌尿道感染(包括非淋病性尿道炎)、军团菌病、白喉(辅助治疗)及白喉带菌者、皮肤软组织感染、百日咳、敏感菌(流感杆菌、肺炎球菌、溶血性链球菌、葡萄球菌等)引起的呼吸道感染(包括肺炎)、以及淋病、梅毒、痤疮等,乙酰螺旋霉素：为螺旋霉素的乙酰化衍生物，属16元环大环内酯类。 对金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、化脓性链球菌、粪肠球菌等革兰阳性球菌具良好抗菌作用。对李斯特菌属、卡他莫拉菌、淋病奈瑟菌、胎儿弯曲菌、流感嗜血杆菌、嗜肺军团菌、百日咳杆菌、拟杆菌属、产气荚膜杆菌、痤疮丙酸杆菌、消化球菌和消化链球菌以及衣原体属、支原体属、弓形体、隐孢子虫等亦具抑制作用,4、氯霉素类抗生素 用于

10、敏感菌引起结膜炎，角膜炎，眼睑缘炎及沙眼；外耳道炎。外用治疗痤疮，酒糟鼻，脂溢性皮炎等疗效显著。对革兰阴性菌，如沙门菌属等抗菌作用较强，对立克次体，衣原体，绿脓杆菌也有抑制作用,5、四环素类抗生素 四环素类抗生素是由放线菌产生的一类广谱抗生素，其结构均为菲烷的基本骨架，该类抗生素已淘汰,6、其他类抗生素如林可霉素 林可霉素又名洁霉素，是由链霉菌4-1024所产生的一种抗生素,第一节 抗生素的生物合成 一、次级代谢与初级代谢的关系 1.基本概念 初级代谢：是指微生物合成它们生长所必需的物质，诸如：糖、氨基酸等以及由这些化合物形成的高分子物质，如：多糖、蛋白质、核酸等的代谢，称之为初级代谢。那么，

11、这些化合物统称之为初级代谢产物,次级代谢：是指微生物在生长后期进行的与他们的生长无明显关系的代谢，这一类的物质统称之为：次级代谢产物。例如：抗生素、激素、某些酶制剂等。 其特点为：结构比较复杂，其合成的代谢过程比较复杂，大部分的合成机制到目前为止，尚没有搞清楚,2、菌体代谢： 许多抗生素等次代谢产物的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的，如下图所示,从上图可以看出，许多物质处于代谢的分叉点上，例如：CH3CO-SCoA，是葡萄糖糖经HMP、 EMP生成的中间物质，经羧化后可形成丙二酰辅

12、酶A，丙二酰辅酶A可用于脂肪酸的合成上，进而又可经多次重复缩合、环化等形成四环素类或其他抗菌素等次级代谢产物，而CH3COSCoA又可以进入TCA循环，这类物质称之为：分叉中间体，还有丙酮酸、草酰乙酸、莽草酸等； 这些分叉中间体把微生物的次级代谢和初级代谢紧密地联系起来,由初级代谢产物衍生的次级代谢产物的生物合成途径： 表7-2，七种 这些次级代谢途径中涉及的酶有的是初级代谢的酶，也有次级代谢特有的酶； 初级代谢和次级代谢都受菌体的代谢调节，与抗生素合成有关的初级代谢途径受控制时，次级代谢产物（抗生素）的合成必然受影响,3、遗传代谢： 初级代谢产物：核内遗传物质控制； 次级代谢产物：一般核内和

13、核外遗传物质控制，少数只由核内遗传物质控制； 质粒产物：代谢产物的形成取决于由质粒产生的酶所控制的代谢途径。 图7-2次级代谢产物的生物合成与初级代谢产物的关系,二、抗生素的生物合成类型 目前世界各国实际生产和应用于医疗的抗生素约有120多种，其中以-内酰胺类抗生素、四环素类和氨基糖苷类、大环内酯类为主要抗生素。也可以划分为： 1.蛋白质衍生物； 1）简单的氨基酸衍生物：如环丝氨酸等 2）寡肽抗生素：如青霉素、头孢菌素等 3）多肽类抗生素：如杆菌肽等 4）多肽大环内酯类抗生素：如放线菌素等 5）含嘌呤和嘧啶碱基的抗生素：如嘌呤霉素等,2.糖衍生物； 1）糖苷类抗生素：如链霉素等 2）与大环内酯

14、连接的糖苷类抗生素：如红霉素等 3）其他糖苷抗生素：如新生霉素等 3.以乙酸为单位的衍生物； 1）乙酸衍生物的抗生素：如四环类抗生素等 2）丙酸衍生物的抗生素：如红霉素等 3）多烯和多炔类抗生素：如制霉素等,三、几种抗生素的生物合成： 1、青霉素G、头孢菌素的生物合成： 1）青霉素G的合成： a-氨基己二酸 + 半胱氨酸 + 颉氨酸 异青 霉素N 6-APA 青霉素G 6-APA（6氨基青霉烷 酸）：-内酰胺类 抗生素的重要中间体,三肽合成酶、异青霉素合成酶,酰基转移酶,青霉素酰化酶,6-APA,2,青霉素G,半胱氨酸,颉氨酸,苯乙酰基,2）头孢菌素C的合成：a-氨基己二酸 + 半胱氨酸 +

15、颉氨酸 异青霉素N 青霉素N 头孢菌素C,扩环、羟化、转乙酰、消旋,三肽合成酶、异青霉素合成酶,异构酶,2、链霉素的生物合成： 链霉素是有链霉胍、链霉糖和N-甲基-L-氨基葡萄糖组成的三糖。 1）链霉胍的生物合成：如图7-6 D-葡萄糖 环己六醇-1-磷酸酯 肌-环己六醇 链霉胍,2）链霉糖的生物合成： 由葡萄糖合成，如图7-7，dTDP-葡萄糖经分子内重排反应，最后转化为二氢链霉糖。 3） N-甲基-L-氨基葡萄糖的生物合成： 如图7-8假设途径，由D-葡萄糖经一系列反应，最后合成N-甲基-L-氨基葡萄糖。 最后由上面三部分合成链霉素,3、红霉素的生物合成：大环内酯类抗生素是以1218元环骨

16、架的大环内酯为母体，通过羟基，以苷键和13个分子的糖或二甲氨基糖相联结的一类结构相似的抗生物质,红霉素 A结构式,红霉素的生物合成反应过程： 丙酰-SCoA + 6 二甲基丙二酰-SCoA 多聚-酮中间体 红霉素内酯B 红霉素D 红霉素B 红霉素C 红霉素A,第二节 抗生素生物合成的调节机制 次级代谢物的合成是在酶的控制下完成的，因而实际上也是微生物基因表达的结果，至于何时合成次生代谢物，这实际上涉及微生物基因表达调控的问题。 两种调节机制： 1）微生物生成一种诱导剂或激活剂，以启动抗生素的生物合成； 2）由一个小分子物质作为辅助阻遏剂或抑制剂，阻遏或抑制抗生素的合成酶的形成,一、细胞生长期到

17、抗生素产生期的过渡： 次级代谢产物的生成：菌体生长达到相对静止期才开始，在细胞正常生长阶段，抗生素合成酶处于抑制状态。 抗生素合成酶基因被阻遏的（可能）原因： 1）生长达到相对静止期出现一种诱导因子； 2）初级代谢产物对次级代谢的阻遏作用被解除； 3）糖的分解代谢产物对抗生素的合成有阻遏作用，但当分解代谢产物被消耗后，阻遏解除； 4）抗生素的合成受ATP阻遏，当ATP减少后，阻遏解除； 5）RNA聚合酶在生长后期启动抗生素合成酶的转录,二、酶的诱导作用： 结构基因编码控制酶的产生，在没有酶底物时无活性，当加入底物时，结构基因开始表达酶，这一过程称为“诱导”。 如麦角菌在色氨酸刺激下，产生生物碱

18、，色氨酸类似物对生物碱的合成也有同样的刺激作用，研究表明，色氨酸及类似物诱导合成了生物碱合成的第一个酶二甲基烯丙基-色氨酸合成酶,三、分解代谢产物的调节控制： 现象：葡萄糖的分解和利用减少了抗生素的生物合成，即青霉素发酵受葡萄糖的抑制。 原因： 葡萄糖 磷酸化的衍生物 a-氨基己二酸 + 半胱氨酸 + 颉氨酸 a-AA-Cys-Val（三肽） 异青霉素N 6-APA 青霉素G,三肽合成酶,抑制,解除分解产物阻遏的方法： 1）选育对葡萄糖类似物抗性突变型； 2）在培养过程中避免分解产物阻遏，如使用缓慢的碳源，连续流加葡萄糖，保持低浓度葡萄糖等,四、磷酸盐的调节： 高浓度的磷酸盐对多种抗生素有阻遏和抑制作用，如链霉素、金霉素等。 可能的机制有： 1）磷酸盐抑制抗生素生物合成途径中有关酶的活力，如磷酸盐抑制链霉素磷酸酯酶，