1、會計學1細胞代謝基礎細胞代謝基礎Dr. David G.S. YANG生物合成藥物學就是研究利用有生理活性的代謝產物來治療疾病和應用生物大寫來合成藥物或者藥物中間體；分離代謝過程中酶和抑制該酶的活性物質以及研究該酶合成基因和抑制該酶活性物質的合成基因來調控新陳代謝的健康運轉達到治療目的。 Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG根據參與細胞內生化代謝系統的反應特點，可將生物體內名目繁多的各類反應過程分成下列四大類： 裝配反應（Assembly Reaction） 聚合反應（Polymerization Reaction） 生物合成反應（Biosynthesi

2、s Reaction） 產能反應（Fueling Reaction） Dr. David G.S. YANG代謝是細胞內生化反應的總匯，包括各種各樣的分子轉換。大多數的反應可歸并到代謝途徑中，代謝途徑的化學反應按一定的順序發生，每個反應都受到某種特定的酶的催化，上一個反應的產物將成為下一個反應的底物。在代謝途徑中出現的酶常定位于細胞的特定區域。 細胞的代謝途徑可在不同的點上發生交匯，使一條代謝途徑產生的化合物能夠按照細胞在某個時刻的需要進入到不同的代謝途徑中。 Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG初級代謝與次級代謝 初級代謝初級代謝(primary me

3、tabolism) 次級代謝（次級代謝（secondary metabolism ）生物體特性雖然存在著巨大的差異，但除較少的改變外，它們修飾和合成糖類、蛋白質、脂類以及核酸物質的途徑基本相同。因為多糖、蛋白、脂肪和核酸等是生命物質的基礎材料，是生命體自身生長和繁殖所必須的物質，是基礎代謝的產物。基礎代謝的過程闡明了所有生物的最基本得共性過程 。Dr. David G.S. YANG初級代謝、中間代謝和次級代謝關系初級代謝、中間代謝和次級代謝關系 Dr. David G.S. YANG (1) 次級代謝只存在于某些生物當中，而且代謝途徑和代謝產物因生物不同而異，就是同種生物也會因營養和環境條件

4、等不同而產生不同的次級代謝產物。但是初級代謝卻不同，它是一類普遍存在于各類生物中的基本代謝類型，代謝途徑與產物基本類同。 (2) 次級代謝產物對于機體生存不是必需的物質，即使在次級代謝過程的某個環節上發生障礙，不會導致機體生長的停止和死亡，一般只是影響機體合成某種次級代謝產物的能力。而初級代謝產物如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的各種大分子聚合物如核酸、蛋白質、多糖、脂類等通常都是機體生存必不可少的物質，只要這些物質合成過程的某個環節上發生障礙，輕則表現為生長緩慢，重則導致生長停止、機體發生突變甚至死亡等。 Dr. David G.S. YANG(3) 初級代謝則自始至終

5、存在于一切生活的機體之中，它同機體的生長過程基本呈平行關系。次級代謝通常是生長期末期或穩定期才出現，它與機體的生長不呈現平行關系，而是明顯地分為機體的生長期和次級代謝產物形成期兩個不同時期。 (4) 次級代謝產物雖然也是從少數幾種初級代謝過程中產生的中間體或代謝產物衍生而來，但它的骨架碳原子的數量與排列上的微小變化，或氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產物氧化水平上的微小變化都可以導致產生的次級代謝產物各種各樣，并且每種類型的次級代謝產物往往是一群化學結構非常相似而成分不同的混合物。這些次級代謝產物通常被機體分泌到胞外，它們雖然不是機體生長與繁殖所必需的物質，但它們與機體的分化有一定的關系，并在

6、同其他生物的生存競爭中起著重要作用，而且它們中有許多對人類健康和國民經濟的發展具有重大影響。而初級代謝產物的性質與類型在各類生物里相同或基本相同。Dr. David G.S. YANG(5) 機體內兩種代謝類型對環境條件變化的敏感性或遺傳穩定性上明顯不同。次級代謝對環境條件變化很敏感，其產物的合成往往會因環境條件變化而受到明顯影響。而初級代謝對環境條件變化的相對敏感性小，相對較為穩定。 (6) 催化次級代謝產物合成的某些酶專一性較弱。因此在某種次級代謝產物合成的培養基里加進不同的前體物時，往往可以導致機體合成不同種類的次級代謝產物，這或許是某些次級代謝產物為什么是由許多混合物組成的原因之一。

7、Dr. David G.S. YANG 糖代謝途徑糖代謝途徑 (1) 恩伯頓恩伯頓-邁耶霍夫邁耶霍夫-伯納斯途徑伯納斯途徑(Embden-Meyerhof-Parnos pathway，EMP) EMP途徑的幾個特點：通過EMP途徑1 mol 葡萄糖產生2 mol ATP。EMP途徑不產生芳香族氨基酸、DNA和RNA的前提物。EMP途徑在哺乳動物肌肉里最終的產物為乳酸，但在大多數微生物來說最終的產物是丙酮酸。過程基本在細胞質中完成，是機體在缺氧或無氧狀態獲得能量的有效措施；是某些組織細胞獲得能量的方式。在有氧條件下，EMP途徑與TCA循環(三羧酸循環)連接，并通過后者把丙酮酸徹底氧化成二氧化碳

8、和水。 Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG(2)磷酸戊糖途徑（磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway，PP） Dr. David G.S. YANG(3) 恩特納恩特納-道格洛夫途徑道格洛夫途徑(Entner-Dondroff pathway, ED) Dr. David G.S. YANG(4) 磷酸解酮酶途徑磷酸解酮酶途徑(Phosphoketolase pathway, PK) Dr. David G.S. YANG脂肪酸代謝途徑脂肪酸代謝途徑 （1）-氧化氧化 Dr. David G.S. YANG（2）-氧化氧化 發

9、生在某些因-碳被封閉（如連有甲基）而無法進行-氧化的脂肪酸中。氧化過程是首先使-碳原子氧化成羥基，再氧化成酮基，最后脫酸成為少一個碳的脂肪酸。在這個氧化系統中，僅以游離脂肪酸能作為底物，而且直接涉及到分子氧，產物既可以是D-羥基脂肪酸，也可以是含少一個碳原子的脂肪酸。 -氧化作用對于生物體內奇數碳脂肪酸的形成；含甲基的支鏈脂肪酸的降解；過長的脂肪酸(如C22、C24)的降解起著重要的作用。 Dr. David G.S. YANG（2）-氧化氧化 生物體內一些中長鏈(如癸酸、十二碳酸等)以及少量長鏈脂肪酸，能首先從烴基末端碳原子即-碳子上被氧化生成，-二羧酸，稱為-氧化。 -氧化涉及末端甲基的羥

10、基化，形成一級醇，并繼而氧化成醛，再轉化成羧酸等步驟。生成的二羧酸再從兩端進行-氧化。 Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG介于分解代謝和合成代謝這兩類代謝之間尚存在一種具有分解和合成二者功能的代謝途徑。例如極為重要的TCA循環，它不僅氧化丙酮酸和乙酰輔酶A成二氧化碳來供能，并且在循環過程產生琥珀酰輔酶A，草酸乙酸酯和酮戊二酸鹽等中間體供合成氨基酸類、卟啉類以及其他生長需要化合物的起始原料。這種居于二者之間代謝稱謂無定向代謝途徑(amphibolic pathway)。 Dr. David G.S. YANGTCA循環循環 Dr. David G.S.

11、YANG Dr. David G.S. YANG乙醛酸循環（乙醛酸循環（Glyoxylate cycle） 只存在于植物和微生物中。乙醛酸循環的主要內容是通過乙醛酸途徑使乙酰-CoA轉變為草酰乙酸，從而進入三羧酸循環（TCA）。乙醛酸循環和三羧酸循環中存在著某些相同的酶類和中間產物，可以認為與TCA循環交錯進行，是對TCA循環的協助，可以彌補TCA循環中由于四碳化合物不足而造成二碳化合物不能被充分氧化的不足。但是，它們是兩條不同的代謝途徑。乙醛酸循環是在乙醛酸體中進行的，是與脂肪轉化為糖密切相關的反應過程。 Dr. David G.S. YANG乙醛酸循環簡圖乙醛酸循環簡圖 乙醛酸循環及其與T

12、CA關聯 Dr. David G.S. YANG絲氨酸途徑（絲氨酸途徑（Serine pathway） 絲氨酸途徑包括一組完全相異的循環反應。絲氨酸途徑是將甲醛的碳分子轉移到四氫葉酸上形成亞甲基四氫葉酸，然后與甘氨酸結合形成絲氨酸。 Dr. David G.S. YANG脂肪酸的生物合成脂肪酸的生物合成 Dr. David G.S. YANG1.乙酰輔酶A的轉運：脂肪酸的合成是在胞液中，而乙酰CoA是在線粒體內，它們不能穿過線粒體內膜，需通過轉運機制進入胞液。三羧酸循環中的檸檬酸可穿過線粒體膜進入胞液，然后在檸檬酸裂解酶的作用下放出乙酰CoA進入脂肪酸合成途徑。2.丙二酸單酰CoA的合成：脂肪

13、酸的合成是二碳單位的延長過程，它的來源不是乙酰CoA，而是乙酰CoA的羧化產物丙二酸單酰CoA，這是脂肪酸合成的限速步驟。3.乙酰ACP和丙二酸單酰-ACP的合成：乙酰CoA和丙二酸單酰CoA首先與ACP(酰基載體蛋白)活性基團上的巰基共價連接形成乙酰ACP和丙二酸單酰-ACP。4.合成步驟：每延長2個C原子，需經縮合、還原、脫水、還原四步反應。5.脂肪酸的延長：在真核生物中，-酮脂酰-ACP縮合酶對鏈長又專一性，它就收14碳酰基的活力最強，所以大多數情況下僅限于合成軟脂酸。 Dr. David G.S. YANG它的合成是在去飽和酶系的作用下，在以合成的飽和脂肪酸中引入雙鍵的過程，這是在內質

14、網膜上進行的氧化反應，需要NADH和分子氧的參加。軟脂酸和硬脂酸是動物組織中兩種最常見的飽和脂肪酸，是棕櫚油酸和油酸的前體，是在C-9和C-10間引入順式雙鍵形成的。總之，酶系和能量起了很重要的作用。在第四步合成時，乙酰-ACP與丙二酸單酰-ACP先發生縮合反應，這時丙二酸單酰-ACP的-COOH去掉的，縮合后形成乙酰乙酰-ACP，在被還原和脫水，形成丁烯酰-ACP，最后再被還原為丁酰-ACP，完成第一次循環，第二次循環是丁酰-ACP與丙二酸單酰-ACP進行縮合，以此類推。 Dr. David G.S. YANG氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成 Dr. David G.S. YANG由氨化導入

15、氨基基團的幾種氨基酸：由氨化導入氨基基團的幾種氨基酸： 上述的主要敘述的是氨基酸的碳骨架的來源，氨基的來源源于無機氮，即從無機氮變為有機氮，然后氨化或氨基轉移導入分子中。一般生物體利用3種反應（形成氨甲酰磷酸；形成谷氨酸；形成谷氨酰胺）把氨轉化為有機物，有利于氨基酸的生物合成。 Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG通過氨基轉換將氨基導入氨基酸一般是由谷氨酸或谷氨酰胺作為氨基供體，將氨基轉移到-酮酸上，形成氨基酸。 Dr. David G.S. YANG組氨酸的生物合成途徑組氨酸的生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG甘氨酸、絲氨酸和半胱氨酸

16、的生物合成途徑甘氨酸、絲氨酸和半胱氨酸的生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG谷氨酸、鳥氨酸、精氨酸等氨酸的生物合成途徑谷氨酸、鳥氨酸、精氨酸等氨酸的生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG天冬氨酸、異亮氨酸、賴氨酸等氨酸的生物合成途徑天冬氨酸、異亮氨酸、賴氨酸等氨酸的生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸等氨酸的生物合成途徑丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸等氨酸的生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG芳香族氨基酸的生物合成途徑芳香族氨基酸的生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG核苷酸的生物合成途徑核苷酸的生物合成

17、途徑 核苷酸的生物合成途徑有利用葡萄糖等碳源和氮源，以5-磷酸核糖為出發物質的全合成途徑，也稱從頭合成途徑頭合成途徑；還有補救合成途徑是直接利用核苷酸降解生成的完整的嘌呤和米丁堿基重新形成核苷酸的過程。在發酵生產中，補救合補救合成途徑成途徑同樣具有重要的功能。 研究表明，在生物體中，嘌呤堿和嘧啶堿的合成不是先合成游離的嘌呤堿或嘧啶堿，而是與核苷酸同時合成的。各種嘌呤類核苷酸的前體是次黃嘌呤核苷酸（IMP，或簡稱肌苷酸）；而各種嘧啶核苷酸則是從尿嘧啶核苷酸（UMP）衍生出來的。IMP是由次黃嘌呤堿基和核糖-5-磷酸組成的；UMP是由尿嘧啶堿基和核糖-5-磷酸組成的。所以IMP和UMP的從頭合成實

18、際上是次黃嘌呤堿基和尿嘧啶堿基的合成。IMP是在核糖-5-磷酸的基礎上合成次黃嘌呤環結構，UMP是先合成尿嘧啶堿基然后與核糖-5-磷酸連接。核糖-5-磷酸來自于戊糖磷酸途徑。在5-磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下，核糖-5-磷酸與ATP合成核糖-5-磷酸的活化形式5-磷酸核糖焦磷酸（5-phosphoribosyl 1-pyrophpsphate, PRPP）。 Dr. David G.S. YANG（1）嘌呤核苷酸的生物合成）嘌呤核苷酸的生物合成 合成嘌呤核苷酸的原料主要為需要天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、CO2、10-甲酰四氫葉酸、5-磷酸核糖等化合物。在生物體中首先合成的嘌呤核苷酸為肌苷酸。再

19、由肌苷酸轉變為腺苷酸、黃苷酸和鳥苷酸。 由核糖-5-磷酸開始活化形成5-磷酸核糖焦磷酸，后經一系列的酶促反應生成甲酸甘氨咪唑核糖核苷酸，然后咪唑環閉合生成5-氨基咪唑核糖核苷酸。再經羧化，與天冬氨酸縮合、甲酰化、再閉環而生成肌苷酸（IMP）。這一聯串反應如圖2-24所示。Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGIMP 繼續向下代謝可轉化為腺嘌呤核苷酸（AMP）及鳥嘌呤核苷酸（GMP）。從IMP轉化為AMP及GMP的途徑，在枯草芽孢桿菌中，分出兩條環形路線：一條是經過XMP （黃嘌呤核苷一磷酸）合成GMP，再經過GMP還原酶的作用生成IMP；另一條經過SAMP

20、（腺苷琥珀酸）合成AMP，再經過AMP脫氨酶的作用生成IMP。這表明GMP和AMP可以互相轉變。SAMP裂解酶是雙功能酶，也催化從SAICAR 生成AICAR的反應。在產氨短桿菌中，從IMP開始分出的兩條路線不是環形的，而是單向分支路線。GMP和AMP不能相互轉變。 Dr. David G.S. YANG這樣合成的AMP和GMP，經進一步磷酸化作用生成ATP、GTP，然后被利用合成RNA、DNA。再者，AMP經過ATP合成1-(5-磷酸核糖基)-三磷酸腺苷（PRATP ) ，也與組氨酸的生物合成有關。可通過AMP和GMP的相互轉換來調節這些需給關系，即AMP經AMP脫氨酶催化作用生成IMP；G

21、MP經GMP還原酶催化作用也可生成IMP；AMP也能夠通過AMPATPPRATPAICAR 循環，轉變成IMP。 Dr. David G.S. YANG嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成 利用CO2、NH3、天冬氨酸、5-磷酸核糖焦磷酸合成尿苷酸(UMP)。尿苷酸是胞苷酸（CMP）和胸苷酸（TMP）的前體，可轉變為胞苷酸和胸苷酸。尿苷酸的合成，一方面糖經過EMP、TCA途徑生成天冬氨酸；另一面，NH3、CO2 與ATP生成氨甲酰磷酸，后者與天冬氨酸結合，生成氨甲酰天冬氨酸（carbomyl phosphate），然后閉環生成二氫乳清酸，就形成了嘧啶環。接著二氫乳清酸被氧化脫氫生成乳清酸，

22、乳清酸又與5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）反應生成乳清核苷-5-磷酸（orotidine mono-phosphate），再脫羧生成尿苷酸(UMP)，過程如圖2-26所示。UMP經磷酸化生成UTP。UTP再與谷酰胺反應，加入谷酰胺的酰胺生成CTP 。由于有ATP存在，也可以從UTP和NH3生成CTP。 Dr. David G.S. YANG嘧啶核苷酸的生物合成途徑嘧啶核苷酸的生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG次級代謝途徑次級代謝途徑 次級代謝產物一般來源于初級代謝過程，也是正常代謝的組成部分，是生物生長和發育的一種表現，它在細胞生命周期的適當階段才開始，它與生存的狀態和生態的狀

23、況有密切的關系。 次級代謝產物在大自然界是豐富多彩，化學結構的類型非常多，并且往往非常復雜，但它的構造單元其實很少。不過從這位數不多的幾個基本構造單元出發可合成大量的物質。目前，次級代謝產物生物合成中，最重要的構造單元由乙酰輔酶A、莽草酸、甲羥戊酸以及5-磷酸-1-脫氧木糖醇等中間體合成 Dr. David G.S. YANG乙酸途徑乙酸途徑 聚酮是一大類有藥用價值的次級代謝產物，在細胞中是由乙酸（C2）單位通過縮合反應經多聚-酮鏈中間體生物合成獲得的。其結構多樣，主要包括脂肪酸、聚乙炔、前列腺素、大環內脂類抗生素及許多芳香化合物，如蒽醌類和四環素類等。這些化合物均是由乙酸途徑生成的。 多聚-

24、酮鏈是由連續的Claisen縮合反應產生，其逆反應過程為脂肪酸代謝過程中的-氧化反應。2分子乙酰輔酶A經一次Claisen縮合反應的產物為乙酰乙酰輔酶A，然后與乙酰輔酶A重復Claisen縮合反應可得到適宜長度的多聚-酮酯。聚酮經過Claisen反應和羥醛反應環合形成芳香類化合物，再經烷基化反應、酚氧化偶合反應、芳環氧化裂解反應以及經非乙酰輔酶A分子作為起始單位生物合成過程生成結構更加復雜的化合物。非丙二酸單酰輔酶A分子作為延伸單位生物合成大環內脂類和聚醚類化合物。 Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG脂肪酸脂肪酸 Dr. David G.S. YANG

25、具有藥學性能的化合物的合成還需在生物酶系的催化下進一步發生環化等反應而得到。如前列腺素是環化的含有20個碳原子的脂肪酸，其基本骨架由環戊烷環、C7羧酸側鏈、C8烷基側鏈三部分構成的。分別由雙同-亞麻酸、花生四烯酸和5,6,11,14,17-二十碳五烯酸三個必須脂肪酸生物合成的。圖2-30展示的是以花生四烯酸作為前體的前列腺的生物合成途徑。其他兩個脂肪酸為前體的前列腺生物合成產物具有相似的結構，只是兩個側鏈的飽和程度不同而已。前列腺素分子是以前列腺酸為基本骨架，并與其衍生物統稱前列腺素化合物。但各自的藥性不一樣。如前列腺素E2（地諾前列酮）臨床上用于流產和分娩；前列腺素E1（前列地爾）臨床用于先

26、天性心臟缺陷新生兒矯正手術前血液中氧合作用的維持；前列腺素I2（前列環素）具有降血壓作用；等等。 Dr. David G.S. YANG以花生四烯酸為前體的前列腺的生物合成 Dr. David G.S. YANG芳香聚酮芳香聚酮 Dr. David G.S. YANG灰黃霉素生物合成途徑 Dr. David G.S. YANG大環內酯類和聚醚類大環內酯類和聚醚類 大環內酯類抗生素結構中通常含有12-16元的內酯環，環上有多甲基取代，是由乙酸途徑生物合成的典型的一大類藥物，其生物合成主要通過丙酸單位或以乙酸-丙酸單位混合形式參與的生物合成過程產生的。大環內酯分子的內酯環的大小通常是由參加生物合成

27、的乙酸、丙酸單位數目決定的。 Dr. David G.S. YANG玉米赤霉烯酮生物合成 Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGL-對氨基苯丙氨酸（L-PAPA）是L-苯丙氨酸胺化衍生物，它是由PAPA前體4-氨基-4-脫氧分支酸經預苯酸和丙酮酸的氨基衍生物生成。L-PAPA衍生物的一個重要的代謝物是由委內瑞拉鏈霉菌(Streptomyces venezulae)產生的抗生素氯霉素。 Dr. David G.S. YANGDr. David G

28、.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG氨基酸途徑生物堿鳥氨酸吡咯類生物堿托品類生物堿吡咯西啶類生物堿賴氨酸哌啶類生物堿喹諾里西啶生物堿吲哚里西啶類生物堿煙酸吡啶類生物堿酪氨酸苯乙胺類生物堿四氫喹啉類生物堿苯乙基異喹啉生物堿萜類四氫異喹啉色氨酸簡單吲哚生物堿簡單-卡波琳類生物堿萜類

29、吲哚生物堿喹啉類生物堿吡咯吲哚類生物堿麥角生物堿鄰氨基苯甲酸喹啉類生物堿喹啉和吖啶類生物堿組氨酸咪唑類生物堿Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG Dr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANGDr. David G.S. YANG (1) 次級代謝只存在于某些生物當中，而且代謝途徑和代謝產物因生物不同而異，就是同種生物也會因營養和環境條件等不同而產生不同的次級代謝產物。但是初級代謝卻不同，它是一類普遍存在于各類生物中的基本代謝類型，代謝途徑與產物基本類同。 (2) 次級代謝產物對于機體生存不是必需的物質，即使在次級代謝過