第四章 抗生素的生物合成途径
? 一、次级代谢的概念和特点
? （一）概念
? 微生物在一定的生长时期（一般是稳定生长
期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微
生物的生命活动没有明确功能的物质的过程就
是次级代谢，这一过程的产物即为次级代谢物。
根据生理功能分为抗生素、色素、激素、生物
碱、毒素、酶抑制剂等。
? 二、次级代谢的特点
? 1,次级代谢以初级代谢产物为前体，并受初级代谢
的调节
例如糖降解产
生的乙酰 CoA
是合成四环素
、红霉素及
β -胡萝卜素
的前体；缬氨
酸、半胱氨酸
，是合成青霉
素、头孢霉素
的前体；色氨
酸是合成麦角
碱的前体等。
? 2,次级代谢产物一般在菌体生长后期合成
? 此类微生物的生理过程可以区分为两个阶段，
即菌体生长阶段和代谢产物合成阶段。例如，
链霉素、青霉素、金霉素、红霉素、杆菌肽等，
都是在合成阶段形成。例如，青霉素合成中的
酰基转移酶、链霉素合成中的脒基转移酶等次
级代谢中的关键酶都在合成阶段被合成。一般
认为是由于碳分解产物产生阻遏作用的结果，
阻遏解除后，合成阶段才能开始。
? 3,次级代谢酶的专一性低
? 一条途径中缺失某一个酶后，该酶反应前面的
物质并不积累，反应顺序后面的酶仍能起作用，
产生出一个分支代谢产物。例如金霉素链霉菌
（ S,aureofaciens）失去氯化能力或培养基
中没有氯化物存在时，不能合成金霉素。但用
于合成金霉素的中间产物，仍可进行氨基化、
甲基化反应，进而合成四环素。
? 4．次级代谢产物合成酶是初级代谢物诱导产生的
? 初级代谢物可诱导合成酶的产生从而增加最终产物
的产量。在放线菌发酵过程起诱导作用的是由内源
代谢物如 A因子 。 A因子既可诱导灰色链霉菌和比
基尼链霉菌（ Streptomycs bikiniensis）的形态
分化，又诱导其化学分化．并且促进气生菌丝、分
生孢子、链霉素合成酶以及链霉素的形成。在灰色
链霉菌中,A因子能在转录水平上诱导至少 10种蛋
白质，其中之一是链霉素 — 6— 磷酸转移酶，这种
酶具有两种功能：其一是参与链霉素的生物合成；
其二是与抗性有关。
? 5,次级代谢产物的合成不具有菌株特异性
? 产生菌的分类地位和其所产生的次级物质之间
没有相关性，分类地位相同的菌可以产生不同
的抗生素，分类地位不同的菌，可以产生相同
的抗生素。不过一种次级代谢产物只有相对较
少的几种微生物能够合成，并且一种微生物产
生的几种次级代谢产物通常是一组结构相关的
物质。
? 6,次级代谢与质粒的关系
? 吖啶黄插入质粒 DNA双链碱基对之间，造成碱
基对增加或减少，高温则使质粒变性。它们使
原来产生抗生素的质粒不能复制，从而影响抗
生素的产生，说明了质粒控制着抗生素的合成。
? 从春日霉素和金丝霉素产生菌春日链霉菌的体
内分离出质粒，经电镜观察有三种不同长度
（ 15μm,3.4μm和 0.59μm）的 DNA。含有
15μmDNA的质粒控制春日霉素的合成；含有
3.4μm DNA的质粒，控制金丝霉素合成。
三、抗生素生物合成的研究方法
? 与次级代谢产物的多样性不同，微生物生物合成次级
代谢产物的生化反应可以归纳为数目有限的若干条生
物合成途径。论证生物合成途径的一般步骤为：①确
定构成目的产物的构建单位即生源；②确定生物合成
途径中的关键的中间产物，合理地推断反应顺序；③
分离鉴别生物合成反应中的关键酶。
? 由于生物合成过程中初级代谢和次级代谢两种途径相
互交叉，影响因素很多，因此生物合成机理的研究较
为困难。常用的研究方法有以下几种,
? （ 1）喂养实验法,在发酵的培养基中，加人某些可能
是前体的物质，观察该物质在发酵过程中的利用情况
与促进目的产物生成的效果。
? （ 2）洗涤菌丝悬浮法或称静息细胞法 （ resting
cells）：取不同生长阶段的菌丝，先洗去沾染的原培
养基成分和代谢产物，然后将菌丝悬浮于人工培养系
统内，在一定条件下继续观察被试验的化合物对菌体
代谢和对产物生物合成的影响。
? （ 3）阻断变株法 （ block strains）：将次级代谢产
物产生菌进行诱变处理，筛选出失去产生某种目的代
谢产物能力的突变株，即生物合成的阻断变株。这种
阻断变株能够积累某种中间代谢产物或支路代谢产物，
通过分离、提纯、鉴别中间代谢产物，并与目的代谢
产物的化学结构相比较，推断出目的代谢产物的生物
合成的反应步骤，然后再分离其反应中的特殊酶类，
进一步判断其生化反应的特性。
? （ 4）互补共合成法,应用两株生物合成阻断变株，当
它们单独培养时均不能产生目的代谢产物，而将它们
进行混合培养时获得目的产物或者以后某一步中间体。
通过分别提取、分离和鉴别阻断变株积累的中间体和
共合成的产物，了解它们的阻断部位和顺序以及反应
过程，推断目的产物的生物合成途径。
? （ 5）同位素标记,将具有放射性同位素 3H或者 14C标记
的可疑前体物质加人到次级代谢产物产生菌的培养基
中，培养结束后，提取分离目的代谢产物，测定结合
到次级代谢产物的同位素含量和分布情况，可以判断
试验化合物是否参与代谢产物的生物合成。
? （ 6）无细胞抽提液,用适当的方法从细胞中分离纯化
制得纯酶。将制得的纯酶和有关物质加人到反应体系，
进行酶促反应。检测反应体系中的底物和产物浓度，
判断该酶是否催化目的产物的生物合成。
? （ 7）酶抑制剂法 （ enzym inhibition）
在微生物的发酵过程中，添加某种酶的
抑制剂，以抑制目的产物的合成；或者
阻断目的产物生物合成途径中的某一步
骤，使目的产物不能合成；再通过分离、
鉴别所累积的中间代谢产物和相应产物，
推测生物合成过程。
四,抗生素的生物合成
? 抗生素的合成过程可以概括为如下模式,
营养物质（ C,N,P,S）
↓ 初级代谢
前体
↓ 聚合、结构修饰、装配
抗生素
? 第一步，前体聚合,前体单元在合成酶催化下进行聚
合。例如四环素合成中，在多酮链合成酶催化下，由
丙二酰 CoA等形成多酮链，进而合成四环素及大环内酯
类抗生素。
? 第二步，结构修饰 。聚合后的产物再经过修饰反应如环
化、氧化、甲基化、氯化等。氧化作用是在加氧酶催化
下进行的。次级代谢中的加氧酶多是单加氧酶，它把氧
分子中的一个氧原子添加到底物上，另一个氧原子还原
成水，并常伴有 NADPH的氧化。
RH＋ O2＋ NADPH2 → ROH ＋ H2O ＋ NADP
? 第三步，不同组分的装配 。如新生霉素的几个组分,4-
甲氧基 -5′, 5′ -二甲基 -L-来苏糖（ noviose）、香豆
素和对羟基苯甲酸等形成后，再经装配成新生霉素
五,主要抗生素的生物合成途径
? （一） β -内酰胺类抗生素的生物合成途径
? β -内酰胺类抗生素（ β -lactam antibiotics）是分子
中含有 β -内酰胺环的一类天然的和半合成的抗生素的总
称。临床应用的 β -内酰胺类抗生素可分为 3类，即青霉
素、头孢菌素和新型 β -内酰胺类抗生素。
? 1、青霉素的合成
? 青霉素是含有青霉素母核的一类化合物的总称。母核由
β -内酰胺环闭环（ B环）和噻唑环 （ A环）组成，称为
6-氨基青霉烷酸（简称 6－ APA）
青霉素 G和头孢霉素 C生物合成途径
? 青霉素的母核部分是以半胱氨酸和缬氨酸为前体合成的，
侧链是由 α -氨基己二酸构成。前体物质经过下面四步反
应最后合成青霉素
? ①前体及三肽的合成 。
? 缬氨酸,两分子丙酮酸在乙酰乳酸合成酶催化下，转变
成乙酰乳酸，再经异构、还原和转氨等反应，形成 L-缬
氨酸。
? 半胱氨酸, TCA中柠檬酸在异柠檬酸裂解酶催化下产生乙
醛酸，再经过还原氨基化，巯基化反应最后生成 L-半胱
氨酸。
? α -氨基已二酸,是由 α -酮戊二酸与乙酰 CoA的二碳单位
缩合生成高柠檬酸，再经过脱羧、氨基化反应，最后生
成 L-α -氨基己二酸。
? 三肽的合成, L-α -氨基己二酸首先与半胱氨酸缩合形成
二肽，然后 L-缬氨酸的氨基与半胱氨酸的羧基缩合形成
三肽。
? ② β -内酰胺环的形成 。在环化酶（ cyclase，即异青霉
素 N合成酶）催化下，三肽中的酰胺 N原子与 S原子相邻
的 C原子连接进行环化，形成 β -内酰胺环。具体过程目
前尚未完全了解。
? ③噻唑环的形成 。噻唑环的形成过程也还不甚清楚
? ④青霉素 G,6－ APA的形成 。三肽化合物闭环以后，形
成异青霉素 N，它是合成各种青霉素的前体。其中的侧
链是 α -氨基己二酸。它可以被酰基转移酶催化转换成
其他侧链。在发酵液中加入苯乙酸，与 α -氨基己二酸
进行交换后，带上苯乙酸侧链就是青霉素 G。异青霉素 N
被青霉素酰化酶催化使侧链裂解生成 6－ APA。它是合成
各种半合成青霉素的主要原料。
? （ 2） 头孢菌素 C的合成
? 头孢菌素 C（ 即先锋霉素 ） 由头孢菌 （ Cephalsporium
salomosynnemata） 产生, 其结构与青霉素相似, 它是由酰
基侧链和 7-氨基头孢烷酸 （ 7-ACA） 组成 。 7-ACA结构中含有
一个双氢噻唑环 （ A） 和一个 β -内酰胺环 （ B） 。
? 头孢菌素 C与青霉素具有相同的前体物质。当三肽化合物闭
环后，形成异青霉素 N,其中的 L-氨基己二酸异构为 D型后，
转变成青霉素 N。然后在扩环酶 （ expandase，即脱乙酰氧
头孢素 C合成酶）催化下，使硫原子和缬氨酸的一个甲基之
间脱氢，形成双氢噻唑环，即脱乙酰氧头孢素 C。再在加氧
酶、乙酰转移酶作用下，最后合成头孢菌素 C 。
（二）氨基糖苷类抗生素的生物合成
? 氨基糖苷类抗生素（ amino glycoside antibiotics）是
一类分子中含有一个环己醇配基，以糖苷键与氨基糖（或
中性糖）相结合的一类广谱抗生素，以链霉素为代表，其
他常见的还有庆大霉素、卡那霉素、新霉素、阿普霉素、
潮霉素、春雷霉素和核糖霉素等。
? 不同的氨基糖苷类抗生素分子中含有不同的氨基环醇，其
中主要有 2-脱氧链霉胺、链霉胍和 actinamine。这些氨基
环醇均源自葡萄糖，通
过一个共同的中间体和
不同的途径获得其结构。
链霉素是由链霉胍、链
霉糖和 N-甲基 -L-氨基葡
萄糖胺三部分组成。
? 链霉胍的合成途径
? 二氢链霉糖生物合成途径
? 由 D-葡萄糖形成 N-甲基 -L-葡萄糖胺的假设途径
? 链霉素的的生物合成
? （三） 四环素类抗生素的生物合成
? 四环类（ tetracyclines）抗生素是以四骈苯
（萘并萘）为母核的一类有机化合物，包括四
环素、土霉素、金霉素以及一些衍生物。
? 合成四环素的起始化合物是 丙二酰胺辅酶 A，
它同 8个丙二酰辅酶 A分子重复缩合、脱羧，形
成一个直链化合物 β -多酮次甲基链（ β -
polyketothylene chain），然后经过重复闭
环等反应，形成四环类抗生素。
四
环
素
族
抗
生
素
生
物
合
成
途
径
? 丙二酰辅酶 A可能是葡萄糖通过磷酸烯醇
式丙酮酸盐经羧化作用形成草酰乙酸, 再
氧化脱羧为丙二酰辅酶 A而形成的；
? 氯 来源于培养基中的氯离子, 氨基 可能来
源于谷氨酸, 甲基 来源于蛋氨酸
? 金霉菌从葡萄糖开始合成金霉素, 约有二
十多步酶反应, 考虑到可能存在的竞争和
平行反应, 则可能增加至约 300步酶反应,
生物合成全过程包括 70多个中间体 。
? （四） 聚酮类化合物的生物合成
? 从生物合成的角度由 低级脂肪酸聚合 而
成的具有长碳链结构的化合物，称为聚
酮类化合物（包括大环内酯类、安莎类、
聚醚类、蒽醌类等抗生素和一些真菌毒
素）。其中抗生素的典型代表有红霉素、
雷帕霉素、利福霉素、螺旋霉素、制霉
菌素、柔红菌素等 。
? 聚酮类化合物生物合成的基本过程是，由 低级
脂肪酸 （乙酸、丙酸、丁酸）等经活化后，以
丙二酰、丙酰或甲基丙二酰辅酶 A的形式，由
酰基携带蛋白（ ACP）介导经聚酮缩合酶将碳
链不断延长，最后由硫酯酶催化进行碳链的环
化形成 聚酮体内酯 （在碳链的延长过程中可伴
随着还原、脱水等反应，导致聚酮内酯环中酮
基或烯键的形成 ）。聚酮内酯环形成后再进
行 配糖体的糖苷化、内酯环不同 C位的甲基化、
羟基化或糖分子 C位上的酰基化 等不同修饰。
? 1,大环内酯抗生素的生物合成
? 大环内酯抗生素又可分为非多烯类和多烯类
? 前者有 12元环的：酒霉素和新酒霉素；
14元环的：红霉素、竹桃霉素、蓝卡霉
素、苦霉素、巨大霉素；
16元环的：柱晶白霉素、交沙霉素、针
棘霉素、螺旋霉素、碳霉素、麦里多霉素；
? 后者有制霉菌素、两性霉素、鲁斯霉素、匹马
菌素等。
? 红霉素 A,B,C,D的详细结构
? 21个碳原子的红霉内酯是七个丙酸单位通过聚合作用形
成的。 α -甲基丙二酸也可作红霉素内酯的一个前体。用
[14C]甲基丙二酸进行实验说明红霉内酯生物合成是由一
分子的丙酸 CoA打头，依次接上 6分子 2-甲基丙二酰 CoA。
? ①酰基 CoA亚单位的形成
? 丙酸 -----→ 丙酸磷酸 -------→ 丙酰 CoA＋ Pi
? 高产菌株的丙酸激酶对丙酸的 Km值较低。这一步活化作
用可能是红霉素生物合成的限制步骤。
? ②羧化和转羧基反应
? 丙酸激酶 酰基转移酶
Ⅰ — 激酶
Ⅱ — 硫酯酶
Ⅲ — 酰基 CoA羧化物
Ⅳ — 羧基转移酶
③ 红霉内酯的形成及后期转化
? 大环内酯合成酶能将标记的丙二酰 CoA和 2-甲基丙二
酰 CoA结合到 6-去氧红霉内酯 B中。红霉素生物合成的
最后几步是红霉素内酯与两种脱氧糖形成一糖苷，并
进行甲基化，最终形成具有生物活性的红霉素。括号
表示红霉素糖苷配基，数字表示内酯碳的排列。
Eb— 红霉素内酯 B；
Ea— 红霉素内酯 A；
M— 碳霉糖
（五） 多肽类化合物的生物合成
? 许多次级代谢产物是氨基酸的衍生物, 它们或者是纯
粹以氨基酸作为组成的化合物, 或者是氨基酸与其他
代谢物 （ 糖, 脂肪酸 ） 相结合的产物, 或者是一个或
几个氨基酸的衍生物相结合的产物, 它们总称为多肽
类或环肽化合物 。 已经知道在次级代谢产物的生物合
成中肽键的形成有三种方式,
? ① 通过简单的酶偶联形成至多 5个氨基酸的短链多肽
（谷胱甘肽、肽聚糖）；② 通过多酶复合体合成非核
糖体合成的长链多肽（包括大约 50个氨基酸）；③ 通
过核糖体合成的机制。
? （ 1） 非核糖体介导的肽类化合物的合成
? 利用多酶复合体系合成的寡肽（作为一种重要的机
制），如短杆菌肽（ gramicidins）、细菌素
（ bactitracin）和短杆菌酪肽（ tyrocidin）及真菌
次级代谢产物，如恩链孢菌素（ enniatins）和环孢菌
素（ cyclosporins） 。由多酶体系的多功能基因所控
制的,非核糖体形成机制的这种特性有利于低分子量
多肽的结构多样性的特殊方式，而这些多肽就是许多
微生物形成的次级代谢产物。
? （ 2） 核糖体介导的肽类化合物的合成
? 由核糖体介导生物合成的肽类次级代谢产物具有
多种生物活性，一般分子量较大，如抗菌的乳链菌肽、
枯草菌素、乳酸菌肽、抗病毒的肉桂霉素。这类化合
物生物合成是由核糖体介导的肽类化合物的组成氨基
酸是由基因直接编码的，与一般蛋白质的合成相同。
? 一、次级代谢的概念和特点
? （一）概念
? 微生物在一定的生长时期（一般是稳定生长
期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微
生物的生命活动没有明确功能的物质的过程就
是次级代谢，这一过程的产物即为次级代谢物。
根据生理功能分为抗生素、色素、激素、生物
碱、毒素、酶抑制剂等。
? 二、次级代谢的特点
? 1,次级代谢以初级代谢产物为前体，并受初级代谢
的调节
例如糖降解产
生的乙酰 CoA
是合成四环素
、红霉素及
β -胡萝卜素
的前体；缬氨
酸、半胱氨酸
，是合成青霉
素、头孢霉素
的前体；色氨
酸是合成麦角
碱的前体等。
? 2,次级代谢产物一般在菌体生长后期合成
? 此类微生物的生理过程可以区分为两个阶段，
即菌体生长阶段和代谢产物合成阶段。例如，
链霉素、青霉素、金霉素、红霉素、杆菌肽等，
都是在合成阶段形成。例如，青霉素合成中的
酰基转移酶、链霉素合成中的脒基转移酶等次
级代谢中的关键酶都在合成阶段被合成。一般
认为是由于碳分解产物产生阻遏作用的结果，
阻遏解除后，合成阶段才能开始。
? 3,次级代谢酶的专一性低
? 一条途径中缺失某一个酶后，该酶反应前面的
物质并不积累，反应顺序后面的酶仍能起作用，
产生出一个分支代谢产物。例如金霉素链霉菌
（ S,aureofaciens）失去氯化能力或培养基
中没有氯化物存在时，不能合成金霉素。但用
于合成金霉素的中间产物，仍可进行氨基化、
甲基化反应，进而合成四环素。
? 4．次级代谢产物合成酶是初级代谢物诱导产生的
? 初级代谢物可诱导合成酶的产生从而增加最终产物
的产量。在放线菌发酵过程起诱导作用的是由内源
代谢物如 A因子 。 A因子既可诱导灰色链霉菌和比
基尼链霉菌（ Streptomycs bikiniensis）的形态
分化，又诱导其化学分化．并且促进气生菌丝、分
生孢子、链霉素合成酶以及链霉素的形成。在灰色
链霉菌中,A因子能在转录水平上诱导至少 10种蛋
白质，其中之一是链霉素 — 6— 磷酸转移酶，这种
酶具有两种功能：其一是参与链霉素的生物合成；
其二是与抗性有关。
? 5,次级代谢产物的合成不具有菌株特异性
? 产生菌的分类地位和其所产生的次级物质之间
没有相关性，分类地位相同的菌可以产生不同
的抗生素，分类地位不同的菌，可以产生相同
的抗生素。不过一种次级代谢产物只有相对较
少的几种微生物能够合成，并且一种微生物产
生的几种次级代谢产物通常是一组结构相关的
物质。
? 6,次级代谢与质粒的关系
? 吖啶黄插入质粒 DNA双链碱基对之间，造成碱
基对增加或减少，高温则使质粒变性。它们使
原来产生抗生素的质粒不能复制，从而影响抗
生素的产生，说明了质粒控制着抗生素的合成。
? 从春日霉素和金丝霉素产生菌春日链霉菌的体
内分离出质粒，经电镜观察有三种不同长度
（ 15μm,3.4μm和 0.59μm）的 DNA。含有
15μmDNA的质粒控制春日霉素的合成；含有
3.4μm DNA的质粒，控制金丝霉素合成。
三、抗生素生物合成的研究方法
? 与次级代谢产物的多样性不同，微生物生物合成次级
代谢产物的生化反应可以归纳为数目有限的若干条生
物合成途径。论证生物合成途径的一般步骤为：①确
定构成目的产物的构建单位即生源；②确定生物合成
途径中的关键的中间产物，合理地推断反应顺序；③
分离鉴别生物合成反应中的关键酶。
? 由于生物合成过程中初级代谢和次级代谢两种途径相
互交叉，影响因素很多，因此生物合成机理的研究较
为困难。常用的研究方法有以下几种,
? （ 1）喂养实验法,在发酵的培养基中，加人某些可能
是前体的物质，观察该物质在发酵过程中的利用情况
与促进目的产物生成的效果。
? （ 2）洗涤菌丝悬浮法或称静息细胞法 （ resting
cells）：取不同生长阶段的菌丝，先洗去沾染的原培
养基成分和代谢产物，然后将菌丝悬浮于人工培养系
统内，在一定条件下继续观察被试验的化合物对菌体
代谢和对产物生物合成的影响。
? （ 3）阻断变株法 （ block strains）：将次级代谢产
物产生菌进行诱变处理，筛选出失去产生某种目的代
谢产物能力的突变株，即生物合成的阻断变株。这种
阻断变株能够积累某种中间代谢产物或支路代谢产物，
通过分离、提纯、鉴别中间代谢产物，并与目的代谢
产物的化学结构相比较，推断出目的代谢产物的生物
合成的反应步骤，然后再分离其反应中的特殊酶类，
进一步判断其生化反应的特性。
? （ 4）互补共合成法,应用两株生物合成阻断变株，当
它们单独培养时均不能产生目的代谢产物，而将它们
进行混合培养时获得目的产物或者以后某一步中间体。
通过分别提取、分离和鉴别阻断变株积累的中间体和
共合成的产物，了解它们的阻断部位和顺序以及反应
过程，推断目的产物的生物合成途径。
? （ 5）同位素标记,将具有放射性同位素 3H或者 14C标记
的可疑前体物质加人到次级代谢产物产生菌的培养基
中，培养结束后，提取分离目的代谢产物，测定结合
到次级代谢产物的同位素含量和分布情况，可以判断
试验化合物是否参与代谢产物的生物合成。
? （ 6）无细胞抽提液,用适当的方法从细胞中分离纯化
制得纯酶。将制得的纯酶和有关物质加人到反应体系，
进行酶促反应。检测反应体系中的底物和产物浓度，
判断该酶是否催化目的产物的生物合成。
? （ 7）酶抑制剂法 （ enzym inhibition）
在微生物的发酵过程中，添加某种酶的
抑制剂，以抑制目的产物的合成；或者
阻断目的产物生物合成途径中的某一步
骤，使目的产物不能合成；再通过分离、
鉴别所累积的中间代谢产物和相应产物，
推测生物合成过程。
四,抗生素的生物合成
? 抗生素的合成过程可以概括为如下模式,
营养物质（ C,N,P,S）
↓ 初级代谢
前体
↓ 聚合、结构修饰、装配
抗生素
? 第一步，前体聚合,前体单元在合成酶催化下进行聚
合。例如四环素合成中，在多酮链合成酶催化下，由
丙二酰 CoA等形成多酮链，进而合成四环素及大环内酯
类抗生素。
? 第二步，结构修饰 。聚合后的产物再经过修饰反应如环
化、氧化、甲基化、氯化等。氧化作用是在加氧酶催化
下进行的。次级代谢中的加氧酶多是单加氧酶，它把氧
分子中的一个氧原子添加到底物上，另一个氧原子还原
成水，并常伴有 NADPH的氧化。
RH＋ O2＋ NADPH2 → ROH ＋ H2O ＋ NADP
? 第三步，不同组分的装配 。如新生霉素的几个组分,4-
甲氧基 -5′, 5′ -二甲基 -L-来苏糖（ noviose）、香豆
素和对羟基苯甲酸等形成后，再经装配成新生霉素
五,主要抗生素的生物合成途径
? （一） β -内酰胺类抗生素的生物合成途径
? β -内酰胺类抗生素（ β -lactam antibiotics）是分子
中含有 β -内酰胺环的一类天然的和半合成的抗生素的总
称。临床应用的 β -内酰胺类抗生素可分为 3类，即青霉
素、头孢菌素和新型 β -内酰胺类抗生素。
? 1、青霉素的合成
? 青霉素是含有青霉素母核的一类化合物的总称。母核由
β -内酰胺环闭环（ B环）和噻唑环 （ A环）组成，称为
6-氨基青霉烷酸（简称 6－ APA）
青霉素 G和头孢霉素 C生物合成途径
? 青霉素的母核部分是以半胱氨酸和缬氨酸为前体合成的，
侧链是由 α -氨基己二酸构成。前体物质经过下面四步反
应最后合成青霉素
? ①前体及三肽的合成 。
? 缬氨酸,两分子丙酮酸在乙酰乳酸合成酶催化下，转变
成乙酰乳酸，再经异构、还原和转氨等反应，形成 L-缬
氨酸。
? 半胱氨酸, TCA中柠檬酸在异柠檬酸裂解酶催化下产生乙
醛酸，再经过还原氨基化，巯基化反应最后生成 L-半胱
氨酸。
? α -氨基已二酸,是由 α -酮戊二酸与乙酰 CoA的二碳单位
缩合生成高柠檬酸，再经过脱羧、氨基化反应，最后生
成 L-α -氨基己二酸。
? 三肽的合成, L-α -氨基己二酸首先与半胱氨酸缩合形成
二肽，然后 L-缬氨酸的氨基与半胱氨酸的羧基缩合形成
三肽。
? ② β -内酰胺环的形成 。在环化酶（ cyclase，即异青霉
素 N合成酶）催化下，三肽中的酰胺 N原子与 S原子相邻
的 C原子连接进行环化，形成 β -内酰胺环。具体过程目
前尚未完全了解。
? ③噻唑环的形成 。噻唑环的形成过程也还不甚清楚
? ④青霉素 G,6－ APA的形成 。三肽化合物闭环以后，形
成异青霉素 N，它是合成各种青霉素的前体。其中的侧
链是 α -氨基己二酸。它可以被酰基转移酶催化转换成
其他侧链。在发酵液中加入苯乙酸，与 α -氨基己二酸
进行交换后，带上苯乙酸侧链就是青霉素 G。异青霉素 N
被青霉素酰化酶催化使侧链裂解生成 6－ APA。它是合成
各种半合成青霉素的主要原料。
? （ 2） 头孢菌素 C的合成
? 头孢菌素 C（ 即先锋霉素 ） 由头孢菌 （ Cephalsporium
salomosynnemata） 产生, 其结构与青霉素相似, 它是由酰
基侧链和 7-氨基头孢烷酸 （ 7-ACA） 组成 。 7-ACA结构中含有
一个双氢噻唑环 （ A） 和一个 β -内酰胺环 （ B） 。
? 头孢菌素 C与青霉素具有相同的前体物质。当三肽化合物闭
环后，形成异青霉素 N,其中的 L-氨基己二酸异构为 D型后，
转变成青霉素 N。然后在扩环酶 （ expandase，即脱乙酰氧
头孢素 C合成酶）催化下，使硫原子和缬氨酸的一个甲基之
间脱氢，形成双氢噻唑环，即脱乙酰氧头孢素 C。再在加氧
酶、乙酰转移酶作用下，最后合成头孢菌素 C 。
（二）氨基糖苷类抗生素的生物合成
? 氨基糖苷类抗生素（ amino glycoside antibiotics）是
一类分子中含有一个环己醇配基，以糖苷键与氨基糖（或
中性糖）相结合的一类广谱抗生素，以链霉素为代表，其
他常见的还有庆大霉素、卡那霉素、新霉素、阿普霉素、
潮霉素、春雷霉素和核糖霉素等。
? 不同的氨基糖苷类抗生素分子中含有不同的氨基环醇，其
中主要有 2-脱氧链霉胺、链霉胍和 actinamine。这些氨基
环醇均源自葡萄糖，通
过一个共同的中间体和
不同的途径获得其结构。
链霉素是由链霉胍、链
霉糖和 N-甲基 -L-氨基葡
萄糖胺三部分组成。
? 链霉胍的合成途径
? 二氢链霉糖生物合成途径
? 由 D-葡萄糖形成 N-甲基 -L-葡萄糖胺的假设途径
? 链霉素的的生物合成
? （三） 四环素类抗生素的生物合成
? 四环类（ tetracyclines）抗生素是以四骈苯
（萘并萘）为母核的一类有机化合物，包括四
环素、土霉素、金霉素以及一些衍生物。
? 合成四环素的起始化合物是 丙二酰胺辅酶 A，
它同 8个丙二酰辅酶 A分子重复缩合、脱羧，形
成一个直链化合物 β -多酮次甲基链（ β -
polyketothylene chain），然后经过重复闭
环等反应，形成四环类抗生素。
四
环
素
族
抗
生
素
生
物
合
成
途
径
? 丙二酰辅酶 A可能是葡萄糖通过磷酸烯醇
式丙酮酸盐经羧化作用形成草酰乙酸, 再
氧化脱羧为丙二酰辅酶 A而形成的；
? 氯 来源于培养基中的氯离子, 氨基 可能来
源于谷氨酸, 甲基 来源于蛋氨酸
? 金霉菌从葡萄糖开始合成金霉素, 约有二
十多步酶反应, 考虑到可能存在的竞争和
平行反应, 则可能增加至约 300步酶反应,
生物合成全过程包括 70多个中间体 。
? （四） 聚酮类化合物的生物合成
? 从生物合成的角度由 低级脂肪酸聚合 而
成的具有长碳链结构的化合物，称为聚
酮类化合物（包括大环内酯类、安莎类、
聚醚类、蒽醌类等抗生素和一些真菌毒
素）。其中抗生素的典型代表有红霉素、
雷帕霉素、利福霉素、螺旋霉素、制霉
菌素、柔红菌素等 。
? 聚酮类化合物生物合成的基本过程是，由 低级
脂肪酸 （乙酸、丙酸、丁酸）等经活化后，以
丙二酰、丙酰或甲基丙二酰辅酶 A的形式，由
酰基携带蛋白（ ACP）介导经聚酮缩合酶将碳
链不断延长，最后由硫酯酶催化进行碳链的环
化形成 聚酮体内酯 （在碳链的延长过程中可伴
随着还原、脱水等反应，导致聚酮内酯环中酮
基或烯键的形成 ）。聚酮内酯环形成后再进
行 配糖体的糖苷化、内酯环不同 C位的甲基化、
羟基化或糖分子 C位上的酰基化 等不同修饰。
? 1,大环内酯抗生素的生物合成
? 大环内酯抗生素又可分为非多烯类和多烯类
? 前者有 12元环的：酒霉素和新酒霉素；
14元环的：红霉素、竹桃霉素、蓝卡霉
素、苦霉素、巨大霉素；
16元环的：柱晶白霉素、交沙霉素、针
棘霉素、螺旋霉素、碳霉素、麦里多霉素；
? 后者有制霉菌素、两性霉素、鲁斯霉素、匹马
菌素等。
? 红霉素 A,B,C,D的详细结构
? 21个碳原子的红霉内酯是七个丙酸单位通过聚合作用形
成的。 α -甲基丙二酸也可作红霉素内酯的一个前体。用
[14C]甲基丙二酸进行实验说明红霉内酯生物合成是由一
分子的丙酸 CoA打头，依次接上 6分子 2-甲基丙二酰 CoA。
? ①酰基 CoA亚单位的形成
? 丙酸 -----→ 丙酸磷酸 -------→ 丙酰 CoA＋ Pi
? 高产菌株的丙酸激酶对丙酸的 Km值较低。这一步活化作
用可能是红霉素生物合成的限制步骤。
? ②羧化和转羧基反应
? 丙酸激酶 酰基转移酶
Ⅰ — 激酶
Ⅱ — 硫酯酶
Ⅲ — 酰基 CoA羧化物
Ⅳ — 羧基转移酶
③ 红霉内酯的形成及后期转化
? 大环内酯合成酶能将标记的丙二酰 CoA和 2-甲基丙二
酰 CoA结合到 6-去氧红霉内酯 B中。红霉素生物合成的
最后几步是红霉素内酯与两种脱氧糖形成一糖苷，并
进行甲基化，最终形成具有生物活性的红霉素。括号
表示红霉素糖苷配基，数字表示内酯碳的排列。
Eb— 红霉素内酯 B；
Ea— 红霉素内酯 A；
M— 碳霉糖
（五） 多肽类化合物的生物合成
? 许多次级代谢产物是氨基酸的衍生物, 它们或者是纯
粹以氨基酸作为组成的化合物, 或者是氨基酸与其他
代谢物 （ 糖, 脂肪酸 ） 相结合的产物, 或者是一个或
几个氨基酸的衍生物相结合的产物, 它们总称为多肽
类或环肽化合物 。 已经知道在次级代谢产物的生物合
成中肽键的形成有三种方式,
? ① 通过简单的酶偶联形成至多 5个氨基酸的短链多肽
（谷胱甘肽、肽聚糖）；② 通过多酶复合体合成非核
糖体合成的长链多肽（包括大约 50个氨基酸）；③ 通
过核糖体合成的机制。
? （ 1） 非核糖体介导的肽类化合物的合成
? 利用多酶复合体系合成的寡肽（作为一种重要的机
制），如短杆菌肽（ gramicidins）、细菌素
（ bactitracin）和短杆菌酪肽（ tyrocidin）及真菌
次级代谢产物，如恩链孢菌素（ enniatins）和环孢菌
素（ cyclosporins） 。由多酶体系的多功能基因所控
制的,非核糖体形成机制的这种特性有利于低分子量
多肽的结构多样性的特殊方式，而这些多肽就是许多
微生物形成的次级代谢产物。
? （ 2） 核糖体介导的肽类化合物的合成
? 由核糖体介导生物合成的肽类次级代谢产物具有
多种生物活性，一般分子量较大，如抗菌的乳链菌肽、
枯草菌素、乳酸菌肽、抗病毒的肉桂霉素。这类化合
物生物合成是由核糖体介导的肽类化合物的组成氨基
酸是由基因直接编码的，与一般蛋白质的合成相同。
