聚酮化合物及其组合生物合成
作者：孙宇辉邓子新时间：2007-11-22 11:03:00
【关键词】聚酮化合物；,,聚酮合酶；,,组合生物合成
摘要：聚酮化合物的组合生物合成是当前国际化学与生物学交叉学
科研究的热点之一，也正在发展成为药物创新超常规的重要手段。本文对近十
年来聚酮化合物，特别是I型聚酮化合物的组合生物合成的常用技术和方法学
发展进行了回顾和展望。
关键词：聚酮化合物；聚酮合酶；组合生物合成
ABSTRACT Polyketide compounds and their biosynthesis by combinatorial approaches had received great attention as a crossdisciplinary subject in a new filed of chemical biology for its importance and great potential to create brand new drug in future. In this review, we hope to summarize methods and technologies which had been developed over past ten years or so for the imaginative
discovery of novel polyketide compounds by combinatorial biosynthesis, which incorporate genetic, chemical and biochemical, bioinformatic
and biotechnological approaches.KEY WORDS Polyketide; Polyketide synthase; Combinatorial biosynthesis
1 聚酮化合物及其聚酮合酶
聚酮化合物是一大类由细菌、真菌和植物将低级羧酸通过连续的缩合反应产
生的天然产物，它包括许许多多具有抑制细菌(如红霉素、四环素)、真菌(如灰黄霉素、两性霉素)、寄生虫(如avermectin、奈马克丁)、癌症(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同时还具有免疫抑制剂的
活性(如雷帕霉素、FK506)，它被广泛地应用于医药、畜牧和农业。如今，这一化合物越来越为人们所重视，这主要是由于该化合物具有：(1)无可比拟的生物学活性使之具有巨大的新药物开发潜力和商业价值，聚酮化合物所形成的药物
已用于几乎所有重要的疾病治疗，每年的销售额超过了100亿美元；(2)独特的结构和合成机制为人们研究酶催化的分子机制、分子识别和蛋白质的相互作用
提供了空前的契机；(3)聚酮合酶所具有的可塑性可以使人们方便地通过组合生物合成手段来获得新的化合物［1］。目前已发现了不少于10000种聚酮化合
物，而由之衍生出的新产物更是难以记数。聚酮化合物是功能和结构最多样化的天然产物之一，它们的合成包括酰基辅酶A活化羧酸的一系列重复的醇醛缩合而形成有一定长度的聚酮链骨架，然后经过环化或者芳香化、或者与脱氧糖等结构单位连接等过程。尽管聚酮化合物的结构和特性千差万别，总的来说它可以分为两大类：芳香族聚酮化合物和复合聚酮化合物。前者是乙酸通过缩合(起始单位除外)形成的大部分β酮基在酰基链的延伸和完成后都一直保持非还原状态，经过折叠和醇醛缩合形成六元环，芳香环随后被脱水还原，如放线紫红素、柔红霉素、四环素。复合聚酮化合物比芳香族聚酮化合物在结构变化上大的多，其构成单位有乙酸、丙酸和丁酸等，而且由于与芳香族聚酮化合物在合成化学、β酮基还原过程、侧链的空间位阻上的本质差别，许多不经过折叠和芳香化，而是通过内酯化成环，还有一部分仍保持酰基链，如大环内酯抗生素红霉素和螺旋霉素、抗真菌抗生素雷帕霉素和两性霉素、聚醚类抗生素莫能霉素和南昌霉素、抗寄生虫抗生素avermectin等。聚酮化合物是通过聚酮合酶(polyketide synthase,PKS)催化形成的，其催化过程类似于脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FAS)催化的脂肪酸生物合成，即通过酰基CoA活化的底物之间的重复脱羧缩合而合成［2，3］，但两者在合成单位的选择(包括起始单位和延伸单位)、链装配过程中每个酮基还原程度的控制、以及芳香聚酮或复合聚酮链长的决定等方面也存在着明显的差异，主要体现在：(1)FAS一般以乙酸作为起始单位，而PKS往往使用不同的起始单位，最为常用的有乙酸、丙酸，此外还有丁酸，杀假丝菌素使用的对氨基苯甲酸等，而avermectin所利用的起始单位可多达40余种；(2)FAS一般只用乙酸为链延伸单位，而PKS除了利用乙酸作
为链伸长单位外，还可利用丙酸或丁酸，在终产物中相应生成甲基或乙基侧链；(3)PKS可以通过酮基选择性地还原和脱水，从而在终产物的相应位置形成酮基、羟基、双键或亚甲基等功能团，同时也决定了手性中心的立体化学构型。目前已经揭示的聚酮合酶可以分为三类：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型［4］。研究和报道最多和较为透彻的是Ⅰ型PKS，它是由几个多功能的多肽组成，每一个多
肽上都分别携带有参与聚酮生物合成所必需的各种酶的结构域(domain)，每个结构域只参与整个聚酮碳链构建中的一步生化反应(noninterative)，而参与一轮聚酮生物合成反应的所有结构域称为一个合成酶单位(SU,synthase unit)，编码这个合成酶单位的DNA称为一个模块(module)。Ⅰ型模块结构的PKS就犹如在轨道上行驶的一列火车，在起点由特定的“搬运工”――酰基转移酶(acyl transferase,AT)把不同的起始单位装车后，通过“装配工”――酮脂酰ACP合成酶(ketoacylACP synthase,KS)经过缩合反应将不同的“原料”――羧酸起始或延伸单位进行组装，随着火车的运行，不断地从一个“停靠装配站”――酰基载体蛋白(acyl carrier protein,ACP)到下一个，聚酮链也不断地得到延伸，中途根据模块组成的不同和指令要求，在其它不同的“特殊工种装配工”――脱水酶(dehydratase,DH)、烯醇还原酶(enoyl reductase,ER)的作用下相应地进行还原(形成β羟酯键)或脱水(形成α,β烯醇酯键)或进一步还原(形成饱和的亚甲基)，直至到达终点，在“装卸工”硫酯酶(thioesterase,TE)的帮助下，完成最后的工序并将聚酮前体产物从PKS上卸载下来。这种PKS模块结构的发现有其非同寻常的意义。尽管各种聚酮化合物结构各异，PKS模块
的底物特异性决定了I型PKS对起始单位和延长单位的选择，而PKS每个模块上还原结构域的种类则使聚酮产物得到不同程度的还原。复合聚酮化合物结构的多样性来自聚酮骨架组成单位的多样性和每个碳单位的不同还原程度，这意
味着聚酮抗生素的结构具有相当大的可塑性，故可通过模块内或模块间的合理重组，设计出新基因(簇)组成或新的生物合成途径，这也是I型PKS作为组合生物学主要研究对象的重要原因之一。Ⅱ型PKS是一个多功能酶复合体，只包含一套可重复使用(interative)的结构域，每一结构域在重复的反应步骤中被多次地用来催化相同的反应，其首次报道是在1984年［5］。以来自
S.glaucescens的芳香族聚酮化合物tetracenomycin C研究的较多［6］，尽管已经发现了影响链长的两个链长决定因子(CLF)KSα和KSβ，但确切机制仍然不是十分清楚。对Ⅱ型PKS的研究近年来也取得了一些进展，如Bao等［7］对柔红霉素产生菌S.peucetius的研究结果显示，dpsC基因决定了生物合成的起始单位，DpsC专一性地使用丙酰CoA为起始单位，一般来说，Ⅱ型PKS的起始单位均为乙酰CoA。另外，Bisang等［8］找到了Ⅰ型PKS和Ⅱ型PKS的链长因子之间的共同点，这是Ⅰ型和Ⅱ型PKS有机联系的一个切入点。他们发现Ⅰ型PKS的KSQ(被认为可能是Ⅰ类PKS的链长因子)及Ⅱ型PKS的CLF和Ⅰ型PKS 的KS结构域类似，惟一的区别是KS的活性中心残基半胱氨酸被高度保守的谷氨酰胺代替，这个氨基酸对这一结构域的脱羧酶活性以及聚酮化合物的合成具有重要的作用。和Ⅰ型PKS相比较，Ⅱ型PKS在起始单位和延长单位的选择方面变化不大，所以它的结构多样性主要是来自于聚酮合成后的修饰步骤。1999年，日本东京大学的Funa等［9］发现了一种类似苯基苯乙烯酮合成酶的
PKS(chalcone synthaselike PKS)――RppA，后来被称为Ⅲ型PKS。RppA是一个在链霉菌中发现的与芳香族聚酮化合物苯基苯
乙烯酮合成相关的酶，它是一种同二聚体酶并可重复进行缩合反应(interative)，催化芳香族聚酮化合物淡黄霉素(flavolin)生物合成。催化苯基苯乙烯酮(许多黄酮类化合物的前体物)形成的苯基苯乙烯酮合成酶被认为是植物所特有的，然而来自S.griseus的rppA基因所编码的一个372个氨基酸的蛋白却与苯基苯乙烯酮有着很大的同源性，它以丙酰CoA作为起始物，进行4个延伸反应将五肽释放和环化成为1，3，6，8四羟基萘(THN)，THN将会被氧化成淡黄霉素，然后聚合成各种有色的化合物。由RppA催化合成的THN不仅是黑色素还是各种含萘醌环的次级代谢产物的中间产物。Ⅲ型PKS和其它两种PKS迥然不同，它们不依赖于作为酰基载体的ACP及其上的4′磷酸泛酰巯基乙胺。Ⅰ型和Ⅱ型PKS常常通过ACP活化酰基CoA的底物，而Ⅲ型PKS直接作用于酰基CoA活化的简单羧酸。尽管结构和机制不相同，但所有类型的PKS都是通过酰基CoA的脱羧缩合和KS结构域或亚基催化CC键的形成。在进化关系上Ⅲ型PKS与其它PKS及已知的FAS也相距甚远。在过去的十年里，随着生物合成基因簇克隆方法学的创新以及DNA测序技术和生物信息学的不断发展和研究成果的不断积累，人们对于PKS的认识越来越全面，也越来越深入，但人们不禁还是想知道我们究竟对PKS了解多少？如今越来越多的报道显示Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型PKS并不能完全囊括不断涌现出的新的聚酮合酶［4］。从结构的角度来看，有些Ⅰ型PKS的结构域也可以是被重复使用的，如AviM、CalO5、NcsB、SgcE和CalE8等；有些Ⅱ型PKS的结构域也可以是不能被重复使用的，如NonJKPQU；有些PKS似乎是Ⅰ型PKS和Ⅱ型PKS的杂合体，如LnmIJ/LnmG和PedFG/PedCD。从机制的角度来看，有些PKS依赖ACP，而有些PKS不依赖ACP。从合成的角度来看，有些PKS即可以催化形成CC键，也可以催化形成CO 键，如NonJK。也许，我们眼前所发现和利用的PKS只是整个PKS庞大家族中的小小一员，更多更精彩的内容正等待人们去揭示。
2 聚酮合酶的组合
生物合成自从以英国约翰英纳斯中心(John Innes Centre)的David A Hopwood为先驱的研究人员在链霉菌模式菌种――天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)中建立和发展遗传操作系统以来，链霉菌的分子遗传学一直成为国际生命科学领域的一个热点。经过三十年广泛而深入的研究，其中抗生素生物合成基因的克隆在抗生素领域已产生了深远的影响。首先，这些基因的克隆和测序使我们对抗生素的特征有了新的认识，例如，对抗生素生物合成基因成簇排列规律的发现极大地帮助了新基因簇的克隆和分析。现代分子生物学技术使人们对抗生素有了更深入的了解的第二个方面是对聚酮类抗生素的认识。已知抗生素结构种类繁多，然而它们当中的最庞大的一类，包括大环内酯类、聚醚类、多烯类、蒽环类等都是通过聚酮合酶途径合成的，聚酮链合成的底物选择、还原程度和产物的立体化学构型都是由PKS上相应模块中的结构域决定的，每个结构域的功能都一一对应在最终产物的结构上，这种多功能模块化PKS中催化活性中心和化学合成步骤及终产物化学结构的一一对应关系，使得通过编辑生物合成基因来设计杂合产物成为可能，并由此产生出一个崭新的研究领域――聚酮合酶的组合生物学。聚酮合酶的组合生物学就是通过基因工程等相关技术人为地对产生抗生素等微生物次级代谢产物合成途径进行合理的改造，由此产生非天然的杂合基因或基因簇，从而形成新的非天然的天然聚酮化合物，与传统组合化学的主要区别是它是在基因水平上由微生物来合成自然界原本并不存在的新化合物，而且这种化合物的数量是惊人的。可以从理论上来推算一下通过聚酮合酶的组合生物学所衍生的聚酮化合物的潜力
(CP,combinatory potential)［10］。CP=ATL［ATE×4］MATL代表负责加载不同起始合成单位的AT结构域；ATE代表负责加载不同延伸合成单位的AT结构域；4代表由β酮基的经不同结构域催化形成产物的可能性；M代表基因簇中模块的数目。这还不包括AT两种立体化学可能性、KR结构域两种立体化学可能性、加尾酶等其它可能增加产物数量可能性的因素。以一个像红霉素这样典型的包含6个模块的PKS基因簇为例，若含有3种类型的AT(识别加载丙二酰CoA，甲基丙二酰CoA，乙基丙二酰CoA)，那么可能形成的聚酮化合物的理论值就接近10000000，这就为聚酮库的建立奠定了坚实的理论基础。纵览聚酮合酶特别是Ⅰ型PKS组合生物学近十年来的发展，归纳起来采用技术有如下几种［11～32］。
2.1 聚酮合酶中模块的减少聚酮链的构成单位与催化它形成的PKS模块是一一对应的，因此，聚酮链的长度可以通过改变延长单位模块的数目来完成，前提是最后一个模块和环化酶结构域必须能够识别非天然的中间产物。如前所述，在红霉素PKS中，除了融合于模块1中的两个起始加载结构域(ATL和ACPL)和模块6中的TE结构域外，有六个链延伸模块分别位于DEBS1、DBS2和DEBS3中，红霉素合成过程中内酯环的大小由DEBS中模块数决定，利用基因工程方法重新调整TE的位置，使TE重新和一个、两个、三个或五个DEBS模块组合，结果产生了新的截短了的PKS，并合成了预期的二酮、三酮、四酮和六酮化合物，除二酮外，其它的几个聚酮化合物都以内酯环形式存在［18，33～36］(图1)。这些实验表明，环化酶具有较广的底物特异性，它的重新定位可以产生各种链长的聚酮。
2.2 聚酮合酶中模块的增加在基因中添加模块直至2001年才获得成功。Rowe等将来自S.hygroscopicus合成雷帕霉素PKS的模块2、模块5分别插入截短的DEBS1TE模块1和模块2之间，合成了在相应位置多出一个结构单位的四酮化合物；将雷帕霉素PKS的模块2、模块5分别插入全长DEBS的模块1和模块2之间，则合成了多出一个结构单位十六元环的聚酮化合物［36］(图2)。
2.3 聚酮合酶中模块的替换在红霉素DEBS1模块1的N端，存在两个起始加载结构域(ATL和ACPL)，它们负责红霉素合成第一步反应――6dEB生物合成起始物丙酰CoA的选择和加载，因此这两个结构域也被称为起始加载模块(loading module，LM)。已知不同的起始加载模块对底物的选择性不同，avermectin的起始加载模块对起始物要求非常宽松，它可加载多达40余种不同化合物作前体［37］。Marsden用avermectin的起始加载模块取代红霉素的起始加载模块构建的糖多孢红霉菌突变体，通过添加不同的前体合成了新的
C13位为异丙基、2丁基等红霉菌A、B和D衍生物［38］(图3)。Pfeifer用来源于合成利福霉素的起始加载模块替换红霉素的起始加载模块也合成了在C13位结合苯环的红霉菌衍生物［39］(图3)。
2.4 模块中结构域的减少关于PKS基因工程改造的第一例成功的报道就是对红霉素PKS模块5中KR结构域的缺失失活。在红霉素PKS模型提出时，为验证模型的正确性，Donadio等通过同源重组同框缺失DEBS3中模块5的KR5结构域的80个氨基酸，正如预料的那样，突变体合成了新的在C5位是酮基的红霉素衍生物5，6dideoxy3αmycarosyl5oxoerythronolide B［39］(图4)。这不仅证实了6dEB生物合成模型的正确性，还给人们以极大的启示：在DEBS 中结构域的功能和结构是相对应的；DEBS以及6dEB后修饰酶对底物的要求并不十分严格，突变产生的中间产物能被下游的结构域有效的加工利用。另一个类似的实验是针对DEBS2模块4中烯酰基还原酶结构域(ER4)的功能失活，它衍生的大环内酯中C6C7由单键变成了双键［40］(图4)。此外，还有一些关于使结构域功能丧失的成功报道，但主要是集中于与还原功能有关的KR、ER、DH结构域，这是因为它们决定了相应碳单位不同的还原程度，通过改变β酮基的还原程度可以产生更多的杂合聚酮。
2.5 模块中结构域的
增加β酮基的还原程度不但影响聚酮碳骨架的多样性，而且影响内酯化的方式和以羟基为中介进行的其 A：红霉素全长DEBS； B：只包含模块1、2和TE结构域的截短了的红霉素DEBS； C：只包含模块1、2、3和TE结构域的截短了的红霉素DEBS； D：只包含模块1、2、3、4、5和TE结构域的截短了的红霉素DEBS 图1 聚酮合酶中模块减少示意图 A：只包含模块1、2和TE结构域的截短了的红霉素DEBS； B：在截短了的红霉素DEBS模块1、2之间增加了一个来自雷帕霉素PKS的模块2(灰色区)； C：在截短了的红霉素DEBS模块1、2之间增加了一个来自雷帕霉素PKS的模块5(灰色区)；D：红霉素全长DEBS； E：在全长红霉素DEBS模块1、2之间增加了一个来自雷帕霉素PKS的模块2(灰色区)； F：在全长红霉素DEBS模块1、2之间增加了一个来自雷帕霉素PKS的模块5(灰色区) 它官能团与聚酮的结合。KR结构域的增加或KRDH结构域的增加或KRDHER结构域的增加，都有可能影响β酮基的不同程度
的还原而改变其它基团连接以及改变内酯环化的位点。McDaniel等将红霉素PKS的模块2的KR替换为来自于雷帕霉素PKS的模块4的DHKR，相当于模块2比原来多增加了一个DH结构域，使原有的羟基发生了脱水，形成了C=C双键［16］(图5)。同样，Kao等将DEBS模块2的KR替换为雷帕霉素PKS模块l的DHERKR也得到了一个新的八元环化合物。用来自雷帕霉素PKS的模块4的
DH4KR4双结构域(灰色区)替换只包含模块1、2、3和TE的截短了的红霉素DEBS的KR2结构域。
2.6 模块中结构域的替换不同PKS模块选用不同的聚酮链延伸单位，延伸单位的选择是由每个模块的AT结构域控制的，AT结构域的替换也可以导致新的聚酮化合物的产生［41］，例如，用RAPS模块2中具有丙二酰CoA特异性的AT2替代DEBS1TE中模块1中具有甲基丙二酰CoA特异性的AT1，产生了预期的两个新的三酮内 A：只包含模块1、2和TE结构域的截短了的DEBS； B：将avermectin的起始加载模块(灰色区)取代红霉素的起始加载模块； C：红霉素全长DEBS； D：将利福霉素的起始加载模块(灰色区)取代红霉素的起始加载模块图4 聚酮合酶模块中结构域减少示意图图5 聚酮合酶模块中结构域增加示意图酯，这两个新产物在内酯环的C4位都缺少了一个甲基［42］。在另外一个实验中，用丙二酰CoA特异性的三个异源AT结构域来替代甲基丙二酰CoA 特异性的DEBS AT1或AT2结构域，也产生了新的红霉素衍生物。Lin等第一次尝试在全长的PKS中进行结构域的替换，他们将红霉素PKS模块6的甲基丙二酰专一性AT替换成来自于雷帕霉素PKS模块2的丙二酰专一性AT，结果在产物中产生在C2位缺少一个甲基侧链的新化合物(图6)。在6dEB的立体结构中，其羟基有S和R两种构型，而羟基的构型由相应模块中的KR酶域决定，通过替换KR酶域可以改变6dEB的立体结构。例如用雷帕霉素KR2替换红霉素DEBS3中的KR6合成了3位羟基差向异构的6dEB衍生物［22］。
2.7 前体指导下的新聚酮化合物的合成除上述方法外，还可用破坏PKS 模块1的KS结构域活性，再通过添加适当前体合成新的聚酮化合物［43，44］。Jacobsen等尝试了用不同前体产生化合物的构想［44］，他们首先获得了红霉素合成途径中第一步缩合步骤被阻断的突变株，然后再通过外加不同的人工合成的小分子化合物，得到不同的聚酮化合物(图7)。
3 展望
自1990和1991年英国剑桥大学的Peter Leadlay和美国Abbott实验室的Leonard Katz在红霉素生物合成途径中第一次揭示基因和酶所具有的模块特征以来［45，46］，通过遗传工程对模块PKS基因进行可预测的人工改造已被各国研究人员所证实，利用模块或结构域增加、减少、替换等多种组合生物学手段设计和改造基因簇，形成一系列非天然的天然性化合物，在药物创新方面取得了一系列突破，这种突破不仅具有其重要的基础理论的价值，也具有潜在的应用前景，但仍然存在许多未解之谜和艰难挑战值得人们进行更深入研究和探索。一个重要的挑战就在于尽管目前人们可以有的放矢地对PKS模块或结构域进行基因的定向操作，但要面临和解决的问题是这些发生了生物合成途径变化
所产生的新的结构中间体如何被下游的模块或结构域或后修饰基因所“一视同仁”予以接纳而发挥作用？这直接影响整个流水线的顺利运转和最后产量。随着人们的努力，越来越多的呈模块结构的聚酮生物合成途径被发现，但仍然还不清楚哪些模块或结构域必须存在于同一个多肽中才能发挥作用？哪些模块或结构域可以以单个蛋白的形式来发挥功能？在这样一条装配线上，如果可以装配的单个部件越多，那么可以想象通过排列组合所形成的产品的种类就越丰富。尽管如此，某个改造的特定的生物合成途径目前只能产生一个或少数若干个新的产物，它仍然属于低通量，还无法“随心所欲”、“轻而易举”地产生一整套包含多个不同突变的PKS，从而一次性地获得结构特定而且种类繁多的
新的聚酮化合物库，这还有待于人们对聚酮中间物在PKS不同模块之间转运规律的深入揭示。此外，许多聚酮化合物在合成的初期往往是没有生物学活性的，只有当其从PKS装配线上释放下来后经过一系列不同的后修饰，如氧化、糖基化等过程才最终完成。因此，这也为通过组合生物合成创造新产物提供了机会，例如可以通过改造和替换相应的后修饰基因来实现产物创新。除了对现有基因的人为改造之外，人们还在继续从自然界中寻找更多、结构更新颖、活性更特别的新的“原材料”，在这些新的原材料发现的同时，也可能伴随着新的生物合成途径的揭示，这无疑也为新的非天然“天然产物”的创造带来新的设计蓝图。另一个挑战来自于从技术和应用的角度可用于聚酮化合物高效表达的宿主系统的发展和应用。
参考文献
［1］ McDaniel R, EbertKhosla S, Hopwood D A, et al. Engineered biosynthesis of novel polyketides ［J］.
Science,1993,262:1546
［2］ Hopwood D A, Sherman D H. Molecular genetics of polyketides and its comparison to fatty acid biosynthesis ［J］. Annu Rev Genet,1990,24:37
［3］ Katz L, Donadio S. Polyketide synthesis: prospects for hybrid antibiotics ［J］. Annu Rev Microbiol,1993,47:875
［4］Shen B. Polyketide biosynthesis beyond the type Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ polyketide synthase paradigms ［J］. Curr Opin Chem
Biol,2003,7:285
［5］ Malpartida F, Hopwood D A. Molecular cloning of the whole biosynthetic pathway of a Streptomyces antibiotic and its expression in a heterologous host ［J］. Nature,1984,309:462
［6］ Malpartida F, Hallam S E, Kieser H M, et al. Homology between Streptomyces genes coding for synthesis of different polyketides used to clone antibiotic biosynthetic genes ［J］. Nature,1987,325:818
［7］ Bao W, Sheldon P J, Hutchinson C R. Purification and properties of the Streptomyces peucetius DpsC betaketoacyl: acyl carrier protein synthase Ⅲ that specifies the propionatestarter unit for type Ⅱ polyketide biossynthases to produce novel polyket ides ［J］. Curr Opin Biotechnol,1998,9:403
［11］ Leadlay P F. Combinatorial approaches to polyketide biosynthesis ［J］. Curr Opin Chem Biol,1997,1:162
［12］ Walsh C T, Gehring A M, Weinreb P H, et al. Posttranslational modification of polyketide and nonribosomal peptide synthases ［J］. Curr Opin Chem Biol,1997,1:309
［13］ Khosla C. Harnessing the biosynthetic potential of modular polyketide synthases ［J］. Chem Rev,1997,97:2577
［14］ Katz L. Manipulation of modular polyketide synthases ［J］. Chem Rev,1997,97:2557
［15］ Hopwood D A. Genetic contributions to understanding polyketide synthases ［J］. Chem Rev,1997,97:2465
［16］ McDaniel R, Kao C M, Hwang S J, et al. Engineered intermodular and intramodular polyketide synthase fusions ［J］. Chem Biol,1997,4:667
［17］ Cane D E, Walsh C T, Khosla C. Harnessing the biosynthetic code: combinations, permutations, and mutations ［J］. Science,1998,282:63
［18］ Bohm I, Holzbaur I E, Hanefeld U, et al. Engineering of a minimal modular polyketide synthase, and targeted alteration of the stereospecificity of polyketide chain extension ［J］. Chem
Biol,1998,5:407
［19］ Staunton J. Combinatorial biosynthesis of erythromycin and complex polyketides ［J］. Curr Opin Chem Biol,1998,2:339
［20］ Ranganathan A, Timoney M, Bycroft M, et al. Knowledgebased design of bimodular and trimodular polyketide synthases based on domain and module swaps: a route to simple statin analogues ［J］. Chem Biol,1999,6:731
［21］ Keating T A, Walsh C T. Initiation, elongation, and termination strategies in polyketide and polypeptide antibiotic biosynthesis ［J］. Curr Opin Chem Biol,1999,3:598
［22］ McDaniel R, Thamchaipenet A, Gustafsson C, et al. Multiple genetic modifications of the erythromycin polyketide synthase to produce a libr ary of novel “unnatural” natural products ［J］. Proc Natl Acad Sci USA,1999,96:1846
［23］ Carreras C W, Ashley G W. Manipulation of polyketide biosynthesis for new drug discovery ［J］. EXS,2000,89:89
［24］ Floss H G. Antibiotic biosynthesis: from natural to unnatural compounds manipulation of polyketide biosynthesis for new drug discovery ［J］. J Ind Microbiol Biotechnol,2001,27:183
［25］ Rodriguez E, McDaniel R: Combinatorial biosynthesis of antimicrobials and other natural products ［J］. Curr Opin Microbiol,2001,4:526
［26］ Du L, Shen B. Biosynthesis of hybrid peptidepolyketide natural products ［J］. Curr Opin Drug Discov Devel,2001,4:215
［27］ Staunton J, Wilkinson B. Combinatorial biosynthesis of polyketides and nonribosomal peptides ［J］. Curr Opin Chem
Biol,2001,5:159
［28］ Du L, Sanchez C, Shen B. Hybrid peptidepolyketide natural products: biosynthesis and prospects toward engineering novel molecules ［J］. Metab Eng,2001,3:78
［29］ Katz L. Engineering polyketide synthases ［J］. Sci World J,2002,2:127
［30］ Behal V. Hybrid antibiotics ［J］. Folia Microbiol (Praha),2003,48:17
［31］ Liou G F, Khosla C. Buildingblock selectivity of polyketide synthases ［J］. Curr Opin Chem Biol,2003,7:279
［32］ Kealey J T. Creating polyketide diversity through genetic engineering ［J］. Front Biosci,2003,8:c1
［33］ Jacobsen J R, KeatingeClay A T, Cane D E, et al. Precursordirected biosynthesis of 12ethyl erythromycin ［J］. Bioorg Med Chem,1998,6:1171
［34］ Xue Q, Ashley G, Hutchinson C R, et al. A multiplasmid approach to preparing large libraries of polyketides ［J］. Proc Natl Aca
聚酮化合物及其生物合成 摘要：聚酮化合物的生物合成是当前国际化学与生物学交叉学科研究的热点之一，也正在发展成为药物创新超常规的重要手段。合成聚酮类化合物的方法有很多，但应用最多的是组合生物合成方法，因而本文主要是对这种方法的介绍，特别是I型聚酮化合物的组合生物合成的常用技术和方法学发展进行了详细解说。 关键词：聚酮化合物；聚酮合酶；生物合成 一、聚酮化合物及其聚酮合酶 聚酮化合物是一大类由细菌、真菌和植物将低级羧酸通过连续的缩合反应产生的天然产物，它包括许许多多具有抑制细菌(如红霉素、四环素)、真菌(如灰黄霉素、两性霉素)、寄生虫(如avermectin、奈马克丁)、癌症(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同时还具有免疫抑制剂的活性(如雷帕霉素、FK506)，它被广泛地应用于医药、畜牧和农业。如今，这一化合物越来越为人们所重视，这主要是由于该化合物具有：(1)无可比拟的生物学活性使之具有巨大的新药物开发潜力和商业价值，聚酮化合物所形成的药物已用于几乎所有重要的疾病治疗，每年的销售额超过了100亿美元；(2)独特的结构和合成机制为人们研究酶催化的分子机制、分子识别和蛋白质的相互作用提供了空前的契机；(3)聚酮合酶所具有的可塑性可以使人们方便地通过组合生物合成手段来获得新的化合物。目前已发现了不少于10000种聚酮化合物，而由之衍生出的新产物更是难以记数。 聚酮化合物是功能和结构最多样化的天然产物之一，它们的合成包括酰基辅酶A活化羧酸的一系列重复的醇醛缩合而形成有一定长度的聚酮链骨架，然后经过环化或者芳香化、或者与脱氧糖等结构单位连接等过程。尽管聚酮化合物的结构和特性千差万别，总的来说它可以分为两大类：芳香族聚酮化合物和复合聚酮化合物。前者是乙酸通过缩合(起始单位除外)形成的大部分β-酮基在酰基链的延伸和完成后都一直保持非还原状态，经过折叠和醇醛缩合形成六元环，芳香环随后被脱水还原，如放线紫红素、柔红霉素、四环素。复合聚酮化合物比芳香族聚酮化合物在结构变化上大的多，其构成单位有乙酸、丙酸和丁酸等，而且由于与芳香族聚酮化合物在合成化学、β-酮基还原过程、侧链的空间位阻上的本质差别，许多不经过折叠和芳香化，而是通过内酯化成环，还有一部分仍保持酰基链，如大环内酯抗生素红霉素和螺旋霉素、抗真菌抗生素雷帕霉素和两性霉素、聚醚类抗生素莫能霉素和南昌霉素、抗寄生虫抗生素avermectin等。 聚酮化合物是通过聚酮合酶(polyketide synthase，PKS)催化形成的，其催化过程类似于脂肪酸合酶(fatty acid synthase，FAS)催化的脂肪酸生物合成，即通过酰基-CoA活化 的底物之间的重复脱羧缩合而合成，但两者在合成单位的选择(包括起始单位和延伸单位)、链装配过程中每个酮基还原程度的控制、以及芳香聚酮或复合聚酮链长的决定等方面也存在着明显的差异，主要体现在：(1)FAS一般以乙酸作为起始单位，而PKS往往使用不同的起 始单位，最为常用的有乙酸、丙酸，此外还有丁酸，杀假丝菌素使用的对氨基苯甲酸等，而avermectin所利用的起始单位可多达40余种；(2)FAS一般只用乙酸为链延伸单位，而PKS 除了利用乙酸作为链伸长单位外，还可利用丙酸或丁酸，在终产物中相应生成甲基或乙基侧链；(3)KS可以通过酮基选择性地还原和脱水，从而在终产物的相应位置形成酮基、羟基、双键或亚甲基等功能团，同时也决定了手性中心的立体化学构型。 目前已经揭示的聚酮合酶可以分为三类：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。研究和报道最多和较为透彻的是Ⅰ型PKS，它是由几个多功能的多肽组成，每一个多肽上都分别携带有参与聚酮生物合成所必需的各种酶的结构域(domain)，每个结构域只参与整个聚酮碳链构建中的一步生化反应(noninterative)，而参与一轮聚酮生物合成反应的所有结构域称为一个合成酶单位(SU，
第二十一章萜类和甾族化合物 1．找出下列化合物的手性碳原子，并计算一下在理论上有多少对映异构体？ （1）α-蒎烯（2）2-α-氯菠 （3）苧（4）薄荷醇 （5）松香酸（6）可的松 （7）胆酸 答案： 解：
2．找出下列化合物的碳干怎样分割成异戊二烯单位：（1）香茅醛 （2）樟脑 （3）蕃茄色素 （4）甘草次酸
（5）α-山道年 答案： 解： 3．指出用哪些简单的化学方法能区分下列各组化合物？ （1）角鲨烯、金合欢醇、柠檬醛和樟脑； （2）胆甾醇、胆酸、雌二醇、睾丸甾酮和孕甾酮 答案： 解： ①首先水解，各加钼酸铵，黄色沉淀为金合欢醇，其余三者加 Tollen试剂，析出Ag的为柠檬醛，其余二者加溴水，褪色者为角鲨烯，最后为樟脑。
4．萜类β-环柠檬醛具有分子式C10H16O，在235nm处（ε=12500）有一吸收峰。还原则得C10H20，与拖伦试剂反应生成酸（C10H16O2）；把这一羧酸脱氢得间二甲苯、甲烷和二氧化碳。把C10H20脱氢得1，2，3-三甲苯。指出它的结构式。提示：参考松香酸的脱氢反应。 答案：略 5．β-蛇床烯的分子式为C15H24，脱氢得1-甲基-7-异丙基萘。臭氧化得两分子甲醛和C13H20O2。C13H20O2与碘和氢氧化钠液反应时生成碘仿和羧酸C12H18O。指出β-蛇床烯的结构式。 答案： 解： 故此化合物含氢化萘的骨架，臭氧化得两分子甲醛，必须具有两，所以此化合物的可能结构式为：
6．在薄荷油中除薄荷脑外，还含有它的氧化产物薄荷酮C10H18O。薄荷酮的结构最初是用下列合成方法来确定的： β-甲基庚二酸二乙酯加乙醇钠，然后加H2O得到B，分子式为C10H16O3。B加乙醇钠，然后加异丙基碘得C，分子式为C13H22O3。C加OH-，加热；然后加H+，再加热得薄荷酮。 （1）写出上列合成法的反应式； （2）根据异戊二烯规则，哪一个结构式更与薄荷油中的薄荷酮符合？ 答案： 解： 7．溴对胆甾醇的反式加成能所生成的两种非对映体产物是什么？事实上其中一种占很大优势（85%）。试说明之。 答案： 解：
一、萜类化合物概述 萜类化合物(Terpenoids)是所有异戊二烯聚合物及其衍生物的总称[4]。萜类化合物中的烃类常单独称为萜烯。萜类化合物除以萜烯的形式存在外,还以各种含氧衍生物的形式存在,包括醇、醛、羧酸、酮、酯类以及甙等。萜类化合物在自然界中分布广泛,种类繁多,估计有1万种以上,是天然物质中最多的一类。 萜类化合物的分子结构是以异戊二烯为基本单位的,因此其分类依据主要是以异戊二烯单位数目的不同为标准来进行。开链萜烯的分子组成符合通式(C5H8)n(n≥2),含有两个异戊二烯单位的称为单萜,含有三个异戊二烯单位的称为倍半萜,含有四个异戊二烯单位的则称为二萜(图1),以此类推[4]。倍半萜约有7 000多种,是萜类化合物中最大的一类[5]。二萜类以上的也称“高萜类化合物”,一般不具挥发性[6]。此外,有的萜类化合物分子中具有不同的碳环数,因此又进一步区分为链萜、单环萜、双环萜、三环萜等。其中,单萜和倍半萜及其简单含氧衍生物是挥发油的主要成分,而二萜是形成树脂的主要成分,三萜则以皂甙的形式广泛存在。 萜类化合物在植物界中普遍存在[4]。常见含萜类化合物的植物类群有:蔷薇科(Rosaceae)、藜科(Chenopodiaceae)、天南星科(Araceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、萝科(Asclepi-adaceae)、莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、柏科(Cu-pressaceae)、杜鹃科(Ericaceae)、木犀科(Oleaceae)、木兰科(Magnoliaceae)、樟科(Lauraceae)、胡椒科(Piperaceae)、马鞭草科(Verbenaceae)、马兜铃科(Aristolochiaceae)、芸香科(Ru-taceae)、唇形科(Labiatae)、菊科(Compositae)、松科(Pinaceae)、伞形科(Umbelliferae)、桃金娘科(Myrtaceae)等[7]。 1陈晓亚,叶和春.植物次生代谢及其调控.见:李承森主编.植物学进展(第一卷).北京:高等教育出版社,1998.293~304 2杜近义,胡国赋,秦际威.植物次生代谢产物的生态学意义.生学杂志,1999,16(5):9~10 3陈晓亚,刘培.植物次生代谢的分子生物学及基因工程.生命学,1996,8(2): 8~9 4肖崇厚主编.中药化学.上海:上海科学技术出版社,1991.323~37 5Bohlmann J, Gilbert MG, Rodney C. Plant terpenoid synthases: Molecular biology and phylogenetic analysis. Proc Nati Acad Sci,1998,95(8):4126~4133 6Langenheim J H. Plant resins. Am Sci,1990(78):16~24 7 谷文祥,段舜山,骆世明.萜类化合物的生态特性及其植物的化作用.华南农业大学学 报,1998,19(4):108~110 二、萜类化合物的分类
第39卷第3期2009年6月 精细化工中间体 FINE CHEMICAL INTERMEDIATES Vol.39No.3June 2009 基金项目：国家自然科学基金资助项目（20806018），河北省自然科学基金资助项目（B2007000156）。作者简介：白国义（1975-），男，河北沧州人，教授，博士，主要从事精细化工和催化领域的研究。（E-mail ：baiguoyi@https://www.doczj.com/doc/9f2772046.html, ） 收稿日期：2009-05-19 芳香酮类化合物的合成研究进展 白国义，窦海洋，李新娟，樊欣欣 （河北大学化学与环境科学学院，河北保定071002）摘 要：介绍了由芳香族化合物的Friedel-Crafts 酰基化反应和芳香醇的氧化脱氢反应等合成芳香酮类化合物的研究进展，比较了各种方法的优缺点，指出以固体酸为催化剂的Friedel-Crafts 酰基化反应和以双氧水或氧为氧化剂的芳香醇的氧化反应是今后芳香酮类化合物合成的发展方向。关键词：芳香酮；Friedel-Crafts 酰基化反应；固体酸；芳香醇；氧化中图分类号：TQ244.2 文献标识码：A 文章编号：1009-9212（2009）03-0001-06 Progress on the Synthesis of Aromatic Ketones BAI Guo-yi ，DOU Hai-yang ，LI Xin-juan ，FAN Xin-xin （College of Chemistry and Environmental Science ，Hebei University ，Baoding 071002，China ） Abstract ：Synthesis of aromatic ketones from aromatic compounds via Friedel-Crafts acylation or from aromatic alcohols via oxidation or dehydrogenation are reviewed.Solid acids are the main catalysts for the Friedel-Crafts reactions.Hydrogen peroxide or oxygen are prospective oxidants for the conversion of aromatic alcohols.Key words ：aromatic ketone;Friedel-Crafts acylation;solid acid;aromatic alcohols;oxidation !!!!!!!!! !! !!!!!!!!! !! 综述与专论 1 前言众所周知，芳香酮类化合物作为重要的化工 产品及中间体，在医药、农药、染料等领域有着广泛的应用。例如，2-酰基-6-甲氧基萘是制备消炎镇痛药萘普生的重要中间体［1］；4，4′-二氟二苯甲酮主要用于合成新型强效脑血管扩张药物“氟苯桂嗪”及治疗老年神经性痴呆症药物“都可喜”等药物；多羟基二苯甲酮广泛应用于塑料、树脂、涂料、合成橡胶、感光材料及化妆品行业［2］。 根据文献报道，芳香族化合物的Friedel-Crafts 酰基化（F-C 酰基化反应）［3~5］和芳香醇的氧化脱氢是目前芳香酮类化合物的主要合成方法。其中， F-C 酰基化反应通常以酰氯、酸酐、羧酸作为酰基 化试剂，而催化剂的选择是此类反应的核心问题，文献报道的催化剂包括传统的Lewis 酸催化剂、质子酸催化剂和固体酸催化剂等。芳香醇的氧化脱 氢是制备芳香酮的另一个重要合成方法［6~8］，这类反应传统上采用铬盐［9］、高锰酸盐［10］、Pd 基催化剂等［11］，而这些催化体系经常需要一种或是多种相对昂贵的金属，同时会产生大量的金属废弃物。随着人们环保意识的日益增强，发展绿色、经济、高效的催化剂体系已成为当前发展的趋势，而以空气、双氧水或氧为氧源，同时将反应转移到离子液体、超临界二氧化碳、水相条件下进行，已成此领域的研究热点之一。 2Friedel-Crafts 酰基化反应 2.1 传统的Lewis 酸催化剂 传统的Lewis 酸催化剂包括无水氯化铝、无水 氯化锌、无水三氯化铁、无水四氯化锡等，催化剂的作用是增强酰基碳原子上的正电荷，提高进攻试剂的亲电反应能力。此类催化剂作用下的F-C 酰基化反应工艺具有酰化产物收率高、反应条件
第十七章 萜类和甾体化合物 萜类化合物（Terpenoids ）和甾体化合物（Steroids ）广泛存在于自然界中，有的能直接用来治疗疾病，有的是合成药物的原料，因此它们与药物的关系非常密切。 第一节 萜类化合物 萜类化合物多是从植物提取得到的香精油（挥发油）的主要成分。如：柠檬油、松节油、薄荷油等。它们多是不溶于水，易挥发，具有香味的油状物质，有一定的生理及药理活性，如祛痰、止咳、驱风、发汗和镇痛等作用。广泛用于香料和医药等。 一、结构与分类 （一）结构及异戊二烯规律 萜类化合物是由异戊二烯（Isoprene ）作为基本骨架单元，可以看成是由两个或两个以上异戊二烯单位以头尾相连或互相聚合而成，这种结构特征称为“异戊二烯规律”。因此，萜类化合物是异戊二烯的低聚合物以及它们的氢化物和含氧衍生物的总称。 C CH 2 CH CH 3 CH 2 1 23 4 头 尾头 尾 头 尾 头 尾 头 尾 头 尾 异戊二烯 月桂烯 柠檬烯 月桂烯是两分子异戊二烯头尾相连；而柠檬烯是两分子异戊二烯之间的1,2和1,4加成。(一分子异戊二烯用3,4位双键与另一分子异戊二烯进行1,4加成)。所以，异戊二烯规律在萜类成分的结构测定中具有很大应用价值。 （二）分类 萜类化合物根据分子中所含异戊二烯骨架的多少可分为单萜、倍半萜、二萜等。见表19-1。
表19-1 萜类化合物的分类 异戊二烯单元数碳原子数类别 2 10 单萜类 3 15 倍半萜 4 20 二萜类 6 30 三萜类 8 40 四萜类 ＞8 ＞40 多萜类 二、单萜类化合物 单萜类化合物是有两个异戊二烯单元构成。根据两个异戊二烯单元的连接方式不同，单萜有可以分成为链状单萜、单环单萜和双环单萜。 （一）链状单萜化合物 链状单萜类化合物具有如下的碳架结构： 这是两个异戊二烯头尾相连而成。很多链状单萜都是香精的主要成分，例如：月桂油中的月桂烯、玫瑰油中的香叶醇、橙花油中的橙花醇、柠檬油中的柠檬醛（α-柠檬醛和β-柠檬醛）、玫瑰油及香茅油中的香茅醇等。它们很多是含有多个双键或氧原子的化合物，其结构如下： H CH2OH CH2OH H H CHO CHO H CH2OH 月桂烯香叶醇橙花醇α-柠檬醛β-柠檬醛香茅醇（Myrcene）（Geraniol）（Nerol）（Geranial）（Neral）（Citronellol）这些链状单萜都可以用来制备香料，其中柠檬醛还是合成维生素A的重要原料。 （二）单环单萜类化合物
他汀类药物的生物技术合成以及应用 摘要： 他汀类药物是一类可以非常显著降低血液中胆固醇含量的药物;还可以减少中风或其他疾病的风险。近几年来报道，他汀类药物还有其他的生物活性以及许多潜在的治疗用途。天然他汀类药物有洛伐他汀和康帕丁，而普伐他汀是通过生物转化形成的。辛伐他汀，是领先市场的第二他汀类药物，是一种洛伐他汀的半合成衍生物。洛伐他汀主要是由Aspergillus terrus（土曲霉）菌株合成的，而康帕丁是由penicillium citrinum菌株合成。洛伐他汀和康帕丁是通过液体深层发酵进行工业生产，但也固态发酵进行生产，这种新的生产方式具有一定的优势。洛伐他汀在生物化学和遗传学上的一些研究进展让辛伐他汀在新的生产方式方面得以发展。这种洛伐他汀衍生物可以通过monacolin J（无侧链洛伐他汀）过程有效合成，这个过程是一个酰基转移酶LovD进行的。利用基因lovF 的组合生物合成，可以通过一种不同的方法设计土曲霉，从而使聚酮合成酶在体内合成2,2- dimethylbutyrate（simvastatin的侧链）。这样产生的转化菌株能通过直接发酵产生辛伐他汀而非洛伐他汀。 关键字：他汀类药物生物合成和遗传学生物技术生产 简介： 据世界卫生组织的报道，心血管疾病是威胁健康的主导因素。2005年，约有1750万人死于这些疾病，死亡率占全球约30％。这种疾病是由于血浆中的胆固醇含量提高而致，因而胆固醇血症成为了动脉粥样硬化和冠状动脉疾病（Kannel等人，1961年）的主要危险因素。一般来说，人体中的胆固醇只有三分之一是从饮食取得的，而其三分之二是由肝脏合成，还有一小部分是由其他器官合成的（Furberg 1999年;Alberts等人1980年）。出于这个原因，抑制胆固醇的生物合成来控制其含量成为一个重要策略，以降低胆固醇在血液中浓度，如manzoni和Rollini（2002）关于他汀类的一篇报道中如是说。 他汀类药物可以选择性抑制胆固醇的合成的限速酶，即HMG-CoA还原酶。因此，这些化合物便可以降低胆固醇含量，尤其是降低低密度脂蛋白（LDL）或低密度胆固醇（“坏胆固醇”）含量，而稍微增加高密度脂蛋白胆固醇（“好胆固醇”）的含量，因此，防止动脉内斑块的集结。此外，他汀类药物已经运用于预防性药物前列心血管疾病，因为大量的临床试验数据显示，他汀类可以降低风险冠状动脉疾病的发病率和死亡率。
过去几十年，以天然产物为基础研制和开发新药一直是化学界和医药界关注的重点领域。天然产物虽然在整个已知化合物中的比例很小，但以之为基础发展成为新药的比例却很大。根据2007年的统计，1981－2006年间国际上批准的药物中超过50%来源于天然产物、天然产物的衍生物或模拟天然产物药效基团的合成化合物。化学合成一直是增加化合物结构多样性的重要手段，根据天然产物自身的化学结构和生物活性等信息，组合化学合成又极大的丰富了化合物合成的数量[1]，但由于合成的目标化合物特异性不强，还没有给新药筛选带来所期望的亮点。 天然产物的生物合成和组合生物合成研究进展 王岩1，虞沂2，3，赵群飞2，孔毅1*，刘文2* （1. 中国药科大学生命科学与技术学院，南京 210009；2. 中国科学院上海有机化学研究所生命有机国家 重点实验室，上海 200032； 3.上海交通大学生命科学技术学院微生物代谢重点实验室，上海 200030）摘 要：天然产物一直在药物的发现和发展过程中发挥着重要作用。化学合成作为增加天然产物结构多样性的传统方法，工艺繁杂。组合生物合成正逐渐成为药物研发的重点，与化学合成相比，其目标产物可以由重组菌株发酵大量生产，因而降低了生产成本和环境污染。本文综述了以生物合成为基础的组合生物合成研究策略，并以几种天然产物的研究为例介绍了相关的研究进展。 关键词：天然产物；生物合成；组合生物合成 中图分类号：TQ041 文献标识码：A 文章编号：1001-8571(2008)06-0275-08 Advance in Biosynthesis and Combinatorial Biosynthesis of Natural Products WANG Yan 1，YU Yi 2,3，ZHAO Qun-fei 2，KONG Yi 1*，LIU Wen 2* ( 1. School of Life Science & Technology, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China; 2. State Key Laboratory of Bio-Organic and Natural Product Chemistry, Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China ; https://www.doczj.com/doc/9f2772046.html,boratory of Microbial Metabolism, and School of Life Science & Biotechnology, Shanghai Jiaotong Univer-sity, Shanghai 200030,China) Abstract: Natural products have played critical roles in the drug discovery and development. While it remains problematic to economically synthesize natural products and generate their analogs via chemical routes mainly due to the complex structures, combinatorial biosynthesis is attracting more and more attentions in both academic and industrial fields, the target molecules can be produced by a recombinant organism that is amenable for large-scale fermentation, thereby lowering the production cost and reducing the environmental concerns associated with conventional chemical syntheses. This article briefly introduced the principle and strategy of combinatorial biosynthesis, highlighted by the biosynthesis and metabolic engineering of a few pharmaceutically important natural products. Key words: natural products; biosynthesis; combinatorial biosynthesis 随着非典、禽流感、手足口病等新型疾病不断出现，多药耐药性、高耐药性病原菌在临床上日益多见，天然产物的发酵积累和活性鉴定等方面的压力加大，促使不少大型制药公司开始探索相对快捷的新方法[2]。在这种形势下，“组合生物合成”方法逐渐应用起来。虽然目前开展的有关组合生物合成的研究还局限于微生物来源的复杂天然产物，但应用该方法建立的化合物结构类似物库已经为筛选新药提供了更加广阔的空间[3-5]。天然产物在结构上的多样性是其生物活性多样化的基础，而化合物结构多样性的产生则来源于生物合成机制的多样化，组合生物合成就是从天然产物的生物合成机制出发，创造 收稿日期：2008-09-01 作者简介：王岩，硕士，主要从事 *通讯作者：孔毅，yikong668@https://www.doczj.com/doc/9f2772046.html, ；刘文，wliu@https://www.doczj.com/doc/9f2772046.html,
·237· 第二十一章 萜类和甾族化合物 学习要求： 1．理解萜的涵义；掌握异戊二烯规律和萜的分类。 2．熟悉各类萜的典型化合物的特性及重要用途。 3．熟悉甾族化合物的基本结构和立体结构，了解重要甾族化合物的类型和用途。 萜类和甾族化合物是广泛存在于植物、昆虫及微生物等生物体中的一大类有机化合物。在生物体内有着重要的生理作用。萜类和甾族化合物虽是两类不同的化合物，但有着生源合成方面的密切关系，因而放在一章内进行讨论。 §21-1 萜 类 一、萜的涵义和异戊二烯规律 分子中含C 10以上，且组成为5的倍数的烃类化合物称为萜类。 因分子中含有双键，所以，萜类化合物又称为萜烯类化合物。 萜类化合物是广泛存在于植物和动物体内的天然有机化合物。如从植物中提取的香精油——薄荷油、松节油等，植物及动物体中的某些色素——胡箩卜素、虾红素等等。 研究发现，萜类分子在结构上的共同点是分子中的碳原子数都是5的整倍数。例如： 月桂烯 对薄荷烯 （存在于柠檬，橘子中） 姜烯（存在于姜油中） （存在于月桂子油等中） 松节油（ 蒎烯）异樟烯 （存在于松节油等中） （存在于姜油，冷杉等中） α
·238· 上述化合物的碳干骨骼可以看成是由若干个异戊二烯单位主要以头尾相接而成的。 这种结构特点叫做萜类化合物的异戊二烯规律。异戊二烯规则是从对大量萜类分子构造的测定中归纳出来的，所以能反过来知道测定萜类的分子构造。 二、萜的分类、命名 萜类化合物中异戊二烯单位可相连成链状化合物，也可连成环状化合物。 1．分类 根据组成分子的异戊二烯单位的数目可将萜分成以下几类： 1）单萜： 含有两个异戊二烯单位。它包含开链单萜，单环萜，二环单萜三种。 2）倍半萜：含有三个异戊二烯单位的萜。 3）双萜： 含有四个异戊二烯单位的萜。 4）三萜： 含有六个异戊二烯单位的萜。 5）四萜： 含有八个异戊二烯单位的萜。 这些萜类和单萜一样，也有开链和成环之分。 2．命名 IUPAC 规定的系统命名法，较生辟，多接触才能熟练。 我国一律按英文俗名意译，在接上“烷”、“烯”、‘醇“等类名而成。 习惯常用用俗名如樟脑，薄荷醇等。见P 621。 三、萜类化合物 1．单萜 1）开链单萜 C C C C C CH 2C CH 3 CH CH 2 异戊二烯 头尾 异戊二烯单位
有机化学（第四版）第二十一章萜类和甾族化合物1．找出下列化合物的手性碳原子，并计算一下在理论上有多少对 映异构体？ （1）α-蒎烯（2）2-α-氯菠 （3）苧（4）薄荷醇 （5）松香酸（6）可的松 （7）胆酸 答案： 解：
2．找出下列化合物的碳干怎样分割成异戊二烯单位：（1）香茅醛 （2）樟脑 （3）蕃茄色素 （4）甘草次酸
（5）α-山道年 答案： 解： 3．指出用哪些简单的化学方法能区分下列各组化合物？ （1）角鲨烯、金合欢醇、柠檬醛和樟脑； （2）胆甾醇、胆酸、雌二醇、睾丸甾酮和孕甾酮 答案： 解： ①首先水解，各加钼酸铵，黄色沉淀为金合欢醇，其余三者加 Tollen试剂，析出Ag的为柠檬醛，其余二者加溴水，褪色者为角鲨烯，最后为樟脑。
4．萜类β-环柠檬醛具有分子式C10H16O，在235nm处（ε=12500）有一吸收峰。还原则得C10H20，与拖伦试剂反应生成酸（C10H16O2）；把这一羧酸脱氢得间二甲苯、甲烷和二氧化碳。把C10H20脱氢得1，2，3-三甲苯。指出它的结构式。提示：参考松香酸的脱氢反应。 答案：略 5．β-蛇床烯的分子式为C15H24，脱氢得1-甲基-7-异丙基萘。臭氧化得两分子甲醛和C13H20O2。C13H20O2与碘和氢氧化钠液反应时生成碘仿和羧酸C12H18O。指出β-蛇床烯的结构式。 答案： 解： 故此化合物含氢化萘的骨架，臭氧化得两分子甲醛，必须具有两，所以此化合物的可能结构式为：
6．在薄荷油中除薄荷脑外，还含有它的氧化产物薄荷酮C10H18O。薄荷酮的结构最初是用下列合成方法来确定的： β-甲基庚二酸二乙酯加乙醇钠，然后加H2O得到B，分子式为C10H16O3。B加乙醇钠，然后加异丙基碘得C，分子式为C13H22O3。C加OH-，加热；然后加H+，再加热得薄荷酮。 （1）写出上列合成法的反应式； （2）根据异戊二烯规则，哪一个结构式更与薄荷油中的薄荷酮符合？ 答案： 解： 7．溴对胆甾醇的反式加成能所生成的两种非对映体产物是什么？事实上其中一种占很大优势（85%）。试说明之。 答案： 解：
第二十一章萜类和甾族化合物 一、教学目的和要求 （1）掌握萜类化合物的结构特征及重要萜类化合物（樟脑、冰片、薄荷醇、法尼醇）。 （2）掌握甾族化合物的结构特征及重要甾族化合物（胆甾醇、可的松、胆甾酸）。 二、教学重点与难点 萜类及甾族化合物的结构特征 三、教学方法和教学学时 1、教学方法：以课堂讲授为主，结合必要的课堂讨论。教学手段以板书和多媒体相结合。 2、教学学时：10学时 四、教学内容 第一节萜类 一、萜的涵义和异戊二烯规律 二、萜的分类，命名 三、单萜 四、倍半萜 五、双萜 六、三萜类 七、四萜类 第二节甾体化合物 一、甾的基本结构和命名 二、甾体化合物的立体结构:甾体化合物碳架的构型,甾体化合物碳架的构象 三、甾醇类 四、胆酸 五、甾型激素 五、课后作业、思考题 习题：2、6。
萜类和甾族化合物是广泛存在于植物、昆虫及微生物等生物体中的一大类有机化合物。在生物体内有着重要的生理作用。萜类和甾族化合物虽是两类不同的化合物，但有着生源合成方面的密切关系，因而放在一章内进行讨论。 §21~1 萜 类 一、萜的涵义和异戊二烯规律 分子中含C 10以上，且组成为5的倍数的烃类化合物称为萜类。 因分子中含有双键，所以，萜类化合物又称为萜烯类化合物。 萜类化合物是广泛存在于植物和动物体内的天然有机化合物。如从植物中提取的香精油——薄荷油、松节油等，植物及动物体中的某些色素——胡箩卜素、虾红素等等。 研究发现，萜类分子在结构上的共同点是分子中的碳原子数都是5的整倍数。例如： 上述化合物的碳干骨骼可以看成是由若干个异戊二烯单位主要以头尾相接而 成的。 这种结构特点叫做萜类化合物的异戊二烯规律。异戊二烯规则是从对大量萜类 分子构造的测定中归纳出来的，所以能反过来知道测定萜类的分子构造。 月桂烯 对薄荷烯 （存在于柠檬，橘子中） 姜烯（存在于姜油中） （存在于月桂子油等中） 松节油（ 蒎烯）异樟烯 （存在于松节油等中） （存在于姜油，冷杉等中） αC C C C CH 2CH 3 CH CH 2 异戊二烯 头尾异戊二烯单位
胰岛素的合成、分泌和作用机制 胰岛素是由胰岛B细胞所分泌的，具有重要代谢调节作用的肽类激素。旱在19世纪末期,von Mering和Minkowski即指出，胰腺在抗糖尿病的作用中起重要作用。1909年和1917年，de Mayer和Sir Edward Sharpey—Schaffer分别命名这种胰岛内调节血糖水平的激素为“胰岛素”。直到20世纪20年代初期，加拿大人Banting、Best和Collip才真正分离出牛胰岛素，并稍后作为特效药应用于糖尿病患者。随后，结晶胰岛素的获得，氨基酸顺序的阐明，具生物活性的胰岛素的合成，胰岛素检测方法的建立，对胰岛素生物合成途径及分泌机制的认识，胰岛素受体的发现，均成为人类对胰岛素本身及相关疾病认识的里程碑。随着医学及相关科学的发展，特别是近年来分子生物学方法的广泛应用，人们对这个领域的认识突飞猛进，也推动了糖尿病学的迅速发展。 一、胰岛素的提取、纯化及结构特征 1．胰岛素的提取、纯化和检测早期，胰岛素是以乙醇或酸性乙醇溶液来抽提的，以这种方法抽提可使胰岛素从组织中溶解出来，并灭活蛋白酶。这种方法仍为现代提取方法的基础。在有机溶剂提取脂肪后．含胰岛素的酸性乙醇的抽提物可经盐析及等电点沉淀等分离，进一步作凝胶过滤，离子交换，高效液相色谱等纯化。以前曾一度认为以锌结晶方法可有助于胰岛素的纯化，现认为反复结晶仍不能去除胰岛中的其他成分，如胰升糖素、胰岛素原、胰岛素样类似物及部分降解的胰岛素片段，而且部分动物的胰岛素不能与锌结合或产生结晶。 基因重组胰岛素的生物合成技术可得到不含其他激素的较纯净的胰岛素，但仍常含有其他来自宿主细菌或真菌的蛋白质污染，经凝胶过滤和离子亲和层析后，可得到纯度高于99％的胰岛素。这种胰岛素对人的抗原性远小于来自动物的结晶胰岛素，不易产生抗体，更有利于糖尿病病情的控制。 血清胰岛素测定可用放射免疫法等，但在精确度和敏感性方面仍有一定的局限性。用聚丙烯酰胺凝胶电泳和高效液相色谱可鉴定胰岛素的量及纯度，并区分开胰岛素和胰岛素原。各种免疫或生化的方法只能测定出样品的胰岛素的免疫纯度及含量，即使较纯的胰岛素仍需进行生物活性的评价，可在体外用培养的脂肪细胞、肝细胞来测定其在葡萄糖氧化，脂肪合成，葡萄糖转运及蛋白质合成等作用，亦可以用某些细胞膜抽提液来测定其与受体的结合及生物效应。另一些实验室用体内降血糖试验来评估胰岛素的效价。 2．胰岛素结构自1955年Sanger等首先阐明了完整的牛胰岛素一级结构以来，已经鉴定了70余种脊椎类动物的胰岛素结构。他们与一些非脊椎类动物的胰岛素相关肽，如蜗牛的生长刺激素，蚕的胰岛素样脑肽等有着一定的同源性，均为胰岛素基因超家族的成员。脊椎类动物的胰岛素有着共同的结构特征：包括链内和链间二硫键的位置，A链的C端和N 端氨基酸残基，以及B链C端的亲水基团。这些结构对保持胰岛素的二级结构和三级结构，维持其与受体结合必须的空间构像非常重要。去除或替换这些保守区域的氨基酸残基将严重影响胰岛素的生物学活性，如去除A链21位羧基端的门冬酰胺，可使其生物活性几乎全部丧失；若以精氨酸替代可使活性丧失近一半。 非保守区域的氨基酸残基对生物活性的影响并无重要作用，因此一种动物的胰岛素，可在另一种动物体内引起生物效应，如猪胰岛素被利用来作糖尿病患者的治疗。但这些位置的氨基酸往往可对其免疫原性产生影响。 脊椎动物胰岛素的一级结构均由A、B两条链构成，两链间由2个二硫键(-s-s-)相连，A链还有1个链内二硫键。人胰岛素的A链由21个氨基酸残基构成，B链由30个氨基酸残基构成。
鞠建华博士 海洋微生物天然产物及其生物合成学科组组长 E-mail: jju@https://www.doczj.com/doc/9f2772046.html, 职务描述 1. 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室主任 2. 广东省海洋药物重点实验室主任 3. 中国科学院南海海洋研究所研究员，博士生导师 个人简介 鞠建华，男，1972年生，理学博士，研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。广东省海洋药物重点实验室主任（2010-），中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室副主任（2010-），海洋微生物天然产物及其生物合成学科组组长。2014年获得国家杰出青年科学基金、同年入选科技部“创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才，2015年入选广东省百千万人才工程领军人才。主要从事海洋微生物活性次级代谢产物的发现、生物合成和抗感染、抗肿瘤创新药物研发工作，从海洋微生物中发现了具有抗感染、抗肿瘤等活性天然产物500余个，开发了海洋微生物的组合生物合成和异源表达技术，阐明了12种特征活性代谢产物的生物合成机制，揭示了咔啉碱合成酶、Dieckmann缩合酶、细胞色素P450氧化酶等26种新颖生物合成酶的催化功能，筛选出3个自主产权的抗结核杆菌感染、抗胶质瘤和抗白血病候选海洋药物，其中1个在系统临床前研究。主持国家科技部863计划重点课题、973计划子课题、NSFC-广东联合基金重点项目、国家海洋经济创新发展区域示范专项课题、广东省自然科学基金团队和中科院科技创新交叉团队项目等20余项。获得
第五届施维雅青年药物化学奖(2002)、第七届药明康德生命化学研究奖(2013)。中国药学会海洋药物专业委员会委员，中国微生物学会海洋微生物专业委员会委员，广东药学会药物化学专业委员会副主任委员，热带海洋学报副主编，中国海洋药物编委，广州市科技创新专家咨询委员会委员，国家自然科学基金委学科会评专家。在J. Am. Chem. Soc.(IF=12.1)、Angew. Chem. Int. Ed. (IF=11.3)、Org. lett.(6.4)、PNAS、Nature Chem. Biol.、Antimicrob. Agents Chemother.、J. Nat. Prod.、ChemBioChem等国内外学术刊物发表论文121篇（其中SCI论文82篇），论文近5年被引用超过1600次，多篇论文被Nature Chemical Biology, Faculty of 1000, Science-Perspectives和Global Medical Discovery等作为研究亮点评述，被自然指数中国增刊评为2014年广州个体科研产出领先者，获授权专利13项，参与撰写专著3部。 研究兴趣与领域 本学科组以海洋微生物为研究对象，以海洋微生物活性次级代谢产物的生物学功能及其形成机制为拟解决的关键科学问题。主要从特殊海洋环境中（深海沉积物、珊瑚礁生态系统、不同深度的海水层、特色海洋生物等）分离、培养、鉴定海洋放线菌、真菌和细菌；综合运用微生物学、天然产物化学、细菌遗传学、分子生物学、生物信息学、生物化学和药理学等多学科专业技能，从海洋微生物中筛选发现新的生物活性物质，发掘新的生物合成途径、新型酶催化反应机理，利用代谢工程、组合生物合成和合成生物学技术手段构建新结构衍生物，并对具有自主产权、有前景的化合物进行成药性评价和药物开发，具体包括以下内容： (1) 海洋微生物活性次级代谢产物的发现（Marine Bioactive Natural Products Discovery）。利用化学生态学原理和多种发酵培养技术，从海洋微生物中筛选、分离和鉴定结构新颖、活性显著的生物活性物质。研究海洋微生物产生的活性物质在特定海洋生态系统中的化学防御机理，发现生理活性显著药效活性物质，为开发具有我国独立知识产权的创新药物提供先导化合物。
聚酮化合物及其组合生物合成 作者：孙宇辉邓子新时间：2007-11-22 11:03:00 【关键词】聚酮化合物；,,聚酮合酶；,,组合生物合成 摘要：聚酮化合物的组合生物合成是当前国际化学与生物学交叉学 科研究的热点之一，也正在发展成为药物创新超常规的重要手段。本文对近十 年来聚酮化合物，特别是I型聚酮化合物的组合生物合成的常用技术和方法学 发展进行了回顾和展望。 关键词：聚酮化合物；聚酮合酶；组合生物合成 ABSTRACT Polyketide compounds and their biosynthesis by combinatorial approaches had received great attention as a crossdisciplinary subject in a new filed of chemical biology for its importance and great potential to create brand new drug in future. In this review, we hope to summarize methods and technologies which had been developed over past ten years or so for the imaginative discovery of novel polyketide compounds by combinatorial biosynthesis, which incorporate genetic, chemical and biochemical, bioinformatic and biotechnological approaches.KEY WORDS Polyketide; Polyketide synthase; Combinatorial biosynthesis 1 聚酮化合物及其聚酮合酶 聚酮化合物是一大类由细菌、真菌和植物将低级羧酸通过连续的缩合反应产 生的天然产物，它包括许许多多具有抑制细菌(如红霉素、四环素)、真菌(如灰黄霉素、两性霉素)、寄生虫(如avermectin、奈马克丁)、癌症(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同时还具有免疫抑制剂的 活性(如雷帕霉素、FK506)，它被广泛地应用于医药、畜牧和农业。如今，这一化合物越来越为人们所重视，这主要是由于该化合物具有：(1)无可比拟的生物学活性使之具有巨大的新药物开发潜力和商业价值，聚酮化合物所形成的药物 已用于几乎所有重要的疾病治疗，每年的销售额超过了100亿美元；(2)独特的结构和合成机制为人们研究酶催化的分子机制、分子识别和蛋白质的相互作用 提供了空前的契机；(3)聚酮合酶所具有的可塑性可以使人们方便地通过组合生物合成手段来获得新的化合物［1］。目前已发现了不少于10000种聚酮化合
习 题 1．指出组成下列萜类物质的异戊二烯单元数目、属哪一类？画出连接的部位。 O O (1) 驱蛔萜(属藜属植物) (2) (3) 3 3 红没药烯 山道年 2(4) 穿心莲内酯 2．写出(-)-薄荷醇的构型和构象式。 3．写出α-蒎烯、β-蒎烯和龙脑的构象式。 4．写出甾烷、雄甾烷、雌甾烷、孕甾烷的构象式并对碳架编号。 5．举例说明甾族化合物中正系、别系、α、β的含义。 6．用系统命名法命名下列甾族化合物。 (1) (2) HO HO O HO C OH CH 2OH O O HO (3) (4)
OH O HO OH (5) (6) COOH 7．用简单的化学方法鉴别下列各组化合物。 （1）柠檬醛、樟脑、薄荷醇 （2）胆酸、胆固醇、炔雌二醇 8．写出下列反应的主要产物。 (1) B 2H 6 H 2O 2OH CH 3O (2) CO 2CH 3 OH ClC O OC 2H 5 (3) C 2H 5 C 6H 5CO 3H CH 3O (4) H 2 / Pt HO \
（二）教材习题 1． （1 ）（2 ）两个异戊二烯单位, 单萜 三个异戊二烯单位, 倍半萜 O O （3 ）（4 ） 3 三个异戊二烯单位, 倍半萜 3 HO 2 四个异戊二烯单位，二萜 2． ( )-薄荷醇构型CH 3 H OH CH 3 ( )-薄荷醇构象 CH 3 3． α-蒎烯 β-蒎烯 龙脑 CH 3 H OH 4．略 5．见例题解析[例2] 6．（1）3-羟基-1,3,5(10)-雌甾三烯 （2）3β-羟基-5α-雌甾-17-酮 （3）11β,17α,21-三羟基孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮 （4）胆甾-5,7-二烯-3β-醇 （5）3α,12α-二羟基- 5β -胆烷-24-酸 （6）17β-羟基雄甾-4-烯-3-酮 7．（1） 柠檬醛樟脑薄荷醇 Tollens 试剂 ( )( ) 2,4-二硝基苯肼 ( )