药用天然产物的生物合成--崔小清
生命科学中的药物开发从天然产物到合成药物的创新

生命科学中的药物开发从天然产物到合成药物的创新药物的开发是生命科学领域中的重要研究方向之一,从古代的草药运用到现代的合成药物,药物开发经历了漫长的历史进程。
其中,天然产物与合成药物的创新是药物开发领域中的两个重要方向。
本文将探讨生命科学中药物开发的这两个方面,并讨论其相互关系及对药物研究的贡献。
天然产物是从自然界中提取的具有生物活性的化合物。
自古以来,人们就发现许多植物、动物和微生物具有药用价值。
古代的中医学便以中草药为主要疗法,通过各种草药煎剂来治疗疾病。
现代科学的发展使得人们对草药中药效成分进行了深入研究,发现了许多具有明确疗效的天然产物。
例如,阿司匹林是从柳树皮中提取的天然化合物,具有解热、消炎、镇痛等作用;奎宁则是从狭叶冬青树中提取的,用于治疗疟疾。
这些天然产物的发现和应用,改变了人们对疾病的看法,也为后续的药物研究奠定了基础。
然而,天然产物的应用也存在一些问题。
首先,由于天然产物的来源有限,药物的提取和纯化过程十分繁琐,导致药物的产量较低,成本较高。
其次,天然产物的结构复杂多样,因此导致它们在体内代谢、吸收等方面存在一些问题。
同时,由于天然产物存在于自然界中,往往会受到环境的影响,不易控制其质量和纯度。
因此,为了提高药物的疗效和安全性,并降低其生产成本,研究人员开始将目光转向合成药物。
合成药物是人工合成的化合物,其结构和活性可以通过合成的手段进行调控。
与天然产物相比,合成药物具有许多优点。
首先,它们的结构较简单,易于合成和纯化。
其次,合成药物的结构和性质可以根据需要进行调整和优化,从而提高其疗效和安全性。
此外,合成药物的生产可以通过工业化的方式实现,大大降低了成本,并且能够保证药物的质量和纯度。
在药物开发过程中,天然产物与合成药物往往相辅相成。
一方面,天然产物为合成药物的研究提供了重要的启示和模板。
开发一种新的合成药物时,可以从天然产物中获得灵感,如结构上的相似性或共同的生物活性。
另一方面,合成药物可以通过对天然产物的分析和改造而获得。
副本吉林大学药学院导师名单

所在专业 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 生物化学与分子生物学 病理学与病理生理学 病理学与病理生理学 病理学与病理生理学 病理学与病理生理学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物化学 药物分析学
研究方向 缓控释制剂研究 生物分子库与新药筛选 基因治疗与基因表达调控 癌基因表达 生物技术制药;基因表达与调控 脂肪细胞分化及再生医学 代谢性疾病药物的设计与合成 多能干细胞研究 基因工程;分子细菌学 代谢性骨病学 糖尿病并发症及肾脏病分子病理 代谢性骨病的分子机制研究 糖尿病并发症分子病理学 多样化合成与创新药物研究 天然药物结构鉴定及构效关系研究 天然药物化学成分及其生物活性的研究 新药开发及新剂型的研究 天然药物分子结构优化及药物质量控制 药物设计与合成 天然药物有效成分的研究 中草药有效成分的研究 天然产物及药物剂型的研究 中药化学成分及生物活性的研究 心血管药物 靶向药物系统研究 药物新剂型与新技术 生物药剂学与药物动力学及新剂型的研究 中草药成分化学与有机合成研究 药物剂型的研究 中药天然药物有效成分研究 新药开发 新药的设计、合成及活性研究 生物催化和生物合成 药物化学研究 天然产物的研究与开发 中药有效成分与应用开发研究 药物分子与生物分子相互作用研究
关铭 赵春芳 胡秀丽 周秋丽 赵丽纯 睢大筼 任立群 洪铁 刘宏雁 曹霞 武毅 于晓风 颜炜群 孙非 孙德军 王毅 周余来 袁文锴 顾国贞 侯宜 张绍轩 周庆伟 陈月 耿学军 宿晓云 张馨木
天然产物作为药物先导结构的重要来源剖析

天然产物作为药物先导结构的重要来源一、说明从人类出现至今,人类一直依靠大自然来满足他们最基本的需求,其中需求最大的是治疗各种各样疾病的药物。
尤其是植物已经形成了基本的传统医药体系,在美索不达米亚地区有最早记录的大约1000多种植物药,“亚伯斯古医集”最早追溯到公元1500年,记载了超过700种药物,其中大部分是从植物中得到的药物。
公元1100中草药记录了52种处方药,随后有许多这方面的研究,比如神农尝百草(365种药物),唐本草(850种药物)。
在印度有中草药记载的记录也是在公元1000年以前(查拉卡;Sushruta等分别记载了341和516种药物)。
希腊和罗马对古西方世界中草药的合理发展做出了很大的贡献。
迪奥斯科里吉斯希腊的内科医生,在他跟随罗马军队出征时详细记载了中草药的收集,储存和使用。
同时,伽林是罗马的一个执业医生、药剂学的老师,因为其复杂的处方和不同药物的配伍而出名。
然而,中世纪是阿拉伯人掌握了希腊罗马人对药物的专业知识。
并且扩展了其知识,包括对自己一些药物来源的开发及中国和印度草药的使用,这些是希腊罗马时代所不会的。
关于药物应用发展历史更全面的介绍可以在NLM、NIH及at /hmd/medieval/arabic.html.在医疗保健领域,植物药仍然扮演着一个不可或缺的角色,在不同的文化领域内对植物药不同的应用已被广泛的记载。
具世界卫生组织统计,大约百分之八十的世界居民主要靠传统药物来治疗一些小的疾病,然而天然产物对于剩余的百分之二十人的医疗保健同样扮演着重要角色。
二、天然产物在药物发现和药物发展重要作用纽曼和格拉克已经综述了天然产物作为潜在的化疗药物持续价值。
对1981年1月-2006年6月的新药来源做一个分析归类,其可分为N (未经修饰的天然产物)、ND(经过修饰的天然产物)、S(不经天然产物纯合成的)、S*, S*/NM(用天然产物作为药效团合成的;/NM 表明竞争性抑制)和S/NM(合成化合物表现出对天然产物产生竞争性抑制)。
中药现代化研究新思路_天然药物化学与生物学研究相结合

中国天然药物 2008年 1月 第 6卷 第 1期
CJNM
Ch in J N at M ed Jan. 2008 Vol16 No11 3
适合高通量筛选 ,可直接得出分子水平的作用靶点及机 理 ,发现构效关系 ,药物用量少 ;缺点是缺少药物体内代谢 的过程 ,靶点单一 、容易漏筛 。体内筛选模型的特点是能 够准确反映药物对机体的作用及在体内的代谢过程 ;缺点 是个体差异大 、药物用量大 、成本高 、实验周期长 。
建议在研究作用靶点不明确的样品时应尽量选择多 个相关模型进行筛选 ;如条件允许尽量采用体内和体外筛 选模型相结合的方法 ;对提取物和部位而言 ,由于其对分 子靶点模型干扰较大 ,应尽量采用整体动物模型或模式生 物模型进行活性筛选 。
表 1 不同层次筛选模型的特点
模型
体内 /体外
受试样品 用药量
提取物 单体
结果 稳定性
整体动物疾病模型 体内
适合 适合 大 一般
组织 、器官模型
体外
适合 适合 大 中等
细胞 、分子模型
体外 不太适合 适合 小
高
模式生物模型
体内
适合 适合 中 中等
4) 可自动鉴别出有价值的前体药物 (必须通过生物 体内过程才能发挥药效 ) ;
5) 可筛选作用靶点尚不明确的抗菌药物 ; 6) 可筛选通过提高机体免疫发挥抗菌作用的药物 。
天然产物药物研究的现状和未来展望

天然产物药物研究的现状和未来展望自古以来,天然产物一直被广泛应用于药物研究和治疗。
从中药到现代药物的发现,天然产物在医学领域的作用和价值一直受到关注和重视。
本文将围绕天然产物药物研究的现状和未来展望展开讨论。
现状天然产物药物研究是一个广泛和多样化的领域。
现有的天然产物药物主要来源于植物、动物和微生物。
在经过系统的分离和提取后,天然产物中的活性成分经过进一步的筛选和测试,最终可以用于药物治疗。
最成功的天然产物药物之一是阿司匹林,其主要成分来自于柳树皮,已在心血管疾病等方面得到广泛应用。
而中药材中的多种草药也被证明对多种疾病有治疗作用,如决明子、白鲜皮、三七等。
另一方面,在微生物方面,发酵和微生物发酵技术的发展,也为天然产物药物的研究和开发带来了新的可能。
例如链霉素和青霉素等两种非常著名的药物,都是通过培养被称为“青霉菌”的微生物而发现的。
尽管天然产物药物在临床应用中具有例如毒副作用小、治疗效果持久等优势,但其开发成本较高,且因为原料来源和生产成本的限制,天然产物药物的实际应用仍然受到一定的局限性。
未来展望天然产物药物在医学领域中的作用一直受到认可和肯定,随着技术的进步和对天然产物的理解加深,其未来仍然将是令人期待的。
发酵和微生物发酵技术的发展,使得天然产物药物的开发成本得以降低,同时也为新药物的研发和创新提供了新的途径。
例如,在微生物发酵技术的基础上,研究人员发现了一种名为“维生素P”的新药物,它是通过发酵菜花玉米的混合物得到的,可用于心血管等多种疾病的治疗。
与此同时,天然产物药物的发现和开发也需要更多的跨学科和综合性研究。
随着生物技术、计算机和化学技术等领域的发展,人们有望更深入地理解天然产物药物的原理和机制,进一步开发更加安全、有效的药物。
总结天然产物药物具有很高的药物作用和治疗效果,天然界中的各种草药、植物、动物和微生物都可能潜藏着宝贵的药物资源。
虽然存在着其开发成本较高等局限性,但天然产物药物在将来依然具有令人兴奋的潜力和广阔的应用前景。
天然产物抗癌活性的研究进展

天然产物抗癌活性的研究进展随着科技的不断发展,人们对抗癌药物的需求日益增加。
然而,在抗癌药物方面,人们也开始关注天然产物的抗癌活性。
这些天然产物可以从植物、动物和微生物中提取。
在过去的几十年中,越来越多的研究表明,天然产物具有出色的抗癌活性。
本文将介绍一些天然产物的抗癌研究进展。
一、小分子化合物天然产物中,小分子化合物具有出色的抗癌活性。
其中,黄烷类、倍半萜类和生物碱类的小分子化合物已经被广泛研究。
例如,黄烷类的莲花碱被证明对许多癌细胞株具有显著的抑制活性。
倍半萜类的紫杉醇和阿霉素也是天然抗癌剂。
这些小分子化合物既可以单独使用,也可以与其他药物联合使用,以增强其效果。
二、植物提取物植物提取物是人们最常使用的天然产物之一。
例如,紫锥花提取物可以抑制肿瘤细胞生长,从而起到抗癌作用。
此外,青蒿素也是一种具有非常强抗癌活性的天然产物。
青蒿素是从青蒿树皮中提取的,在治疗恶性黑色素癌、肺癌和妇科癌症方面具有良好的效果。
三、蛋白质和多肽天然产物中,蛋白质和多肽也具有抗癌活性。
这些天然蛋白质和多肽通常是通过食品或微生物发酵过程中获得的。
例如,麦角甾醇二乙酸是一种来自于食用菌的多肽,可以阻止某些癌细胞的生长。
另一个例子是血凝素,这是从新西兰鲑鱼中分离出来的一种蛋白质。
血凝素可以直接与肿瘤细胞进行相互作用,促使肿瘤细胞死亡,从而发挥抗癌作用。
四、微生物微生物也是一种可以提供抗癌产物的天然来源。
大多数已知的抗癌天然产物都是从微生物中获得的,包括链霉素和卡他鲁多糖。
链霉素是一种广泛用于治疗癌症的抗生素,其来源于链霉菌。
卡他鲁多糖是一种从蓝色的海藻中提取的天然产物,被认为可以促进肿瘤细胞的死亡。
总的来说,天然产物已经成为一种引人注目的抗癌药物来源。
它们不仅可以减少化学药物的副作用,而且具有独特的抗癌活性,在人类抗癌战略中具有重要的地位。
然而,总体上,天然产物的抗癌作用还没有得到充分的认识,还需要更多的研究来揭示其分子机制。
药用天然产物的生物合成-红霉素的生物合成与衍生物的研究进展

红霉素的生物合成与衍生物的研究进展崔小清微生物与生化药学21140811040摘要红霉素及其衍生物属于大环内酯类抗生素,近年来作为抗菌药物被广泛使用在临床、养殖业和农业中。
作为抗生素类生物合成的一种模式化合物,本文对红霉素的生物合成机制和红霉素衍生物的研究进展进行了概述,并对其前景作了展望。
Biosynthesis of Erythromycin and Research progress of itsDerivativesAbstract Erythromycin and its Derivatives are belong to macrolide antibiot ics, recently, they,as Antimicrobial agents, are Widely used in clinical, aquaculture and agriculture. Being a model compound of antibiotic biosynthesis, research progress on erythromycin biosynthesis mechanism and erythromycin derivatives were reviewed, and the prospects were studied.红霉素( erythromycin) 作为人类发现的第一个大环内酯类抗菌药物,它的临床应用可追溯到20世纪50 年代,红霉素等大环内酯类抗生素主要用于治疗由革兰氏阳性菌引起的多种感染,不良反应为对消化道的刺激作用[1],在临床和畜用上都具有良好的治疗效果,属人畜共用药物,由于红霉素在动物体内代谢时间较长,因此不可避免地在动物体内产生残留,其毒、副作用给人蓄带来危害[2]。
对红霉素类抗生素的分析一直是药物分析中令人注目的研究课题,因此,自红霉素问世以来,红霉素衍生物的研究一直是抗菌药物研究的重要领域之一。
抗肝癌药盐酸诺拉曲噻的合成

抗肝癌药盐酸诺拉曲噻的合成
赵学清;庄伟平
【期刊名称】《中国新药杂志》
【年(卷),期】2007(016)010
【摘要】目的:改进盐酸诺拉曲噻的合成工艺.方法:以2-溴-4-硝基甲苯为原料经Sandmeyer法合成靛红、氧化开环、环合成喹唑啉酮和Ullmann反应合成了盐酸诺拉曲噻.结果:有关中间体及目标化合物的结构经必要的图谱确证,或经含量分析;总收率为28.8%.结论:本合成路线简洁,工业成本低,所得产品纯度高,适合于工业化生产.
【总页数】4页(P772-775)
【作者】赵学清;庄伟平
【作者单位】福建省微生物研究所,福州,350007;福建省微生物研究所,福
州,350007
【正文语种】中文
【中图分类】R979.1;R914.5
【相关文献】
1.新型抗癫痫药盐酸噻加宾的合成 [J], 赵学清;刘秀兰
2.盐酸洛拉曲克通过调控caspase-3促进人肝癌细胞HepG-2凋亡 [J], 李顺延; 高飞; 郭虎林
3.盐酸诺拉曲塞细菌内毒素检查方法学研究 [J], 张秀花;刘艳平;夏忠民
4.盐酸诺拉曲塞的合成 [J], 张庆文;郑云满;益兵;时惠麟
5.盐酸洛拉曲克长循环脂质体的制备及其对肝癌细胞的体外毒性 [J], 陈斯泽;汪森明;张积仁
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聚酮合酶(polyketide synthase)
• 聚酮合成酶通过催化前体物质进行反复的缩合反应,可以形成多 种聚酮体,再经过甲基化、氧化还原、糖基化等修饰反应形成各种各 样结构复杂的聚酮类化合物。 • 其生物合成有其共同的机制,其核心结构均由聚酮合酶催化合成。 根据聚酮合酶的结构及其它性质,聚酮合酶被分成Ⅰ型(typeⅠPKS, 又称模件型)、Ⅱ型(typeⅡPKS,又称迭代型)和Ⅲ型(typeⅢPKS,查 尔酮型)3大类。
人为的方法产生新杂合酶 从概率上来说是很难比天 然的酶对底物 更加匹配
六、展望
在新药的研发领域, 通过组合生物合成优化先导化合物的 结构与随机合成化合物库筛选相比具有明显的优势. 综合使用 上述方法对红霉素进行组合生物合成理论上几乎可以产生无数 种红霉素的结构类似物。 随着组合生物合成技术的成功应用, 化学合成与生物合成 将更加紧密地联系在一起, 从而促进新药的开发和发展, 成 为人类战胜各种疾病的有力武器.
硫酯酶酶域 TE
如把TE结构域连到DEBS1的 羟基末端能够产生6元环内 酯化合物 35
4、后修饰途径过程中的组合生物合成
D-德胺糖 (desosa mine)
有报道显示德胺糖存在于所有 14 元大 环内酯活性天然产物中, 是红霉素与核糖体 接合从而抑制细菌生长的一个关键因素。C3 上的 L-碳霉糖并不是红霉素抗菌活性所必 须的。这些发现都显示着糖基在红霉素生物 活性上的重要作用,因此糖基的改变也成为 红霉素组合生物合成研究的一个热点。
药用天然产物的生物合成
微生物与生化药学 21140811040 崔小清
红霉素的生物合成与组合生物合成
1
1
脂肪酸合成 聚酮类药物 红霉素及其合成 红霉素的组合生物的合成 研究 目前困难
2
5
内容
4 3
2
3
4
5
一、脂肪酸合成
二、聚酮类药物
• 聚酮类化合物是由简单脂肪酸在聚酮合酶催化下经过类似长链脂肪酸 的合成途径生成的,其中心骨架是通过丙二酸(或有取代基的丙二酸) 硫酯重复的脱羧缩合而形成的。包括聚次甲基酮基团( (CH2一CO)n) 化合物及其加水、脱水或者脱羧的衍生物。
红霉素
小分子羧酸为前提,合成一个十四元环 内酯及在大环内酯上接合两个糖基。
红霉素 A (1)发酵液的 主要产物。 以红霉素 A 为基础开发 出来的第二代红霉素如 (2)、 (3)、 (4),以及第三代 (5)等 是临床上广泛使用的抗生素 之一。
红霉素A类似物
甲基丙二酰单 酰CoA
丙酰CoA
6-脱氧红霉内酯
AT特异性识别底物
AT特异 性识别 底物
丙二 酰CoA
C-12、C-10、 C-8、C-6、 C-4、C-2。
与红霉素结构类似物(缺少甲基)
丙酰CoA
二酸单酰辅酶A
许多 I 型 PKS 聚酮化合物如泰乐菌素(tylosin)、苦霉素(pikromycin) 、多杀菌素(spino- syn)等的起始模块AT-ACP的前端还含有KSQ(酮基硫酯 合成酶)功能域. 使起始模块 AT 首先识别的是二酸单酰辅酶A, 结合到ACP 后不是直接转移到延伸模块的 KS 结构域中, 而是由KSQ 催化脱羧, 再转移 KS1 上进行下一步的合成。
四、红霉素的组合生物的合成研究
生物合成
内酯环的形成
内酯环的后修饰
对红霉素的组合生物合成研究, 也可以分为两个方向: 1、对合成红霉素大环内酯的 PKS 进行遗传操作, 改变大环内酯 的结构。 2、对红霉素合成的后修饰途径进行改造, 合成具有不同糖基的 红霉素类似物.
1、酰基转移酶 AT
替换1-6 AT 模块 甲基丙二酸 单酰CoA
Figure 1 Modular organization of deoxyerythronolide B synthase (DEBS)
D-德胺糖 (desosa mine)
L-碳霉糖(mycarose)
红霉内酯
3-O-碳霉糖 基红霉内酯 红霉素D
下面途径催化效率比较低,为红霉素A合成的副途径,在红霉素工业 生产的发酵液里有大量中间产物红霉素B和红霉素 C 积累。红霉素 B 和 红霉素 C 的抗菌活性要比红霉素 A 低, 毒副作用却比红霉素 A 大。 B、C在红霉素难除去但却必须除去,可通过增加EryK和EerG基因 拷贝数来调控酶的活性,将其转化为A。
参考文献: 吴杰群, 刘文, 张嗣良. 红霉素的生物合成与组合生物合成[J]. 有机化学. 2012: 32, 1232-1240.
目前组合生物合成聚酮产物种类非常多,2008年在PubMed上已发表 论文中报道的组合生物合成聚酮已经超过200多种,但是这些新产物的生 物活性都没有能够超过原来的聚酮化合物,商品化的组合生物合成聚酮产 物也没有出现。 在自然界中存在的酶催 化反应都是由千百万年 进化而来, 天然的酶与 天然的底物在进化过程 中已经处于一个相对最 适的状态.
Ⅰ型PKS
• 负责延伸1个二碳单位的所有结构域称为1个Module,I型聚酮合 酶包括多个模块。每个模块上分别携带有参与聚酮生物合成所必需的 各种具有不同催化功能的结构域。
酰基转移酶(AT) 酰基载体蛋白(ACP) β-酮基硫酯合成酶(KS)
PKS
β-酮基还原酶(KR) 脱水酶(DH) 烯醇还原酶(ER) 硫酯酶(TE)
L-碳霉糖
五、聚酮化合物组合生物合成面临的困难
• PKS全酶基因簇的异源表达还有比较大的难度,这是由于PKS的 异源表达对宿主提出许多要求:遗传背景清楚、有成熟的遗传操作方 法、有成熟的培养方法、宿主的生长不受PKS蛋白表达的影响、有能 力表达高分子量的PKS(约100~10000 kDa)、可以对PKS进行翻译后 修饰、自身可产生足够的合成前体(如脂酰CoA或衍生物)、对聚酮化 合物的修饰、宿主不受聚酮产物毒害、具有某些必需的细胞因子等等。
PKS(polyketide synthase)
• Ⅰ型PKS:是多个Module存在的多功能酶,每一模块含有一套独特 的、不同功能非重复使用的催化功能域,其非重复使用的催化功能域 与聚酮生物合成的反应顺序呈线性对应,主要催化合成大环内酯类、 聚烯及聚醚类化合物。 • Ⅱ型PKS :Ⅱ型PKS是一个多功能酶复合体,只包含一套可重复使 用的结构域,每一结构域在重复的反应步骤中都多次地用来催化相同 的反应。 • Ⅲ型PKST:Ⅲ型PKS和其它两种PKS迥然不同,它在不需要ACP的 情况下直接催化
2、红霉素 PKS 结构修饰功能域的改 变
在 I 型 PKS 的某些模块组合KR、 DH 和酶 ER 等功能域, 这些 非PKS 催化反应往下延伸的必须基团, 存在会影响大环骨架上 β-羰基 的还原水平,这些结构域的功能如Scheme 1 所示。
β-酮基还原酶(KR) 烯醇还原酶(ER) 脱水酶(DH)
三、红霉素
红霉素:用于治疗革兰氏阳性细菌感染的广谱大环内酯类抗生素。 对红霉素进行结构修饰所产生的新一代药物能提高它的临床疗效, 甚至对原本红霉素的抗菌谱也有较大的扩展。显然,通过组合生物合 成对红霉素进行结构改造在新药开发上具有巨大的潜力。目前关于红 霉素的生物化学方面的研究有许多报道,包括生物合成途径的阐 明、 关键酶结构的鉴定和催化机制的推导。以及产生菌的全基因组测序等, 这为红霉素的组合生物合成提供了丰富的理论基础。也正因为如此, 红霉素成为当今组合生物合成研究最为热点的模式化合物。
6-脱氧红 霉内酯
分别对红霉素PKS延伸模块6中KR功能域和模块 4 中ER 功能域 失活, 可以得到相应的 C-3 酮基类似物 27 和 C-6-C-7 不饱和类似物 28。
3、内酯环单元数的改变
红霉素大环内酯合成单元链 DEBS3的羟基端有TE, 负责将长链脂肪酸从 PKS 上水解下来, 并与 PKS 的其它部位共同作用, 将产物环化成一个十四元环 的化合物 6-脱氧红霉内酯