生物合成
生物合成的名词解释
生物合成的名词解释生物合成指的是在生物体内通过在细胞中引发一系列反应来制造或合成新的物质的过程。
这个过程涉及到许多不同的生化反应和途径，包括蛋白质合成、核酸合成以及各种有机分子的合成等等。
在细胞内，生物合成是由一系列酶催化的化学反应来进行的。
这些酶是由细胞内的基因编码的，并且按照特定的顺序和时机被表达和调控。
这种精细的调控机制保证了合成的物质在正确的时间和位置进行，并且以适当的速率进行。
生物合成的一个重要应用领域是药物研发。
许多现代药物都是通过生物合成来生产的。
例如，许多抗生素和激素类药物都是通过细菌或真菌进行生物合成来获得的。
通过对这些微生物的基因进行改造，科学家可以使其生产更有效或更稳定的药物，从而提高药物生产的效率和规模。
除药物之外，生物合成还在食品和能源领域有着广泛的应用。
例如，利用微生物进行生物合成可以生产出各种食品添加剂、调味品以及酿造中的发酵剂。
同时，利用光合作用和微生物的作用，以及其他生物过程，可以将生物质转化为燃料或能源。
生物合成的研究对于我们理解生命的本质以及开发新的技术和产品具有重要意义。
通过探索和解析生物合成过程中的基本原理，科学家可以设计和合成新的生物分子，用于制药、材料科学以及其他许多领域。
这种能力有助于我们开发出更有创造力和高性能的药物，材料和化学工艺。
同时，对生物合成的深入了解还可以提供有关生命起源和演化的重要线索。
尽管生物合成在各个领域中都有广泛的应用，但其研究仍然面临一些挑战。
其中之一是复杂性。
生物合成过程往往涉及大量的基因和酶，并依赖于复杂的调控网络，这使得我们理解和控制这些过程变得复杂而困难。
此外，生物合成还面临着工程难题，例如选择适合的宿主生物和寻找高效的合成途径等。
总之，生物合成是生物体内制造和合成物质的过程。
通过对生物合成的研究，我们可以理解和控制生命的基本过程，并将其应用于药物研发、食品工业、能源生产以及其他领域的创新中。
尽管生物合成仍然面临着挑战，但我们相信随着技术的不断进步，生物合成将发挥更大的作用，并为我们带来更多的机会和未来的可能性。
生物合成 化学合成
生物合成化学合成
生物合成和化学合成是两种不同的合成方式，它们都可以用来制造新的物质。
生物合成是指生物体内的合成过程，它是由生物体内的酶催化的，酶是一种特殊的蛋白质，它可以将一种物质转化为另一种物质，从而实现物质的合成。
生物合成的过程可以分为三个步骤：首先，酶将原料物质分解成更小的物质；其次，酶将这些小物质组合成更大的物质；最后，酶将这些大物质组合成最终的产物。
化学合成是指在实验室中通过化学反应来合成新物质的过程。
它是由化学反应催化的，化学反应可以将一种物质转化为另一种物质，从而实现物质的合成。
化学合成的过程可以分为三个步骤：首先，化学反应将原料物质分解成更小的物质；其次，化学反应将这些小物质组合成更大的物质；最后，化学反应将这些大物质组合成最终的产物。
生物合成和化学合成都可以用来制造新的物质，但它们之间也有很多不同之处。
首先，生物合成是由酶催化的，而化学合成是由化学反应催化的；其次，生物合成的过程更加复杂，而化学合成的过程更加简单；最后，生物合成的产物更加复杂，而化学合成的产物更加简单。
此外，生物合成和化学合成还有一个重要的区别，就是它们的应用范围不同。
生物合成主要用于生物体内的合成，而化学合成则主要用于实验室中的合成。
总之，生物合成和化学合成都是用来制造新的物质的方法，它们之间有很多不同之处，但它们都可以用来制造新的物质。
微生物药物的生物合成
乙酰COA
CO2
丙二酰COA
乙酰COA羧化酶
产物合成期：PEP
草酰乙酸
羧基转移酶
丙二酰COA
6.酶的诱导调节 7.反馈调节
• 与初级代谢产物的调节机理类似，诱导调节通 过底物（诱导剂）诱导后，特异性酶才会被诱
导产生；反馈调节则是由于产物的过量积累导
致的。
8.细胞膜通透性调节
• 通过调节膜的通透性，影响摄入前体或 排出产物而加速次级代谢产物的合成， 提高其产量。
1.前体聚合 （1）聚酮体的聚合（续）
1.前体聚合
（2）氨基酸的聚合
①酶促生化合成
②转录翻译系统
③硫模板机理
2.修饰
3.不同组分的装配
4.4微生物次级代谢产生物合成的调 节机制
1.初级代谢对次级代谢的调节 2.碳代谢物的调节 3.氮代谢物的调节 4.磷酸盐的调节 5.ATP调节 6.酶的诱导调节 7.反馈调节 8.细胞膜通透性调节 9.金属离子和溶解氧的调节
9.金属离子及溶解氧的调节
• 金属离子，特别是二价阳离子，如Ca 2+、 Mg2+等，作为酶的激活剂发挥作用，而溶 解氧也是次级代谢产物合成的限制性因子 之一。
4.磷酸盐调节
• 促进出级代谢，抑制次级代谢 • 抑制次级代谢产物前体的形成
• 阻遏次级代谢产物合成中某些关键酶的合成
• 抑制碱性磷酸酯酶的合成
• 增加菌体能荷状态以促进初级代谢
5.ATP调节
• ATP直接影响次级代谢产物合成和糖代谢中某些 酶的活性。以四环素的合成为例：
菌体生长期：PEP 丙酮酸
4.3 微生物药物生物合成的 基本途径
一、次级代谢产物的生源 1.聚酮体
4、微生物的合成代谢
（一）淀粉和糖原的合成
1.淀粉合成：引物是一个至少有四个葡萄糖 残基的寡聚糖，单糖的活化形式，在植物中 为UDP-葡萄糖，在细菌中是ADP-葡萄糖， 糖-磷酸键水解释放的能量用于淀粉合成：
在淀粉合成中，引物可以由麦芽糖在转葡萄 糖苷酶的作用下产生。
在某些菌中，合成的途径有所不同。
支链淀粉是在直链的基础上形成的。
第四章 微生物的合成代谢
微生物利用能量代谢所产生的能量、中间产物 以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物 质的过程称合成代谢。
自养型微生物以CO2为碳源，以无机物为电子供体； 异养型微生物则以有机物为碳源和电子供体。
生物合成三要素
能量 还原力 NADP+NADH 小分子前体物
在利用蔗糖合成葡聚糖或果聚糖时，只要通过转糖 基作用就能延长多糖的链，此过程中利用的能量只是 蔗糖分子中糖苷键的能量的转化，不需要消耗ATP。
（三）纤维素的合成
纤维素是真菌和植物的细胞壁的组分。
有些细菌如胶醋杆菌(A.xylinum)的细胞外粘 液层中也含有纤维素，这说明胶醋杆菌也能 合成纤维素。胶醋杆菌合成纤维素的方式与 合成淀粉的方式相似，只不过引物是小分子 纤维素，单糖的活化形式是UDP-葡萄糖。
透明质酸的合成也需要小分子引物，供体 则为UDP-N-乙酰葡萄糖胺和UDP-葡萄糖醛 酸，两者交替向引物上转移糖苷，从而合 成大分子的透明质酸。
葡萄糖醛酸由葡萄糖氧化而成，氧化前葡 萄糖必须变成UDP-葡萄糖的形式。
（二）肽聚糖的合成
1.双糖肽单位合成（细胞质中）:N-乙酰葡萄 糖胺(NAG)、N-乙酰胞壁酸(NAMA)的生成和 N-乙酰胞壁酸短肽的合成，以及由NAG、 NAMA和短肽构成的双糖短肽单位的生成等。
DNA的生物合成
13/16.DNA的生物合成 13.2 原核生物DNA的复制 13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
1.原核生物的DNA聚合酶 （1）DNA聚合酶Ⅰ:
Klenow片段，含DNA聚合 酶和3´→5´核酸外切酶活性
13/16.DNA的生物合成
13.2 原核生物DNA的复制
13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
• 基因组能独立进行复制的单位称为复制子，每个复制子都含有控制复制起始
的起点，可能还有终止复制的终点
• 大多数原核生物染色体DNA的复制是双向，形成复制眼，单向复制的特殊形
式，称为滚动环式
• 真核生物染色体DNA是线形双链分子，含有许多复制起点，因此是多复制子。
13/16.DNA的生物合成 13.1 DNA复制的概况 13.1.2 DNA复制的起点和方向
13/16.DNA的生物合成 13.2 原核生物DNA的复制 13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
1.原核生物的DNA聚合酶
β-滑动夹子 将正在复制的DNA固定在夹子中心，并能随DNA复制沿着模板DNA链滑动 使DNA聚合酶不易从模板脱离，有利于DNA的连续复制
13/16.DNA的生物合成 13.2 原核生物DNA的复制 13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
2.参与原核生物DNA复制的其他酶和蛋白质 （5）其它蛋白因子
单链结合蛋白（SSB-single-strand binding protein） 稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。
引发前体 它由多种蛋白质dnaA、dnaB、dnaC、n、n´、n´´ 和i组成。引发前体再与引发
若双链DNA中一条链有切口，一端是3´-OH，另一端是5´-磷酸基，连接酶可 催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。
第六章 生物合成技术
生物合成技术生物技术,又称生物工程或生物工程技术,就是生物科学与工程技术相结合而形成的新学科。
生物技术主要包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程与发酵工程。
基因工程又称为重组DNA技术,就是通过人工操作,在分子水平上进行基因重组、改造与转移,以获得具有新的遗传特性的细胞,合成人们所需物质的技术过程。
酶工程就是酶的生产与应用的技术过程。
即就是通过人工操作,获得人们所需的酶,并通过各种方法使酶发挥其催化功能的技术过程。
细胞工程就是在细胞水平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。
发酵工程又称为微生物工程,就是在人工控制的条件下,通过微生物的生命活动而获得人们所需物质的技术过程。
发酵方式主要分为固体发酵与液体发酵两大类。
生物技术可以定向改造生物、加工生物材料,有目的地利用生命过程,广泛应用于医药、农林牧渔、生态、轻工食品、化工、能源、材料、海洋开发及环境保护等领域,涉及面广,促进传统产业的改造与新型产业的形成。
实验1 大肠杆菌感受态细胞的制备及转化一、实验目的1、学习氯化钙法制备大肠杆菌感受态细胞的方法。
2、学习将外源质粒DNA转入受体菌细胞并筛选转化体的方法。
二、实验原理转化就是将异源DNA分子引入另一细胞品系,使受体细胞获得新的遗传性状的一种手段,它就是微生物遗传、分子遗传、基因工程等研究领域的基本实验技术之一。
转化过程所用的受体细胞一般就是限制-修饰系统缺陷的变异株,即不含限制性内切酶与甲基化酶的突变株。
受体细胞经过一些特殊方法处理后,细胞膜的通透性发生变化,成为能容许外源DNA分子通过感受态细胞。
在一定条件下,将外源DNA分子与感受态细胞混合保温,使外源DNA分子进入受体细胞。
进入细胞的DNA分子通过复制、表达实现遗传信息的转移,使受体细胞出现新的遗传性状。
将经过转化后的细胞在选择性培养基中培养即可筛选出转化体。
本实验以E、coli DH 5α菌株为受体细胞,用氯化钙处理受体菌使其处于感受态,然后在一定条件下与pBR322质粒携带有抗氨苄青霉素与抗四环素的基因,因而使接受了该质粒的受体菌也具有抗氨苄青霉素与抗四环素的特性,常用Amp r,Tet r符号表示。
组合生物合成
换、阻断、重组等)来改变生物合成途径产生新 的代谢旁路, 利用天然产物生物合成机制 利用天然产物生物合成机制获得大 量新的“非天然”天然产物的方法。
1985 年, Hopwood 教授在世界首次报道用遗传工程的手段合成 “非天然”的天然产物isochromanequinone, 为后来的组合生物合 成奠定了基础。这一领域成为天然产物代谢工程研究中最活跃的 领域, 许多微生物次级代谢研究的专家都加入这一领域的工作, 因 为组合生物合成有潜力制造出很多先导化合物。
1、Ⅰ型PKS
Ⅰ型PKS 研究最为透彻, 主要由酮基合成酶(ketosynthase, KS) 、酰基 转移酶(acyltransferase, AT)、酰基载体蛋白(acyl-carrier protein, ACP)、 脱氢酶(dehydratase, DH)、烯酰还原酶(enoyl reductase, ER)和酮基还 原酶(ketoreductase, KR) 等功能域（结构域）组成。这些结构域组成 模块化结构。KS、AT、ACP是链延伸反应的“最小PKS”，由AT选择 一个延伸单元，通常是乙酸或丙酸，连接到链上，由KS催化缩合反 应，ACP吸住链并接受从AT来的延伸单元以备下一步缩合反应。 如合成红霉素的PKS由3 条多肽链(DEBS1、DEBS2 和DEBS3)7 个模块 组成; 合成雷帕霉素的PKS 由3 条多肽链(RAPS1、RAPS 2 和RAPS 3)14 个模块组成。
CHINA PHARMACEUTICAL UNIVERSITY
CHINA PHARMACEUTICAL UNIVERSITY
2. PKS中模块或功能域的增加
Rowe 等以合成红霉素和雷帕霉素的PKS 为研究对象, 首 次成功地实现了模块添加 模块添加的设想。方法是将合成雷帕霉 模块添加 素的PKS 中模块2 和模块5 分别插入到减短后的DEBS1-TE 的模块1 和模块2 之间, 结果得到了在相应位置多出一个 结构单位的四酮化合物(图1); 将合成雷帕霉素的PKS中模 块2和模块5分别插入到全长的合成红霉素的PKS 中模块1 和模块2之间, 结果得到了在相应位置多出一个结构单位 的十六元环的聚酮化合物。
体外生物合成多肽实验步骤
体外生物合成多肽实验步骤
体外生物合成多肽实验通常涉及多个步骤，包括以下主要过程：
1. 设计多肽序列： 确定所需合成的多肽序列。
这可能基于对蛋白质结构、功能或活性的理解，或者是为了特定的实验目的而设计的。
2. 化学合成： 采用固相合成（solid-phase synthesis）或液相合成 （solution-phase synthesis）方法合成多肽。
固相合成通常是主要方法，它涉及将多肽序列逐渐从C端到N端一步步地组装到载体 （例如树脂）上。
这些步骤使用保护基、耦合试剂和去保护试剂来逐步构建多肽链。
3. 脱保护和纯化： 在化学合成过程中，每次添加一个氨基酸时都需要保护未反应的部分，以防止产生不期望的副产物。
合成完成后，需要去除这些保护基，并对合成多肽进行纯化。
4. 结构鉴定： 使用各种分析方法对合成的多肽进行结构鉴定，例如质谱分析 （如质谱图谱学）和核磁共振 （NMR）等。
这些技术可以帮助确认所合成多肽的分子结构和纯度。
5. 功能验证和生物活性测定： 进行体外实验以验证合成多肽的功能和生物活性。
这可能包括对多肽的生物活性、分子识别、相互作用、抗菌性质、药理学效应等进行测试。
6. 应用研究： 根据合成多肽的特性和活性，进行进一步的研究应用。
这可能包括开发新的药物、生物技术应用、生物标记物、疫苗研究等。
以上步骤是体外生物合成多肽实验的基本过程。
在实验中，需要严格控制实验条件、遵循正确的操作步骤，并使用适当的技术和仪器
进行分析和验证，以确保合成多肽的成功和可靠性。
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中 小 型
SFE 装 置 图
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
特点
• 不残留溶剂、萃取速度快、收率高、工艺流程简单、 操作方便。
一、天然药物有效成分的提取
（三）影响溶剂提取效率的因素
1)原料的粒度： 2)提取温度： 3)提取时间： 4)提取压力：
1、溶剂提取法
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
（四）溶剂提取法分类
按是否加热分为： 冷提-----适用于受热不稳定的成分 热提-----受热稳定的成分
一、天然药物有效成分的提取
第二节：生物合成（主要生物合成途径）
1. 醋酸-丙二酸途径：脂肪酸、酚、蒽酮类 2. 甲戊二羟酸途径：萜、甾体类 3. 桂皮酸途径： 苯丙素、香豆素、木质素、木脂素、黄酮类 4. 氨基酸途径： 生物碱 5. 复合途径： 醋酸-丙二酸—莽草酸径
醋酸-丙二酸—甲戊二羟酸途径 氨基酸—甲戊二羟酸途径 氨基酸-醋酸-丙二酸途径 氨基酸—莽草酸径
特点：操作简单，对易挥发、热不稳定的成分不宜 用。
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
2) 浸渍法(Maceration)：常温或低热条件下用适当 的溶剂浸渍药材以溶出其中成分的方法。
优点：用水或有机溶剂，不加热。 适用范围：适用于适合遇热不稳定成分或含大量淀粉、
果胶、树胶、粘液质的药材的提取。 缺点：出膏率低，用水做溶剂时易发霉，需加防
醋
酸
——
丙
脂二
肪 酸 生 物
酸 途 径
合
成
醋
——
酸
酚丙
类 生 物
二 酸
合 成
途 径
——
醋
蒽 醌
酸 丙
类二
生酸
物 合 成
途 径
甲 戊 二 羟 酸 途 径
氨 基 酸 途 径
本章内容
第一节 绪论 第二节 生物合成
第三节 提取分离方法
第四节 结构研究方法
本节内容
一、 天然药物有效成分的提取 二、天然药物有效成分的分离与精制
本节内容
一、 一次代谢和二次代谢 二、 生物合成假设的提出 三、 主要的生物合成途径
第二节：生物合成（一次代谢和二次代谢）
• 二次代谢：对维持植物生命活动来说不起重要作用并非所 有植物中都存在。
• 二次代谢产物：对机体生命活动并非不可缺少的物质 生物碱、黄酮、萜类、蒽醌、香豆素等
CO2 H2O
光合作用
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
5) 连续回流提取法（Continuous Refluxing）：
优点：节省溶剂、效率高; 缺点：对热不稳定成分不宜用，时间长。
Assembly of Soxhlet extractor （索式/沙式提取器）
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
6) 超临界流体提取法（SFE)
1、溶剂提取法
按具体的操作方法分为：
• 煎煮法： 水
• 浸渍法： 水/稀醇，冷提
• 渗漉法： 乙醇，冷提
• 回流提取：有机溶剂，溶剂用量大
• 连续回流提取：有机溶剂，索氏提取器
• 超临界流体萃取（SFE)
• 超声提取：各种溶剂，可加热
• 微波辅助提取法
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
1) 煎煮法 (Decoction)：是在中药材中加入水后加热 煮沸，将有效成分提取出来的方法。
（二）溶剂提取法原理：相似相溶
物质结构决定性质----物理性质（极性）
eg：两种母核相同的成分：
官能团极性越大
分子极性大 பைடு நூலகம்水性强
极性官能团数目多
分子极性大
亲水性强
理想溶剂（ideal solvents ）：
（1）对有效成分溶解度大；
（2）对无效成分溶解度小； （3）与有效成分不起化学反应；
（4）安全，成本低，易得。
在超临界状态下，用超临界流体溶出天然药物原料 中的化学成分，然后借助减压、升温的方法使超临界 流体变成普通气体，被提取的化学成分则完全或基本 析出，从而达到提取的目的。
超临界流体的密度与液体很接近，而它又具有气 体扩散性能 常用的临界流体有CO2、N2O、 乙烷、丙烷等。
超临界萃取实验装置与实验方法
一、天然药物有效成分的提取
工 业 生 产 用 的 渗 漉 装 置
1、溶剂提取法
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
4) 回流提取法 (Refluxing)：是用易挥发的有机溶 剂加热回流提取药材成分的方法。
特点：热不稳定的成分不宜用，溶剂消耗量大，操 作麻烦 。
Simple refluxing assembly
糖 糖代谢
ATP NADPH
丙酮酸 磷酸烯醇丙酮酸
乙酰辅酶A 三羧酸循环
赤藓糖-4-磷酸 莽草酸
核糖 核酸
丙二酸单酰辅酶A 小分子有机酸 MVA 芳族氨基酸
脂肪酸 酚类 蒽醌
脂质
脂族氨基酸
萜类 甾体类
肽类 蛋白质
桂皮酸
生物碱
苯丙素类 木脂素 木质素 黄酮类
第二节：生物合成（生物合成假说的提出）
第二节：生物合成（生物合成假说的提出）
3、升华法 （升华性的物质）
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
1、溶剂提取法
（一）常用溶剂：
水：亲水性有机溶剂 石油醚：亲脂性有机溶剂
*常见溶剂极性强弱顺序如下：
环己烷＜石油醚＜苯＜二氯甲烷＜乙醚＜氯仿＜乙酸乙酯 ＜丙酮＜正丁醇＜乙醇＜甲醇＜乙腈＜水＜吡啶＜乙酸
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
一、天然药物有效成分的提取
• 提取前的准备 系统的文献调研 原材料的处理 保留凭证标本 • 提取分离一般原则 已知物或已知结构类型—文献方法 未知物——活性跟踪（定向分离）
一、天然药物有效成分的提取
常用的方法： 1、溶剂提取法（最常用的方法） 2、水蒸气蒸馏法（挥发性的物质）
腐剂。
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
3）渗漉（Percolation)：不断向粉碎的药材中添加新 鲜浸出溶液，使其渗过药材，从渗漉筒下端出口 流出浸出液的方法。
优点：有效成分浸出完全，可直接收集浸出液；
缺点：消耗溶剂量大，费时长，操作麻烦。
Simple percolate assembly
实验装置－小试实验装置
超临界CO2萃取实验装置示意图
原 料
玻 璃 珠
脱 萃取柱 脂
棉
恒
温
CO2 钢
箱
接 收 流量计 CO
瓶
瓶
2
冷温槽
P
高压泵
控温面板
小试实验装置图
一、天然药物有效成分的提取
1、溶剂提取法
• 上世纪50年代初进入试验阶段； • 70、80年代，SFE越来越多的用于食品、香料的提取； • 90年代，开始从植物药中提取成分，如蛇床子、茵陈