七抗生素的發(fā)酵機(jī)制

1、廣義抗生素：①由微生物產(chǎn)生的抗菌及抗其他病原微生物的物質(zhì)；②與微生物產(chǎn)物相同的化學(xué)合成物。即首先發(fā)現(xiàn)于微生物代謝物中，如氯霉素；③以微生物產(chǎn)物為原料，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)所得的衍生物或鹽類；④由以上三種來源的驅(qū)蟲物質(zhì)。現(xiàn)代抗生素定義：一切由某些微生物產(chǎn)生的，能抑制微生物和其他細(xì)胞增殖的化學(xué)物質(zhì)。,雖然青霉素對(duì)感染產(chǎn)生了不可思議的作用，但肺結(jié)核仍然是當(dāng)時(shí)棘手的絕癥。直到1952年，瓦克斯曼發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)能夠有效治療人類肺結(jié)核的藥物——鏈霉素

2、，從而對(duì)肺結(jié)核的治療邁出一大步。隨后，氯霉素（1947年）、新霉素（1949年）、土霉素（1950年）、紅霉素（1952年）、四環(huán)素（1953年）、頭孢菌素（1959年）、喹諾酮類（1980年）……也都相繼被發(fā)現(xiàn)。在一段時(shí)期內(nèi),人們?cè)毡檎J(rèn)為，人類健康將不再受到嚴(yán)重的細(xì)菌感染的威脅。由細(xì)菌引起的疾病，如結(jié)核病、肺炎、淋病以及其它疾病都能夠被至少一種抗生素治愈。,時(shí)過境遷，現(xiàn)在有越來越多的由新型細(xì)菌感染所造成的死亡病例，而我們對(duì)這些

3、病例出現(xiàn)的預(yù)警機(jī)制還很不完善，這是一個(gè)不容忽視且令人痛心的問題加拿大魁北克省舍布魯克大學(xué)附屬醫(yī)院的專家日前透露，從2003年年初至今，一種普通的腸道細(xì)菌——梭狀芽孢桿菌歷經(jīng)兩年變異，已成為致命的“超級(jí)病菌”，它可引起65歲以上老年人和服用抗生素的病人產(chǎn)生嚴(yán)重痢疾，并最終致死。該病菌已使這家醫(yī)院的100名病人死亡，如不采取緊急行動(dòng)，這種“超級(jí)病菌”很可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)致命傳染病的蔓延。,最近幾年出現(xiàn)了一批抗萬古霉素的新型致病菌。這些抗性菌

4、株常常居住在醫(yī)院的病房中，造成了越來越多難以治愈的醫(yī)源性傳染病的發(fā)生。對(duì)抗萬古霉素菌種的自然選擇作用，普遍認(rèn)為是由動(dòng)物飼料中相關(guān)抗生素的廣泛使用所造成的。目前，傳染病專家們已經(jīng)開始敦促醫(yī)院進(jìn)一步健全衛(wèi)生服務(wù)體系，并向議員們施壓，出臺(tái)相關(guān)的法律，禁止在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上使用抗生素。研究人員也已經(jīng)修改了萬古霉素的部分化學(xué)結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出若干類萬古霉素衍生物，以期殺滅對(duì)萬古霉素有抗性的細(xì)菌。,分類：β-內(nèi)酰胺類抗生素 氨基糖苷類抗生素大環(huán)內(nèi)酯類

5、抗生素 氯霉素類抗生素 四環(huán)素類抗生素 其他類抗生素,1、β-內(nèi)酰胺類抗生素1）青霉素 青霉素在臨床上主要用于治療葡萄球菌傳染癥如腦膜炎、化膿癥、骨髓炎等，溶血性鏈球菌傳染癥如腹膜炎、產(chǎn)褥熱，以及肺炎、淋病、梅毒等。 已有的研究認(rèn)為，青霉素的抗菌作用與抑制細(xì)胞壁的合成有關(guān)。 革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁的組成是肽聚糖占細(xì)胞壁干重的50％～80％（革蘭氏陰性菌為1％～10％）、磷壁酸質(zhì)、脂蛋白、多糖和蛋白質(zhì)。其中肽聚糖是一種

6、含有乙?；咸烟前泛投屉膯卧木W(wǎng)狀生物大分子，在它的生物合成中需要一種關(guān)鍵的酶即轉(zhuǎn)肽酶。青霉素作用的部位就是這個(gè)轉(zhuǎn)肽酶。,由青霉菌所產(chǎn)生的一類抗生素類物質(zhì)總稱為青霉素。青霉素發(fā)酵液中含有5種以上天然青霉素（如青霉素F、G、X、K、F和V等），它們的差別僅在于側(cè)鏈R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同，其中青霉素G在醫(yī)療中用得最多，它的鈉或鉀鹽為治療革蘭氏陽(yáng)性菌的首選藥物，對(duì)革蘭氏陰性菌也有強(qiáng)大的抑制作用。青霉素的結(jié)構(gòu)通式可表示為（見下頁(yè)）,2）半合成青霉素

7、 氨芐青霉素和羥氨芐青霉素這樣的抗生素是以天然抗生素為原料，經(jīng)過“加工”（即化學(xué)或生化反應(yīng)）而得到的，所以稱為半合成抗生素。自1959年以來，各國(guó)報(bào)道的半合成青霉素已達(dá)上千種。,3）頭孢菌素： 是以冠頭孢菌培養(yǎng)得到的天然頭孢菌素C作為原料，經(jīng)半合成改造其側(cè)鏈而得到的一類抗生素。常用的約30種，按其發(fā)明年代的先后和抗菌性能的不同而分為一、二、三、四代。 第1代頭孢菌素：60年代初開始上市的，包括頭孢噻吩、頭孢唑啉、頭孢氨芐

8、等特點(diǎn)：對(duì)G+菌較強(qiáng)；β-內(nèi)酰胺酶較差；有腎毒性；,第2代頭孢菌素：頭孢孟多、頭怨呋辛、頭孢克洛等；特點(diǎn)：對(duì)G+菌，G-菌均有效，對(duì)綠膿桿菌無效；β-內(nèi)酰胺酶較穩(wěn)定； 腎毒性低；第3代頭孢菌素：噻肟頭孢、頭孢哌酮、頭孢他定等；特點(diǎn)：對(duì)G+菌，G-菌均有效，對(duì)綠膿桿菌有效；β-內(nèi)酰胺酶較高穩(wěn)定性；基本無腎毒性；,笫四代頭孢菌素： 第三代頭孢菌素對(duì)革蘭陽(yáng)性菌的作用弱，不能用于控制金黃色葡萄球菌感染。近年來發(fā)現(xiàn)一些新品種如頭孢

9、匹羅等，不僅具有第三代頭孢菌素的抗菌性能，還對(duì)葡萄球菌有抗菌作用，稱為第四代頭孢菌素。,青霉素G,半合成青霉素—阿莫西林（羥氨芐青霉素）,頭孢菌素,2、氨基糖苷類抗生素 鏈霉素發(fā)明于1944年。它的抗結(jié)核桿菌的特效作用，開創(chuàng)了結(jié)核病治療的新紀(jì)元。從此，結(jié)核桿菌肆虐人類生命幾千年的歷史得以遏制。 　　    鏈霉素是一種從灰鏈霉菌的培養(yǎng)液中提取的抗菌素。屬于氨基糖甙堿性化合物，它與結(jié)核桿菌菌體核糖

10、核酸蛋白體結(jié)合，起到了干擾結(jié)核桿菌蛋白質(zhì)合成的作用，從而殺滅或者抑制結(jié)核桿菌生長(zhǎng)的作用。,卡那霉素：硫酸卡那霉素是一種氨基糖苷類抗生素。對(duì)多數(shù)腸桿菌科細(xì)菌如大腸埃希菌、克雷伯菌屬、腸桿菌屬、沙門菌屬、枸櫞酸桿菌屬等均有良好抗菌作用；腦膜炎球菌、淋球菌等對(duì)本品也大多敏感。 慶大霉素：主要用于治療嚴(yán)重革蘭陰性桿菌感染，如敗血癥、肺炎、腦膜炎及骨髓炎等，常與β-內(nèi)酰胺類或其他抗菌藥聯(lián)合用藥，但不應(yīng)置于同一容器中混合使用。 巴龍霉素；核糖

11、霉素；新霉素等,3、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素十四元大環(huán)的抗生素：紅霉素 琥乙紅霉素 羅紅霉素十六元大環(huán)的抗生素：麥迪霉素 交沙霉素 螺旋霉素 乙酰螺旋霉素 白霉素等,紅霉素：由鏈

12、霉素產(chǎn)生，是一種堿性抗生素。其游離堿供口服用，乳糖酸鹽供注射用?？咕V與青霉素相似，且對(duì)支原體，衣原體，立克次體等及軍團(tuán)菌有抗菌作用。適用于支原體肺炎、沙眼衣原體引起的新生兒結(jié)膜炎、嬰兒肺炎、生殖泌尿道感染(包括非淋病性尿道炎)、軍團(tuán)菌病、白喉(輔助治療)及白喉帶菌者、皮膚軟組織感染、百日咳、敏感菌(流感桿菌、肺炎球菌、溶血性鏈球菌、葡萄球菌等)引起的呼吸道感染(包括肺炎)、以及淋病、梅毒、痤瘡等。,乙酰螺旋霉素：為螺旋霉素的乙?；?/p>

13、生物，屬16元環(huán)大環(huán)內(nèi)酯類。對(duì)金黃色葡萄球菌、肺炎鏈球菌、化膿性鏈球菌、糞腸球菌等革蘭陽(yáng)性球菌具良好抗菌作用。對(duì)李斯特菌屬、卡他莫拉菌、淋病奈瑟菌、胎兒彎曲菌、流感嗜血桿菌、嗜肺軍團(tuán)菌、百日咳桿菌、擬桿菌屬、產(chǎn)氣莢膜桿菌、痤瘡丙酸桿菌、消化球菌和消化鏈球菌以及衣原體屬、支原體屬、弓形體、隱孢子蟲等亦具抑制作用。,4、氯霉素類抗生素 用于敏感菌引起結(jié)膜炎，角膜炎，眼瞼緣炎及沙眼；外耳道炎。外用治療痤瘡，酒糟鼻，脂溢性皮炎等療效顯

14、著。對(duì)革蘭陰性菌，如沙門菌屬等抗菌作用較強(qiáng)，對(duì)立克次體，衣原體，綠膿桿菌也有抑制作用。,5、四環(huán)素類抗生素四環(huán)素類抗生素是由放線菌產(chǎn)生的一類廣譜抗生素，其結(jié)構(gòu)均為菲烷的基本骨架，該類抗生素已淘汰。,6、其他類抗生素如林可霉素林可霉素又名潔霉素，是由鏈霉菌4-1024所產(chǎn)生的一種抗生素。,第一節(jié) 抗生素的生物合成一、次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系 1.基本概念 初級(jí)代謝：是指微生物合成它們生長(zhǎng)所必需的物質(zhì)，諸如：糖、氨基酸等

15、以及由這些化合物形成的高分子物質(zhì)，如：多糖、蛋白質(zhì)、核酸等的代謝，稱之為初級(jí)代謝。那么，這些化合物統(tǒng)稱之為初級(jí)代謝產(chǎn)物。,次級(jí)代謝：是指微生物在生長(zhǎng)后期進(jìn)行的與他們的生長(zhǎng)無明顯關(guān)系的代謝，這一類的物質(zhì)統(tǒng)稱之為：次級(jí)代謝產(chǎn)物。例如：抗生素、激素、某些酶制劑等。其特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其合成的代謝過程比較復(fù)雜，大部分的合成機(jī)制到目前為止，尚沒有搞清楚。,2、菌體代謝： 許多抗生素等次代謝產(chǎn)物的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級(jí)代謝

16、產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級(jí)代謝產(chǎn)物是以初級(jí)代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，次級(jí)代謝途徑并不是獨(dú)立的，而是與初級(jí)代謝途徑有密切關(guān)系的，如下圖所示：,從上圖可以看出，許多物質(zhì)處于代謝的分叉點(diǎn)上，例如：CH3CO-SCoA，是葡萄糖糖經(jīng)HMP、 EMP生成的中間物質(zhì)，經(jīng)羧化后可形成丙二酰輔酶A，丙二酰輔酶A可用于脂肪酸的合成上，進(jìn)而又可經(jīng)多次重復(fù)縮合、環(huán)化等形成四環(huán)素類或其他抗菌素等次級(jí)代謝產(chǎn)物，而CH3COSCoA又可以進(jìn)入TCA循環(huán)，這類物質(zhì)稱之為：

17、分叉中間體，還有丙酮酸、草酰乙酸、莽草酸等；這些分叉中間體把微生物的次級(jí)代謝和初級(jí)代謝緊密地聯(lián)系起來。,由初級(jí)代謝產(chǎn)物衍生的次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成途徑：表7-2，七種這些次級(jí)代謝途徑中涉及的酶有的是初級(jí)代謝的酶，也有次級(jí)代謝特有的酶；初級(jí)代謝和次級(jí)代謝都受菌體的代謝調(diào)節(jié)，與抗生素合成有關(guān)的初級(jí)代謝途徑受控制時(shí)，次級(jí)代謝產(chǎn)物（抗生素）的合成必然受影響。,3、遺傳代謝：初級(jí)代謝產(chǎn)物：核內(nèi)遺傳物質(zhì)控制；次級(jí)代謝產(chǎn)物：一般核內(nèi)和核外

18、遺傳物質(zhì)控制，少數(shù)只由核內(nèi)遺傳物質(zhì)控制；質(zhì)粒產(chǎn)物：代謝產(chǎn)物的形成取決于由質(zhì)粒產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑。圖7-2次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成與初級(jí)代謝產(chǎn)物的關(guān)系,二、抗生素的生物合成類型 目前世界各國(guó)實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用于醫(yī)療的抗生素約有120多種，其中以β-內(nèi)酰胺類抗生素、四環(huán)素類和氨基糖苷類、大環(huán)內(nèi)酯類為主要抗生素。也可以劃分為： 1.蛋白質(zhì)衍生物；1）簡(jiǎn)單的氨基酸衍生物：如環(huán)絲氨酸等 2）寡肽抗生素：如青霉素、頭孢菌素等

19、3）多肽類抗生素：如桿菌肽等 4）多肽大環(huán)內(nèi)酯類抗生素：如放線菌素等 5）含嘌呤和嘧啶堿基的抗生素：如嘌呤霉素等,2.糖衍生物；1）糖苷類抗生素：如鏈霉素等 2）與大環(huán)內(nèi)酯連接的糖苷類抗生素：如紅霉素等 3）其他糖苷抗生素：如新生霉素等3.以乙酸為單位的衍生物；1）乙酸衍生物的抗生素：如四環(huán)類抗生素等 2）丙酸衍生物的抗生素：如紅霉素等 3）多烯和多炔類抗生素：如制霉素等,三、幾種抗生素的生物合成：1、青霉素G、頭

20、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 + 頡氨酸 異青霉素N 6-APA 青霉素G6-APA（6氨基青霉烷酸）：β-內(nèi)酰胺類抗生素的重要中間體。,,,,三肽合成酶、異青霉素合成酶,?；D(zhuǎn)移酶,青霉素?；?6-APA,2,青霉素G,,,,,半胱氨酸,頡氨酸,苯乙?；?2）頭孢菌素C的合成：a-氨基己二酸 + 半胱氨酸 + 頡氨酸

21、 異青霉素N 青霉素N 頭孢菌素C,,,,擴(kuò)環(huán)、羥化、轉(zhuǎn)乙酰、消旋,三肽合成酶、異青霉素合成酶,異構(gòu)酶,2、鏈霉素的生物合成：鏈霉素是有鏈霉胍、鏈霉糖和N-甲基-L-氨基葡萄糖組成的三糖。1）鏈霉胍的生物合成：如圖7-6D-葡萄糖 環(huán)己六醇-1-磷酸酯 肌-環(huán)己六醇 鏈霉胍,,,,2）鏈霉糖的生物合成：由葡萄糖合成，如圖7-7，dTDP-葡萄糖經(jīng)分子內(nèi)重排反

22、應(yīng)，最后轉(zhuǎn)化為二氫鏈霉糖。3） N-甲基-L-氨基葡萄糖的生物合成：如圖7-8假設(shè)途徑，由D-葡萄糖經(jīng)一系列反應(yīng)，最后合成N-甲基-L-氨基葡萄糖。最后由上面三部分合成鏈霉素。,3、紅霉素的生物合成：大環(huán)內(nèi)酯類抗生素是以12～18元環(huán)骨架的大環(huán)內(nèi)酯為母體，通過羥基，以苷鍵和1～3個(gè)分子的糖或二甲氨基糖相聯(lián)結(jié)的一類結(jié)構(gòu)相似的抗生物質(zhì)。,紅霉素A結(jié)構(gòu)式,紅霉素的生物合成反應(yīng)過程：丙酰-SCoA + 6 二甲基丙二酰-SCoA

23、 多聚β-酮中間體 紅霉素內(nèi)酯B 紅霉素D 紅霉素B 紅霉素C 紅霉素A,,,,,,,第二節(jié) 抗生素生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制 次級(jí)代謝物的合成是在酶的控制下完成的，因而實(shí)際上也是微生物基因表達(dá)的結(jié)果，至于何時(shí)合成次生代謝物，這實(shí)際上涉及微生物基因表達(dá)調(diào)控的問題。 兩種調(diào)節(jié)機(jī)制： 1）微生物生成一種誘導(dǎo)劑或激活劑，以啟動(dòng)

24、抗生素的生物合成； 2）由一個(gè)小分子物質(zhì)作為輔助阻遏劑或抑制劑，阻遏或抑制抗生素的合成酶的形成。,一、細(xì)胞生長(zhǎng)期到抗生素產(chǎn)生期的過渡：次級(jí)代謝產(chǎn)物的生成：菌體生長(zhǎng)達(dá)到相對(duì)靜止期才開始，在細(xì)胞正常生長(zhǎng)階段，抗生素合成酶處于抑制狀態(tài)。抗生素合成酶基因被阻遏的（可能）原因：1）生長(zhǎng)達(dá)到相對(duì)靜止期出現(xiàn)一種誘導(dǎo)因子；2）初級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)次級(jí)代謝的阻遏作用被解除；3）糖的分解代謝產(chǎn)物對(duì)抗生素的合成有阻遏作用，但當(dāng)分解代謝產(chǎn)物被消耗后，阻

25、遏解除；4）抗生素的合成受ATP阻遏，當(dāng)ATP減少后，阻遏解除；5）RNA聚合酶在生長(zhǎng)后期啟動(dòng)抗生素合成酶的轉(zhuǎn)錄。,二、酶的誘導(dǎo)作用：結(jié)構(gòu)基因編碼控制酶的產(chǎn)生，在沒有酶底物時(shí)無活性，當(dāng)加入底物時(shí)，結(jié)構(gòu)基因開始表達(dá)酶，這一過程稱為“誘導(dǎo)”。如麥角菌在色氨酸刺激下，產(chǎn)生生物堿，色氨酸類似物對(duì)生物堿的合成也有同樣的刺激作用，研究表明，色氨酸及類似物誘導(dǎo)合成了生物堿合成的第一個(gè)酶—二甲基烯丙基-色氨酸合成酶。,三、分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制

26、：現(xiàn)象：葡萄糖的分解和利用減少了抗生素的生物合成，即青霉素發(fā)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 + 頡氨酸 a-AA-Cys-Val（三肽） 異青霉素N 6-APA 青霉素G,三肽合成酶,,,,抑制,,,,解除分解產(chǎn)物阻遏的方法：1）選育對(duì)葡萄糖類似物抗性突變型；2）在培養(yǎng)過程中避免分解產(chǎn)物阻遏，如使用緩慢的碳源，連續(xù)流加葡萄糖，

27、保持低濃度葡萄糖等。,四、磷酸鹽的調(diào)節(jié)：高濃度的磷酸鹽對(duì)多種抗生素有阻遏和抑制作用，如鏈霉素、金霉素等?？赡艿臋C(jī)制有：1）磷酸鹽抑制抗生素生物合成途徑中有關(guān)酶的活力，如磷酸鹽抑制鏈霉素磷酸酯酶，從而抑制鏈霉素合成；2）磷酸鹽可改變代謝途徑，過量磷酸鹽能促使葡萄糖代謝由HMP途徑向EMP轉(zhuǎn)變，從而減少抗生素的芳香族前體的合成。,五、NH4+的抑制作用：高濃度的無機(jī)氨態(tài)氮會(huì)促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，但抑制抗生素合成。因此，在青霉素、鏈霉素

28、等發(fā)酵中，黃豆粉是好的氮源。,六、初級(jí)代謝調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的作用：許多次級(jí)代謝產(chǎn)物來自初級(jí)代謝的關(guān)鍵中間體。如青霉素的生物合成，需要L-頡氨酸原料， L-頡氨酸的合成如圖7-13。 L-頡氨酸反饋抑制乙酰羥酸合成酶，影響青霉素的合成。選育乙酰羥酸合成酶對(duì)L-頡氨酸不敏感的菌株，增加青霉素的產(chǎn)量。,七、次級(jí)代謝的反饋抑制：許多抗生素能抑制自身的合成。如氯霉素能阻遏芳香胺合成酶（從分枝酸到氯霉素合成途徑中的第一個(gè)酶）；青霉素能反饋抑制

29、?；D(zhuǎn)移酶，卡那霉素阻遏卡那霉素乙?；浮?八、次級(jí)代謝的能荷調(diào)節(jié)：能荷定量： ATP+1/2ADP/(ATP+ADP+AMP)高能荷抑制一些次級(jí)代謝酶，影響次級(jí)代謝產(chǎn)物生成。如金霉素發(fā)酵，高濃度的磷酸鹽使細(xì)胞內(nèi)ATP增加，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能荷增加而抑制金霉素的合成。,思考題：1.簡(jiǎn)述腺苷酸生物合成的主要過程。2.試述嘌呤核苷酸生物合成過程的特點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述尿苷酸生物合成的主要過程。4.簡(jiǎn)述青霉