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文档简介
天然产物药物生物合成的机制提 纲• PKS作用机制及范例• NRPS作用机制及范例• 其他类型天然产物的生物合成提 纲• PKS作用机制及范例• NRPS作用机制及范例• 其他类型天然产物的生物合成聚酮是一种生物聚合物■
单体(合成前体)■
短链羧酸(乙酸或丙二酸)■
单体的顺序聚合■
起始单元+扩展单元■
利用聚酮合酶合成聚酮的“核心”骨架StarterExtendersPolyketidecore■
聚酮“核心”骨架的进一步修饰■
利用修饰酶加入新的功能基团DecoratinggroupsMature
polyketide聚酮合酶
Polyketide
Synthase,
PKSKSATACPRed■
聚酮合酶的功能结构域■
酰基转移酶(AT):选择聚合单体■
酰基载体蛋白(ACP):使合成单体和合成中间产物共价结合在聚酮合酶上■
酮酯酰合成酶(KS):连续聚合单体和中间产物■
聚酮合酶其它的功能结构域■
还原活性结构域:使合成的聚酮链完全或部分还原真菌聚酮合酶■真菌聚酮合酶由多结构域组成■
真菌聚酮合酶核心结构域■
所有的真菌聚酮合酶含有AT、KS和ACP核心结构域■
同一套核心结构域用于整个聚酮链的合成KS ATACPReducing
activities■
还原型聚酮合酶(hrPKS)■
含有还原结构域DH、ER和KRKS AT DH ERKR
ACP■
非还原型聚酮合酶(nrPKS)■
含有起始单元酰基转移酶SAT■
决定苯环环化位置的PT结构域■
释放产物的硫酯酶TESAT KS AT PT ACP TEATACPKSTESHSHSHSH最小PKS结构域的组成AT
domain
=
AcyltransferaseAcylCarrier
protein
(ACP)b-ketoacylsynthase(KS)Thioesterase(TE)Next磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶
(phosphopantetheinyl
transferase,PPTase)功能:可将辅酶A上的4′-磷酸泛酰巯基乙胺转移到载体蛋白(carrier
protein,CP)保守的丝氨酸残基侧链羟基上,使载体蛋白由无活性的脱辅基(apo-)形式转变为活性全蛋白(holo-)形式。ATACPKSTESHSHSHSHAT
domain
=
AcyltransferaseAcylCarrier
protein
(ACP)b-ketoacylsynthase(KS)Thioesterase(TE)辅基:4-磷酸泛酰巯基乙胺(PPT).
比较灵活的基团,可在酶上转移起始和延伸单元。O
OHONHONHSHCH3H3COHH2C O POSerACP最小PKS结构域的组成NextCoAS辅酶
A:
CoenzymA(CoA)O
OHONHONHSHCH3H
C3O POOHO POOHH2COOO P OHOHOHNNNN4-phosphopantetheineAdeninRibo-3’-phosphat=CoenzymAalso
contains
a4-phosphopantetheine
group,
similartothat
foundon
theACP
domain
of
PKSs.
Theterminal
thioester
groupserves
at
theattachment
point
foracetyland
malonyl
units.NH2NextCoASOC CH3ATACPKSTESHSHSHSHLoading
of
astarter
unitStarter
unit(acetyl-CoA)NextATACPKSTESHSHSHSHCoASLoading
of
astarter
unitOC CH3NextCoASHOC CH3ATACPKSTESSHSHLoading
of
astarter
unitSHNextSHCoASHOSH C CH3ATACPKSTESHSHLoading
of
astarter
unitNextSHCoASHOC CH3ATACPKSTESHSSHLoading
of
astarter
unitAstarterunit
has
now
been
loaded
intotheKS
domain
of
thePKSand
weareready
forloading
of
thefirst
extender
unit.NextActivation
of
extender
unitsCoASOC CH3 + CO2Acetyl-CoA
CarboxylaseCoASCOC
H2OC OHTheCO2
originates
from
aHCO3-
bondtobiotin
intheenzymeNextAcetyl-CoAMalonyl-CoASHCoASOC CH3ATACPKSTESHSSHOCC
H2OC OHLoading
of
aextender
unitExtender
unit(malonyl-CoA)NextSHCoAOC CH3ATACPKSTESHSSHOSH CC
H2OC OHLoading
of
aextender
unitNextCoASHOC CH3ATACPKSTESSHC
H2SHOCOC OHSHLoading
of
aextender
unitRasmusJ.N.Frandsen
2007NextSHCoASHOC CH3ATACPKSTESSSHOCC
H2OCO-Ready
forcondensationDecarboxylationof
theextenderunit
(malonyl)provides
theenergy/electron
for
thecondensationNextSHCoASHOC CH3ATACPKSTESSHCC OOOOSHDecarboxylationof
theextenderunit
(malonyl)provides
theenergy/electorne
for
thecodensationCondensationOCC
H2
-NextSHCoASHATACPKSTESHOCC C CH3
H2OSPreparing
fora
secondroundSHNextSHATACPKSTESHOCC C CH3
H2OSCoAOCC
H2OC OHLoading
of
the2nd
extender
unitSHSHNextKSTESHSCoASHATACPC
H2SHOCOC OHSHLoading
of
the2nd
extender
unitOCC C CH3
H2ONextKSTESHCoASHSHATACPSOCCH2SH2nd
condensationOCOOCC C CH3
H2ODecarboxylationNextKSTESHCoASHSHATACPOCC C CH3
H2OOCCH2SHRelease
fromthe
enzymeSAt
this
stagethe
enzymefaces
a
choice,whether
to
continue
with
additionalroundsof
condensations
ortorelease
thepolyketide
chainfrom
the
enzyme.NextThenumber
of
condensation
rounds(iterations)that
the
individual
PKSsperform
isatpresent
not
predictable.
Onehypothesis
isthat
the
size(volume)
of
theactivesitein
the
KS
domaincould
bethedeciding
factor
for
total
number
ofiterations
possible.KSTESHCoASHSHATACPOCC C CH3
H2OCH2OSH CSHRelease
fromthe
enzymeNextSKSTECoASHSHATACPOCC C CH3
H2OOCCH2SHRelease
fromthe
enzymeSHNextSKSTECoASHSHATACPSHRelease
fromthe
enzymeSHOCC C CH3
H2OOCCH2NextKSTECoASHSHATACPSHRelease
fromthe
enzymeSHSHOCC C CH3
H2OOCCH2HONextKSTECoASHSHATACPSHRelease
fromthe
enzymeSHSHOCC
H2OC CH3OCCH2Starter
unit1st
extender
unit2nd
extender
unitHONextRelease
fromthe
enzymeOCH2 COC C CH3
H2OCHONote
that
the
formed
polyketide
chain
has
polarity.With
amethyl(-CH3)
group
atthe
”oldest”
end
and
acarboxyl
(-COOH)
group
atthe
”newest”
end.NextWhere
does
the
diversity
originate
from?In
addition
to
the
four
catalytic
domains
(AT,ACP,
KS
and
TE)
used
by
the
minimal
PKS.Other
domains
canalso
participate
in
the
biosynthesis:b-ketoacyl
reductase
(KR)Dehydratase
(DH)Enoyl
reductase
(ER)Methyltransferase
(MET)Cyclases
(Cyc)
–
foldthe
polyketide
chain
into
anaromatic
ormacrocyclic
compound+
alternative
extenderunits
differentfrommalonyl-CoACH2COCHH2COHCHH2COHCHHCCHHCCH2H2CCHH2COHCHH2CO CH3ENDOR1R2 R3OSOH OR1R2 R3SR1R2 R3OSR1R2 R3OSDHERKRACPACPACPACP■
酮酯酰还原酶(KR):将酮基还原为羟基■
脱水酶(DH):将羟基还原为双键■
烯醇还原酶(ER):将双键还原为单键聚酮合酶
Polyketide
Synthase,
PKSI型聚酮合酶(红霉素为例)ProteinModuleDomain大环内酯类抗生素,由菲宾Panay岛上壤中分离的放线菌Streptomyces
erythreus培养液中制成,1952年EliLilly公司首次发表。红霉素
PKS
(DEBS)S SSS SSSOO
OHO
OH
OHOO
OH
OHOO
OH
OHO
OHO
OH
OH1
O
OHOHAT
ACP
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ACPE13O115
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615O
OH
OHDEBS
1DEBS
2DEBS
3Module
2OOHOH9OH9Load Module
1DEBPeterLeadlay
etal.(Cambridge)1990Leonard
Katzetal.(AbbottLabs)
1991KS
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3LoadDesosamineCladinoseSSSSSSSOOOHOOHOHOOOHOHOOO
HO
HOO
HOO
HO
HOO
HO
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HO
HDEBS1DEBS2DEBS3Module
2O9O
HO
HOH91Load Module
1O113O15
OO
HO
HOH913O115
OO9O
HOHOPKS结构域、模块组织结构和I型聚酮化合物的线形对应关系实例-
OxytetracyclineOxytetracycline
fromStreptomyces
rimosusoxyA oxyCResistanceoxyEMinimal
PKSoxyGoxyIoxyKoxyMKRoxyOCyclaseoxyQoxySotrBoxyBoxyDoxyFoxyHoxyJoxyLoxyNoxyPotrAUnknownoxyRoxyTInitiation
ModuleTailoring02468oxy
Gene
Cluster10 12 141618202224
kBmalonate??oxyAoxyBoxyCoxyDoxyJoxyKoxyNoxyFoxyLoxyQoxyToxySand
othersPKS人物Chaitan
Khosla,
Stanford
University美国工程院院士、斯坦福大学教授,是国际上天然产物生物合成领域最著名的专家之一,在聚酮合酶的研究中取得了世界瞩目的成绩,在乳糜泻病的研究中也有着丰硕成果。现已发表学术论文、申请专利300余篇(项),其中在SCIENCE等国际顶级期刊发表论文10多篇,荣获了多项国际学术大奖,包括美国化学学会的Eli
Lilly奖、2000年美国化学学会的Pure化学奖、2011年的JamesE.Bailey奖。PKS人物Craig
TownsendJohnsHopkins
University真菌PKS生物合成DavidShermanUniversityof
Michigan美国密歇根大学药学院资深教授兼副院长,是国际公认的微生物次级代谢产物生物合成领域的领军人物之一。其研究领域主要包括生物有机化学、分子遗传学、P450酶学、新型药物和天然
产物开发、合成化学和生物合成等方向。提 纲• PKS作用机制及范例• NRPS作用机制及范例• 其他类型天然产物的生物合成核糖体多肽与非核糖体多肽类DOI:
10.1146/annurev.micro.58.030603.123615• 由一系列组件(module)构成• 大多数NRPSs组件数为4-10个,有的高达50个• 每个典型组件由大约1000个氨基酸残基组成• 每个组件负责一个反应循环NRPSs的结构组成NRPS类化合物的结构域基本结构域:腺苷酰化结构域(adenylation,A)缩合结构域(condensation,C)肽酰载体蛋白(peptidyl
carrierprotein,PCP)可选结构域:硫酯酶(thioesterase,TE)差向异构酶(epimerase,E)环化酶(cyclase,CYC)甲基转移酶(methyltransferase,MT)氧化酶(oxi
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