第十章微生物发酵生产抗生素 10.1概述 微生物在其生命活动中会产生种类繁多的小分子代谢产物,这些代谢产物一般可以分为两类 初级代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物一般属于能量代谢或分解代谢的产物,如乙醇、有机 酸、氨基酸等。因此初级代谢产物往往与细胞的生长代谢有着密切的关系。次级代谢产物是在微生 物细胞分化过程中产生的,往往不是细胞生长所必须的代谢产物,对细胞生长并不具有明显的作 用,而且通常以一簇结构相似的化合物组成。次级代谢产物的概念由 Bu Lock于六十年代初提出, 至今已被广泛接受。抗生素就属于次级代谢产物。 10.11微生物次级代谢产物 并非所有的次级代谢产物都符合上述特点,对细胞生长不具有明显的作用也并不等于完全没有 作用,已经证明抗生素 Pamacycin能够诱导放线菌产生气生菌丝就是一个例子。微生物次级代谢产 物是微生物生理、生化状态的体现,通常在细胞生长受到限制的情况下产生。 次级代谢产物虽然对细胞的生长影响不大,但是具有重要的工业应用价值。抗生素、色素、蛋 白抑制剂及毒素等都是次级代谢产物,近年来还发现了具有特殊生理活性的次级代谢产物,如:免 疫调节剂( Bestatin, Cyclosporin A,FK506等),具有临床药理活性的物质( Acarbose, Lovastatin, Asperlicin等)以及农用和动物饲养业用的生物活性物质( Avermectin, Phosphinothricin等)。在次级 代谢产物中,最重要的是抗生素。 1012抗生素的定义和分类 抗生素是人类使用得最多的一类药物,自从第二次世界大战期间青霉素正式投入工业化生产以 来,已经有一百多种抗生素进行商品化生产,为人类的防病治病作出了重要的贡献。虽然抗生素已 被广泛使用,但是由于抗生素的多样性,关于抗生素的定义在专家中一直存在着分歧。目前,一个 为大多数专家所接受的定义是:抗生素是低分子量的微生物代谢产物,能够在很低的浓度下抑制其 它微生物的生长。这里所指的低分子量代谢产物是指抗生素的分子量一般不会超过几千道尔顿。如 溶菌酶( Lysozyme)这类酶及其它复杂的蛋白质分子虽然也具有抗菌活性,但由于它们的分子量很 大,因而在习惯上不将它们归入抗生素一类。只有微生物的天然代谢产物才能称为抗生素,通过化 学修饰的只能称为半合成抗生素,根据天然抗生素的结构完全采用化学合成方法制造的则称为全合 成抗生素。所谓抑制其它微生物生长是指抑制细胞的再生繁殖,因此是针对微生物群体而不是个别 细胞而言的。这种抑制作用一类是永久性的,例如杀细菌剂( Bactericidal)和杀霉菌剂( Fungicidal 等可以将微生物杀死;另一类抗生素只能起到抑制微生物繁殖生长的作用,但不能将它们杀死。在 抗生素的定义中还包含一个很重要的限制条件:低浓度。因为在高浓度下,即使是正常的细胞组 分,如甘氨酸和亮氨酸,也会对某些细菌的生长产生抑制作用。基于同样的理由,一些厌氧发酵的 产物,如乙醇和丁醇,虽然在高浓度下也有杀菌或抑菌作用,也不属于抗生素。典型的抗生素的抗 菌活性非常高,只要在微摩尔甚至纳摩尔浓度时就会有显著的抗菌活性 抗生素的抗菌活性用最小抑制浓度( Minimal Inhibitory Concentration,MC)表示,单位是微克 /毫升。MC可以在液体试管或固体平板上测量,在一系列含有培养基和试验微生物的试管或平板 中,分别加入浓度不断减少的抗生素,能够抑制微生物生长的最低抗生素浓度即为MC值。显然, MC值反映的是抗生素和特定微生物菌株之间的对应关系,即使是同一种微生物的不同菌株,也可 能具有不同的MC值。 抗生素对各种微生物的抗菌活性称为抗生素的抗菌谱。一些抗生素只对Gram阳性或阴性微生 物具有抗菌活性,抗菌谱很窄:另一些则称为广谱抗生素,其中有些不但能抑制细菌、还能抑制霉 菌的生长。还有一类称为抗肿瘤抗生素,这类抗生素也是根据其抗菌活性筛选的,然后再检验它们 杀肿瘤细胞的能力 抗生素研究中最吸引人的课题是抗生素抗菌的作用机理。经过生物化学家和药理学家多年的共 同努力,已经证明的抗菌机理有:抑制细胞壁合成、抑制DNA复制或转录、抑制蛋白质合成及破坏 细胞膜的正常功能等。抗生素抗菌作用机理的专一性,决定了其抗菌谱,例如若某种抗生素是几丁 质酶的强抑制剂,而几丁质是霉菌细胞壁的主要成分之一,这样该抗生素就具有抑制霉菌生长的功 能,但对细菌就没有抗菌效果。理想的抗生素应该只与微生物细胞中的某一目标分子起作用,而且
1 第十章 微生物发酵生产抗生素 10.1 概述 微生物在其生命活动中会产生种类繁多的小分子代谢产物，这些代谢产物一般可以分为两类： 初级代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物一般属于能量代谢或分解代谢的产物，如乙醇、有机 酸、氨基酸等。因此初级代谢产物往往与细胞的生长代谢有着密切的关系。次级代谢产物是在微生 物细胞分化过程中产生的，往往不是细胞生长所必须的代谢产物，对细胞生长并不具有明显的作 用，而且通常以一簇结构相似的化合物组成。次级代谢产物的概念由 Bu’Lock 于六十年代初提出， 至今已被广泛接受。抗生素就属于次级代谢产物。 10.1.1 微生物次级代谢产物 并非所有的次级代谢产物都符合上述特点，对细胞生长不具有明显的作用也并不等于完全没有 作用，已经证明抗生素 Pamacycin 能够诱导放线菌产生气生菌丝就是一个例子。微生物次级代谢产 物是微生物生理、生化状态的体现，通常在细胞生长受到限制的情况下产生。 次级代谢产物虽然对细胞的生长影响不大，但是具有重要的工业应用价值。抗生素、色素、蛋 白抑制剂及毒素等都是次级代谢产物，近年来还发现了具有特殊生理活性的次级代谢产物，如：免 疫调节剂（Bestatin, Cyclosporin A, FK506 等），具有临床药理活性的物质（Acarbose, Lovastatin, Asperlicin 等）以及农用和动物饲养业用的生物活性物质（Avermectin, Phosphinothricin 等）。在次级 代谢产物中，最重要的是抗生素。 10.1.2 抗生素的定义和分类 抗生素是人类使用得最多的一类药物，自从第二次世界大战期间青霉素正式投入工业化生产以 来，已经有一百多种抗生素进行商品化生产，为人类的防病治病作出了重要的贡献。虽然抗生素已 被广泛使用，但是由于抗生素的多样性，关于抗生素的定义在专家中一直存在着分歧。目前，一个 为大多数专家所接受的定义是：抗生素是低分子量的微生物代谢产物，能够在很低的浓度下抑制其 它微生物的生长。这里所指的低分子量代谢产物是指抗生素的分子量一般不会超过几千道尔顿。如 溶菌酶（Lysozyme）这类酶及其它复杂的蛋白质分子虽然也具有抗菌活性，但由于它们的分子量很 大，因而在习惯上不将它们归入抗生素一类。只有微生物的天然代谢产物才能称为抗生素，通过化 学修饰的只能称为半合成抗生素，根据天然抗生素的结构完全采用化学合成方法制造的则称为全合 成抗生素。所谓抑制其它微生物生长是指抑制细胞的再生繁殖，因此是针对微生物群体而不是个别 细胞而言的。这种抑制作用一类是永久性的，例如杀细菌剂（Bactericidal）和杀霉菌剂(Fungicidal) 等可以将微生物杀死；另一类抗生素只能起到抑制微生物繁殖生长的作用，但不能将它们杀死。在 抗生素的定义中还包含一个很重要的限制条件：低浓度。因为在高浓度下，即使是正常的细胞组 分，如甘氨酸和亮氨酸，也会对某些细菌的生长产生抑制作用。基于同样的理由，一些厌氧发酵的 产物， 如乙醇和丁醇，虽然在高浓度下也有杀菌或抑菌作用，也不属于抗生素。典型的抗生素的抗 菌活性非常高，只要在微摩尔甚至纳摩尔浓度时就会有显著的抗菌活性。 抗生素的抗菌活性用最小抑制浓度（Minimal Inhibitory Concentration, MIC）表示， 单位是微克 /毫升。MIC 可以在液体试管或固体平板上测量，在一系列含有培养基和试验微生物的试管或平板 中，分别加入浓度不断减少的抗生素，能够抑制微生物生长的最低抗生素浓度即为 MIC 值。显然， MIC 值反映的是抗生素和特定微生物菌株之间的对应关系，即使是同一种微生物的不同菌株，也可 能具有不同的 MIC 值。 抗生素对各种微生物的抗菌活性称为抗生素的抗菌谱。一些抗生素只对 Gram 阳性或阴性微生 物具有抗菌活性，抗菌谱很窄；另一些则称为广谱抗生素，其中有些不但能抑制细菌、还能抑制霉 菌的生长。还有一类称为抗肿瘤抗生素，这类抗生素也是根据其抗菌活性筛选的，然后再检验它们 杀肿瘤细胞的能力。 抗生素研究中最吸引人的课题是抗生素抗菌的作用机理。经过生物化学家和药理学家多年的共 同努力，已经证明的抗菌机理有：抑制细胞壁合成、抑制 DNA 复制或转录、抑制蛋白质合成及破坏 细胞膜的正常功能等。抗生素抗菌作用机理的专一性，决定了其抗菌谱，例如若某种抗生素是几丁 质酶的强抑制剂，而几丁质是霉菌细胞壁的主要成分之一，这样该抗生素就具有抑制霉菌生长的功 能，但对细菌就没有抗菌效果。理想的抗生素应该只与微生物细胞中的某一目标分子起作用，而且
在哺乳动物细胞中不存在该目标分子。这样,这种抗生素就不会对高等生物产生毒性,即没有副作 用 已经发现并鉴别结构的抗生素有几千种之多,从化学的观点看,结构多样性是抗生素的一个显 著特点。 Berdy于1974年提出了一个抗生素的正式分类方法并为大家所接受,见表10.1.1 表10.1.1抗生素的分类 编号抗生素类别 编号抗生素类别 碳水化合物类抗生素 51非缩聚(单)杂环 纯多糖 缩聚(聚并)杂环 基糖苷类抗生素 多环抗生素 13 其它(N-或C-)糖苷类 6.1 呋喃衍生物 14 各种糖的衍生物 6 吡喃衍生物 大环内酯类抗生素 63苯基吡喃衍生物 21大环内酯类抗生素 6.4 小内脂类 2.2 多烯类抗生素 聚醚类抗生素 其它大环内酯类抗生素 脂环类抗生素 大环内酰胺类抗生素 71环烷烃衍生物 醌类和其它抗生素 小的萜烯类化合物 线性缩聚多环化合物 低聚萜烯类化合物 3.2 萘醌衍生物 8芳香族抗生素 3.3苯醌衍生物 8.1苯类化合物 34各种醌类似物 82缩环芳香族化合物 4 氨基酸、多肽类抗生素 8.3 非苯型芳香族化合物 41氨基酸衍生物 34芳香族化合物的各种衍生物 脂族抗生素 4.3 非均肽类 91烷烃衍生物 4.4 肽脂类 脂族羧酸衍生物 4.5 高分子量肽类 93含S或P的脂族化合物 含氮多环抗生素 0其它(含未知结构) 从表中可以看到,与蛋白质、核酸等不同,抗生素的化学结构具有多样性,没有一般规律可 循。除了表10.1.1的分类方法外,还有一种常用的非正式分类方法将抗生素分为若干类。分类的依 据是具有类似的结构特点、类似的作用机理和生物活性。下面将对一些常见的抗生素进行简要讨 1、β-内酰胺(β- lactam)类抗生素(图10.11)。这类抗生素分子的结构特点是都有一个阝-内 酰胺的四元环,它们的共同功能是抑制细菌细胞壁主要成分肽聚糖的合成。β-内酰胺类抗生素又可 以根据其化学特性分成几个子类,如青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类及单环内酰胺类等 2、氨基糖苷( Aminoglycosides)类抗生素(图10.1.2)。它们的结构特点是都含有一个六元脂 环,环上有羟基及氨基取代物,分子中还会有若干个糖基或氨基糖基。氨基糖苷类抗生素都具有抑 制核糖体的功能。链霉素和庆大霉素属于这类抗生素。 3、四环素( Tetracyclines)类抗生素(图10.1.3)。四环素类抗生素分子结构中都有一个由四 个缩聚环呈线性排列的核,其共同的功能是在核糖体水平抑制蛋白质合成。这类抗生素的典型例子 是四环素。 4、蒽环( Anthracyclines)类抗生素(图10.L.3)。它们的结构特点与四环素类抗生素类似, 有四个缩聚环,但是它们的作用是在DNA水平,干扰拓扑异构酶( Topoisomerase)的功能,因此常用 作抗肿瘤药,如道诺红霉素( Daunorubicin) 5、抗细菌大环内酯类抗生素(图10.1.4)。这类抗生素的结构特点是含有一个很大的内酯环 通过与细菌核糖体的亚基结合以抑制蛋白质的合成,如红霉素( Erythromycin)。 6、抗霉菌大环内酯类抗生素、或聚烯类抗生素(图10.1.5)。它们的分子结构中也有一个很大 的内酯环,环上有一系列的共轭双键。这类抗生素的作用是干扰真核细胞膜中甾醇的合成,如两性 霉素B( Amphotericin B)
2 在哺乳动物细胞中不存在该目标分子。这样，这种抗生素就不会对高等生物产生毒性，即没有副作 用。 已经发现并鉴别结构的抗生素有几千种之多，从化学的观点看，结构多样性是抗生素的一个显 著特点。Bérdy 于 1974 年提出了一个抗生素的正式分类方法并为大家所接受，见表 10.1.1。 表 10.1.1 抗生素的分类 编号 抗生素类别 编号 抗生素类别 1. 碳水化合物类抗生素 5.1 非缩聚（单）杂环 1.1 纯多糖 5.2 缩聚（聚并）杂环 1.2 氨基糖苷类抗生素 6. 含氧多环抗生素 1.3 其它（N-或 C-）糖苷类 6.1 呋喃衍生物 1.4 各种糖的衍生物 6.2 吡喃衍生物 2. 大环内酯类抗生素 6.3 苯基吡喃衍生物 2.1 大环内酯类抗生素 6.4 小内脂类 2.2 多烯类抗生素 6.5 聚醚类抗生素 2.3 其它大环内酯类抗生素 7. 脂环类抗生素 2.4 大环内酰胺类抗生素 7.1 环烷烃衍生物 3. 醌类和其它抗生素 7.2 小的萜烯类化合物 3.1 线性缩聚多环化合物 7.3 低聚萜烯类化合物 3.2 萘醌衍生物 8. 芳香族抗生素 3.3 苯醌衍生物 8.1 苯类化合物 3.4 各种醌类似物 8.2 缩环芳香族化合物 4. 氨基酸、多肽类抗生素 8.3 非苯型芳香族化合物 4.1 氨基酸衍生物 8.4 芳香族化合物的各种衍生物 4.2 均肽类 9. 脂族抗生素 4.3 非均肽类 9.1 烷烃衍生物 4.4 肽脂类 9.2 脂族羧酸衍生物 4.5 高分子量肽类 9.3 含 S 或 P 的脂族化合物 5. 含氮多环抗生素 0 其它（含未知结构） 从表中可以看到，与蛋白质、核酸等不同，抗生素的化学结构具有多样性，没有一般规律可 循。除了表 10.1.1 的分类方法外，还有一种常用的非正式分类方法将抗生素分为若干类。分类的依 据是具有类似的结构特点、类似的作用机理和生物活性。下面将对一些常见的抗生素进行简要讨 论。 1、-内酰胺（-lactam）类抗生素（图 10.1.1）。这类抗生素分子的结构特点是都有一个-内 酰胺的四元环，它们的共同功能是抑制细菌细胞壁主要成分肽聚糖的合成。-内酰胺类抗生素又可 以根据其化学特性分成几个子类，如青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类及单环内酰胺类等。 2、氨基糖苷（Aminoglycosides）类抗生素（图 10.1.2）。它们的结构特点是都含有一个六元脂 环，环上有羟基及氨基取代物，分子中还会有若干个糖基或氨基糖基。氨基糖苷类抗生素都具有抑 制核糖体的功能。链霉素和庆大霉素属于这类抗生素。 3、四环素（Tetracyclines）类抗生素（图 10.1.3）。四环素类抗生素分子结构中都有一个由四 个缩聚环呈线性排列的核，其共同的功能是在核糖体水平抑制蛋白质合成。这类抗生素的典型例子 是四环素。 4、蒽环（Anthracyclines）类抗生素（图 10.1.3）。它们的结构特点与四环素类抗生素类似，也 有四个缩聚环，但是它们的作用是在 DNA 水平，干扰拓扑异构酶(Topoisomerase)的功能，因此常用 作抗肿瘤药，如道诺红霉素（Daunorubicin）。 5、抗细菌大环内酯类抗生素（图 10.1.4）。这类抗生素的结构特点是含有一个很大的内酯环， 通过与细菌核糖体的亚基结合以抑制蛋白质的合成，如红霉素（Erythromycin）。 6、抗霉菌大环内酯类抗生素、或聚烯类抗生素（图 10.1.5）。它们的分子结构中也有一个很大 的内酯环，环上有一系列的共轭双键。这类抗生素的作用是干扰真核细胞膜中甾醇的合成，如两性 霉素 B（Amphotericin B）
图1011B内酰胺类抗生素示例 图10.12氨基糖苷类抗生素示例 a:青素G;b:头胞菌素 a:链素,含链霉胍的氨基糖苷 c:噻烯霉素;d:棒酸 b:庆大霉素Cla,含脱氧链霉胺 图10.1.3四环素和蒽环类抗生素:四环素(R1=R2=H( Tetracycline);金幂素(Rl=C1,R2=H) ( Chlorotetracycline);土霉素(Rl=H,R2=OH)( Oxytetracycline);b:道诺红莓素(Rl=H) Daunorubicin);阿霉素(R1=OH)① Doxorubicin) H c cs°s 图10.14大环内脂类抗生素示例 a:红霉素 Erythromycin);b:泰乐莓素( Tyrosin) 3
3 图 10.1.1 -内酰胺类抗生素示例 图 10.1.2 氨基糖苷类抗生素示例 a: 青霉素 G； b: 头胞菌素 a: 链霉素，含链霉胍的氨基糖苷 c: 噻烯霉素； d: 棒酸 b: 庆大霉素 C1a, 含脱氧链霉胺 图 10.1.3 四环素和蒽环类抗生素 a: 四环素(R1=R2=H)(Tetracycline); 金霉素（R1=C1，R2=H） (Chlorotetracycline)；土霉素（R1=H， R2=OH）(Oxytetracycline)；b: 道诺红霉素（R1=H） (Daunorubicin)；阿霉素（R1=OH）(Doxorubicin) 图 10.1.4 大环内脂类抗生素示例 a: 红霉素(Erythromycin)；b: 泰乐霉素(Tyrosin)
HC-O- 图10.15聚烯类抗生素两性霉素B 图10.16安沙莓素类抗生素 (两性莓素 B Amphotericin B 利福幂素B(RI=CH2COOH) 利福莓素Sv(Rl=H) 7、安沙霉素( Ansamycin)类抗生素(图10.1.6)。安沙霉素类抗生素中有一个被脂链扩展的 芳香环,该环通过一个酰胺键闭合。它们又可以分成几个子类,其中利福霉素( Rifamycin)是RNA 聚合酶的抑制剂 某些抗生素除了抗菌性能外还具有其它生物活性。例如,利福霉素具有降低胆固醇的功能;红 霉素能诱导胃的运动性:瑞斯托霉素( Ristocetin)能够促进血小板凝固等。这些生物活性与它们的 抗菌能力没有直接联系 10.2抗生素生产菌的生物学基础 10.2.1芽孢杆菌属 Bacillus) 芽孢杆菌属微生物是一类单细胞、杆状菌的总称,好氧或兼性厌氧。它们的共冋特点是当环境 条件不利时会形成内生孢子。芽孢杆菌属于Gram阳性菌,一般可以借助于侧生或有缘毛的鞭毛运 动。芽孢杆菌通常作为腐生菌生活在土壤中,但是也有例外,如:B. anthracis是人类病原菌,而B. thuringiensis是昆虫的病原菌等 芽孢杆菌在工业发酵中主要用于胞外水解酶类生产,而苏云金杆菌B. thuringiensis芽孢中的毒 蛋白晶体则可用作为生物杀虫剂,是一种广泛使用的生物农药。 由芽孢杆菌产生的抗生素一般都属于多肽类抗生素。多肽类抗生素的分子量小于蛋白质,它们 的分子结构中往往含有一些不同于蛋白质的特殊组分,如:D-氨基酸、脂肪酸及环状氨基酸等。多 肽类抗生素与蛋白质的另一个不同点是生物合成途径存在显著的差别,杆菌产生的多肽通常不是通 过核糖体进行转录和翻译,而是由复杂的多酶体系催化合成。芽孢杆菌合成的多肽类抗生素与链霉 菌合成的多肽也有显著的差别,芽孢杆菌合成的多肽不含缩酚肽键( Depsipeptides),肽链的起始是 个酰基,而且肽链中没有甲基化的氨基酸残基 芽孢杆菌产生的多肽类抗生素的抗菌谱差别很大,多数对Gram阳性菌有抑制作用,但多粘菌 素 Polymyxins能抑制Gram阴性菌生长,芽胞菌霉素 Iturins则是抗霉菌剂。它们的作用机理也各不 相同,如:伊短菌素 Edens有抑制聚核苷酸酶的功能:杆菌肽 Bacitracin会阻碍肽聚糖合成:短杆 菌肽 Gramicidins则起着干扰细胞质膜的作用 在抗生素生产的发展历史中,杆菌产生的多肽抗生素曾经起过重要的作用。早在1939年就从B brevis培养液中分离得到了短杆菌肽,至今仍用于外用抗菌剂的配制:杆菌肽是1945年从B licheniformis分离得到的,曾用于治疗链球菌的严重感染,现在则限于外用抗菌剂及饲料添加剂;多 粘菌素B和E曾经是治疗严重的假单胞菌感染用药,但由于毒性较大,现在已停止使用。 芽孢杆菌也能够产生非肽类的抗生素,如:B. circulans产生氨基糖苷类抗生素丁苷菌素 Butirosin,B. megaterium能够产生安沙霉素类的 Lucomycotrienin。虽然丁苷菌素并不用于医药,但 是其结构特点却引起了人们的重视,受其启发而产生了各种氨基糖苷类抗生素的化学改性方法,在 对付细菌对抗生素耐药性方面开辟了新的途径
4 图 10.1.5 聚烯类抗生素两性霉素 B 图 10.1.6 安沙霉素类抗生素 （两性霉素 B Amphotericin B） 利福霉素 B（R1=CH2COOH） 利福霉素 SV（R1=H） 7、安沙霉素（Ansamycin）类抗生素（图 10.1.6）。安沙霉素类抗生素中有一个被脂链扩展的 芳香环，该环通过一个酰胺键闭合。它们又可以分成几个子类，其中利福霉素（Rifamycin）是 RNA 聚合酶的抑制剂。 某些抗生素除了抗菌性能外还具有其它生物活性。例如，利福霉素具有降低胆固醇的功能；红 霉素能诱导胃的运动性；瑞斯托霉素（Ristocetin）能够促进血小板凝固等。这些生物活性与它们的 抗菌能力没有直接联系。 10.2 抗生素生产菌的生物学基础 10.2.1 芽孢杆菌属(Bacillus) 芽孢杆菌属微生物是一类单细胞、杆状菌的总称，好氧或兼性厌氧。它们的共同特点是当环境 条件不利时会形成内生孢子。芽孢杆菌属于 Gram 阳性菌，一般可以借助于侧生或有缘毛的鞭毛运 动。芽孢杆菌通常作为腐生菌生活在土壤中，但是也有例外，如：B. anthracis 是人类病原菌，而 B. thuringiensis 是昆虫的病原菌等。 芽孢杆菌在工业发酵中主要用于胞外水解酶类生产，而苏云金杆菌 B. thuringiensis 芽孢中的毒 蛋白晶体则可用作为生物杀虫剂，是一种广泛使用的生物农药。 由芽孢杆菌产生的抗生素一般都属于多肽类抗生素。多肽类抗生素的分子量小于蛋白质，它们 的分子结构中往往含有一些不同于蛋白质的特殊组分，如：D-氨基酸、脂肪酸及环状氨基酸等。多 肽类抗生素与蛋白质的另一个不同点是生物合成途径存在显著的差别，杆菌产生的多肽通常不是通 过核糖体进行转录和翻译，而是由复杂的多酶体系催化合成。芽孢杆菌合成的多肽类抗生素与链霉 菌合成的多肽也有显著的差别，芽孢杆菌合成的多肽不含缩酚肽键（Depsipeptides），肽链的起始是 一个酰基，而且肽链中没有甲基化的氨基酸残基。 芽孢杆菌产生的多肽类抗生素的抗菌谱差别很大，多数对 Gram 阳性菌有抑制作用，但多粘菌 素 Polymyxins 能抑制 Gram 阴性菌生长，芽胞菌霉素 Iturins 则是抗霉菌剂。它们的作用机理也各不 相同，如：伊短菌素 Edeins 有抑制聚核苷酸酶的功能；杆菌肽 Bacitracin 会阻碍肽聚糖合成；短杆 菌肽 Gramicidins 则起着干扰细胞质膜的作用。 在抗生素生产的发展历史中，杆菌产生的多肽抗生素曾经起过重要的作用。早在 1939 年就从 B. brevis 培养液中分离得到了短杆菌肽，至今仍用于外用抗菌剂的配制；杆菌肽是 1945 年从 B. licheniformis 分离得到的，曾用于治疗链球菌的严重感染，现在则限于外用抗菌剂及饲料添加剂；多 粘菌素 B 和 E 曾经是治疗严重的假单胞菌感染用药，但由于毒性较大，现在已停止使用。 芽孢杆菌也能够产生非肽类的抗生素，如：B. circulans 产生氨基糖苷类抗生素丁苷菌素 Butirocin，B. megaterium 能够产生安沙霉素类的 Lucomycotrienin。虽然丁苷菌素并不用于医药，但 是其结构特点却引起了人们的重视，受其启发而产生了各种氨基糖苷类抗生素的化学改性方法，在 对付细菌对抗生素耐药性方面开辟了新的途径
1022假单胞菌属 Pseudomonas 假单胞菌属细菌是Gram阴性菌,杆状,直径约1μum,长度1.5-5um,能够借助于鞭毛运动, 好氧生长。许多菌株都能积累聚羟基丁酸(PHB),具有很强的降解有机物能力。假单胞菌一般从 土壤中分离得到,也有一些生活在植物的根系和叶子上 假单胞菌的许多性质都与它所携带的大量质粒有关,这些质粒可以分为13类,每一类都有类似 的表观特征、尺寸和DNA结构。在这些质粒中广泛分布着编码抗生素抗性的基因及降解芳香化合物 的基因。假单胞菌产生的次级代谢产物有许多不能算是抗生素,而是色素(如绿脓菌荧光素 Fluorescent pyoverdines)及植物毒素(如丁香霉素 Syringomycins)等 真正能产抗生素的假单胞菌只有P. aeruginosa和P. fluorescens两个种。所产生的抗生素一般是 含氮的杂环化合物,在氨基酸分解代谢的过程中被生物合成,如吩嗪衍生物碘菌素( rodinia)和绿脓菌 素( Pyocyanine)。从假单胞菌中分离得到的抗生素在其它微生物中也曾获得过,如环丝氨酸、磷霉素 及氨霉素等。真正首次从假单胞菌分离得到并已经用于医药的只有两种抗生素:吡咯菌素 ( Pyrrolnitrin)和拟摩尼酸A( Pseudomonic acid a) 吡咯菌素原来也由P. fluorescens或P. pyrrolnitrica生产,属于天然的含氮化合物,有广泛的抗 真菌作用,常用于治疗皮肤感染,但现在这种药已经改用化学合成方法生产。拟摩尼酸A也是由P. fluorescens产生的,它的抗菌谱很广,包括大部分Gram阳性菌和部分Gram阴性菌,能有效地在健 康载体上杀死葡萄球菌。但是拟摩尼酸Δ在人体内会迅速降解为摩尼酸而失去活性,因此也只能外 单环内酰胺磺胺净素和异胺磺胺净素分别从P.α Acidophil和P. mesoacidophila中首先分离获 得,它们的抗菌活性并不高,但是在它们的分子结构启发下,已经合成了具有临床应用价值的药物 Azthreonam。 1023链霉菌(Smrp1 tomicus)和链轮丝菌( Streptoverticillium) 链霉菌和链轮丝菌都属于放线菌,两者很难从生物学的角度进行区分,只是在气生菌丝的形态 上稍有区别。它们都属于Gram阳性菌、专性好氧、化学异养型、以菌丝状生长。一般只需要一种碳 源(如葡萄糖、淀粉或甘油)、一种无机氮源和少数无机盐就能够生长,但在复合培养基中会生长 得更好些。大部分链霉菌都属于中性、中温菌,最佳生长条件的范围为:pH68-7.5、温度2 37C,通常为28C,但也有例外。链霉菌的分布非常广泛,主要寄居在土壤中,而且与土壤中的有 机大分子,如几丁质、淀粉和纤维素等的降解有着十分密切的关系。链霉菌也是几种重要的工业用 酶的生产菌,如葡萄糖异构酶、链霉蛋白酶( Pronase)及胆固醇氧化酶等 链霉菌产生的次级代谢产物数以千计,大多数都具有抗菌能力,这些次级代谢产物的化学结构 千差万别,反映了各种链霉菌代谢途径的多样性。链霉菌是抗生素生产的主要菌种,它们产生的抗 生素主要有以下类型。 10.2.3.1氨基环多醇类抗生素 氨基环多醇类抗生素又称为氨基糖苷类抗生素,是一类拟多糖,有一个含羟基、氨基或呱基的 六碳环和若干个糖分子(主要是氨基糖)构成。链霉菌产生的氨基环多醇类抗生素主要有: 1)链霉素( Streptomycin)抗Gram阴性菌和结核分枝杆菌,最初从S. griseus获得,是一种重要的 医用抗生素。与链霉素结构类似的抗生素还有: Hydrostreptomycin和 Mannosidostreptomycin,但 目前尚无实际应用。 2)新霉素( Neomycins)是一种抗菌抗生素,结构特点是氨基环多醇2-脱氧链霉胺的4及5位上分 别被糖取代,由两种结构类似物新霉素B和C组成,生产菌是S.∫ adige。其它具有类似结构的 抗生素有: Paromomycin(S. rImosuS), Lividomycin(S. lividus)及 Ribostamycin(S. ribosidificus)。这 类抗生素的毒性比较大,除了最后一种用于治疗感染外,其余都只能用于外用药。 3)卡那霉素( Kanamycin)和妥布拉霉素( Tobramycin)其结构特点是2-脱氧链霉胺的4和6位被糖 取代。卡那霉素A由S. kanamyceticus生产,具有抗Gram阴性菌和抗分枝杆菌的能力,是一种 常用抗生素;妥布拉霉素由S. Tenebrarius产生,是一些雷布霉素( Nebramycin)的复合物,具 有抗P. aeruginosa和其它病原体的能力
5 10.2.2 假单胞菌属 Pseudomonas 假单胞菌属细菌是 Gram 阴性菌，杆状，直径约 1m，长度 1.5-5m，能够借助于鞭毛运动， 好氧生长。许多菌株都能积累聚羟基丁酸（PHB），具有很强的降解有机物能力。假单胞菌一般从 土壤中分离得到，也有一些生活在植物的根系和叶子上。 假单胞菌的许多性质都与它所携带的大量质粒有关，这些质粒可以分为 13 类，每一类都有类似 的表观特征、尺寸和 DNA 结构。在这些质粒中广泛分布着编码抗生素抗性的基因及降解芳香化合物 的基因。假单胞菌产生的次级代谢产物有许多不能算是抗生素，而是色素（如绿脓菌荧光素 Fluorescent pyoverdines）及植物毒素（如丁香霉素 Syringomycins）等。 真正能产抗生素的假单胞菌只有 P. aeruginosa 和 P. fluorescens 两个种。所产生的抗生素一般是 含氮的杂环化合物，在氨基酸分解代谢的过程中被生物合成，如吩嗪衍生物碘菌素(Iodinin)和绿脓菌 素(Pyocyanine)。从假单胞菌中分离得到的抗生素在其它微生物中也曾获得过，如环丝氨酸、磷霉素 及氨霉素等。真正首次从假单胞菌分离得到并已经用于医药的只有两种抗生素：吡咯菌素 (Pyrrolnitrin)和拟摩尼酸 A(Pseudomonic acid A)。 吡咯菌素原来也由 P. fluorescens 或 P. pyrrolnitrica 生产，属于天然的含氮化合物，有广泛的抗 真菌作用，常用于治疗皮肤感染，但现在这种药已经改用化学合成方法生产。拟摩尼酸 A 也是由 P. fluorescens 产生的，它的抗菌谱很广，包括大部分 Gram 阳性菌和部分 Gram 阴性菌，能有效地在健 康载体上杀死葡萄球菌。但是拟摩尼酸 A 在人体内会迅速降解为摩尼酸而失去活性，因此也只能外 用。 单环内酰胺磺胺净素和异胺磺胺净素分别从 P. acidophila 和 P. mesoacidophila 中首先分离获 得，它们的抗菌活性并不高，但是在它们的分子结构启发下，已经合成了具有临床应用价值的药物 Azthreonam。 10.2.3 链霉菌(Streptomyces)和链轮丝菌(Streptoverticillium) 链霉菌和链轮丝菌都属于放线菌，两者很难从生物学的角度进行区分，只是在气生菌丝的形态 上稍有区别。它们都属于 Gram 阳性菌、专性好氧、化学异养型、以菌丝状生长。一般只需要一种碳 源（如葡萄糖、淀粉或甘油）、一种无机氮源和少数无机盐就能够生长，但在复合培养基中会生长 得更好些。大部分链霉菌都属于中性、中温菌，最佳生长条件的范围为：pH 6.8-7.5、温度 22- 37oC，通常为 28oC，但也有例外。链霉菌的分布非常广泛，主要寄居在土壤中，而且与土壤中的有 机大分子，如几丁质、淀粉和纤维素等的降解有着十分密切的关系。链霉菌也是几种重要的工业用 酶的生产菌，如葡萄糖异构酶、链霉蛋白酶（Pronase）及胆固醇氧化酶等。 链霉菌产生的次级代谢产物数以千计，大多数都具有抗菌能力，这些次级代谢产物的化学结构 千差万别，反映了各种链霉菌代谢途径的多样性。链霉菌是抗生素生产的主要菌种，它们产生的抗 生素主要有以下类型。 10.2.3.1 氨基环多醇类抗生素 氨基环多醇类抗生素又称为氨基糖苷类抗生素，是一类拟多糖，有一个含羟基、氨基或呱基的 六碳环和若干个糖分子（主要是氨基糖）构成。链霉菌产生的氨基环多醇类抗生素主要有： 1） 链霉素（Streptomycin）抗 Gram 阴性菌和结核分枝杆菌，最初从 S. griseus 获得，是一种重要的 医用抗生素。与链霉素结构类似的抗生素还有：Hydrostreptomycin 和 Mannosidostreptomycin，但 目前尚无实际应用。 2） 新霉素（Neomycins）是一种抗菌抗生素，结构特点是氨基环多醇 2-脱氧链霉胺的 4 及 5 位上分 别被糖取代，由两种结构类似物新霉素 B 和 C 组成，生产菌是 S. fradiae。其它具有类似结构的 抗生素有：Paromomycins(S. rimosus); Lividomycins(S. lividus)及 Ribostamycin(S. ribosidificus)。这 类抗生素的毒性比较大，除了最后一种用于治疗感染外，其余都只能用于外用药。 3）卡那霉素（Kanamycins）和妥布拉霉素(Tobramycin) 其结构特点是 2-脱氧链霉胺的 4 和 6 位被糖 取代。卡那霉素 A 由 S. kanamyceticus 生产，具有抗 Gram 阴性菌和抗分枝杆菌的能力，是一种 常用抗生素；妥布拉霉素由 S. Tenebrarius 产生，是一些雷布霉素（Nebramycins）的复合物，具 有抗 P. aeruginosa 和其它病原体的能力
4)越霉素( Destomycin)也是2-脱氧链霉胺的衍生物,从S. rimofaciens发酵获得,另一种类似的抗 生素 Hygromycin B从S. hygroscopicus发酵得到。它们具有驱肠虫活性,因此用于家禽和猪的驱 虫药 5)春雷霉素( Kasugamycin)和有效霉素( Validamycins)分别由S. kasugaensis和S. hygroscopicus产生, 它们的环多醇结构与上述抗生素不同。这两种抗生素都用于农业上防治霉菌引起的水稻病害。 1023,2含聚酮链( Polyketide chain)结构的抗生素 从链霉菌合成的聚酮化合物次级代谢产物的数量很多,它们都是通过乙酸和丙二酸的缩合生物 合成的。其中最重要的两类医用抗生素是抗肿瘤的蒽环类( Anthracyclines)和抗菌的四环素类 (Tetracyclines) 蒽环类抗肿瘤剂的化学结构特点是含有一个或多个糖取代的羟基蒽醌。它们最先是根据其抗菌 活性而分离得到的,然后发现它们还具有抗肿瘤活性,如从S. percents分离得到了具有抗白血病的 道诺红霉素( Daunorubicin或 Daunomycin),从S. peucetius变异株发现了其羟基衍生物阿霉素 ( Doxorubicin或 Adriamycin),阿霉素对白血病和几种恶性肿瘤都有活性。最近又从S. galilaeus发现了 种新的抗肿瘤抗生素 Aclarubicin。这些抗肿瘤抗生素都已经用于临床治疗 四环素( Tetracycline)类抗生素具有广谱抗菌能力。它们与蒽环类抗生素的主要区别是环上没有 糖基取代,但是有二甲基胺取代。这类抗生素中首先发现的是从S. aureofaciens产生的金霉素 ( Chlortetracycline)和从S. rImosuS产生的土霉素( Oxytetracycline),然后从S. aureofaciens的突变株获 得了四环素,四环素的副作用是使牙齿变黑。去甲基金霉素 Demethyltetracycline)也是由S aureofaciens的另一突变株生产的。现在,金霉素已只用于动物饲养业;四环素的半合成衍生物,如 强力霉素( Doxycycline)及二甲胺四环素( Minocycline)仍可用于人类疾病的治疗。 10233聚酮链经取代、还原后的次级代谢产物 聚酮链类抗生素是放线菌典型的代谢产物,但当构成聚酮链的丙二酸被甲基丙二酸取代或聚酮 链上的羧基被部分或全部还原时就会形成一系列其它次级代谢产物,主要有以下六类:抗菌大环内 酯类、安沙霉素类、聚烯类、聚醚类、阿尔法霉素及抗寄生虫大环内酯等 1)抗菌大环内酯类抗生素它们属于有支链的大环内酯,环上有一个或两个糖基。环的大小不等, 般由12-26个原子构成。具有工业重要性的这类化合物大约有100个以上,有些直接用于药 物,有些是半合成抗生素的前体,其中最重要的抗生素及生产菌株有:红霉素( Erythromycin,S erythraeus)、竹桃霉素( Oleandomycin,S. antibioticus)、柱晶白霉素( Leucomycin,S. kitasatoensis) 交沙霉素( Josamycin,S. narbonensis)、螺旋霉素( Spiramycin,,S.ω Ambofaciens)、麦迪霉素 medecamycin,s. mycarofaciens)、麦里多霉素( Maridomycin,S. hygroscopicus)及泰乐霉素( Tylosin, S. fradiae)等。上述抗生素中除泰乐霉素用于兽药及兽用生长促进剂外,其它都是人用药。有些 生产菌的分类最近已经改变,如:红霉素生产菌已经重新命名为糖多孢菌 ( Saccharopolyspora);柱晶白霉素生产菌的现用名是链轮丝菌( Streptoverticillium) 2)安沙霉素类抗生素的结构与大环内酯不同,属于大环内酰胺类,大环通过形成一个内酰胺键闭 合,而不是酯键。根据生物活性、环的大小、及芳香侧链的差别,安沙霉素类抗生素可进一步分 为四类,但是只有利福霉素 B(Rifamycin B)是工业化生产的产品,它的结构中有一个萘环,是合 成抗结核药利福平的前体。利福霉素B由S. mediterranei生产,该菌种后来被重新分类为 Nocardia mediterranei,最近又有人建议命名为 Amycolatopsis mediterranee 3)聚烯类抗生素有一个含26-38个原子的内酯环,环上有一系列的共轭双键,与此相对的环上则有 系列的羟基。聚烯类抗生素可根据双键的数目进一步细分为若干类。这类抗生素主要有:抗真 菌剂两性霉素 Amphotericin B由 S Nodosa产生,用于致命的真菌病治疗;由S.msen产生的制 霉菌素 Nystatin和由S.gise产生的杀假丝菌素 Candicidin都能用于表皮感染的治疗。 4)聚醚类抗生素属于被甲基和乙基高度取代的线性脂族分子,沿着分子链有一系列的四氢吡喃环和 四氢呋喃环。从链霉菌中已经分离出上百种聚醚,从其它放线菌还分离出许多类似代谢产物。聚 醚类抗生素具有抗好氧和厌氧微生物的能力,但主要的商业用途是作为抗球虫剂用于兽药,也用 于饲料添加剂以增加饲料转化率。主要品种有:由S. cInnamonensIS生产的 Monensin、由S. asaliensis生产的拉沙菌素 Lasalocid、由S.abus生产的盐霉素 Salinomycin及由S. aureofaciens 生产的奈良菌素 Narasin等。 5)阿尔法霉素 Elfamycin也属于线性脂链分子,与聚醚类不同的是分子中的醚键较少,但存在共轭 双键,而且在分子中至少有一个氮原子。 Elfamycin的作用机理是抑制伸长因子Tu。主要用途是
6 4） 越霉素(Destomycins) 也是 2-脱氧链霉胺的衍生物，从 S. rimofaciens 发酵获得，另一种类似的抗 生素 Hygromycin B 从 S. hygroscopicus 发酵得到。它们具有驱肠虫活性，因此用于家禽和猪的驱 虫药。 5） 春雷霉素(Kasugamycin)和有效霉素(Validamycins)分别由 S. kasugaensis 和 S. hygroscopicus 产生， 它们的环多醇结构与上述抗生素不同。这两种抗生素都用于农业上防治霉菌引起的水稻病害。 10.2.3.2 含聚酮链(Polyketide chain)结构的抗生素 从链霉菌合成的聚酮化合物次级代谢产物的数量很多，它们都是通过乙酸和丙二酸的缩合生物 合成的。其中最重要的两类医用抗生素是抗肿瘤的蒽环类（Anthracyclines）和抗菌的四环素类 (Tetracyclines)。 蒽环类抗肿瘤剂的化学结构特点是含有一个或多个糖取代的羟基蒽醌。它们最先是根据其抗菌 活性而分离得到的，然后发现它们还具有抗肿瘤活性，如从 S. peucetius 分离得到了具有抗白血病的 道诺红霉素(Daunorubicin 或 Daunomycin)，从 S. peucetius 变异株发现了其羟基衍生物阿霉素 (Doxorubicin 或 Adiamycin)，阿霉素对白血病和几种恶性肿瘤都有活性。最近又从 S. galilaeus 发现了 一种新的抗肿瘤抗生素 Aclarubicin。这些抗肿瘤抗生素都已经用于临床治疗。 四环素(Tetracycline)类抗生素具有广谱抗菌能力。它们与蒽环类抗生素的主要区别是环上没有 糖基取代，但是有二甲基胺取代。这类抗生素中首先发现的是从 S. aureofaciens 产生的金霉素 (Chlortetracycline)和从 S. rimosus 产生的土霉素(Oxytetracycline)，然后从 S. aureofaciens 的突变株获 得了四环素，四环素的副作用是使牙齿变黑。去甲基金霉素 Demethyltetracycline) 也是由 S. aureofaciens 的另一突变株生产的。现在，金霉素已只用于动物饲养业；四环素的半合成衍生物，如 强力霉素(Doxycycline)及二甲胺四环素(Minocycline)仍可用于人类疾病的治疗。 10.2.3.3 聚酮链经取代、还原后的次级代谢产物 聚酮链类抗生素是放线菌典型的代谢产物，但当构成聚酮链的丙二酸被甲基丙二酸取代或聚酮 链上的羧基被部分或全部还原时就会形成一系列其它次级代谢产物，主要有以下六类：抗菌大环内 酯类、安沙霉素类、聚烯类、聚醚类、阿尔法霉素及抗寄生虫大环内酯等。 1）抗菌大环内酯类抗生素 它们属于有支链的大环内酯，环上有一个或两个糖基。环的大小不等， 一般由 12-26 个原子构成。具有工业重要性的这类化合物大约有 100 个以上，有些直接用于药 物，有些是半合成抗生素的前体，其中最重要的抗生素及生产菌株有：红霉素(Erythromycin, S. erythraeus)、竹桃霉素(Oleandomycin, S. antibioticus)、柱晶白霉素(Leucomycin, S. kitasatoensis)、 交沙霉素 (Josamycin, S. narbonensis) 、螺旋霉素 (Spiramycin, S. ambofaciens) 、麦迪霉素 (Medecamycin, S. mycarofaciens)、麦里多霉素(Maridomycin, S. hygroscopicus)及泰乐霉素(Tylosin, S. fradiae)等。上述抗生素中除泰乐霉素用于兽药及兽用生长促进剂外，其它都是人用药。有些 生 产 菌 的 分 类 最 近 已 经 改 变 ， 如 ： 红 霉 素 生 产 菌 已 经 重 新 命 名 为 糖 多 孢 菌 （Saccharopolyspora）；柱晶白霉素生产菌的现用名是链轮丝菌（Streptoverticillium）。 2） 安沙霉素类抗生素的结构与大环内酯不同，属于大环内酰胺类，大环通过形成一个内酰胺键闭 合，而不是酯键。根据生物活性、环的大小、及芳香侧链的差别，安沙霉素类抗生素可进一步分 为四类，但是只有利福霉素 B(Rifamycin B)是工业化生产的产品，它的结构中有一个萘环，是合 成抗结核药利福平的前体。利福霉素 B 由 S. mediterranei 生产，该菌种后来被重新分类为 Nocardia mediterranei，最近又有人建议命名为 Amycolatopsis mediterranei。 3） 聚烯类抗生素有一个含 26-38 个原子的内酯环，环上有一系列的共轭双键，与此相对的环上则有 一系列的羟基。聚烯类抗生素可根据双键的数目进一步细分为若干类。这类抗生素主要有：抗真 菌剂两性霉素 Amphotericin B 由 S. Nodosus 产生，用于致命的真菌病治疗；由 S. nursei 产生的制 霉菌素 Nystatin 和由 S. griseus 产生的杀假丝菌素 Candicidin 都能用于表皮感染的治疗。 4）聚醚类抗生素属于被甲基和乙基高度取代的线性脂族分子，沿着分子链有一系列的四氢吡喃环和 四氢呋喃环。从链霉菌中已经分离出上百种聚醚，从其它放线菌还分离出许多类似代谢产物。聚 醚类抗生素具有抗好氧和厌氧微生物的能力，但主要的商业用途是作为抗球虫剂用于兽药，也用 于饲料添加剂以增加饲料转化率。主要品种有：由 S. cinnamonensis 生产的 Momensin、由 S. lasaliensis 生产的拉沙菌素 Lasalocid、由 S. albus 生产的盐霉素 Salinomycin 及由 S. aureofaciens 生产的奈良菌素 Narasin 等。 5） 阿尔法霉素 Elfamycin 也属于线性脂链分子，与聚醚类不同的是分子中的醚键较少，但存在共轭 双键，而且在分子中至少有一个氮原子。Elfamycin 的作用机理是抑制伸长因子 Tu。主要用途是
作为兽药和饲料添加剂,如:由S. goldiniensis生产的 Aurodox及由S. ramoSISSImuS生产的摩雪 霉素 Mocimycin( Kirromycin)等 6)抗寄生虫大环内酯的基本结构是一个由16个原子组成的环状内酯,而抗菌大环内酯一般有含氧 的杂环与大环内酯结合而成。抗寄生虫大环内酯没有抗菌活性,但具有驱肠虫 anthelmintic)、杀 昆虫及杀螨虫活性。已知的这类抗生素为由 S. hygroscopicus产生的密比霉素( Milbemycins)和由 S. avermitilis产生的阿福霉素 Avermectins。阿福霉素中的B1组分是生产依维菌素 Ivermectin的 前体,阿福霉素和依维菌素目前广泛用于农药和兽药,并正在往人用驱虫药的方向发展。 10.234多肽类抗生素 链霉菌产生的多肽类抗生素一般通过硫模板多酶催化机理合成,它们的结构单元变化很大,而 且在最初的链形成后还要经过各种修饰。由于结构的不同,它们的生物活性也有很大变化。有些多 肽类抗生素具有重要的临床应用价值。 1)抗肿瘤多肽( Antitumor peptides))这类多肽中,从S. antibioticus分离得到的放线菌素( Actinomycins) 具有历史重要性,因为它是第一个从链霉菌分离得到的抗生素。其结构中含有噻酚嗪酮稠环发色 基和两个环形肽。放线菌素D一直用于临床治疗肿瘤。另一种多肽博莱霉素( Bleomycin从S. verticillus发酵得到,有复杂糖基化的线性肽链,还含有杂环基团,用于治疗淋巴肿瘤和皮肤 癌。 2)糖肽类( Glycopeptides or Dalbaheptides)抗生素有一个含7个氨基酸组成的多环核,其芳香残基形 成了一个三苯醚和一个二苯基团,糖基可以接在环上的不同位置。这类抗生素中的阿沃菌素 Avoparcin由S. Candidus产生,用于饲料添加剂,有促进动物生长的作用;万古霉素 Vancomycin是一种重要的临床用广谱抗生素,从S. orientalis发酵得到,现在该菌种已经重新分 类为 Amycolatopsis orientalis;游壁菌素(替考拉宁) Teicoplanin则是 actinoplanes的代谢产物 也已开始应用于临床 3)β-内酰胺(β- Lactams)类抗生素这类抗生素主要由低等真菌生产,但是有些链霉菌也能生产,如 S. lipman能够产生青霉素N和7-甲氧基头胞菌素C;在3位取代的甲氧基头胞菌素 Cephamycin 则由S. clavuligerus产生。这些都是半合成抗生素的前体。碳青霉烯 Carbapenems也有一个阝一内 酰胺结构,但它不是从三肽衍生的,其内酰胺环由不含硫原子的五元环组成,其中最重要的是噻 浠霉素 Thienamycin,是合成具有广谱抗菌活性的亚胺青霉烯 Imipenem的前体,从S. cattleya发 酵获得。棒酸 Clavulanic acid的环上含有氧原子,首先是从S. clavuligerus分离得到的,棒酸本身 几乎没有抗菌活性,但与其它抗生素结合使用时具有抑制细菌β-内酰胺酶的作用 4)肽酶抑制剂( Peptidase inhibitors)和免疫调节剂( Immunomodifier)由于 Umezawa实验室的出色工 作,从链霉菌中分离出了一系列的蛋白酶抑制剂。亮抑蛋白酶肽 Leupeptin和阝-MAPI分别是末 端的羧基已经还原为醛基的三肽和四肽,是丝氨酸蛋白酶的抑制剂。有些抑制剂能与细胞表面上 的蛋白酶作用,具有免疫强化作用。如佳制霉素 Bestatin是一种由S. olivoreticill产生的二肽,在 白血病和黑色素瘤的治疗中正在进行临床试验。用于农业和饲养业的多肽类抗生素有维吉尼亚霉 素S和M( Virginiamycin S&M1),前者是一个环六肽,后者则具有肽内酯结构。另一种作为饲 料添加剂的硫链丝菌肽( Thiostrepton)分子结构中有多个噻唑和杂环基团。在基因工程和分子生物 学中常用作硫链丝菌肽抗性标记。由S. viridochromogenes分离得到的 Bialaphose是一个含两个 丙氨酸分子和磷丝菌素( phosphinotricin)的三肽类似物,其结构中的磷丝菌素部分能抑制谷氨酰胺 合成酶,因此具有抗菌和杀虫活性。 102.3.5核苷类抗生素( Nucleosides 已经从链霉菌分离得到的核苷类抗生素有200多种,它们的活性和作用方式各不相同,只有少 数已应用于农业上。如杀稻瘟素( Blasticidin)S可以防止水稻稻瘟病的发生,由S. griseochromogenes 产生;多氧菌素( Polyoxin)对植物病原体具有广谱抗真菌功能,由S. cacao产生 不属于以上类型但由链霉菌生产的其它重要抗生素及生物活性物质还有:氯霉素 ( Chloramphenicol),属于芳香胺醇化合物,是少数几种含硝基的天然化合物之一。氯霉素具有广谱 抗菌活性,特别是对Gram阴性菌的抗菌效果更好,由S. venezuelae产生。林可霉素( Lincomycin)分 子由一个脯氨酸衍生物与一个改性的糖分子结合而成,其生物活性与红霉素类似,由S. lincolnensis发 酵生产。新生霉素( Novobiocin)的分子结构很复杂,含有一个香豆素、一个糖基和一个苯甲酸衍生 物,临床上用作抗葡萄球菌,但主要用于兽药。新生霉素由S. niveus生产。磷霉素( Fosfomycin)是肽
7 作为兽药和饲料添加剂，如： 由 S. goldiniensis 生产的 Aurodox 及由 S. ramosissimus 生产的摩雪 霉素 Mocimycin(Kirromycin)等。 6）抗寄生虫大环内酯的基本结构是一个由 16 个原子组成的环状内酯，而抗菌大环内酯一般有含氧 的杂环与大环内酯结合而成。抗寄生虫大环内酯没有抗菌活性，但具有驱肠虫(anthelmintic)、杀 昆虫及杀螨虫活性。已知的这类抗生素为由 S. hydroscopicus 产生的密比霉素(Milbemycins) 和由 S. avermitilis 产生的阿福霉素 Avermectins。阿福霉素中的 B1 组分是生产依维菌素 Ivermectin 的 前体，阿福霉素和依维菌素目前广泛用于农药和兽药，并正在往人用驱虫药的方向发展。 10.2.3.4 多肽类抗生素 链霉菌产生的多肽类抗生素一般通过硫模板多酶催化机理合成，它们的结构单元变化很大，而 且在最初的链形成后还要经过各种修饰。由于结构的不同，它们的生物活性也有很大变化。有些多 肽类抗生素具有重要的临床应用价值。 1） 抗肿瘤多肽(Antitumor peptides) 这类多肽中，从 S. antibioticus 分离得到的放线菌素(Actinomycins) 具有历史重要性，因为它是第一个从链霉菌分离得到的抗生素。其结构中含有噻酚嗪酮稠环发色 基和两个环形肽。放线菌素 D 一直用于临床治疗肿瘤。另一种多肽博莱霉素(Bleomycin)从 S. verticillus 发酵得到，有复杂糖基化的线性肽链，还含有杂环基团，用于治疗淋巴肿瘤和皮肤 癌。 2） 糖肽类(Glycopeptides or Dalbaheptides)抗生素 有一个含 7 个氨基酸组成的多环核，其芳香残基形 成了一个三苯醚和一个二苯基团，糖基可以接在环上的不同位置。这类抗生素中的阿沃菌素 Avoparcin 由 S. Candidus 产生，用于饲料添加剂，有促进动物生长的 作用；万古 霉素 Vancomycin 是一种重要的临床用广谱抗生素，从 S. orientalis 发酵得到，现在该菌种已经重新分 类为 Amycolatopsis orientalis；游壁菌素（替考拉宁）Teicoplanin 则是 Actinoplanes 的代谢产物， 也已开始应用于临床。 3） −内酰胺(−Lactams)类抗生素 这类抗生素主要由低等真菌生产，但是有些链霉菌也能生产，如 S. lipmanii 能够产生青霉素 N和 7-甲氧基头胞菌素 C；在 3 位取代的甲氧基头胞菌素 Cephamycin 则由 S. clavuligerus 产生。这些都是半合成抗生素的前体。碳青霉烯 Carpapenems 也有一个−内 酰胺结构，但它不是从三肽衍生的，其内酰胺环由不含硫原子的五元环组成，其中最重要的是噻 烯霉素 Thienamycin，是合成具有广谱抗菌活性的亚胺青霉烯 Imipenem 的前体，从 S. cattleya 发 酵获得。棒酸 Clavulanic acid 的环上含有氧原子，首先是从 S. clavulgerus 分离得到的，棒酸本身 几乎没有抗菌活性，但与其它抗生素结合使用时具有抑制细菌−内酰胺酶的作用。 4） 肽酶抑制剂(Peptidase inhibitors)和免疫调节剂(Immunomodifier) 由于 Umezawa 实验室的出色工 作，从链霉菌中分离出了一系列的蛋白酶抑制剂。亮抑蛋白酶肽 Leupeptin 和 −MAPI 分别是末 端的羧基已经还原为醛基的三肽和四肽，是丝氨酸蛋白酶的抑制剂。有些抑制剂能与细胞表面上 的蛋白酶作用，具有免疫强化作用。如佳制霉素 Bestatin 是一种由 S. olivoreticili 产生的二肽，在 白血病和黑色素瘤的治疗中正在进行临床试验。用于农业和饲养业的多肽类抗生素有维吉尼亚霉 素 S 和 M1(Virginiamycin S & M1)，前者是一个环六肽，后者则具有肽内酯结构。另一种作为饲 料添加剂的硫链丝菌肽(Thiostrepton)分子结构中有多个噻唑和杂环基团。在基因工程和分子生物 学中常用作硫链丝菌肽抗性标记。由 S. viridochromogenes 分离得到的 Bialaphose 是一个含两个 丙氨酸分子和磷丝菌素(phosphinotricin)的三肽类似物，其结构中的磷丝菌素部分能抑制谷氨酰胺 合成酶，因此具有抗菌和杀虫活性。 10.2.3.5 核苷类抗生素(Nucleosides) 已经从链霉菌分离得到的核苷类抗生素有 200 多种，它们的活性和作用方式各不相同，只有少 数已应用于农业上。如杀稻瘟素(Blasticidin) S 可以防止水稻稻瘟病的发生，由 S. griseochromogenes 产生；多氧菌素(Polyoxins)对植物病原体具有广谱抗真菌功能，由 S. cacaoi 产生。 不属于 以上 类 型但 由 链霉 菌 生产 的 其它 重 要抗 生 素及 生 物活 性 物质 还 有： 氯 霉 素 (Chloramphenicol)，属于芳香胺-醇化合物，是少数几种含硝基的天然化合物之一。氯霉素具有广谱 抗菌活性，特别是对 Gram 阴性菌的抗菌效果更好，由 S. venezuelae 产生。林可霉素(Lincomycin)分 子由一个脯氨酸衍生物与一个改性的糖分子结合而成，其生物活性与红霉素类似，由 S. lincolnesis 发 酵生产。新生霉素(Novobiocin)的分子结构很复杂，含有一个香豆素、一个糖基和一个苯甲酸衍生 物，临床上用作抗葡萄球菌，但主要用于兽药。新生霉素由 S. niveus 生产。磷霉素(Posfomycin)是肽
葡聚糖合成的抑制剂,对Gram阳性和阴性菌都有抗菌活性,有好几种链霉菌都能用于生产磷霉素, 典型的有S. fradiae, FK506的分子结构中含有一个23元的内脂环,结构复杂,是一种免疫抑制剂 由S. tsukubaensis产生。 1224其它放线菌生产的抗生素 其它对抗生素生产有重要意义的放线菌有:诺卡氏菌形放线菌( Nocardioform Actinomycetes)、游 动放线菌( Actinoplanes)及足分枝菌( Maduromycetes) 12241诺卡氏菌形放线菌 诺卡氏菌形放线菌中最重要的是诺卡菌( Nocardia)。它既有营养菌丝、又有气生菌丝,有时不发 育的菌丝还会断裂成不会运动的碎片,进一步形成不运动的孢子链。这是一种中温菌,在简单培养 基中就能够生长,但生长速度慢,分裂时间要5小时,能够利用长链脂肪烃及气态烃作为碳源。诺 卡菌生产的最重要的抗生素有:利福霉素( Rifamycins)、万古霉素( Vancomycin)及瑞斯托菌素 Ristocetin)。另外一些由诺卡菌生产的抗生素包括:诺卡杀菌素( Nocardicins,S. uniformis),这是 种单环内酰胺抗生素;间型霉素(Fα mycin)和助间型霉素( Coformycin),两者都是核苷类抗生 素,由N. interforma生产。后者虽然没有抗菌活性,但对腺苷脱氨酶有抑制作用,类似的还有2-脱 氧助间型霉素(2- deoxycoformycin,S. antibioticus) 拟无分枝酸菌( amycolatopsis)属于诺卡氏菌形放线菌。这些菌本来也分类为诺卡菌,但由于它 们的细胞膜不含支链脂肪酸而被重新分类。有许多拟无分枝酸菌能合成糖肽类抗生素,如万古霉素 A. orientalis)和瑞斯托菌素lA. orientalis subsp. Lurida)。也能产生 Elfamycin和胞壁菌素( Muraceins), 胞壁菌素是血管紧张肽转化酶( Angiotensin-converting enzyme)的抑制剂,是胞壁酰的肽衍生物。A mediterranei也是利福霉素的重要生产菌种,它的基因图谱已经经过了细致的研究,因此常用于基因 工程的宿主细胞。 糖多孢菌( Saccharopolyspora)也属于诺卡氏菌形放线菌,它们的营养菌丝容易断裂,细胞壁的组 成含有阿拉伯糖、乳糖和内消旋二氨基庚二酸。这一属微生物只有两个种,其中S. erythra是生产 红霉素的优良菌种 10.242游动放线菌 游动放线菌因形成包在孢子囊中的游动孢子而命名,属于Gram阳性菌,好氧生长,属中温 菌,最适温度20-30C、pH7.0。能长成有分枝和分隔的菌丝,气生菌丝则非常少见。细胞壁的肽葡 聚糖中含有内消旋二氨基庚二酸或3-羟基二氨基庚二酸和甘氨酸。游动放线菌的菌斑比较小,说明 生长缓慢,菌斑呈黄色,也有棕色、蓝色及红色等颜色的菌斑。 从游动放线菌分离的抗生素有120余种,包括氨基酸衍生物、聚烯、核苷及氯代杂环化合物等 种类。游壁菌素( Teicoplanin,A. teichomvceticus)属于脂糖肽类抗生素,用于治疗Gram阳性菌感染; Ramoplanin是一种大环肽类抗生素,环上有多个糖和脂肪酸取代基,具有临床应用的前景。由 Actinoplanes SE50菌株产生的一种四聚假糖是糖化酶的抑制剂,已经用于治疗代谢紊乱疾病,商品 名为 Acarbose 指孢囊菌( Dactylosporangiun)也属于游动放线菌,因指状的胞子囊而得名,每根营养菌丝上有 3-4个运动孢子。从指孢囊菌分离得到的抗生素有30种左右,其中属于氨基环多醇类的有:紫素霉 素( Sisomicin,D. thailandense)、N-甲酰基紫素霉素(N- Formylsisomicin,D. thailandense)、指孢囊霉素 ( Dactimicin,D. matstakiense)、抗分枝杆菌的多肽类卷曲霉素( Capreomycin,D. varlesporun)及聚烯类 的尼日菌素( Nigericin,D. aurantiacum)等 另一类游动放线菌是小单胞菌( Micromonospora),其菌落与游动放线菌类似,并有同样的橘黄 色,但小单胞菌不形成孢子囊,而是在子实体中。从小单胞菌分离得到的抗生素有300多种,其覆 盖范围几乎与放线菌一样广,抗生素的品种也类似,如庆大霉素(M. purpurea,M. echinospora) 健霉素( Fortimicin, M. olivoasterospora):大环内酯类的蔷薇霉素( Rosamicin,M! rosaria)、霉素霉素 ( mycinamicins, W. griseorubida)及闰年霉素( Lipiarmycin, M. echinospora)等;另外还有利福霉素及多糖 类的扁枝衣霉素( Everninomicin, M. carbonacea)等 12243足分枝菌
8 葡聚糖合成的抑制剂，对 Gram 阳性和阴性菌都有抗菌活性，有好几种链霉菌都能用于生产磷霉素， 典型的有 S. fradiae。FK506 的分子结构中含有一个 23 元的内脂环，结构复杂，是一种免疫抑制剂， 由 S. tsukubaensis 产生。 12.2.4 其它放线菌生产的抗生素 其它对抗生素生产有重要意义的放线菌有：诺卡氏菌形放线菌(Nocardioform Actinomycetes)、游 动放线菌(Actinoplanetes)及足分枝菌(Maduromycetes)。 12.2.4.1 诺卡氏菌形放线菌 诺卡氏菌形放线菌中最重要的是诺卡菌(Nocardia)。它既有营养菌丝、又有气生菌丝，有时不发 育的菌丝还会断裂成不会运动的碎片，进一步形成不运动的孢子链。这是一种中温菌，在简单培养 基中就能够生长，但生长速度慢，分裂时间要 5 小时，能够利用长链脂肪烃及气态烃作为碳源。诺 卡菌生产的最重要的抗生素有：利福霉素(Rifamycins)、万古霉素(Vancomycin) 及瑞斯托菌素 (Ristocetin)。另外一些由诺卡菌生产的抗生素包括：诺卡杀菌素（Nocardicins, S. uniformis），这是 一种单环内酰胺抗生素；间型霉素（Formycin）和助间型霉素(Coformycin)，两者都是核苷类抗生 素，由 N. interforma 生产。后者虽然没有抗菌活性，但对腺苷脱氨酶有抑制作用，类似的还有 2-脱 氧助间型霉素(2-deoxycoformycin, S. antibioticus)。 拟无分枝酸菌(Amycolatopsis)属于诺卡氏菌形放线菌。这些菌本来也分类为诺卡菌，但由于它 们的细胞膜不含支链脂肪酸而被重新分类。有许多拟无分枝酸菌能合成糖肽类抗生素，如万古霉素 (A. orientalis)和瑞斯托菌素(A. orientalis subsp. Lurida)。也能产生 Elfamycin 和胞壁菌素(Muraceins)， 胞壁菌素是血管紧张肽转化酶(Angiotensin-converting enzyme)的抑制剂，是胞壁酰的肽衍生物。A. mediterranei 也是利福霉素的重要生产菌种，它的基因图谱已经经过了细致的研究，因此常用于基因 工程的宿主细胞。 糖多孢菌(Saccharopolyspora)也属于诺卡氏菌形放线菌，它们的营养菌丝容易断裂，细胞壁的组 成含有阿拉伯糖、乳糖和内消旋二氨基庚二酸。这一属微生物只有两个种，其中 S. erythrea 是生产 红霉素的优良菌种。 10.2.4.2 游动放线菌 游动放线菌因形成包在孢子囊中的游动孢子而命名，属于 Gram 阳性菌，好氧生长，属中温 菌，最适温度 20-30oC、pH7.0。能长成有分枝和分隔的菌丝，气生菌丝则非常少见。细胞壁的肽葡 聚糖中含有内消旋二氨基庚二酸或 3-羟基二氨基庚二酸和甘氨酸。游动放线菌的菌斑比较小，说明 生长缓慢，菌斑呈黄色，也有棕色、蓝色及红色等颜色的菌斑。 从游动放线菌分离的抗生素有 120 余种，包括氨基酸衍生物、聚烯、核苷及氯代杂环化合物等 种类。游壁菌素(Teicoplanin, A. teichomyceticus)属于脂糖肽类抗生素，用于治疗 Gram 阳性菌感染； Ramoplanin 是一种大环肽类抗生素，环上有多个糖和脂肪酸取代基，具有临床应用的前景。由 Actinoplanes SE 50 菌株产生的一种四聚假糖是糖化酶的抑制剂，已经用于治疗代谢紊乱疾病，商品 名为 Acarbose。 指孢囊菌(Dactylosporangium)也属于游动放线菌，因指状的胞子囊而得名，每根营养菌丝上有 3-4 个运动孢子。从指孢囊菌分离得到的抗生素有 30 种左右，其中属于氨基环多醇类的有：紫素霉 素(Sisomicin, D. thailandense)、N-甲酰基紫素霉素(N-Formylsisomicin, D. thailandense) 、指孢囊霉素 (Dactimicin, D. matsuzakiense)、抗分枝杆菌的多肽类卷曲霉素(Capreomycin, D. variesporum)及聚烯类 的尼日菌素(Nigericin, D. aurantiacum)等。 另一类游动放线菌是小单胞菌(Micromonospora)，其菌落与游动放线菌类似，并有同样的橘黄 色，但小单胞菌不形成孢子囊，而是在子实体中。从小单胞菌分离得到的抗生素有 300 多种，其覆 盖范围几乎与放线菌一样广，抗生素的品种也类似，如庆大霉素（M. purpurea, M. echinospora）、 健霉素(Fortimicin, M. olivoasterospora)；大环内酯类的蔷薇霉素(Rosamicin, M. rosaria)、霉素霉素 (mycinamicins, M. griseorubida)及闰年霉素(Lipiarmycin, M. echinospora)等；另外还有利福霉素及多糖 类的扁枝衣霉素(Everninomycin, M. carbonacea)等。 12.2.4.3 足分枝菌
足分枝菌( Madurommycetes)是一类性质差别很大的放线菌,带有气生菌丝的营养菌丝分化时形成 短链孢子或者孢子囊,孢子有些能运动,有些则不能。整细胞水解后可以检测到马杜拉糖,细胞壁 含有内消旋二氨基庚二酸。属于足分枝菌的马杜拉放线菌的孢子链比链霉菌短,孢子直径要超过菌 丝,生长周期长达14-15天。马杜拉放线菌产生的抗生素有250种以上,最常见的是离子型聚醚,如 马杜拉霉素( Maduramicin,A. yuMaensiS)和阳离子霉素 Cationomycin,A. azurea)。此外,经常可以在足 分枝菌分离得到蒽环类的抗肿瘤抗生素,如洋红霉素( Carminomycin,A. roseoviolacea)、A 40926( actinomadura a7C39727)和血管紧张肽转化酶抑制剂I-5B(A. spiculosoapora) 1025粘细菌( Myxobacteria) 粘细菌是一类能滑动的Gram阴性杆菌,在饥饿条件下会形成称之为孢子果的复杂结构,成千 上万个细胞聚集在一起,内中的营养细胞处于休眠期,并转化为粘孢子。粘细菌广泛分布于土壤、 腐烂的植物和素食动物的粪便中。 七十年代开始,对粘细菌进行了普遍的筛选以期获得新的抗生素生产菌。人们发现,粘细菌次 级代谢产物中抗菌活性物质的检出率非常高,而且许多都是新发现的抗生素。如纤维素堆囊菌 ( Sorangium cellulosun产生的大环内酯类抗生素堆囊菌素( Sorangicin)、 M. coralloides产生的珊瑚粘菌 素( Corallopyronin)等。具有抗真菌能力的琥苍菌素( Ambruticin)也是由纤维素堆囊菌产生的。 122.6曲霉( spergillus) 曲霉主要用于有机酸和酶制剂的生产。由曲霉生产的最重要的次级代谢产物是洛伐他汀 ( Lovastatin),由A. terreus生产,它的功能是抑制胆固醇生物合成途径中的第一个酶(甲基羟基谷 氨酸还原酶)的活性,从而达到降低胆固醇的目的。洛伐他汀及其半合成产物新伐他汀已经成了医 治心血管疾病的常用药 曲霉中,A. nidulans虽然能够产生青霉素,但活力不高,不能用于工业生产。A. alliaceus能产 生葱曲霉素( Asperlicin),这是一种非肽类的氨基酸衍生物,是一种正在研究中的缩胆囊肽的拮抗 物。从A. orce和其它霉菌中分离的小肽 Aspergillomarasmine对血管紧张肽转化酶有一定的生物活 性。从A. nidulans或 1. rugulosus分离得到的脂肽棘白菌素 Echinocandins具有抗霉菌活性,其中 Echinocandin B经化学改性后得到的 Cilofungin抗霉菌剂有较好的临床应用前景。 1227青霉属( Penicilllum) 酸 enicilliuim来源于拉丁文 Penicillus,意义为小刷子,形象地说明了青霉菌的形态特征:分叉的 上长着许多的分生孢子。大多数青霉属于腐生菌,广泛生存于土壤和腐败的水果和蔬菜中 由于人类第一个工业化生产的抗生素青霉素是由青霉属中的 Penicillium notatum中发现的,至 今青霉素及其半合成抗生素仍是产量最大、用途最广的抗生素,因此青霉在抗生素工业中具有特别 重要的地位 1928年9月在伦敦圣玛利医院工作的 Alexander fleming医生在分离金黄色葡萄球菌时,发现其 中一个平板受到了污染,在污染菌斑附近,其它细菌不能生长。一般情况下,这种受污染的平板立 即就会被丢掉,但 Fleming却没有这样做,而是对这一现象进行了深入研究,最终导致了具有强大 抗菌作用的抗生素——青霉素的发现。但是 Fleming重要的发现当时并未受到重视,被搁置了十几 年。第二次世界大战为青霉素的工业化提供了机会。牛津大学的 Howard Flory和 Ernst chain重新对 青霉素进行了研究并获得了一定数量的青霉素,他们将青霉素用于一位血液受到感染的病人,病情 出现了明显的好转迹象。令人遗憾的是宝贵的青霉素用完了,病人最后还是没有治愈。二战的发展 使青霉素的研究工作不得不从英国转移到了美国,在美国战时生产局的领导下,许多政府部门和制 药公司共同协作,终于实现了青霉素的工业化生产。到二战末,已经具备了生产每年治疗十万个病 人的青霉素生产能力。今天,青霉素仍然是主要的抗生素品种之一,而且以它为基础,开发出了 系列更有效、毒性更低的半合成抗生素品种,为人类的健康作出了重要的贡献。青霉素的发酵水平 也从刚开始时的0.001g/L提高到了目前超过50g/L,这一成就是微生物学家和生物化工工程师多年辛 勤研究和共同合作的成果。 青霉属中分离得到的其它抗生素不多,比较重要的是由A. janczewskii和P. griseofulvin生产的 七肽类化合物灰黄霉素,临床用于外用抗霉菌剂。 10.28生产抗生素和次级代谢产物的其它徽生物
9 足分枝菌(Maduromycetes)是一类性质差别很大的放线菌，带有气生菌丝的营养菌丝分化时形成 短链孢子或者孢子囊，孢子有些能运动，有些则不能。整细胞水解后可以检测到马杜拉糖，细胞壁 含有内消旋二氨基庚二酸。属于足分枝菌的马杜拉放线菌的孢子链比链霉菌短，孢子直径要超过菌 丝，生长周期长达 14-15 天。马杜拉放线菌产生的抗生素有 250 种以上，最常见的是离子型聚醚，如 马杜拉霉素(Madurimicin, A. yumaensis)和阳离子霉素(Cationomycin, A. azurea)。此外，经常可以在足 分枝菌分 离得到 蒽环类 的抗肿 瘤抗生 素，如 洋红霉 素(Carminomycin, A. roseoviolacea) 、A- 40926(Actinomadura ATCC39727)和血管紧张肽转化酶抑制剂 I-5 B(A. spiculosoapora)。 10.2.5 粘细菌（Myxobacteria） 粘细菌是一类能滑动的 Gram 阴性杆菌，在饥饿条件下会形成称之为孢子果的复杂结构，成千 上万个细胞聚集在一起，内中的营养细胞处于休眠期，并转化为粘孢子。粘细菌广泛分布于土壤、 腐烂的植物和素食动物的粪便中。 七十年代开始，对粘细菌进行了普遍的筛选以期获得新的抗生素生产菌。人们发现，粘细菌次 级代谢产物中抗菌活性物质的检出率非常高，而且许多都是新发现的抗生素。如纤维素堆囊菌 (Sorangium cellulosum)产生的大环内酯类抗生素堆囊菌素(Sorangicin)、M. coralloides 产生的珊瑚粘菌 素(Corallopyronin)等。具有抗真菌能力的琥苍菌素(Ambruticin)也是由纤维素堆囊菌产生的。 12.2.6 曲霉(Aspergillus) 曲霉主要用于有机酸和酶制剂的生产。由曲霉生产的最重要的次级代谢产物是洛伐他汀 （Lovastatin），由 A. terreus 生产，它的功能是抑制胆固醇生物合成途径中的第一个酶（甲基羟基谷 氨酸还原酶）的活性，从而达到降低胆固醇的目的。洛伐他汀及其半合成产物新伐他汀已经成了医 治心血管疾病的常用药。 曲霉中，A. nidulans 虽然能够产生青霉素，但活力不高，不能用于工业生产。A. alliaceus 能产 生葱曲霉素（Asperlicin），这是一种非肽类的氨基酸衍生物，是一种正在研究中的缩胆囊肽的拮抗 物。从 A. oryzae 和其它霉菌中分离的小肽 Aspergillomarasmine 对血管紧张肽转化酶有一定的生物活 性。从 A. nidulans 或 A. rugulosus 分离得到的脂肽棘白菌素 Echinocandins 具有抗霉菌活性，其中 Echinocandin B 经化学改性后得到的 Cilofungin 抗霉菌剂有较好的临床应用前景。 12.2.7 青霉属(Penicillum) Penicillium 来源于拉丁文 Penicillus，意义为小刷子，形象地说明了青霉菌的形态特征：分叉的 菌丝上长着许多的分生孢子。大多数青霉属于腐生菌，广泛生存于土壤和腐败的水果和蔬菜中。 由于人类第一个工业化生产的抗生素青霉素是由青霉属中的 Penicillium notatum 中发现的，至 今青霉素及其半合成抗生素仍是产量最大、用途最广的抗生素，因此青霉在抗生素工业中具有特别 重要的地位。 1928 年 9 月在伦敦圣玛利医院工作的 Alexander Fleming 医生在分离金黄色葡萄球菌时，发现其 中一个平板受到了污染，在污染菌斑附近，其它细菌不能生长。一般情况下，这种受污染的平板立 即就会被丢掉，但 Fleming 却没有这样做，而是对这一现象进行了深入研究，最终导致了具有强大 抗菌作用的抗生素——青霉素的发现。但是 Fleming 重要的发现当时并未受到重视，被搁置了十几 年。第二次世界大战为青霉素的工业化提供了机会。牛津大学的 Howard Flory 和 Ernst Chain 重新对 青霉素进行了研究并获得了一定数量的青霉素，他们将青霉素用于一位血液受到感染的病人，病情 出现了明显的好转迹象。令人遗憾的是宝贵的青霉素用完了，病人最后还是没有治愈。二战的发展 使青霉素的研究工作不得不从英国转移到了美国，在美国战时生产局的领导下，许多政府部门和制 药公司共同协作，终于实现了青霉素的工业化生产。到二战末，已经具备了生产每年治疗十万个病 人的青霉素生产能力。今天，青霉素仍然是主要的抗生素品种之一，而且以它为基础，开发出了一 系列更有效、毒性更低的半合成抗生素品种，为人类的健康作出了重要的贡献。青霉素的发酵水平 也从刚开始时的 0.001g/L 提高到了目前超过 50g/L，这一成就是微生物学家和生物化工工程师多年辛 勤研究和共同合作的成果。 青霉属中分离得到的其它抗生素不多，比较重要的是由 A. janczewskii 和 P. griseofulvin 生产的 七肽类化合物灰黄霉素，临床用于外用抗霉菌剂。 10.2.8 生产抗生素和次级代谢产物的其它微生物
除了上面讨论的能够生产抗生素的主要微生物种属外,其它微生物也能够产生一些重要的抗生 素。在细菌中,从葡萄糖杆菌 Gluconobacter SO26445分离得到了磺胺净素( Sulfazecin),属于磺酰基 单环β一内酰胺类抗生素。以后发现农杆菌 agrobacterium、色杆菌 Chromobacterium、纤维粘细菌 Cytophage和曲挠杆菌 Flexibacter的一些种也能产生磺胺净素。黄杆菌 Flavobacterium和黄单胞菌 Xanthomonas的某些菌株则能够产生头孢菌素C 霉菌中的头孢霉 Cephalosporium chrysogenum是最重要的头孢类抗生素生产菌种。头胞霉在分 类学上有一些不同看法,它们的共同特点是分生孢子的结构简单,在一小部分分生孢子的顶上有 个单茎或分枝很少的茎,其菌丝分化形成节孢子。 Cephalosporium chrysogenum的营养要求与青霉类 似,一些糖类、甲基油酸或甘油都能作为碳源,无机氮、氨基酸或复合的多肽作为氮源。除头孢类 抗生素外, Cephalosporium生产的其它重要抗生素都属于聚酮类或萜类化合物,如六酮类的浅蓝菌 素 Cerulenin(C. caerulens)是脂肪酸生物合成的抑制剂;梭链孢酸 Fusidic acid( Acremonium fusidioides 则是抗葡萄球菌剂。 木霉属的 Trichoderma in/amum是环孢A的生产菌,环孢A具有抗霉菌活性,更重要的用途是 作为器官移植的免疫抑制剂 10.3新抗生素生产菌种的筛选 微生物的次级代谢产物是发现新抗生素和其它生物活性物质的巨大宝库。许多国家和大制药公 司都投入了大量的人力和物力从事这项工作,发现了数以万计的新化合物,从中进一步筛选出了具 有临床应用价值的抗生素和生物活性物质等,其中许多产物已经形成了知识产权,在创造了巨大经 济利益的同时,也为人类的健康和工农业生产的发展作出了贡献。今天,虽然基因工程和组合化学 的发展为新药的开发提供了新的思路和方法,但是持之以恒地对各种微生物的次级代谢产物进行分 析鉴别,从中发现新的化合物、筛选出新的抗生素仍然具有重要意义。 10.3.1抗生素的基本筛选方法 自从发现青霉素后,各国科学家已经对发现新抗生素建立了一套比较系统的方法,可以在短时 间内从微生物的次级代谢产物中发现数以千计的活性分子,从中又能够进一步筛选出几个具有临床 应用价值的抗生素。这种筛选方法最初是由美国 Rutgers大学的 Waksman教授于1940年建立起来 的,至今仍然被工业界和学术界广泛采用。 在上一节中我们已经介绍了许多抗生素生产菌都是来自于有机物在自然界的循环过程,因此筛 选的第一步是收集各种环境条件下的土壤和腐败植物样品,从中进行筛选。最常用的筛选过程包括 如下步骤:1)将土壤样品加水后充分搅拌或震荡:2)离心取上清液并稀释后涂在事先准备好的琼 脂平板上:3)在平板上挑选一些菌落接种于液体培养基进行培养:4)吸取培养液检验其抗菌或其 它生物活性 当某一菌落的生物活性得到确证后,就必须将生物活性物质进行分离和部分提纯,以确定该物 质是否具有新颖性,并进行一系列初步的生物试验以评价其应用前景。这一步骤的关键是要避免与 前人工作的重复。一般而言,培养液中生物活性物质的浓度很低,而且存在许多结构类似物,若要 完全将它们分别予以提纯将需要消耗大量的人力和物力。因此对代谢产物的提纯要适度,粗产物的 纯度应该在5-10%以上。在分离前应该确定活性物质是在发酵液中还是菌体中。 确定活性物质的新颖性是筛选工作的重点,为此要对活性物质进行一系列的生物学性质和物理 化学性质检验。主要的生物学性质有:1)对活性物质的抗菌谱进行评价,包括交叉抗菌谱,血清、 pH、接种量及离子等因素对抗菌谱的影响;2)活性物质对实验动物的影响,特别是对已受到感染的 动物鼠的ED50(50%有效剂量)和LD0(50%致死剂量)的测定,除了确定其绝对值外,有效剂量 和致死剂量的相对比值具有更重要的意义,因为经初步提纯的活性物质中,虽然纯度不高,但如果 活性物质只有一种,该比值就与样品的纯度无关;3)如果产物是某一特定代谢途经中某一种酶的抑 制剂,鉴别其新颖性就比较容易,因为需要比较的对象只是具有同样功能的数量有限的几种化合 物,当然也要注意该化合物是否在过去已经根据它的其它活性而被分离、鉴别过。 由于产物只经过初步的分离提纯,还不可能进行纯物质物性的测定,如熔点、红外及NMR谱 等,但是可以进行紫外和可见光谱的测量,从中可以获得许多有用的信息。样品虽然不纯,但活性 物质的含量往往是最多的,因此利用质谱可以测定其正确的分子量,这对于新颖性的鉴别非常有 用。在各种溶剂系统中进行纸层析和薄层层析能获得该物质的酸碱性、亲水或亲脂性等性质,斑点 的迁移值可以用来与已知数据比较。现代HPLC技术既可以用于分离也可以鉴定有关物质,如:毛
10 除了上面讨论的能够生产抗生素的主要微生物种属外，其它微生物也能够产生一些重要的抗生 素。在细菌中，从葡萄糖杆菌 Gluconobacter SQ26445 分离得到了磺胺净素(Sulfazecin)，属于磺酰基 单环−内酰胺类抗生素。以后发现农杆菌 Agrobacterium、色杆菌 Chromobacterium、纤维粘细菌 Cytophage 和曲挠杆菌 Flexibacter 的一些种也能产生磺胺净素。黄杆菌 Flavobacterium 和黄单胞菌 Zanthomonas 的某些菌株则能够产生头孢菌素 C。 霉菌中的头孢霉 Cephalosporium chrysogenum 是最重要的头孢类抗生素生产菌种。头胞霉在分 类学上有一些不同看法，它们的共同特点是分生孢子的结构简单，在一小部分分生孢子的顶上有一 个单茎或分枝很少的茎，其菌丝分化形成节孢子。Cephalosporium chrysogenum 的营养要求与青霉类 似，一些糖类、甲基油酸或甘油都能作为碳源，无机氮、氨基酸或复合的多肽作为氮源。除头孢类 抗生素外，Cephalosporium 生产的其它重要抗生素都属于聚酮类或萜类化合物，如六酮类的浅蓝菌 素 Cerulenin(C. caerulens)是脂肪酸生物合成的抑制剂；梭链孢酸 Fusidic acid(Acremonium fusidioides) 则是抗葡萄球菌剂。 木霉属的 Trichoderma inflatum 是环孢 A 的生产菌，环孢 A 具有抗霉菌活性，更重要的用途是 作为器官移植的免疫抑制剂。 10.3 新抗生素生产菌种的筛选 微生物的次级代谢产物是发现新抗生素和其它生物活性物质的巨大宝库。许多国家和大制药公 司都投入了大量的人力和物力从事这项工作，发现了数以万计的新化合物，从中进一步筛选出了具 有临床应用价值的抗生素和生物活性物质等，其中许多产物已经形成了知识产权，在创造了巨大经 济利益的同时，也为人类的健康和工农业生产的发展作出了贡献。今天，虽然基因工程和组合化学 的发展为新药的开发提供了新的思路和方法，但是持之以恒地对各种微生物的次级代谢产物进行分 析鉴别，从中发现新的化合物、筛选出新的抗生素仍然具有重要意义。 10.3.1 抗生素的基本筛选方法 自从发现青霉素后，各国科学家已经对发现新抗生素建立了一套比较系统的方法，可以在短时 间内从微生物的次级代谢产物中发现数以千计的活性分子，从中又能够进一步筛选出几个具有临床 应用价值的抗生素。这种筛选方法最初是由美国 Rutgers 大学的 Waksman 教授于 1940 年建立起来 的，至今仍然被工业界和学术界广泛采用。 在上一节中我们已经介绍了许多抗生素生产菌都是来自于有机物在自然界的循环过程，因此筛 选的第一步是收集各种环境条件下的土壤和腐败植物样品，从中进行筛选。最常用的筛选过程包括 如下步骤：1）将土壤样品加水后充分搅拌或震荡；2）离心取上清液并稀释后涂在事先准备好的琼 脂平板上；3）在平板上挑选一些菌落接种于液体培养基进行培养；4）吸取培养液检验其抗菌或其 它生物活性。 当某一菌落的生物活性得到确证后，就必须将生物活性物质进行分离和部分提纯，以确定该物 质是否具有新颖性，并进行一系列初步的生物试验以评价其应用前景。这一步骤的关键是要避免与 前人工作的重复。一般而言，培养液中生物活性物质的浓度很低，而且存在许多结构类似物，若要 完全将它们分别予以提纯将需要消耗大量的人力和物力。因此对代谢产物的提纯要适度，粗产物的 纯度应该在 5-10%以上。在分离前应该确定活性物质是在发酵液中还是菌体中。 确定活性物质的新颖性是筛选工作的重点，为此要对活性物质进行一系列的生物学性质和物理 化学性质检验。主要的生物学性质有：1）对活性物质的抗菌谱进行评价，包括交叉抗菌谱，血清、 pH、接种量及离子等因素对抗菌谱的影响；2）活性物质对实验动物的影响，特别是对已受到感染的 动物鼠的 ED50（50%有效剂量）和 LD50（50%致死剂量）的测定，除了确定其绝对值外，有效剂量 和致死剂量的相对比值具有更重要的意义，因为经初步提纯的活性物质中，虽然纯度不高，但如果 活性物质只有一种，该比值就与样品的纯度无关；3）如果产物是某一特定代谢途经中某一种酶的抑 制剂，鉴别其新颖性就比较容易，因为需要比较的对象只是具有同样功能的数量有限的几种化合 物，当然也要注意该化合物是否在过去已经根据它的其它活性而被分离、鉴别过。 由于产物只经过初步的分离提纯，还不可能进行纯物质物性的测定，如熔点、红外及 NMR 谱 等，但是可以进行紫外和可见光谱的测量，从中可以获得许多有用的信息。样品虽然不纯，但活性 物质的含量往往是最多的，因此利用质谱可以测定其正确的分子量，这对于新颖性的鉴别非常有 用。在各种溶剂系统中进行纸层析和薄层层析能获得该物质的酸碱性、亲水或亲脂性等性质，斑点 的迁移值可以用来与已知数据比较。现代 HPLC 技术既可以用于分离也可以鉴定有关物质，如：毛