Skript - Institut für Organische Chemie

Biogenese von Naturstoffen
Vorlesung (mit Übung)
(für Masterstudiengänge Wirk- und Naturstoffchemie und Life Science)
Institut für Organische Chemie
Universität Hannover
verantwortlich:
Prof. Dr. A. Kirschning
(Version Oktober 2012)
Es wird empfohlen, zuvor die Skripten Naturstoffchemie II – Coenzyme/Terpene – und
Alkaloide (hier besonders den Shikimisäure-Biosyntheseweg) zu studieren, um mit
besserem Verständnis der vorliegenden Vorlesung folgen zu können.
Literatur
1. Medicinal Natural Products A Biosynthetic Approach; Autor: Paul M. Dewick, Verlag: Wiley &
Sons
2. R. Brückner, Reaktionsmechanismen, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin 2003.
3. J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers, Organic Chemistry, Oxford, University Press,
Oxford, 2001.
4. Classics in total synthesis I und II, ISBN 3-527-29231-4
Autoren: K. C. Nicolaou, Sörensen, Wiley VCH, ISBN 3-527-29231-4.
5. D. Lednicer, Strategies for Drug Synthesis and Design, Wiley & Sons, 2009,
ISBN 978-0-470-19039-5 (gut für chemische Synthesen von Prostanen und β-Lactamen)
6. RÖMPP online enthält eine sehr gute Stichwortliste zu Naturstoffen. Der RÖMPP online ist in der
Universität und am IOC (über web-Seite des Instituts) frei verfügbar.
1

1. Einführung
2. Acetat-Biosyntheseweg
2.1 Allgemeine Aspekte
2.2 Fettsäuren und Folgemetabolite
2.2.1 Acetylensäuren /Acetylenfettsäuren
2.2.2 Methylverzweigte Fettsäuren
2.2.3 Prostaglandine und Abkömmlinge
2.3 Chemische Synthese von Prostaglandinen
3. Polyketid-Naturstoffe
3.1 Allgemeine Aspekte
3.2 Biosynthese von Polyketid-Naturstoffen
3.2.1 Typ I PKS
3.2.2 Typ II PKS
3.2.3 Typ III PKS
3.2.4 Methoden zur Aufklärung von Biosynthesewegen
4. Nicht-Ribosomale-Peptide (NRP), Hybride (PK-NRP), Hormone und andere Aminosäure-
Derivate
4.1 Nicht-ribosomale Biosynthese
4.2 Peptidhormone
4.3 Gibt es ribosomale Peptid-Naturstoffe?
4.4 β-Lactam-Antibiotika
4.4.1 Penicilline
4.4.2 Cephalosporine
4.4.3 Clavame
4.5 Totalsynthetische Zugänge zu β-Lactam-Antibiotika
4.5.1 Prinzipielle Synthesestrategien zur β-Lactambildung
4.5.2 Chemische Synthese von Penicillinen
4.5.3 Synthese von 6-Aminopenicillansäure (6-APA)
4.5.4 Synthese des Cephalosporin-Grundkörpers aus Penicillin
4.5.5 Synthesen von Thienamycin
4.5.6 Synthese von Nocardicin
2

1. Einführung
Eine mögliche Unterteilung von Naturstoffen ist die Unterscheidung über den Metabolismus.
Dabei kann man grob in Primär- und Sekundärmetabolite unterteilen. Naturstoffklassen werden
zu den Primärmetaboliten zugeordnet, wenn sie ubiquitär verbreitet sind und nach
gemeinsamen Biosyntheseplänen, unabhängig vom Organismus biosynthetisiert werden. Hierzu
zählen Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren. Die Behandlung dieser
metabolischen Wege sind üblicherweise Inhalt von Lehrbüchern der Biochemie.
Sekundärmetabolite (erste Erwähnung des Begriffs 1891 durch Albrecht Kossel, in:. Ueber die
chemische Zusammensetzung der Zelle , Archiv für Physiologie: 181-186) haben eine geringe
Verbreitung und werden von den Organismnen, die einen Biosyntheseapparat für diese Moleküle
besitzen, auch nur zu bestimmten Zeiten synthetisiert. Die biologische Bedeutung vieler
Sekundärmetabolite ist bis heute nicht bekannt (siehe auch Skript zu Terpenen und Alkaloiden).
Häufig fungieren sie als chemische Abwehrmittel (Gifte, Ungenießbarkeit etc.) oder als
Kommunikationsmittel (Pheromone, Farbstoffe etc.). Allgemein hat der Produzent einen
speziellen Vorteil durch die Erzeugung solcher Sekundärmetabolite. Naturstoffe, die eingang in
medizinische Anwendungen gefunden haben sind durchweg Sekundärmetabolite. Die
Unterscheidung zwischen Primär- und Sekundärmetaboliten ist aber fließend.
z. B. Kohlenhydrate:
3

Ein Überblick über die prinzipiellen metabolische Wege
4

Ausgewählte Grundbausteine für die Biosynthese von Sekundärmetaboliten
O
O
CO 2 H
OH
OH
Essigsäure
Pyruvat
CO 2 H
HO
OH
OH
Shikimisäure
(aus Erythrose­4­phosphat
und Phosphoenolpyruvat, PEP)
R
NH 2
CO 2 H
Aminosäuren
R
CO 2 H
Hydroxycarbonsäuren
OH
O
OH
2­
O 3 PO
H
OPO 3
2­
OH
Erythrose­4­phosphat
O
OH
5

2. Acetatbiosyntheseweg (Fettsäuren, Lipoide und Polyketide)
2.1 Allgemein
Der Acetatbiosyntheseweg speist eine sehr große Zahl von Naturstoffgruppen. Zentraler
Biosyntheseschritt stellen Kondensationen von aktivierten Essigsäureeinheiten dar. In einigen
Fällen können auch Propion- und Buttersäureeinheiten eingebaut werden.
H 3 C CO 2 H
H 2
C O C
n
Der Name Polyketid rührt von der durch die Kondensation generierten β-Keto-Ketten her.
Wichtige Beispiele von Naturstoffklassen, die diesem grundsätzlichen Biosyntheseweg
zugeordnet werden sind:
- Fettsäuren (Grenzfall des primären und sekundären Metabolismus)
- Polyacetylene
- Prostaglandine
- Makrolid-Antibiotika
- Polyether-Antibiotika
- diverse Aromaten- und Chinon-haltige Naturstoffe
- Tetracycline, Anthracycline etc.
6

Fettsäure-Biosynthese
Unter der Bezeichnung Lipoide werden die Fette, die „fetten Öle“, die Wachse und die Phospholipoide
zusammengefasst. Es handelt sich bei diesem um Verbindungen, die sowohl im Pflanzenals
auch im Tierreich weit verbreitet sind, und die alle Ester höherer Carbonsäuren sind. Ester
langkettiger Carbonsäuren und Alkohole sind die Hauptbestandteile der tierischen und pflanzlichen
Wachse (z. B. Hexadecylhexadecanoat). Die pflanzlichen und tierische Öle und Fette sind Triester
des 1,2,3-Propantriol (Glycerin) - also die Triglyceride. Kocht man Fette mit Hydroxid- oder Carbonatlösung,
so entstehen die Alkalisalze der Fettsäuren (Seifen):
O
O
O
O
O
O
R 1
R 2
R 3
R'
O
O
H 2 C
CH
O
O
O
R
H 2 C O P O-R"
R" = -CH 2 CH 2- NMe 3
R" = -CH 2 CH 2- NH 3
Phosphatidylcholin
Phosphatidylethanolamin
Triglycerides
Phosphoglyceride
O
7

Wachse und Fette gehören zu den Lipiden. Sie dienen als „Brennstoff“ und Energiedepot und sind
Bestandteile biologischer Membranen. Eine wichtige Klasse von Membranlipiden sind die Phospholipide,
Di- und Triester, in denen Alkohole mit Carbonsäuren und Phosphorsäure verestert sind.
In den Phosphoglyceriden ist ein Molekül-Glycerin mit zwei Fettsäuremolekülen in Nachbarstellung
sowie einer Phosphat-Einheit verestert, an die noch ein weiterer Alkoholsubstituent wie Cholin oder
Ethanolamin gebunden ist. Die wichtigsten Phosphogyceride heißen Lecithin und Kephalin. Phosphoglyceride
können nicht nur Micellen sondern auch eine Schicht bilden, in der immer 2 Lipid-
Moleküle einander gegenüber liegen. Man bezeichnet sie als Lipid-Doppelschicht:
Diese Doppelschichten können mm Länge erreichen. Sie sind daher die idealen Bausteine für Zellmembranen,
die als durchlässige Barrieren zur Regulierung des Molekültransports in und aus der
Zelle fungieren.
8

Um Malonyl-CoA zu erzeugen, wird ein Biotin-abhängiges Enzym benötigt:
H 3 C
O
S-R
Acetyl-CoA Carboxylase
ATP
HCO 3
ADP
P i
O
COO
S-R
H
HN
O
S
NH
H
Biotin-Enzym
O
H
N
Lys
1. Schritt:
2. Schritt:
O
O
H 3 C
O
S-R
OH
H 2 C C S-R
O
H
N
S
NH
H
O
H
N
Lys
O
S-R
COO
Malonyl-CoA
9

Die Fettsäure-Synthasen sind Multienzym-Komplexe und katalytisch wirksam:
Die Zwischenprodukte der Fettsäurebiosynthese bleiben über die Thiolgruppe einer Phosphopantheingruppe
an ein „Acyl-Carrier-Protein (ACP)“ gebunden. Die Beladung der Fettsäuresynthase
erfolgt durch Angriff einer Serin-Seitenkette auf das anhydridische Diphosphat:
10

In Pflanzen und den meisten Prokaryoten werden für die Biosynthese von gesättigten Fettsäuren insgesamt
acht verschiedene Enzyme benötigt (Typ-II FAS; FAS = Fatty Acid Synthase), inklusive einem Acyl Carrier
Protein (ACP). In Tieren hingegen sind alle notwendigen Enzyme in einem einzigen multifunktionellen
Polypeptid von ca. 270 kDa integriert, das als Homodimer (Typ-I FAS) aktiv ist.
Nun muss bei jeder Kettenverlängerung der gesättigte Acyl-Rest, der am Cys im aktiven Zentrum der KS
gebunden ist, neben der für die Kettenverlängerung benötigten Malonyl-Extender-Einheit am 4‘-Phosphopantheine
des ACP sitzen. Die monomere Form des Typ-I FAS kann diesen Schritt nicht katalysieren.
Enoylreductase
(ER)
NADPH
ACP
S
Me
NADP +
O
ACP SCO(CH 2 CH 2 ) n CH 3
ACP
S
Me
KS
SH
KS SCOCH Thioesterase (TE)
O
ACP SCOCH 3
3
Acyltransferase
ACP
SH
(AT)
HOOC(CH 2 CH 2 ) n CH 3
CoASH
H 2 O
Acetyl-CoA
Acyltransferase
Dehydratase
Malonyl-CoA
(AT)
(DH)
KS
SH
CoASH
ACP
S
ACP SH
O
Me
O
OH
NADP +
β-Ketoacylreductase
(KR)
NADPH
+ CO 2
KS
SH
ACP
S
Me
O
O
KS
S CH 3
ACP
S
COOH
O
β-Ketoacylsynthase
(KS)
11

Eine neue C-C-Bindung wird geknüpft, aber
NICHT durch eine Claisen-artige Kondensation,
sondern:
O
H 3 C
SR'
R
H
O
O
O
SR''
R = H, Me, Et ...
ß-Ketoacyl-
Synthase
(KS)
Alkylmalonylthioester
H 3 C
OH
SR'
Science 2008, 321, 1315
R
H
O
O
SR''
O
H 3 C
R
H
O=C=O
O
SR'
O
SR''
H 3 C
O
R
O
SR''
In der Polyketid-Biosynthese werden C-C-Bindungen durch eine Decarboxylative-Kondensation geknüpft,
die irreversibel abläuft und einen Malonsäure-Thioester benötigt. Dabei entsteht im Produkt ein -Keto-
Thioester.
12

Vergleich chemische Synthese - Biosynthese
Claisen-Reaktion
EtO
O
LDA oder NaOEt
EtO
O
EtO
O
R
EtO
O
O
R
β-Ketoester
Aldol-Reaktion
EtO
O
LDA oder NaOEt
EtO
O
H
O
R
EtO
O
OH
R
β-Hydroxyester
OH
CoAS
Biotin, ATP, CO 2
O O
H
CoA-S O
Malonyl-CoA
Analog
O
CoA-S
O
R 1
R
R
O
CoA-S
HO
R 1
R
O
R
O
SCoA
Oligo-Ketid (β-Ketoester) siehe Fettsäurebiosynthese
und Polyketidbiosynthese
(β-Hydroxyester) siehe auch Terpenbiosynthese
13

3. Die Keto-Gruppe im -Keto-Thioester kann (falls eine dafür notwendige NADH-abhängige
Dehydrogenase vorhanden ist) durch Reduktion zu einer Alkohol-Gruppe umgewandelt werden:
R
O O NADH NAD +
OH O
SR' Ketoreductase (KR) R SR'
ß-Hydroxy-
Thioester
Die Alkohol-Gruppe kann entweder die R- oder S-absolute Konfiguration haben, je nach
Spezifität des Enzyms.
4. Die Alkohol-Gruppe kann (falls eine dafür notwendige Dehydratase vorhanden ist) weiter durch
Eliminierung von Wasser zu einem ,-ungesättigten Thioester umgewandelt werden:
R
OH
O
SR'
Dehydratase (DH)
R
O
SR'
a,ß-ungesättigter
Thioester
H
B
Die Doppelbindung kann entweder die E- oder Z-Konfiguration haben, je nach Spezifität des
Enzyms.
5. Die Doppelbindung kann (falls eine dafür notwendige NADH-abhängige Dehydrogenase
vorhanden ist) auf eine voll gesättigte Gruppe reduziert werden:
14

R
O NADH NAD +
O
SR' Enolyreductase (ER) R SR'
gesättigter
Thioester
Mit diesen Reaktionen können Thioestern entweder mit einer Keto-, Alkohol-, ungesättigten
oder gesättigten Gruppe in der -Position generiert werden:
O
R
R''
SR'
O
O
NAD(P)H
KS
KR
O R SR'
R
R'''
SR''
OH
O
R'''
SR'
DH
R
O
R'''
NAD(P)H
ER
SR'
R
O
R'''
SR'
O
O
R''' = H, Me, Et oder...
6. Thioesterasen sind in eine weit verbreitete Klasse von Serin-Protease-ähnlichen Enzymen,
die die Hydrolyse von Thioestern katalysieren:
Hydrolyse
O
O
Thioesterase (TE)
R'-SH
R SR'
R OH
Mit diesen Klassen von Enzymen hat die Natur „Kombinatorische Chemie“ betrieben, d. h.
durch ausgewählte Kombination solcher Enzyme kann die Bildung von unzähligen Polyketiden
erklärt werden.
Ein einfacheres Beispiel stellt die Biosynthese von Fettsäuren dar, katalysiert durch einen
Multienzym-Komplex, genannt „Fettsäure-Synthase“ (Fatty acid synthase (FAS).
15

2.2 Fettsäuren und Folgeprodukte
Der Übergang vom Pimär- zum Sekundärmetabolismus bei der Fettsäuren ist mit Dehydrierungsschritten
verbunden.
Tiere können von der ersten Doppel-
R= SCoA (in Tieren und Pilzen)
Bindung aus nur in Richtung der
COSR
R= ACP in Pflanzen
Carboxylgruppe desaturieren. Bakterien,
Pflanzen und Pilze sind flexibler.
Stearinsäure 18:0
Desaturierung in Richtung zum Methylende
COSR
Pflanzen,
Pilze
COSR
Pflanzen,
Pilze
COSR
Ölsäure 18:1 (9c)
Linolsäure 18:2 (9c, 12c)
α-Linolensäure 18:3 (9c, 12c, 15c)
Desaturierung
in Richtung
zum Carboxyl-
Ende
in Tieren
COSR
in Tieren
COSR
in Tieren
COSR
18:2 (6c, 9c)
C 2 -Kettenverlängerung durch
Claisen-Reaktion mit Malonat
γ-Linolensäure 18:3 (6c, 9c, 12c)
Stearidonsäure 18:4 (6c, 9c, 12c, 15c)
+ Malonat + Malonat
Linolsäure:
Tiere können erst von hier aus metaboli-
Sieren. Linolsäure ist deshalb eine
Essenielle Fettsäure und muss mit der
Nahrung aufgenommen werden.
COSR
Dihomo-γ-linolensäure 20:3
(8c, 11c, 14c)
20:4 (8c, 11c, 14c, 17c)
COSR
16

Ausgehend von Dihomo-γ-linolensäure, findet eine weitere Desatuierung zum Carboxylende statt. Beide
Dihomolinolensäuren stellen Vorläufer für Prostaglandine dar.
Prostaglandine
(1er-Serie)
COSR
Dihomo-γ-linolensäure 20:3 (8c, 11c, 14c)
Prostaglandine
(2er-Serie)
COSR
Arachidonsäure γ-Linolensäure 20:4 20:4 (5c, (5c, 8c, 11c, 8c, 14c) 11c, 14c)
Außerdem:
EPA
Findet sich im Fischöl und wirkt gegen Herzinfarkt und Arteriosklerose.
Arachidonsäure
Diese Säure ist der Ausgangspunkt für eine ganze Reihe von wichtigen, hormonell wirkenden Naturstoffen:
Prostaglandine, Prostacycline, Thromboxane und Leukotriene.
17

2.2.1 Acetylensäure / Acetylenfettsäuren
Fettsäuren und von Fettsäuren abgeleitete Metabolite, die Alkine enhalten findet man vor allem als
Pflanzeninhaltsstoffe. Sie können durch weitere Desaturierung aus ungesättigten Fettsäuren wie Ölsäure
biosynthetisiert werde.
COSR
COSR
COSR
Ölsäure 18:1 (9c)
Linolsäure 18:2 (9c, 12c)
COSR
COSR
COSR
COSR
RSOC
β-Oxidation
Da nur geringe Mengen von Acetylensäuren in den Pflanzen vorliegen, geht keine Explosionsgefahr von
ihnen aus. Oligoacetylene sind in der Regel konjugiert.
Falcarinol (toxisch; Dermatitis)
OH
O
O
CO 2 Me
Nyeron (antifungisch)
18

2.2.2 Methyl-verzweigte Fettsäuren
Methyl-verzweigte Fettsäuren finden sich häufig als Fettwachse in Wolle etc. Zwei Bioynthesewege sind
bekannt.
a) Propionsäure-Weg
SCoA
O
Propionyl-CoA
CO 2 , ATP
Biotin
Me
CO 2 H
O
SCoA
Methylmalonyl-CoA
1.
SCoA
O
2. Reduktion (NADPH)
3. Elimnierung (-H 2 O)
4. Hydrierung (FADH 2 )
Me
O
SCoA
SCoA
1.
HO 2 C
O
2. Reduktion (NADPH)
3. Elimnierung (-H 2 O)
4. Hydrierung (FADH 2 )
Me
Me
SCoA
Me
Me
Me
Me
SCoA
O
O
2,4,6,8-Tetramethyldecarinsäure
Bestandteil von Gänsewachsen.
Dieser Biosyntheseweg ähnelt dem Biosyntheseweg der Polyketid-Antibiotika (siehe weiter unten).
Allerdings handelt es sich hierbei um einen reinen Fettsäurebiosyntheseweg, so dass vor jeder
Verlängerung mit Methylmalonyl-CoA der volle Zyklus (Keto-Reduktion, Eliminierung und Reduktion der
olefinischen Doppelbindung) durchlaufen wird.
19

) Alkylierung mit S-Adenosyl-methionin (SAM)
COSR
COSR
COSR
R
Me
S
Ad
Ölsäure 18:1 (9c)
H
NADPH
Cyclopropan-Fettsäure
O
Me
OH
Tuberkulostearinsäure (aus Tuberkel-Bakterien)
SAM ist ein Methylsulfonium-Kation und das biochemische Methylierungsmittel. Es methyliert Alkohole,
Amine, Olefine und andere nukleophile funktionelle Gruppen. Es ähnelt damit chemischen
Methylierungsmitteln wie Methyliodid, Methyltriflat oder Meerwein-Salzen.
HO 2 C
NH 2
Me
S
O Adenin
entspricht
Me-I, Me-OTf, Me 3 O BF 4 (Meerweinsalz)
HO OH
Die biologische Bedeutung der Cyclopropylfettsäuren kann mit ihrer erhöhten pH-Stabilität
zusammenhängen. Diese Hypothese ist besonders evident bei Heliobacter pylori dem
Mikroorganismus, der für Gastritis und Magengeschwüren (peptic ulcer deseases). Dieser
Organismus überlebt die niedrigen pH-Werte im Magen.
20

2.2.3 Prostaglandine und Abkömmlinge
Hierbei handelt es sich um eine Gruppe von C 20 -modifizierten Fettsäure-Abkömmlingen, die erstmals aus
Samenflüssigkeiten isoliert wurden. Auf diese Tatsache bezieht sich der Name dieser Naturstoffklasse, da
vermutet wurde, dass die Prostaglandine in der Prostata-Drüse gebildet werden. Heute ist bekannt, dass sie
in fast allen tierischen Gewebezellen in geringsten Mengen vorkommen (dabei ständig auf- und abgebaut).
Ungesättigte Fettsäuren aus der Nahrung sind essentiell für ihren Generierung.
Prostaglandine besitzen vielfältige physiologische Funktionen, die häufig nur schwer zu differenzieren sind.
Die heutige Quelle für Prostaglandine ist die karibische Weichkoralle Plexaura homomalla (1-2%). Ansonsten
stellen natürliche Quellen keinen guten Zugang zu dieser Naturstoffklasse und für pharmakologische
Anwendungen dar.
Pharmakologische Bedeutung:
a) Kontraktion und Entspannung glatter Muskeln in der Gebärmutter, des Herzmuskels, des
Verdauungstrakts und in den Bronchien.
b) Kontrolle des Blutdrucks
c) Exkretion der Magensäure
d) Unterdrückung der Blutplättchen-Aggregation
21

Kategorisierung
Prostaglandine sind Sekundärmetabolite, die die Ausscheidung und
den Transport von Hormonen modulieren. Deshalb ist ihr
medizinisches Potential groß. Das Risiko von Nebeneffekten ist
ebenfalls als hoch einzustufen.
Ein interessanter Ansatz ist die Inhibierung des
Biosynthesewegs. Durch Zufall fand man, dass
viele nichtsteroidale Schmerzmedikamente
(NSAID), wie Aspirin oder Ibuprofen die ersten
OAc
H Me
Schritte der Prostaglandin-Biosynthese hemmen.
CO 2 H
Aspirin acetyliert eine Serin OH-Gruppe der
CO 2 H
Cyclooxygenase (Arachidonsäure PGG 2 aber
nicht Peroxidase PGG 2 PGH 2 ). Corticosteroide Aspirin
(Cyclooxygenase-Hemmer)
(Cortison) sind Steroid-basierte Schmerzmittel. Sie
unterdrücken hingegen die Freisetzung der
Arachidonsäure aus Speicher Phosphorlipiden wie
Ibuprofen
(Cyclooxygenase-Hemmer)
Lecithin. 22

Biosynthese
Die Methylengruppe in Nachbarschaft zu zwei olefinischen Doppelbindungen ist leicht durch freie Radikalinduzierte
Oxidation zugänglich. Damit kann das biradikalische Sauerstoffmolekül addieren und ein
Peroxidradikal bilden.
23

Fortsetzung Biosynthese:
Nach der homolytischen Spaltung der Peroxid-Brücke in PGH 2 kann eines der Alkoxy-Radikale mit einer der
beiden olefinischen Doppelbindungen reagieren. Dieser biosynthetische Schritt leitet die Erzeugung von
Prostacyclin PGI ein. PGH2 ist damit eine Schlüsselstufe bei der die „Entscheidung“ getroffen wird, ob
Prostaglandine oder Prostacyclin gebildet wird.
O
CO 2 H
CO 2 H
CO 2 H
- H H 2 O
CO 2 H
O
OH
O
H
O
H
HO
O
H R 2
HO
HO
R 2
HO
R 2
PGI 2
Prostacyclin
6-Keto-PGF 1α
CO 2 H
Synthetische Prostaglandine besitzen medizinische Bedeutung.
Prostacyclin PGI 2 (Epoprostenol) besitzt eine physiologische
Halbwertzeit von 3 Minuten, da es durch Protonen unter
physiologischen Bedingungen desaktiviert wird (exocyclische
Enolether). Diese Zersetzung wird durch die Anwesenheit der
Carboxylgruppe erleichtert („Selbstmordmolekül“). PGI 2 reduziert
den Blutdruck, inhibiert die Blutplättchen-Aggregation durch
Reduktion der Ca-Konzentration (Nutzung um Blutverklumpung
bei Dialysen zu verhindern). Iloprost ist chemisch stabiler und
wird bei thrombotischen Erkrankungen genutzt.
HO
Iloprost
OH
R/S
Me
24

Thromboxane
O
CO 2 H
radikalische
Spaltung des
cyclischen Peroxids
O
CO 2 H
O
OH
O
OH
PGH 2
O
stark gespanntes Ringsystem
O
OH
CO 2 H
O
O
TXA 2
OH
CO 2 H
H 2 O
HO
OH
O
TXB 2
OH
CO 2 H
Ein Nebenast des Prostaglandin-Biosyntheseweges führt zu
Thromboxanen. Das Peroxiddiradikal lagert sich so um, dass das
bicyclische Acetal Thromboxan A 2 TXA 2 (mit Oxetanring = 4-gliedriger,
Cyclischer Ether) entsteht. Unter physiologischen Bedingungen
Hydrolysiert dieser Metabolit spontan zu TXB 2 .
TXA 2 wurde aus Blutplättchen isoliert, allerdings nie in reiner Form, da es zu instabil ist. TXA 2
zeigt in geringsten Konzentrationen die Fähigkeit, die Blutplättchen-Aggregation zu initiieren.
Auf diesem Wege werden „Wunden gestopft“ bzw. es wird ein Thrombus gebildet. Es ist damit
ein Gegenspieler des Prostacyclins PGI 2 . Ein Missverhältnis beider Gegenspieler führt
Vermutlich zur Bildung von Thrombosen.
25

H 2 O
Leukotriene
H
O O
Arachidonsäure
CO 2 H
O
diese Reaktion
entspricht der, die die
Prostaglandinsynthese
initiiert
CO 2 H
LTA 4
nukleophiler Angriff
der Thiolgruppe desGlutathions
(γ-Glutamylcysteinglycin)
Hydrolysen
HO
von a) Glu und
CO 2 H
b) Gly
LTC 4
HO 2 C
NH 2
Glu
S
O
N
H
O
Cys
H
N
Gly
CO 2 H
über LTD 4
H
HO
O-OH
Hydroperoxid
LTB 4
LTE 4
OH
CO 2 H
HO
S
CO 2 H
H 2 N
O
Cys
Glutathion (GSH) geht durch reversible Oxidation in das Disulfid (abgekürzt
GSSG) über und stellt dadurch ein Puffersystem für den Redox-Zustand der
Zelle dar. Peroxide und Radikale werden unter Katalyse der Selen-haltigen
Glutathion-Peroxidase (EC 1.11.1.9) reduziert. Essentielle Thiol-Gruppen von
Proteinen werden durch GSH geschützt oder durch Reduktion wiederhergestellt
CO 2 H
OH
Leukotriene sind die vierte
Gruppe von Metaboliten, die
sich von der Arachidonsäure
ableiten. Leukotriene wurden
erstmals aus Leukocyten
isoliert. LTA 4 ist nicht stabil
und hydrolysiert schnell
zu LTB 4 oder alternativ zu
LTC 4 durch Angriff von
Glutathion. Leukotriene
spielen eine Rolle bei allergischen
Reaktionen und bei
Schmerzprozessen. Zu den
sogenannten „slow reacting
substances of analphylaxis“
(SRSA) gehören auch LTC 4 ,
LTD 4 und LTE 4 , aber auch
Histamine, die Mediatoren
für hypersensitive Reaktionen
sind. Zu diesen gehören
Heuschnupfen und Asthma.
Zu diesen Prozessen gehören
Fieber; sie sind aber auch
starke Bronchokonstriktoren
und Vasokonstriktoren.
Leukotriene werden als Ausgangspunkt
für die Entwicklung
von Medikamenten
gegen Asthma und Allergien
angesehen.
26

2.3 Chemische Synthesen von Prostaglandine
R. Noyori, M. Suzuki, Angew. Chem. 1984, 96, 854-882 und E. J. Corey, Angew. Chem. 1991, 103, 469-479.
1. Synthese nach Corey – der Klassiker (im 50 Kg Maßstab durchführbar)
+
OMe
Cl
CN
∆
MeO
Cl
CN
MeO
KOH, DMSO
O
Baeyer-Villiger
Oxidation - Insertion
am höher substituierten C
mCPBS
MeO
MeO
Warum nicht gleich Keten einsetzen?
H 2 C
O
Kumulierte Doppelbindungen gehen keine
Diels-Alder [4+2]-Cycloaddition ein, sondern
auch unter thermischen Bedingungen findet [2+2]-
Cycloaddition statt.
O-H
CN
1. NaOH
2. Racematspaltung
mit (+)-Ephedrin
O
O
CO 2 H
O
CH 2
O
HO
OMe
+
OMe
OMe
1. KI/I 2 , KHCO 3
2. Ac 2 O, Pyridin
3. Bu 3 SnH, AIBN
27

H
O
O
DHP
THP
über
I
OMe
O H + O OR
O OH
H +
H H 2 O
H
+ ROH
HO
O
O
1. BBr 3
2. CrO 3 , Pyridin
3.
O
O
MeO
P
MeO
n-Am
O
O
1. Zn(BH 4 ) 2 , Trennung
der C-15 Epimere
2. K 2 CO 3 , MeOH
3. Dihydropyran, H +
O
O
OMe
15 11
15
n _ Am
n _ Am
AcO
AcO
O
THPO
OTHP
n-Am = C 5 H 11
O
1. Dibal-H
2. Ph3 P
HO
6
5
1. CrO 3 ,
Pyridin
2. H 3 O +
CO 2 H
HO
OH
PGE 2
CO 2 H
THPO
CO 2 H 3 O +
OTHP
HO
CO 2 H
HO
OH
PGF 2α
28

Zwei Wege der hochstereoselektiven Reduktion der C15-Ketogruppe:
1.
O
O
R= großer Substituent R
O
O
n _ Am
R 3 BHLi
11 15 11 15
n _ Am
2.
PhNHCOO
sterodirigierende Gruppe
O
O
H Ph
PhNHCOO
Ph
O
OH
d.r. = 10:1
O
ArCOO
11
O
n _ Am
O
N
B Me
BH 3
O
ArCOO
n _ Am
OH
d.r. = 9:1
H Ph
Ph
O
N
B Me
BH 3
Mechanismus
der Reduktion:
H
Ph
Ph BH 3 THF
R L R S
Me
R
N
H OBH 2
O
B
R L
H 2 B
H O
H
Ph
Ph
H OH N
O
B Me
R S
R L
R S
H
N
H 3 B
Me
B
O N
H
B
H H
Ph
Ph
O
B
Me
O
R L
O
R S
R L
R S
29

Enantioselektive Diels-Alder-Reaktion zur Synthese des Bicycloheptenons
1. Der Auxiliar-Ansatz:
Me
Me
O
Me
O
AlCl 3
2. Der Katalysator-Ansatz
+ OBn
H
BnO
O
e.r. 32:1
Me
Me
O
Me
Ph
I
HO
O
O
OBn
+
O
O
OBn
N
O
BnO
-78 °C, 10 h
10 Mol-%
Ph
Ph
CF 3 SO 2 N
NSO 2 CF 3
Al
Me
O
H
O
N
O
94% Ausbeute
96% ee
O
BnO
H
O
O
O
H 2 O 2 , HO O
I 2 O
100% ee
nach Umkristallisation
OBn
I
OBn
HO
HO
30

2. Synthesen mit konjugater Addition (konvergentere Strategie als die von Corey)
A:
O
COOH
O
COOH
B:
HO
O
Rω
Rα
HO
O
OH
COOH
HO
Rω
HO
OH
Beispiel für Strategie A:
O
COOC 2 H 5
+
O
COOC 2 H 5
THPO
( ± ) -
LiCu
O
O
2
(n _ C 4 H 9 ) 3 P
THPO
O
O
nach wässriger
Aufarbeitung
1. H 3 O
2. Bäckerhefe
O
COOH
+
O
COOH
HO
HO
OH
OH
PGE 1
15 - epi - ent - PGE 1
31

Zu Konzept B
Problem:
Äquilibrierung von Zwischenstufen der Cuprat-Addition.
O
O
R ω
Rα
O
R
α
RO
RO
R
ω
langsam
RO
R
ω
schnell
O
O
- RO
RO
R
ω
schnell
R
ω
Nebenprodukte
32

Fluprostenol war eines der ersten markteingeführten,
synthetischen Prostaglandine (genutzt bei Rennpferden)
MeO
MeO
P
O
H 3 CO
CH 3
O
+
MeO
MeO
P
O
O
O
O
O
O
O
O
CF 3
1. ZnBH 4
2. OH
3. DHP, H
O
O
CF 3
PhC 6 H 4 CO 2
CH O
THPO
OH
OTHP
Dibal-H
O
O
PhC 6 H 4 CO 2
CF O
3
Reduktion diastereoselektiv (8:1) wegen des Biphenylesters
CF 3
O
Ph 3 P
HO
O 2 C
CO 2 H
THPO
OTHP
O
H 3 O
HO
OH
O
CF 3
CF 3
Fluprostenol (höhere Stabilität)
33

Synthese eines stabilen Prostacyclin-Derivats (Cyprosten)
ausgehend vom
Lacton
und Reaktion
mit
O
HO
O
PO(OMe) 2
O
O
PO(OMe) 2
CrO 3 K 2 CO 3
MeO
P
MeO
Me
THPO
OTHP
THPO
OTHP
18-Krone-6
O
O
Ph 3 P
CO 2
H 3 C
H
Me 2 CuLi
H 3 C
THPO
CO 2 H
E/Z-Gemisch
H
THPO
OTHP
syn-Fusion von Cyclopentane
bevorzugt (anders aber bei
CO 2 H
Cyclohexanen)
OTHP
H 3 O
H 3 C
HO
H
OH
Cyprosten
(ähnliche inhibitorische Eigenschaften
für die Blutplättchenaggregation wie PGI 2 )
THPO
HO 2 C
O
OH
OTHP
OH
Treprostinil
Gegen pulmonal-arterielle Hypertonie
(Anstieg des Gefäßwiderstandes und
Anstieg des Blutdrucks im
Lungenkreislauf) 34

3. Polyketid-Naturstoffe (Herzstück sind Polyketidsynthasen PKS)
3.1 Allgemeine Aspekte
Die Polyketidsynthase (PKS) sind eng mit der Fettsäuresynthetase (FAS; siehe oben) verwandt.
Aus biochemischer Sicht unterscheidet man drei Typen von Polyketiden, die nach dem Typus
der Polyketidsynthase untergliedert sind.
Polyketidsynthase Typ I. Ähnelt der
Biosynthese von Fettsäuren; katalysiert
durch einen modularen Multienzym-Komplex
und enthält alle „modifizierenden“ Enzym-
Domänen und einige mehr (z. B.: Methyltransferasen,
Acetyl-SCoA-transferierende Enzyme
(analog zur Terpenbiosynthese). Bei Pilzen (im
Gegensatz zu Bakterien) können Module iterativ
genutzt werden.
Polyketidsynthase Typ II. Kann nur decarboxylierende
Kondensationen durchführen und bildet häufig iterativ
Oligoketide, die zu aromatischen Polyketiden kondensieren.
Polyketidsynthase Typ III. Kommen in Pflanzen und
Bakterien vor. Sie katalysieren die Biosynthese von
Mono- und bicyclischen aromatischen Ketide. Sie
Sind Homodimere, die iterativ genutzt werden und
unterscheiden sich von Polyketidsynthasen I und II, indem
sie keine ACP benötigen, sondern direkt SCoA Substrate
verwenden können.
Me
Me
HO
Me
H
O
O
OH
OH
Me
O Me HO
MeO
Me
Erythromycin A
OH
Me
O
O
O
OMe
Me
O
Me
OH
OH
OH
OH O
Tetracycline
HO
H
OH
NMe 2
NMe 2
Flavolin
O
O
Me
OH
O
OH
NH 2
35

Alipathische Polyketide (über Polyketidsynthasen Typ 1):
O
Me
Me
HO
Me
H
O
OH
OH
Me
O Me HO
MeO
Me
Erythromycin A
O
O
OMe
Me
O
Me
OH
NMe 2
Me
HO
Me
MeO
NaO 2 C
Me
O
Me
O
Me
Me
O O
Me
Monensin A
Me
O
HO
HO
Me
HO
Me
O
O
CHO
HO
OMe
O
O
OMe
O
Me
O
O
Me
O
O
Me
O
Me
O
Me
O
Me
O
O
Brevetoxin A
O
O
H
O
HO
FK506
O
Et
MeO
O
Avermectin A1a
O
OH
O
H
O
O
OH
O
H
OMe
N
O
O
HO
O
OMe
OMe
36

Aromatische Polyketide (über Polyketidsynthasen Typ 2):
Me
HOOC
OH
6-Methylsalicylic acid
O
O
O
H
MeO
O
Aflatoxin B 1
O
H
*
OH
O
Me
H
O
OH
O
Actinorhodin
H
COOH
2
Me
OH
O
H
NMe 2
OH OH
OH
O
Tetracycline
OH
NH 2
O
O
OH
OMe O OH O
Me
O
H 2 N
OH
O
OH
Cl
OH
N
H
OH
O
Pyoluteorin
Cl
Daunorubicin
Typ 1 und Typ 2 PKS benötigen Acyl-Carrier-Proteine, um die Acyl-CoA-Substrate zu aktivieren
und die wachsenden Polyketid-Intermediate in einer Art „Tunnel“ zu stabilisieren. Die Ketosynthase
Domänen katalysieren die C-C-Bindungsknüpfung.
37

Gemischte Herkunft
Es gibt sehr viele Naturstoffe, die Teilstrukturen haben, welche aus unterschiedlichen Biosynthesewegen
stammen (siehe unten). Daher können sie nicht als reine „Polyketide“ bezeichnet werden.
O
OH
HO 2 C
OH
Tetrahydrocannabinol
Chalcon
O
OH
(Cannabis sativa)
OH
OH
C 5 H 11
HO
HO
OH
Shikimisäure
Terpen-Polyketid
Shikimsäure-Polyketid
OH
O
Me
HO
O
O
OH
Cryptophycin-1
O
O
O
HN
Cl
OH
Catechin
OH
O
N
O
OMe
(ein Flavonoid)
H
Shikimsäure-Polyketid
Me
Polyketid-Aminosäure-Hydroxysäure
Obwohl die Polyketid-Metaboliten große Strukturunterschiede aufweisen, haben sie einen gemeinsamen
Biosynthese-Ursprung; sie enthalten ein Kohlenstoff-Rückgrat, das meistens von einfachen kleinen
Fettsäuren, wie Essigsäure und Propionsäure, aufgebaut wird. Schon 1957 hat Arthur J. Birch erkannt, dass
viele Naturstoffe Strukturen haben, die aussehen, als ob sie von der Kopf-zu Schwanz-Kupplung von
Essigsäure-Bausteinen aufgebaut worden seien. Birch erkannte das Prinzip, dass die daraus resultierenden
hypothetischen Poly--Ketone durch klassische organische Reaktionen (Aldol-Kondensationen,
Eliminierungen, Alkylierungen, Oxidation usw.) zum Endprodukt umgewandelt werden könnten.
38

3.2 Biosynthese von Polyketid-Naturstoffe
3.2.1 Typ I PKS
1,3-Funktionsabstände für Sauerstofffunktionalitäten
sowie für Alkylverzweigungen sind typisch für
aliphatische Polyketide-Naturstoffe (gilt für Typ I –
Typ 3).
Diese 1,3-Funktionsgruppenabstände weisen auf
einen modularen Biosyntheseweg hin, der auf
Verknüpfungsreaktionen vom Aldoltyp schließen
lassen. Tatsächlich werden Naturstoffe wie
Rifamycin B wegen ihres gemeinsamen
Biosynthesewegs auch als Polyketide bezeichnet.
Um zu verstehen, wie diese komplexen Naturstoffe
aufgebaut sind, dann fällte der Einstieg leicht,
wenn auf die Seiten zur Fettsäurebiosynthese
zurückgeblättert werden.
Auch die Polyktidsynthasen sind große
Multienzymkomplexe die aus einzelnen Modulen
bestehen. Jedes Modul nimmt dabei einen
Baustein auf, der für den Beginn oder die
Verlängerung der bestehenden Kette nötig ist.
-------------------------------------------------------------------
Lit.: C. T. Walsh et al. Nat. Prod. Rep. 2008, 25, 757-793.
1,3-Funktionsabstand
der Sauerstofftragenden
Gruppen
AcO
MeO
O
Me
1,3-Funktionsabstand
der Methylgruppen
O
Me
OH
Me
Me
O
Me
O
OH
OH
Me
O
OH
CO 2 H
NH
Me
Rifamycin B
(Antibiotikum; Rifapentin,
ein semisynthetisches Derivat,
dient als Medikament gegen
Mycobacterium tuberculosis)
39

Bausteine der PKS
1. Starterbausteine (Auswahl)
2. Verlängerungsbausteine (die wichtigsten)
O
O
O
O
O
O
O
O
O
SCoA
Malonyl-CoA
(siehe auch FAS)
O SCoA
Me
Methylmalonyl-CoA
O
SCoA
Me
Ethylmalonyl-CoA
O SCoA
OH
Hydroxymalonyl-CoA
O
O
O
O
O
OMe
SCoA
O
NH 2
SCoA
Methoxymalonyl-CoA
Aminomalonyl-CoA
40

Woher kommen Methylgruppen (siehe auch Skript zur Vorlesung Naturstoffchemie II) ?
SAM stellt ein biochemisches, elektrophiles Methylierungsreagenz dar. Die Methylgruppe kommt
de facto aus N 6 -Methyltetrahydrofolat, welches z. B. aus der Pyridoxalphosphat-vermittelten
Umsetzung von Serin zu Glycin mit dem C1-Körper (Formaldehyd) beladen wird.
Im Zentrum der Regeneration steht Homocystein.
Methylakzeptoren sind Alkohole, Amine , Enolformen von Carbonylgruppen und andere
Nukleophile. Homocystein besitzt als Intermediat große Bedeutung für die Bildung von
Methylpropionat und Methylmalonyl-CoA.
41

Wie werden Propionsäure und Methylmalonat biosynthetisiert ?
Die zweite Stufe verläuft durchTransaminierung über
an die siech eine β-Eliminierung anschließt.
42

Alternativer Zugang zu Malonyl-CoA Ester
z. B.
Thuggacin A
Noricumazol A
43

Zurück zur PKS Typ 1: Ein Konzept der Natur ist die lineare Aufeinanderfolge von Claisen-
Aldolreaktionen. Als „Enol-Äquivalent“ fungiert Malonyl- bzw. Methylmalonyl-CoA. Acetyl-CoA ist
eine von mehreren möglichen Startereinheiten. Es entstehen „echte“ Polyketide (Polyketone), die
den typischen 1,3-Funktionsgruppenabstand aufweisen. Durch intramolekulare
Aldolkondensationen (Knoevenagel-Typ) entstehen Aromaten mit phenolischen Hydroxygruppen
(1,3-Abstand!)
O
Starter
1,3-Funktionsgruppenabstand
Me
SR
O
O
O
SR´
Malonyl-CoA
Starter
O
O
SR
O
O
SR´
Me
Methylmalonyl-CoA
Starter
O
O
O
OR
SR
O
SR´
Methoxymalonyl-CoA (R= Me)
Hydroxymalonyl-CoA (R= H)
Decarboxylierende
Kondensation
Me
Decarboxylierende
Kondensation
Me
Decarboxylierende
Kondensation
Me
O
O
O
Me
O
O
O
OR
SR´
SR´
SR´
Malonyl-CoA
Methylmalonyl-CoA
Methylmalonyl-CoA
Me
Me
O
O
O
O
Me
O
O
OR
O
Decarboxylierende
Me
SR´
Kondensation
1,3-Funktionsgruppenabstand
Decarboxylierende
Kondensation
Decarboxylierende
Kondensation
Me
Me
O
O
SR´
1,3-Funktionsgruppenabstand
SR´
Schauen wir uns doch die Einzelschritte etwas genauer an.
44

Wie beginnt die PKS-Biosynthese?
Grundlegende (in jedem Modul befindlichen) Elemente:
Abschließendes Element:
AT
Acyltransferase
T
Thiolierung
(=ACP der FAS)
KS
Ketosynthase
TE
Thioesterase
1. Post-translationale Phosphopantetheinylierung
2. Beladung der Polyketidsynthase (PKS)
HO
Starterbaustein
R= Me, Bz, etc.
AT
T
S
R
O
SCoA
O
O
R
AT
T
S
Das erste Modul wird zuweilen auch als Ladedomäne
genannt. Die Acyltransferase (AT) wählt die Startereinheit
aus und überträgt diese auf die Carrier-Einheit
(hier T bei FAS = ACP).
Autoacylierung
O
AT
T
S
R
45

Variante: KS Q / AT
Eine Ketosynthase bei der Cystein
durch Glutamin ersetzt ist, ist der AT
vorgeschaltet (kann nicht C-C-Verknüpfungen
katalysieren). KS Q
katalysiert die Decarboxylierung
von Malonyl-beladener AT.
3. Wie geht es von Modul zu Modul ?
O
T
S
R
KS
S
AT
T
HO
S
CoAS
O
zunächst auf
AT, dann auf T
übertragen
O
O
Die „downstream“ T (ACP)-Domänen werden alle über die
beiliegenden AT´s (die die richtigen Verlängerunsbausteine
für T wählen) mit Malonyleinheiten beladen.
Die T-Domäne des Vorläufermoduls trägt die
Polyketidkette, die durch Autoacylierung auf die
Ketosynthase übertragen wird. Die Malonyleinheit am
nächsten T wird decarboxyliert und das intermediäre
Enolat initiiert eine Claisen-artige Reaktion mit der
Ketosynthase-beladenen Ketidkette. Das T enthält nun die
Ketidkette, die gegenüber der an der Vorgänger- T
Domäne um zwei C-Atome verlängert ist.
T
KS
AT
T
1. Autoacylierung
2. Decarboxylierung
T
KS
AT
T
Claisen-Typ
Kondensation
T
KS
AT
T
O
S
R
S
S
O
O
O
S
O
S
R
S
O
S
S
S
R
O
O
46

trans-AT Polyketidesynthasen
Die bis hierher beschriebenen Polyketidsynthasen vom Typ 1 werden zuweilen auch cis-AT
PKS bezeichnet. Was sind dann die erst später entdeckten trans-AT PKS?
HO
spez.
AT
T
S
Module 1 ­ X
AT O O
HO CoAS OH
Diese PKS enthalten keine in der PKS
eingebetteten Acyltransferasen (AT). Diese sind
extern angesiedelt. In der Regel gibt nur eine AT,
die für die Beladung aller Module verantwortlich
zeichnet. Das bedeutet, dass nur ein
Verlängerungsbaustein aufgenommen wird, z. B.
Malonyl-CoA. Sollten Methylverzweigungen neben
unverzweigten Stellen im Naturstoff existieren
(siehe Elansolid), dann wird die Methylverzweigung
später oder im Modul durch Methyltransferasen
eingefügt.
Beispiele für trans-AT PKS Naturstoffe:
47

Welche weiteren enzymatischen Untereinheiten finden sich in den Domänen?
1. Klassische-Einheiten (identisch mit Fettsäuresynthetase FAS)
KR
Ketoreduktase
DH
Dehydratase
ER
Enoylreduktase
reduktive
Schleife
(reductive loop)
2. Spezielle Einheiten
O
O
O
O
MT
Methyltransferase
SR
Me
Me
SR
O
O
Ox
AMT
Hal
Cyp
HCS
Oxidase
Aminotransferase
Halogenase
Cyclopropanase
HMG-CoA-Synthase
SR
OH
O O
NH 2
O
SR
O
O
SR
Cl
O
O
SR
O
O
O
SR
SR
SR
SR
SR
SR
48

3. Wie wirken klassische enzymatische Einheiten in den Modulen?
KR
AT
KR
AT DH
T KS T
T KS
T KS
T
KR
AT
DH
ER
T
S
S
O
S
O
S
S
O
S
O
S
S
O
S
O
R
O
R
OH
R
O
- H 2 O
R
R
O
- H 2 O
R
NADPH NADP NADPH NADP 2 NADPH 2 NADP
Oben sind drei mögliche Module mit zusätzlichen (klassischen) Enzymaktivitäten gezeigt. Je nach Zahl
dieser aus der Fettsäurebiosynthese bekannten Aktivitäten ergeben sich unterschiedliche
Strukturelemente (Alkohole, Alkene, gesättigte Ketten).
KR
KR DH
AT
KR
AT DH
AT ER
T KS T
T KS
T
T KS T
S
S
S
S
S
S
S
O
O
O S
O
Me
Me
Me
O
Me
O
OH
O Me
O
R
R
R
R
- H 2 O R
S
Me
- H R
2 O
NADPH NADP NADPH NADP 2 NADPH 2 NADP
O
49

Stereochemische Aspekte
1. Bioinformatische Analyse des Biosynthese-Genclusters (Ketoreduktase KR)
2. Dehydratase (DH)
R. Reid, C. R. Hutchinson, et al., Biochemistry 2003, 42, 72-79;
P. Caffrey, ChemBioChem 2003, 4, 654-657. 50

Bioinformatische Analyse von Biosynthesegenen
KR1 TugA B-Typ DB trans
KR2 TugA B-Typ DB trans
KR3 TugA B-Typ C20 (S)
KR1 TugB B-Typ C18 (R)
KR2 TugB B-Typ C16 (S)
HO
HO
8
10
N
OH
16 18 20
O
OH
OH
KR1 TugC A-Typ DB cis
S
O
KR2 TugC B-Typ DB trans
KR1 TugD A-Typ C10(S)
KR2 TugD A-Typ C8(S)
KR3 TugD B-Typ DB trans
Angew. Int. Ed. 2008, 47, 2308-2311.
51

4. Wie wirken spezielle enzymatische Einheiten in den Modulen?
T
KS
AT
Hal
T
T
KS
AT
MT
T
T
KS
AT
Ox
T
S
R
S
O
O
Cl
S
R
O
O
S
R
S
O
O
Me
Me
S
R
O
O
S
R
S
O
O
HO
S
R
O
O
5. Weiterere Einblicke in die generelle Architektur bakterieller Typ I Polyketidsynthasen
Lademodul (Elongations-)Module Zyklisierung
DH ER
KR
AT
T
KS
AT
T
TE
OH
SH
SH
Initiationseinheit
Acetyl-CoA
Propionyl-CoA
Hexanoyl-CoA
etc.
Elongationseinheit
Malonyl-CoA
Methylmalonyl-CoA
Ethylmalonyl-CoA
etc.
post-PKS-
Modifizierungen
Acylierung
Methylierung
Glycosylierung
Oxidation
etc.
Thioesterasen (TE) stellen in
der Regel den Abschluss der
biosynthetischen Stufen der
Polyketidsynthase dar. Dadurch
wird das Ketid von der PKS
abgelöst, wobei vor allem häufig
Macrolactonisierungen eintreten.
Nach Freisetzen des Ketids
können weitere Transformationen
durch post-PKS Enzyme
erfolgen.
52

Biosynthese von Zearalenon (Toxin aus dem Pilz Gibberella zeae)
O
AT KR
T KS
AT
S
S
O
O
Me
HO
KR DH
KR DH
ER
AT
T KS
T KS
T
AT
KS
ER
T
S
S
S
O
O
O
KR
AT
DH
KS
T
AT
KS
T
S
S
O
O
O
AT
KS
T
AT
KS
T
S
S
O
O
O
O
TE
HO
OH
O
O
Zearalenon
O
HO
O
O
O
OH
O
1x Acetyl-CoA
8x Malonyl-CoA
HO
HO
O
HO
O
HO
O
O
O
HO
O
Zearalenon
O
HO
HO
Aus dem β-Ketonteil bildet sich durch intramolekulare Knoevenagel-Reaktionen und
Tautomerisierungen der Aromat (siehe PKS II).
53

Biosynthese von Erythromycin A
Erythromycine wirken bakteriostatisch auf viele
Gram-positive Erreger, vor allem bei Streptococcus
und Staphylococcus, aber auch einige Gram-negative
wie Haemophilus- u. Neisseria-Arten.Es wird häufig
-Lactam- u. Aminoglycosid-Antibiotikaresistente
Erreger eingesetzt. Es inhibiert die
bakterielle Protein-Biosynthese, indem es an
die 50S-Untereinheit von 70S-Ribosomen
gebunden wird und die Ablösung der transfer-RNA
nach Übertragung der Aminosäure auf die Protein-
Kette blockiert.
HO
O
OH OH
O
O
OZucker
OZucker
Diamantgitter-Struktur
54

Architektur der Erythromycin PKS
Auf genetischer Ebene sind die einzelnen Module in größeren Einheiten zusammen
gefasst. So sind Startmodule und die Module 1 und 2 in einem Genabschnitt kodiert,
d.h. es wird ein großes Protein mit allen enzymatischen Einheiten exprimiert. Die drei
Megaproteine sind über helikale Peptidendketten und schwache Wechselwirkungen
miteinander geclustert.
DEBS 1 DEBS 2 DEBS 3
Startmodul Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Modul 5 Modul 6 TE
Me
Me
Me
Me
Me
Me
Me
SPKS
OH
OH
O
OH
OH
O
Deoxyerythronolid
55

Polyketid-Biosynthese (z. B. von 6-Desoxyerythronolid B (DEB))
Weil die Polyketidsynthase ein Multientizym-Komplex ist und man nur schwer Intermediatstudien
durchführen kann, wird dieser Komplex molekularbiologisch in Untereinheit zerlegt,
um dann die einzelnen Einheiten individuell zu analysieren. Das DEBS I Modul wird als
Einheit heterolog in E. coli (hat keine eigene Polyketidbiosynthese-Maschinerie) exprimiert.
Unterstützt wird die Analyse der Polyketidsynthase durch Sequenzvergleich (Bioinformatik).
DEBS 1 (Startmodul und 2 weitere Module
(eine Proteinkette)
AT
AT KR
T KS
T
AT
KR
KS
T
OH
O
S
R
O
HO
S
R
O
HO
HO
S
R
R
O
O
einziges
isoliertes Produkt
56

Biosynthese von Monensin A
CO 2 H
O
CO 2 H
SCoA
SCoA
1x 4x 7x 1x
SCoA
SCoA
O
O
O
EnzS
HO
HO
O
OH
O
HO
Epoxidierungen O O
O
HO
OH
EnzS
O
O
O
O
konzertierte
Cyclisierungssequenz
Die Konfigurationen der olefinischen Doppelbindungen weisen
die Konfigurationen an den Oxacyclen (Epoxidierung erfolgt synspezifisch,
nukleophile Ringöffnung mit Inversion der Konfiguration).
Von Streptomyces cinnamonensis produziertes ionophores
Polyether-Antibiotikum, Monensin A bindet spezifisch
Na + -Ionen und wird für Untersuchungen an Zellmembranen
verwendet. Monensin A wirkt gegen Protozoen
(Kokzidien, Plasmodium falciparum), Gram-posistive
Bakterien, Mycobakterien, Pilze und Viren (HIV) und
wird in der Geflügelzucht als Futtermittelzusatz zur
Bekämpfung der Kokzidiose und zur Wachstumsförderung
eingesetzt.
SAM
NaO 2 C
HO
Me
MeO
Me
O
O
Me
Me
O
Me
Me
Monensin A
O
O
HO
Me
HO
Enthält drei Tetrahydrofuran- und zwei
Pyrane-Ringe.
Me
Oxidation
57

Biosynthese von Saragossasäure A (Squalestatin) (aus Pilzen)
aus Essigsäure aus Methionin (SAM) aus Oxalacetat
aus Skimisäure
SCoA
(Zitronensäure­Cyclus)
O O
O
bzw. O
CO 2 H
SCoA
CoAS
O
SCoA
CoAS
O
O
O
OH
OAc
Mögliche Bildung des Bicyclus
HO 2 C
HO 2 C
O
O
O
CO 2 H
HO 2 C
HO 2 C
Aldol
O
OH
O
CO 2 2H
HO 2 C
HO 2 C
O
OH
O
CO 2 H
H
Epoxid-
Bildungen
Äußerst wirksame kompetitive Inhibitoren der Squalen-Synthase (SQS)
und somit der Cholesterol-Biosynthese. Die unterschiedlichen Bezeichnungen
sind auf die zeitgleiche Entdeckung der Naturstoffklasse aus verschiedenen
Ascomyceten-Stämmen zurückzuführen. SQS katalysiert die reduktive
Dimerisierung von Farnesylpyrophosphat zu Squalen. Alle Saragossasäuren
zeigen deshalb auch ausgeprägte antifungale Aktivität (IC 50 im nMol-Bereich).
Als Hemmstoffe der Farnesyl-Protein-Transferase sind sie potentielle Cytostatika.
O
HO 2 C
HO 2 C
HO 2 C
H 2 O
HO 2 C
HO
HO
HO 2 C
O
O
O
O
CO 2 H
nukleophile
58

Variationen in der PKS Typ I
1. C 1 -Verzweigungen (siehe Chem. Commun. 2007, 2040-2042)
OMe
OMe
Me
OH
Me
O
HO
OH
O
CO 2 H
O Me O
Pseudomonsäure A (pseudomonic acid)
Me
Me
MeO
O
CH 2
OH
O
H
N
O
OMe
Pederin
OH
Aus Fütterungsexperimenten war bekannt, dass die blauen C-Atome aus einer gespalteten Acetat-Einheit
herrühren und die roten Methylgruppen aus Methionin. Im 2. Fall findet sich auf dem Modul eine
Methyltransferase, die zweimal agiert.
R
O
SPKS
SAM,
Methyltransferase
R
Me
O
SPKS
SAM,
Methyltransferase
O
R
SPKS
Me Me
Im 1. Fall erfolgt eine enzymatische Sequenz, die aus dem Mevalonat-Biosyntheseweg (Terpene) bekannt ist.
Ethylgruppen können analog über Methylmalonyl-CoA eingefügt werden. Dieser Fall ist leicht zu erkennen, da
die Methylgruppe an einer ungewöhnlichen Position sitzt (β-zum Thioester)
HO
R
O
O
O
O
SACP
SPKS
HMG-CoA
Synthase
H
O
HO
R
A
O
BH
O
SPKS
- H 2 O, - CO 2
A
- H 2 O
R
CH 2
O
O
SPKS
R
HO 2 C - CO 2
R SPKS
Me
O
B
SPKS
nicht natürliche
Position der Methylgruppe
59

β-Verzweigungen (siehe auch Natural Products Reports 2008, 25, 845-853)
S
O
O
O
S
O
O 2 C
HO
O
SCoA
Malonyl-CoA
T
T
3-Hydroxy-3-methylglutaryl Coenzym-A
AT
KS
O
O
O
OH
O
O
CO 2
O
Me
S
T
T
R
HCS
S
T
T
R
O
DH
S
T
T
R
DH
OH
S
T
T
R
β-C-C Bindungsbildung
HMG Prozessierung
S
O
O
R
O
S
S
O HO
R
O
S
selektive
Hydrolyse
S
O HO
R
O
O
T
HCS
T
HCS
CO 2
60
HCS = HMG-CoA-Synthase
Schlüsselintermediate:
T

Variationen in der PKS Typ I
2. Aminosäuren
Häufig findet man Thiazoline, Thiazole, Oxazoline und Oxazole in das Polyketidrückgrat eingefügt.
Diese rühren in der Regel von den Aminosäuren Cystein bzw. Serin her. Das bedeutet, das Biosynthese-
Elemente, die typisch für die Biosynthese von Nicht-Ribosomalen-Peptiden (NRP) sind in die
Polyketidsynthase eingebettet sind. Der Biosyntheseweg erfolgt ähnlich wie auch die chemische Synthese
zu diesen Heterozyklen durchgeführt werden kann.
O
SACP
HS
H 2 N
O
SEnz
O HS N
H
O
SEnz
HO
Me
S
N
H
O
SEnz
- H 2 O
Me
S
N
O
SEnz
Thiazolin
[O]
Me
S
N
O
SEnz
Thiazol
An dieser Stelle kann der übliche Ablauf der
PKS Typ 1 fortgesetzt werden.
Weitere Details werden später im Rahmen von Nicht-Ribosomalen-Peptiden (NRP) besprochen.
61

3. Cyclisierungen durch Diels-Alder-Reaktionen: Lovastatin
Aus Fütterungsexperimenten ist bekannt, dass Lovastatin wahrscheinlich aus einem Trienvorläufer gebildet
wird, der eine endo-selektive Diels-Alder eingeht. Das LNKS-Protein (Lovastatin-Nonaketidsynthase) konnte
isoliert werden welches die erwartete Diels-Alderase Aktivität besitzen sollte.
O
HO
O
O
O
HO
COSEnz
OH
Me
Me
O
H
Me
Verfütterung
CH 3 CO 2 Na
*
O
Me
L-Methionin
*
*
Lovastatin
Lovastatin ist ein potenter Hemmer (Ki =1 nM) der HMG-CoA-Reduktase, dem Schlüsselenzym der
Biosynthese höherer Terpene und Steroide, wie z.B. Cholesterol. Es wird u. a. von Aspergillus terreus
produziert. Die HMG-CoA-Reduktase reduziert im Terpen-Stoffwechsel 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA zu
Mevalonat. Lovastatin ähnelt dem Substrat und führt zu einer Hemmung des Enzyms. Lovastatin war
Leitstruktur für zahlreiche synthetische (Atorvastatin, Cerivastatin, Fluvastatin, Pravastatin, Simvastatin)
HMG-CoA-Reduktase-Hemmer..
Hutchinson, Vederas et al. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 11519-11520.
62

4. Cyclisierungen zu Disulfidbrücken: Leinamycin (Antitumorale Aktivität
durch Reaktion mit DNA)
5. Cyclisierungen zu Carbacyclen: Lankacidin (Antibiotikum in der
Tiermedizin)
63

Verschiedenes:
Was passiert, wenn der Zulauf an Verlängerungsbausteinen (Malonyl-CoA )zu
schwach ist, oder versiegt. Dann bleiben Thiolasen (ACP) unbesetzt und die Ketten
können weiter springen, was zu kürzeren Produkten führen kann oder die Kette springt
ein Modul zurück und das Vorläufermodul agiert mehrfach bis es weiter geht.
PKS des Erythromycins
Röntgenkristall-Analyse der [KS3][AT3] Didomäne des DEBS Moduls 3: Homodimer, KS (blau) KS-
AT-Linker (gelb), AT (grün) und post-AT Linker (rot).
Tang et al., Chem. Biol. 2007, 14, 931-943.
64

3.2.2 Typ II PKS
Für die Biosynthese von aromatischen Polyketiden wird eine Starter-Einheit gewählt (meistens
Acetyl-CoA, aber auch andere Acyl-CoA Derivate sind möglich) und die Kohlensstoffkette wird verlängert
mit „Extender-Units“ (meistens Malonyl-CoA, aber auch andere Malonsäure-Derivate
werden gebraucht).
R
O
Me
R
SCoA
O
COOH
O
SCoA
COO
O
O
S-PKS
S-PKS
COO
Hypothetische Enzym-gebundene
Oligo-β-Ketone Zwischenprodukte
O
CO-S-PKS
O
O
O
O
O
O
O
Me
O
O O
O
Me
O
O S-PKS
O
O
O
CO-S-PKS
O
HO
HO
HO
OH
OH
O
COOH
Me
Me
Me
OH O OH
O 2
O
O
OH
= 13 C
PKS = Polyketidsynthase
OH O OH
O
HO
O
OH
65

Oktadekid als biosynthetischer Vorläufer für Physcion,
einem Anthrachinon-Polyketid
O
O O O
SEnz
1. Aldolkondensation
2. Enolisierung
HO
O
O
SEnz
1. Aldolkondensation
2. Enolisierung
O O O O
OH
O O O
HO
HO
OH
O
OH O O
1. Aldoladdition
2. Hydrolyse vom Enzym
SEnz
O
[O]
HO
HO
OH
CO 2 H
OH
OH
O
Atochrysoncarbonsäure
Methylierung
MeO
- H 2 O, - CO 2
O
SAM
OH
OH
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
Emodin-Anthron
Emodinn
Physcion
66

PKS Typ II: Iterativ unter Nutzung einer „minimalen PKS“
KS- "priming"
iterative Verlängerung
KSα
KSβ
T
KSα
KSβ
T
- CO 2 KSα
KSβ
T
R
O O O
n
S-Enz
SH
SH
O
S
S
O
SH
S
O
CoAS
O
O
O
R
O
O
Iteration
R
O
Die KSβ besitzt keinen aktiven Cystein-Rest, spielt aber eine (bisher nicht bekannte) Rolle, so
bei der Beladung von Malonyl-CoA und der Bildung von Acyl-KS nach der Decarboxylierung.
Die KSβ Untereinheit wird zuweilen auch als CLF (chain elongation factor) bezeichnet,der die
Kettenlänge bestimmt (Zahl der Iterationen) – Kettenlängen bei C 16 , C 20 und C 24 üblich.
PKS Typ I für Aromatensynthesen nutzen
nur Malonyl-CoA als Verlängerungsbausteine.
Verschiedene Cyclasen sind für die Cyclisierungen Ksα
Zuständig. Fehlen sie, kommt es zur Bildung von
Gemischen von „chemisch“ gebildeten Produkten,
auch als „shunt“ Produkte bezeichnet,
S
O
O
KSβ
O
O
O
Natural Products Reports 2007, 24, 162-190.
O
O
Natural Products Reports 2010, 27, 839-868.
O
67
T

PKS Typ II-“Priming“
Möglichkeit A
KSα
KSβ
T
- CO 2 KSα
KSβ
T
KSα
KSβ
T
SH
S
O
SH
S
O
S
O
SH
Möglichkeit B
O
O
O O O
KSα
KSβ
T
KSα
KSβ
T
O O O O
SH
SH
S
SH
O
S-Enz
CoAS
O
AT ?
O
O
OH
spontan
O O O
HO
O O O O
O
HO
S-Enz
O
Weitere Enzyme als kürzlich gefundene Produkttemplat-Domäne (PT)
für die Cyclisierung und Aromatisierung
a. Ketoreduktase: nicht Teil der minimalen PKS aber an diese assoziiert
b. Cyclasen: nicht Teil der minnimalen PKS aber an diese assoziiert (siehe Nature 2009, 461, 1139-1143.68

Übersicht über die Polyketid-Cyclisierungsmuster der bakteriellen Typ-II-PKS-
Produkte
69

Übersicht über die Polyketid-Cyclisierungsmuster der bakteriellen Typ-II-PKS-
Produkte
70

Übersicht über die Polyketid-Cyclisierungsmuster der bakteriellen Typ-II-PKS-
R
Produkte
O
R
O O O
12
OH O O
O
O
O O O
U­Form
O
7
O
O S­PKS
Pluramycin
O
O
O 7
O
O O
12
O O O
S­PKS
O
O S­PKS
U­Form
O
O
OH O OH
Angucycline
OH
gewinkelte Polyphenole
O OH
O
O
9
O O O
O
O
R
U­Form
HO
HO
R
14
O O O O
OH
O
OH
pentanguläre Polyphenole
71

Übersicht über die Polyketid-Cyclisierungsmuster der bakteriellen Typ-II-PKS-
Produkte
72

Einstieg in PKS-Typ II Metabolite: Anthracyline
OH
O
OH
O
12
14 16
2
19
7 5
3
O
R 1
O
O
OMe
R 1 = CH 2 CH 3
R 1 = CH 3
AknH
Methylester der Nogalonsäure (Startereinheit: Propionyl-CoA)
Methylester der Aklanonsäure (Startereinheit: Acetyl-CoA)
Me
OH NH2
O
OH
O OH O
OCH 3 O
OH
O
O
O
R 2 = CH 2 CH 3
O
R 2
OH
OMe
O
OH
R 3 = OH
OH
R 3
R 2 = CH 3
R 3 = H
Daunorubicin
73

Einstieg in PKS-Typ II Metabolite: Tetracenomycine
O O O
14 16 18
O
O
O
3
O
S-Enz
1
O
Cyclase
TcmN
OH O OH
Me
O
COOH
O
9
7
5
O
HO
O
Tcml
O
R 1
O
O
OH
Me
OMe
O
OH O OH Me
COOH
MeO
OH
OH
O
O
R 2
HO
OH
R 1 = H R 2 = CH 3
R 1 = CH 3 R 2 =
O
Me
OMe
OMe
Cyclase:
a) regioselektiver, erster Ringschluss
zwischen C9-C14.
b) als zweiter und dritter Schritt finden
zwei Aldol-Kondensationen zwischen
C7-C16 und C5-C18.
OCH 3
74

Einstieg in PKS-Typ II Metabolite: Angucycine
Rabelomycin
O
O
Me
OH
O O
OH
Me
O
Ringschluss zwischen C4 und C17
legt fest, ob Anthra- oder Angucycline
gebildet werden.
OH
O
OH
OH O OH
O
S-Enz
O
O
2
HO 7 5 4
O
12
O
14
O O O
Cyclase:
O
O
17
19
JadD
JadI
O
H
OH OH O
R 1 = CH 3
OH
R 1 OH
UrdM
O
O
OH O OH
a) regioselektiver, erster Ringschluss zwischen C7-C12 und
b) zwischen C5-C14 liefert die ersten beiden Ringe.
c) hieran schließen sich, bedingt durch die Faltung der Polyketidkette, die beiden
Cyclisierungen zwischen C4-C17 und C2-C19 an.
d) spontane Decarboxylierung
Me
OH
75

Einstieg in PKS-Typ II Metabolite: ungewöhnliche Faltungen
Enz
O
S
2
O
O
O
O
PKS4
OH OH O Me
2 1 10 12
17
O OH O Me
O
7
OO
O
HO
7 13
MeO
O
O
OH
OMe
O
OH
Einstieg in PKS-Typ II Metabolite: oxidative Ringöffnungen und Folgebiosynthese
Bayer-Villiger
Oxidation
Bayer-Villiger
Oxidation
76

Biosynthese von Mycophenolsäure (aus Penicillium brevicompactum)
Neben antibiotisch, antifungisch und catotoxischen Eigenschaften ist es ein klinisch genutztes
Immunosuppressivum (Nierentransplantationen) und wird dort als Prodrug eingesetzt.
Ad
H 3 C S
R
HO
Ad
HC S
R
Orsellinsäure
OH
CO 2 H
O O O O
SEnz
O
O
O
O
SEnz
SAM
O
O
O
O
SEnz
HO
OH
CO 2 H
Oxidation
zum Benzylalkohol
dann Lacton-Bildung
HO
aus Farnesylpyrophosphat
OH
O
O
C-Alkylierung
Oxidation
Oxidation
und SAM
HO
OH
O
O
O
N
MeO
O
O
O
OH
O
Prodrug der Mycophenolsäure
HO 2 C
MeO
OH
Mycophenolsäure
O
O
77

Biosynthese von Citrinin
O
O
O
O
3 x SAM
O
SEnz
O
O
O
O
O
SEnz
intramolekulare
Aldolreaktion,
Aromatisierung
HO
OH
CHO O
Reduktion
Reduktion
O
HO
Bildung des
Hemiacetal
HO
HO 2 C
OH
Citrinin
O
H 2 O-Eliminierung
liefert das Chinon
Oxidation
OH
O
OH
H
OH
OH
H
O
H
Biosynthese von Visnagin
O
O
SEnz
O
Claisen-Reaktion,
Aromatisierung
HO
OH
O
HO
Tautomerisierung
OH OH
O
O
OH
O
OH
O
78

Biosynthese von Visnagin (Fortsetzung)
H
HO
OHHO
HO
Michael­Addition
O
OH
­ H 2 O
HO
O
OH
O
OH
O
OH
O
5,7Dihydroxy­
2­methylchromone
C­Alkylierung
mit DMAPP
HO
O
O 2 , NADPH
HO
O
O
O 2 , NADPH
OPP
DMAPP
OH O
Peucenin
Cytochrom P­450
(Monooxygenase)
Cytochrom P­450
OH O
(Monooxygenase)
Visamminol
(Epoxid­Intermediat wurde postuliert
aber bisher nicht gefunden)
O
O
SAM
O
O
via ?
HO
O
O
OH
O
OMe O
Visnagin
HO
OH
O
79

Folgereaktionen (bei allen Polyketid-Typen möglich):
1. O-Methylierungen mit SAM
HO
R
Me
OH
O
O
SAM
MeO
R
Me
OH
O
O
2. Transaminierungen (Einführung von NH 2 )
Cl
Me
O
H
OH
NH 2
OH OH O OH O O
Transaminierung,
"NH 3 "
Pyridoxalphosphat
als Coenzym
Cl
Me
NH H
2
OH
NH 2
OH OH O OH O O
Chlortetracyclin
3. Halogenierungen
OH
OH
Me
HO
O
OMe
Chlorierung
an aktivierten ortho-Position
von Phenol
Me
HO
O
OMe
MeO OH
Cl
Griseophenon C
MeO OH
Cl
Griseophenon B
80
80

Einschub: Mechanismen von Halogenierungen
Man unterscheidet zwischen nukleophilen (z. B. Cl - , Br - , z. B. elektrophilen Cl + ,
Br + und radikalischen Halogenierungen).
Haloperoxidasen (allgemein): Haloperoxidasen katalysieren die Oxidation von
Halogenid-Ionen (X - = Cl - , Br - ), wobei sie Wasserperoxid in das Hypohalogenit
(HOX) überführen.
Daneben gibt es Halogenasen, die radikalische Halogenierungen katalysieren.
Haloperoxidase
I. H 2 O 2 + X - + H + HOX + H 2 O
elektrophiles
Halogen
(Eisen- bzw. Vanadium-abhängige Enzyme)
II.
Halogenradikal
81

a) FADH 2 -abhängige Halogenase (elektrophile Halogenierungen)
82
82

Analoger Mechanismus
für Hydroxylierungen:
R
N
N
p­Hydroxybenzoesäure
O
HO
CO 2 H
FADHOOH
N
H
H
O
O
O
NH
CO 2 H
FADOH
HO
HO
p­Hydroxybenzoesäure
83

) Vanadium-abhängige Halogenasen
Vanadium-abhängige Halogenasen katalysieren elektrophile Chlorierungen und
Bromierungen. Im Zentrum dieser Enzyme finden sich das Vanadat-Anion (VO 4
3-
),
welches am Ende eines Kanals, gebunden an einem Histidin-Rest , lokalisiert sein.
Anders als bei Eisen-abhängigen Halogenasen findet hier keine Veränderung der
Oxidationszahl am Vanadium statt.
Natural Products Reports 2006, 3364-3378.
84

c) Non-Häm-Fe(II)-α-Ketoglutarat und O 2 -abhängige Halogenasen
Diese Gruppe von halogenierenen Enzyme werden u. a. für die Halogenierung von
aliphatischen Substraten verantwortlich gemacht. Die Oxoferryl(IV)-Spezies wird
als zentrale oxidierende Spezies angesehen. Dieses generiert ein Radikal durch
homolytische C-H Spaltung.
Nature 2006, 368-371. 85

Folgereaktionen:
4. Oxidationen auch a) phenolische oxidative Kupplungen, b) oxidative Spaltungen von
Aromaten, c) Baeyer-Villiger Oxidationen
a)
OH
O
-H , -e
OH
O
OH
O
OH
O
HO
OH
HO
O
HO
O
HO
O
Methylphloracetophenon
radikalische Kupplung
HO
O
HO
OH
Me
O
O
O
HO
O
HO
OH
Me
OH
OH
O
O
Keto-Enol
Tautomerie
HO
O
HO
OH
Me
H
O
OH
O
O
(+)-Usninsäure
b)
OH
CHO
OH
CHO
OH
CO 2 H
Reduktion
OH
CO 2 H
O
O
Patulin
Oxidation
OH
O HO
O
O
O
OH
O
O
OH
86

Fortsetzung Oxidationen:
c)
Oxidation
O
O
O
H
MeO O
O
H
O
O
MeO
O
O
H
O
O
H
ungewöhnliche Regiochemie !
Aflatoxin B 1
Aflatoxin G 1
5. Glycosidierungen
Glycosyltransferase
O
MeO
OH
O
O
O
OTDP
O
MeO
OH
O
O
OH
O
OH
OH
OH
HO NH 2
TDP
OH
O
OH
O
OH
Daunomycin
(Daunorubicin)
6. Prenylierungen
TDP= Thymidindiphosphat
O
HO NH 2
OH
Geranylpyrophosphat
OH
Oxidation
zu Allyl/Benzyl-
Kation
OH
H
OH
HO
Olivetol
(E)-
HO
Cannabigerol
H
HO
Cannabinol CBN
OH
HO
Cannabidiol CBD
O 87

Cytochrom P450
Cytochrom P450 (P= Protein; 450= Soret-Bande des Komplexes mit CO bei 450 nm) sind
Oxidoreduktasen, die praktisch ubiquitär in allen Organismen anzutreffen sind. Sie treten meistens
als Monooxygenasen.
Cytochrom P450 enthalten einen Eisen-Häm-Komplex und sind meistens mit anderen Partnerproteinen
zu Proteinkomplexen vergesellschaftet (es gibt verschiedene Topologien, von den vier
wichtige skizziert sind). Die Partner sind für das Recycling des Kofaktors NADPH zuständig. Es
handelt sich um NADPH-P450 Reduktasen. Als ein weiterer Partner für den Elektronentransfer
finden sich in Prokaryoten und in Mitochondrien Eisen-Schwefel-Proteinkomplexe.
Zunächst wird das Substrat in der Nähe des aktiven Zentrums unter Verlust eines H 2 O Liganden
gebunden. Dann findet die Reduktion des aktiven Eisenzentrums statt, welches dann mit
molekularem Sauerstoff beladen wird. Nach Aufnahme eines weiteren Elektrons und zweier
Protonen wird die Sauerstoff-Sauerstoffbindung gespalten, wobei sich H 2 O bildet . Das oxidierte
Substrat wird schließlich durch H 2 O verdrängt (siehe nächste Seite).
88

Hypothetischer Mechanismus der P450 Oxidation
N
H 2 O
N
Fe(II)
R­H
1. R­H,
O
­H 2 O
O
N N
2. O 2 e ­
Fe(III)
R
N
H
O O
N
Fe(III)
2
N
N
N
N
N
N
Cys
N
N
highh
spin
Cys
+ e ­
H 2 O
R
H
O
­H 2 O N N
N
Fe(III)
Fe(IV)
N
N
N
R­O­H
Cys
R­H
2H +
N
N
O
­H 2 O
N
Fe(V)
N
Cys
high spin
Cys
Cys
89

Eisen-Schwefel-Komplexe
Eisen-Schwefel-Komplexe (Fe-S-Cluster) sind Mehrfachkomplexe, die in Enzymen als Kofaktoren
an enzymatischen Reaktionen beteiligt sind. Am weitesten verbreitet und am stabilsten sind die
(4Fe-4S) und (2Fe-2S) Cluster. Sie sind O 2 -empfindlich und werden deshalb durch das Protein
geschützt. Die Fe-S-Zentren wirken als Elektronentransferreaktanden, Lewis-Säuren und Radikal-
Generatoren.
Strukturen
Die Cystein-Desulfurase liefert unter Cysteinverbrauch die Schwefelatome. Zusätzlich können
auch andere Metalle wir Molybdän oder Nickel in die Fe-S Cluster eingefangen werden.
Reaktionen
90

3.2.3 Typ III PKS
Flavonoide – diese Naturstoffe aus Pflanzen besitzen Bedeutung für die
antimikrobielle Abwehr wie für die Pigmentierung und UV-Schutz (Anthocyane)
von Pflanzen.
HO
HO
OH
Biosynthese von Chalconen
Chalcon
O
OH
Die Biosynthese von aromatischen Rückgraten wird in Pflanzen durch das Enzym
Chalcon Synthase (CHS, Type III) katalysiert.
Es gibt eine große Superfamilie von CHS-ähnlichen Enzymen.
CHS verwendet freie CoA Thioester und nicht ACPs.
CHS ist kein großes multimodulares Enzyme wie die PKS. CHS führt eine Reihe
von Reaktionen im aktiven Zentrum durch. Hierzu gehören Decarboxylierungen,
Kondensationen, Cyclisierungen und Aromatisierungen.
91

Biosynthese von Chalcon
HO
SCoA
Coumaroyl-CoA
O
3 x decarboxylierende
Aldolreaktion
HO
O
Aromatisierung
HO
HO
O
O
3x
CoA _ S
O
Malonyl-CoA
O
S
O
O
Tetraketid
Intermediat
OH
1. Schritt
HO
CHS-Cys
S
SCoA
coumaroyl-CoA
O
CoASH
O
HO
CoA-S
O
2. Schritt
S
Kondensation
Cys-CHS
HO
CoAS
O
aus Malonyl-CoA
durch
Decarboxylierung
O
Chalcon
Die Chalcon Synthase
OH
CHS-Cys
S
O
katalysiert beide Schritte
iterave Wiederholung
92

Typ III PKS (Chalcone synthase, CHS)
Homodimer, ACP-unabhängig, iterativ kondensierende Enzyme
KS
S
n
O
CoA
S
KS
S
n
O
CoA
S
O
O
O
m
O
O
O
O
O
RppA
O
O
S-Enz
O
O
OH
OH
CoAS
(5x)
O
- CoA(5x)
- CO 2 (4x)
O
O
O
- CO 2
- H 2 O
HO
OH
OH
O
HO
OH
flavolin
O
93

3.2.4 Methoden der Aufklärung von Biosynthesewegen
a) Verfütterungen mit markierten Substraten
Durch sogenannte Fütterungsversuche kann der Einbau von 13 C-markiertem Acetat in den Naturstoff
durch 13 C-NMR-Spektroskopie nachgewiesen werden (Zunahme der Intensität des entsprechenden
Signals wegen Anreicherung über den natürlichen 13 C-Gehalt hinaus (1.1%)).
Mit doppelt markiertem 13 C 2 -Acetat (jedes C-Atom 99% 13 C-Gehalt) kann auch der intakte Einbau
eines C 2 -Bausteins durch NMR-Methoden nachgewiesen werden, z. B.:
H 3 C
COONa
Heiminthosporium
turcium
OH
O
OH
Islandicin
[1,2- 13 C 2 ]Na-Acetat
Me
O
OH
Doppelt markiertes Acetyl-CoA wird in der Zelle mit endogenem, nicht markiertem Acetyl-CoA
verdünnt. Dadurch ist es unwahrscheinlich, dass zwei doppelmarkierte Acetat-Untereinheiten
nebeneinander in ein Produktmolekül eingebaut werden, d. h. Produktmoleküle werden isoliert, die
sich in der Position der eingebauten doppelt markierten Acetat-Untereinheit unterscheiden, was in
den oben dargestellten Formeln durch dicke Linien beschrieben wird.
94

[1,2- 13 C 2 ]Na-Acetat
H 3 C
COONa
O O O O OH
O
S-X
C
OH
D
E
Polyketid-
Synthase
HO
Me
A
B
O
OH
Me
Acetyl-CoA
+ Malonyl-CoA
Alkohol CO 2
OH OH OH
Keine
-OH Gruppe
J Kopplung
Me
E
A B C D
usw
13 C-{ 1 H-entkoppelt}-
NMR-Spektrum
200 0 ppm
aromatischer Bereich
b) Isolierung von Biosyntheseintermediaten
Um einen Biosyntheseweg zu definieren, müssen Zwischenprodukte isoliert und identifiziert
werden. Zum Beispiel Mikroorganismen oder Pflanzen, die einen Naturstoff produzieren, können
aufgeschlossen und mit organischen Lösungsmitteln extrahiert werden. Durch chromatographische
Trennung ist es oftmals möglich, Spuren von Biosynthese-Zwischenprodukten in reiner
Form zu erhalten. Um danach die Rolle der isolierten Verbindung in der Biosynthese festzulegen,
muss diese in markierter Form synthetisiert werden und intakt in das Endprodukt
eingebaut werden (Fütterungs-versuche).
95

Weitere Methoden der Aufklärung von Biosynthesewegen
Mikroorganismen können mit einem Mutagen behandelt werden. Mutationen werden dabei
überall im Genom eingeführt. Gewisse Mutationen erfolgen auch in den Biosynthesegenen
und führen zur Inaktivierung des entsprechenden biosynthetischen Enzyms:
Durch zeitaufwendiges „Screening“ können nicht-produzierende aber lebensfähge Mutanten
gefunden werden. Dabei findet man oftmals Mutanten, die Zwischenprodukte produzieren.
Solche Analysen können bei der Aufklärung von Biosynthesewegen in Mikroorganismen sehr
nützlich sein.
Heutzutage dienen so genannte Blockmutanten (knock-out Mutante) dazu, Intermediate der
Biosynthese im Rahmen von Fermentationen anzureichern und über diese einen
Biosynthesevorschlag zu erstellen, bzw. Hypothesen zu untermauern.
96

Die klassischen experimentellen Methoden zur Untersuchung der Biosynthese von Naturstoffen
umfassen:
• Isolierung und Strukturaufklärung von Naturstoffen und Zwischenprodukten.
• Synthese von markierten Vorläufern und Fütterungsversuche.
• Aufschluss von zellulären Geweben und Assays, um biosynthetische Enzyme zu
detektieren und wo es möglich ist, zu reinigen (Damit können Funktionsuntersuchungen mit
Substraten durchgeführt werden; bedingt aber zuweilen komplexe Synthesen der
Substrate).
• Erzeugung von Mutanten (Mikroorganismen, Pilze), um Schritte in der Biosynthese eines
Naturstoffes zu blockieren, um anschließend neue Zwischenprodukte zu detektieren.
In letzter Zeit sind diese Methoden durch eine neue und besonders wichtige Methode ergänzt
worden, die Untersuchungen direkt mit den biosynthetischen Enzymen ermöglicht.
Es handelt sich um die molekulare Genetik. Durch das Klonieren von Biosynthesegenen eröffnet
sich die Möglichkeit, nicht nur mechanistische und strukturelle Untersuchungen an einer
besonders interessanten Klasse von Enzymen (die Enzyme des Sekundär-Metabolismus)
vorzunehmen, sondern auch die oftmals beträchtlichen „synthetischen“ Fähigkeiten dieser
Enzyme auszunutzen, um wertvolle Produkte (z. B. neue Antibiotika) herzustellen.
97

Actinorhodin
Actinorhodin ist ein Polyketid-Naturstoff, der durch eine Spezies des gram-positiven Bakteriums
Streptomyces coelicolor produziert wird. Die Produktion dieses Naturstoffes ist einfach zu
detektieren, weil Actinorhodin im schwach basischen Medium eine dunkelblaue Farbe zeigt.
Die Blockierung von einzelnen Genen liefert einfachere „shunt“-Produkte der PKS.
Alkohol
HO
1 x Acetyl­CoA
7 x Malonyl­CoA
O
O
O
act VII
Mutante
act I (KS)
act III (KR)
O
Me
O
O
O
Blockierung des
act VII Gens liefert
ein „shunt“-Produkt
CO.SR
OH
Aloesaponarin II
act V II
act IV
OH O Me
O
OH
act VI Mutante
OH O Me
O act V I
OH
CO.SR
Actinorhodin
OH O Me
O
CO 2 H
OH O
H
2
act V a, V b
OH O Me
O H
COOH
Blockierung des HO
act VII Gens liefert
ein „shunt“-Produkt
O
O
Me
OH
98

Die Klonierung der Biosynthese-Gene wurde durch die folgenden Befunde vereinfacht:
• Die Produktion von Actinorhodin ist einfach zu detektieren (blaue Farbe).
• Die Biosynthesegene sind auf dem Chromosom geclustert (wie üblich bei Biosynthesegenen
von Sekundärmetaboliten in Bakterien).
• Plasmide (zirkulare DNA-Moleküle die als Vektoren dienen) waren vorhanden, die große
DNA-Fragmente (< 30 kbp) in Streptomyceten stabil tragen konnten.
• Mutanten des produzierenden Stammes waren erhältlich, die je in einem spezifischen
Schritt (Gen) in der Biosynthese blockiert waren.
• Paarweise Fermentation: Die Mutanten konnten in Paaren kultiviert werden, wobei die
Produktion der blauen Farbe wieder beobachtet werden konnte. Dieser Befund deutet auf
die Produktion in einem Mutanten und die Aufnahme von diffundierbaren
Zwischenprodukten im anderen Mutanten hin. Daraus wurden sechs Klassen von Mutanten
erkannt:
I, III VII IV VI V
Actinorhodin
Mutanten der Klasse I/III (frühe Blockierung in der Biosynthese) könnten die Produkte aller anderen
Klassen zu Actinorhodin umwandeln. Mutanten der Klasse V (späte Blckierung der Biosynthese)
könnten keine Produkte der anderen Klassen zu Actinorhodin umwandeln.
99

Die Klonierung der Biosynthesegene wurde folgendermaßen durchgeführt:
1. Schritt - Isolierung von DNA-Segmenten, die die Mutanten komplimentieren könnten:
Bakterium
partieller Verdau
mit MboI
(GATC)
BamHI
GGATCC
pIJ922
plasmid
chromosomale DNA
5-30 kb DNA
Fragmente
blaues Pigment
Bakterien-Zellen
+ je ein Plasmid ligieren
in Act-V
Mutante
einführen
BamHI
schneiden
mit DNA-Fragment
beladenes Plasmid
100

2. Schritt – „Cut and Paste“ der zwei überlappenden Fragmente, um ein Å35kbp DNA-Fragment
zu erhalten. Als dieses neue DNA-Fragment (einkloniert in einen Plasmid-Vector) in einen neuen
Wirt-Stamm (der nicht in der Lage ist, Actinorhodin zu produzieren) eingeführt wurde, konnte die
Produktion von Actinorhodin in diesem Stamm festgestellt werden:
1. schneiden
2. ligieren
einführen in
S. Parvulus,
einem neuen
Wirtsorganismus
neues Konstrukt
mit ca. 35 kbp DNA
2 unterschiedliche Klone
Damit war klar, dass dieser Klon alle notwendigen Informationen für die Biosynthese von Actinorhodin
enthält (Nature 1984, 309, 462). Später wurde dieses Stück DNA sequenziert, um alle
Biosynthese-Gene offen zu legen und zu identifizieren. Die Gene für die Polyketid-Synthase (PKS)
waren besonders interessant:
Open reading frame
ca 7 von den 35 kbp DNA
NAD(P)H-Dehydrogenase
ACP
actIII
actI
actVII
actIV
101

Sobald die Gene kloniert worden waren, konnte die Funktion der verschiedenen Proteine im
Biosyntheseweg untersucht werden. In den letzten Jahren sind wichtige Einblicke in die
Biosynthese von Actinorhodin gewonnen worden, welches als Musterbeispiel für eine
aromatische (sogenannte Typ-II) PKS betrachtet werden kann.
Der Aufbau des Kohlenstoffrückgrats von Actinorhodin benötigt eine Malonyl-CoA
Acyltransferase (AT, aus der Fettsäure-Synthase), eine Thiolase (T oder ACP) (actl-ORF3)
und eine Ketosynthase (KS) sowie einen Kettenlängenfaktor (Chain-length-factor, CLF),
wobei der KS-CLF aus zwei unterschiedlichen Einheiten besteht (actl, ORF1, ORF2). Diese
„minimale PKS“ braucht 8 Moleküle Malonyl-CoA, um eine Polyketidkette mit 16 C-Atomen
aufzubauen. Die KS katalysiert im ersten Zyklus (Initiation) die Decarboxylierung eines
Malonylrestes zu einem Acetylrest (Starter-Einheit).
Die Malonyl-CoA Bausteine werden dann von der AT zum KS-CLF und T (ACP) transferiert und
durch die KS-CLF in die wachsende Polyketidkette eingebaut.
Der katalytische Zyklus wird 8-mal wiederholt. Das daraus resultierende Oktaketid wird ins
Actinorhodin transformiert durch eine Ketoreduktase (actIII), eine Aromatase (actVII), eine
Cyclase (actIV) und weitere Enzyme (actVI, actVa, actVb). Ohne die Anwesenheit dieser
sogenannten „tailoring enzymes“, werden die Produkte SEK4 und SEK4b von der minimalen
PKS (AT, T, KS und CLF) produziert. Die einzelnen Schritte sind im Folgenden dargestellt:
102

OH
12
O
O
O
O
O
O
O
O
12
7
S
O
O
2
O
O
12
O O O O
7 5 3 1
OH ACP
O O O
12
7
HO
OH
5
O
O O O
3
ACP
O
1
S
COOH
Me
O
SEK4b
S
HO
O
HO
SEK4
HO
Actinorhodin
O
OH
7
O
OH
12
O
7
O
O
O
Bei der Heptaketidstufe
ist das Ende des
Tunnels erreicht und die
letzte Kondensation
führt zu einer
Kehrtwende im
Polyketidrückgrat. Damit
kann anscheinend ein
intramolekularer Angriff
an C7 erfolgen.
Die minimale PKS (AT,
KS+CLF+T) produziert
SEK4 und SEK4b,
während die
vollständige PKS mit
den anschließenden
Enzymen die Bildung
von Actinorhodin
katalysiert.
OH
O
Die KR (actIII) kann die Reduktion nicht katalysieren, bis die Polyketidkette vom T (ACP) aus dem KS-CLF-
Tunnel herausgezogen worden ist. Vielleicht bindet die KR dann an den C7-C12-Ring und danach wird C9
reduziert. Der Biosyntheseweg sieht wie folgt aus:
103

8 x Malonyl­CoA
O
HO
O
O
O
O
O
O
min. PKS (actI AT, KS, CLF, T)
Me
O
O O
act III (KR)
Me
O
O
O
CO.SR
CO.SR
act VII (Aromatase)
min. PKS
+ KR
nur
min. PKS
HO
O
O
OH
O
O
HO
SEK4 O
HO
OH
Me
Mutactin
O
OH
O
Me
OH
O
SEK4b
HO
O
OH
O
O
OH
O
O
Me
O
O
CO.SR
min. PKS + KR
+ act VII ARO
O
OH
O
O
O
act IV (CYC 2 )
SEK34
HO
O
O
SEK34b
HO
O
O
104

OH
O
Me
O
O
COOH
act VI (ORF1)
min. PKS + KR
OH
O
Me
+ act VII ARO
+ act IV (CYC2β) Aloesaponarin II
OH
O
OH
O
Me
O
OH
act VI (ORFA)
act VI (ORF3)
COOH
OH
O
Me
O H
COOH
act VI (ORF2)
act VI (ORF4)
OH
O
Me
O
H
CO 2 H
Actinorhodin
OH O Me
O
OH
O
H
CO 2 H
2
act VA + VB
OH
act VA
versch. ORF
O
Me
O
CO 2 H
H
O
ORF= open reading frames (nicht vollständig aufgeklärt)
105

4. Nicht-Ribosomale-Peptide (NRP), Hybride (PK-NRP), Hormone
und andere Aminosäure-Derivate
Aminosäuren sind Bestandteile der durch ribosomale Proteinbiosynthese gebildeten Proteine.
Auch spielen sie eine Rolle im Shikimisäure-Biosyntheseweg (aromatische Aminosäuren
Phenylalanin, Tyrosin) sowie in der Biosynthese von Alkaloiden [siehe Naturstoff-Vorlesungen
B. Sc. (Life Science)]. Im nachfolgenden Kapitel wird auf eine wesentlich breitere Vielfalt von
Aminosäuremetabolite eingegangen, die sich biosynthetisch z. T. an die in den Fettsäure- und
Polyketidbiosynthesen vorgefundenen Konzepten anlehnen. Wegen dieser konzeptionellen
Nähe beginnen wir mit NRP´s und PK-NRP´s
NRP´s
N
und PK-NRP´s
N
O
S
H
N
O
O
O
N
H
O
Me
N
O
Me
O
Me
N
N
S
N
Me
SMe
O
H
N
Echinomycin
O
HO
O
O
O
N
H
O
N
N
HO
O
HN
H
N
O
O
O
O O
O
H
N
O
O
H
N
O
O
Cereulide
O
O
O
O
O
O
NH
O
NH
N
O
O OH
Epothilon A
O
OH
OH
N
S
OH
O
O
OH
Thuggacin B
106

Die ribosomale Proteinbiosynthese in den Ribosomen nutzt 22 Aminosäuren (klassisch 20).
Die Biosynthese von nichtribosomal erzeugten Peptiden ist vielfältiger als die ribosomale
Proteinbiosynthese, da eine wesentlich größere Vielfalt von Aminosäuren einsetzbar ist, wie z.
B.
H
CO 2 H
Pyroglutaminsäure
NH
Ornithin
H 2 N
CO 2 H
O
NH 2
Hydroxyprolin
HO
H
CO 2 H
NH
Sarcosin
(N-Methylglycin)
MeHN
CO 2 H
Der Aufbau von Nicht-Ribosomalen-Peptiden besitzt Analogie zur Fettsäurebiosynthese und
zur Polyketidbiosynthese, wobei die Aminosäuren als Verlängerungseinheiten und z. T. auch
als Startereinheit dienen.
107

4. 1 Nicht-ribosomale Biosynthese
Wie beginnt die NRP-Biosynthese?
Grundlegende, in jedem Modul befindlichen Elemente sind:
C
Kondensation
T
Thiolierung
(=ACP der FAS)
A
Adenylierung
Die post-translationale Phosphopantetheinylierung findet bei der Nicht-Ribosomalen-Peptid
Synthase (NRPS) in gleicher Weise statt, wie bei der PKS.
1. Beladung der Nicht-Ribosomalen-Peptid Synthase (NRPS)
O
HO
A
T
R
NH 2
SCoA
O
A
T
Autoacylierung
A
T
S
O
R
NH 2
S
O
S
Das erste Modul ist die Ladedomäne. Die Adenylierungsdomäne (A) entspricht der AT-Domäne bei
der PKS. Sie wählt die Aminosäure aus und überträgt diese auf die Carrier-Einheit (hier T).
R
NH 2
108

2. Wie geht es von Modul zu Modul ?
A
A
Kondensation
A
T
C
T
T
C
T
T
C
T
O
S
R
S
S
CoAS
H 2 N
R´
O
O
SH
R
S
H 2 N
Die „downstream“ T (ACP)-Domänen werden alle über die beiliegenden A´s (die die
richtigen Verlängerunsbausteine für T wählen) mit Aminosäuren beladen.
Die T-Domäne des Vorläufermoduls trägt die Polyketidkette, die durch Autoacylierung
auf die Kondensationsdomäne (C) übertragen wird. Die wartende Aminosäure am
nächsten T wird mit der Kondensationsdomäne (C) beladenen Kette kondensiert.
Das T enthält nun die Aminosäurekette, die gegenüber der an der Vorgänger- T
Domäne um eine Aminosäure verlängert ist.
S
R´
O
S
O
S
HN
R
S
R´
O
109

Welche weiteren enzymatischen Untereinheiten finden sich in den Domänen?
A. Klassische-Einheiten
E
Epimerase
MT
Methyltransferase
TE
Thioesterase
B. Spezielle Einheiten
CLF
Kettenlängen-Faktor
(chain length factor)
(bestimmt wie häufig eine Domäne
seine Tätigkeit wiederholt)
Re
Reductase (Reduktionen z. B. von
Thioestern zu Aldehyden
bzw. Akoholen)
Aro/
Cyc
Aromatase/Cyclase
Cy
Cyclase
TE/
Cyc
Thioesterase/Cyclase
110

3. Wie werden Esterbindungen aufgebaut ?
Epimerase
Ketoreduktase
A
T
E
C
A
KR
T
Kondensation
A
T
E
C
A
KR
T
O
α-Hydroxyacyl-
S
Baustein
S
D-Alanin
O
HN
OH
O
CoAS
O
OH
α-Hydroxyacyl-
Baustein
O
S
Epimerase (E) führt zur
Epimeriserung von L-Alanin in
D-Alanin.
Die Ketoreduktase (KR) dient
dazu, die α-Ketocarbonsäure
nach Anbindung an (A) zu
reduzieren. (A-akzeptiert in
diesem Fall nicht den Alkohol)
O
S
O
O
HN
O
OH
Cereulide
O
HN
H
N
O
O
O
O
O
O O H
N
O
O
H
N
O
O
O
O
O
O
O
NH
O
NH
Cereulide enthält Aminosäuren und
α-Hydroxcarbonsäuren; das
bedeutet: Es liegen Amid- und
Esterbindungen vor. Man nennt
solche gemischten Produkte zuweilen
auch Depsipeptide.
Einige Kondensationsdomänen (C)
akzeptieren auch Hydroxyacyl-Reste
als Akzeptoren, so dass diese als
Ester-Synthasen und nicht als Amid-
Synthasen agieren.
111

4. Wie werden Oxazoline, Oxazole, Thiazoline und Thiazole biosynthetisiert ?
A
Kondensation
A
Cyclisierung
A
T
Cy
T
T
Cy
T
T
Cy
T
O
S
O
S
SH
O
S
S
O
S
´R
NHR
H 2 N
Serin
OH
HN
OH
O
´R
NHR
H
N
O
OH
´R NHR
Dehydratation
(- H 2 O)
Viele Nicht-Ribosomale Peptide (NRP) und Hybride (PK-NPR) enthalten
Oxazoline, Oxazole, Thiazoline und Thiazole. Diese beteiligten
Aminosäuren sind Serin bzw. Cystein. Eine Cyclase im entsprechenden
Modul leitet den Ringschluss ein und katalysiert die Eliminierung von
Wasser.
T
S
Cy
A
O
T
S
O
O
O
O
N
O
N
O
N
O
N
S
N
S
´R NHR
´R NHR
´R NHR
´R NHR
´R NHR
Oxazolin Oxazol Thiazolin Thiazol
Oxazolin
112

5. NRP-PK Hybride: Modulwechsel und Kettenverlängerung
PKS
NRPS
PKS
A.
T 1
Cy
A
Ox
T 2
Ox
T 1
Cy
A
Ox
T 2
T 2
AT
KS
KR
DH
T 3
S
O
Startereinheit
Acetyl-CoA
S
N
S
FAD FADH 2
O
S
N
O
S
O
OH
S
N
S
S
Verlängerungseinheit
O
O
O
SCoA
Me
Methylmalonyl-CoA
O
S
N
Me
S
O
OH
O
B.
PKS
T
NRPS
A
C T
Re
Epothilon B
HO
O
NH
OH
O
S
R
O
S
O
Aminosäure:
L-Serin-CoA
NH
R
Myxalamid
Die chemische Logik der PKS I ähnelt nicht nur der
Fettsäurebiosynthase (FAS) sondern auch der NRPS.
Die Natur hat deshalb Naturstoffe hervorgebracht, bei
denen PKS und NRPS gemischt sind. Die Mischung
solcher „Synthesefabriken“ wurden genetisch auch
belegt.
113

6. Weiter spezielle enzymatische Einheiten in den NRPS Modulen
Aminosäuren wie Prolin können innerhalb eines NRPS-Moduls erhebliche chemische Veränderungen
erfahren. So findet bei der Biosynthese von Pyoluteorin innerhalb des ersten Moduls eine durch eine
Oxidase eingeleitete Aromatisierung statt. Darauf folgt eine zweifache Chlorierung des Pyrrol-Rings,
bevor das Produkt des ersten Moduls in eine PKS übergeleitet wird.
Modul
HO
O
NH
Prolin
A
T
S
O
Ox
T
S
O
Hal
T
S
O
OH
O
N
OH
Cl
Pyoluteorin
Cl
A
T
Hal
Ox
NH
NH
Cl
NH
Cl
Häufig findet man ungewöhnliche Aminosäuren in Nicht-Ribosomalen Peptiden, welche auf der NRPS
prozessiert werden und dann direkt in die Peptidsynthese eingeschleust werden können. Ein Beispiel
sind Cyclopropanaminosäuren.
Modul
O
NH 2
HO
L-allo-Isoleucin
A
T
S
O
Hal
T
S
O
Cyp
T
S
O
TE
HO
O
NH 2
Coronaminsäure
A
T
Cyp
Hal
TE
NH 2
Cl
NH 2
NH 2
114

Biosynthese von Yersiniabactin (aus dem Bakterium Yersinia pestis)
Startereinheit Salicylsäure:
Aus dem β-Ketonteil bildet sich durch
intramolekulare Knoevenagel-Reaktionen und
Tautomerisierungen der Aromat (siehe PKS II).
115

TE-vermittelte Ringschlüsse am Beispiel von Enterobactin
Ringschlüsse zu Macrolactonen oder cyclischen PK-NRP Hybriden werden in den meisten Fällen
durch Thioesterasen (TE) katalysiert. Ist keine geeignete nukleophile Gruppe im Molekül
vorhanden, so katalysiert TE die Hydrolyse und das Produkt wird als Carbonsäure freigesetzt
(siehe Yersiniabactin).
Enterobactin ist ein Siderophor von E. coli (Verbindungen, die Eisen komplexieren und durch
trans-membranen Transport in den Organismus bringen; wichtig für Eisenhaushalt).
A
ICL
T 1
S
O
HO
HO
A
C
HO
T 2
S
TE
O
NH
O
HO
HO
O
O
O
H
N
O
OH
O
OH
H
N
O
OH
O
H
N
O
O
HO
OH
OH
OH
OH
OH
H
N
O
O
O
NH
O
O
O
O
O
HN
O
HO
HO
Enterobactin
OH
OH
Enterobactin ist ein Trimer, welches aus Benzoesäure und aus Serin zusammengesetzt ist.
Das Monomer wird auf T2 geladen und auf die Thioesterase übertragen. Dort kann es nicht
durch H 2 O hydrolysiert, weil es im Protein eingebettet ist. Eine zweites Monomer erscheint auf
T2 und wird nun auf die Serin-OH-Gruppe des ersten Monomers auf TE übertragen. Das
Dimer wird um ein weiteres Monomer verlängert. Erst das Trimer wird dann durch die
Thioesterase ringgeschlossen.
116

Ein genauerer Blick in den (iterativen) Mechanismus von TE bei Gramicidin S
T
TE
T
TE
T
TE
T
TE
O
S
Leu
Orn
Val
Pro
D-Phe
NH 2
OH
S
H
O
O
Leu
Orn
Val
Pro
D-Phe
NH 2
O
S
Leu
O
Orn
Val
Pro
D-Phe
NH 2
O
Leu
Orn
Val
Pro
D-Phe
NH 2
S
H
O
O
Leu
Orn
Val
Pro
D-Phe
Leu
Orn
Val
Pro
D-Phe
N
O
N
H
NH
NH 2 H H N N N O
H
H 2 N
O
O
O
H
N
O
N
H
O
O
NH 2
HN
N
Analog zu dem iterativen Aufbau von Enterobactin
erfolgt auch der Aufbau von Gramicidin S. Der detaillierte
Weg zum Dimer und anschließendem Ringschluss
Ist oben gezeigt.
O
Gramicidin S
O
117

Ein genauerer Blick in den Mechanismus von TE
Das fertige(seco) Peptid / Ketid / Hybrid wird von T auf die Serin Hydroxylgruppe der TE-Einheit
übertragen und dann findet die Ablösung oder der Ringschluss statt.
C
A
T
TE
C
A
T
TE
C
A
T
TE
HO
S
O
Kyn 13
MeGlu
D-Ser
Gly
Asp
D-Ala
Asp
Orn
Gly
Thr
Asp
D-Asn
Trp
Dec
OH
HS
HO
O
O
Kyn 13
MeGlu
D-Ser
Gly
Asp
D-Ala
Asp
Orn
Gly
Thr
Asp
D-Asn
Trp
Dec
HS
OH
O
H
N
O
O
N
H
O
NH 2
H
N
NH
Daptomycin
O
O
N
H
CO 2 H
O
NH
O
O
NH 2
H
N
N
H
O
HO 2 C
O O
N
H
NH 2
O
HO 2 C
HO
H
N
O
CO 2 H
N H
HN
N
H
O
O
NH
O
.
118

Spontane
Abspaltungen
von der NRPS
In einigen Fällen
führen spontane
Ringschlüsse zur
Bildung von
Diketopiperazinen.
HO
O
T
S
O
NH
NH 2
HN
O
O
NH
OH
N
O
S S
OH O
gliotoxin
NH
OH
Reduktive Ringschlüsse
In wenigen Fällen ist die terminale Enzymfunktion der NRPS eine Reduktase, die entweder die
finale Kette reduktiv abspaltet oder aber durch intramolekulare Bildung eines Imins zur
Abspaltung und zum Ringschluss führt.
O
A
T
S
Re
H
N
NADPH
Re
NADP
O
HN
H
H
N
O
NHMe
NADPH
Re
NADP
HN
OH
H
N
O
NHMe
post-NRPS
Enzyme
Me
N
O
N
H
H
N
OH
HN
O
Lyngbyatoxin A
NHMe
119

Reduktive Ringschlüsse
In wenigen Fällen ist die terminale Enzymfunktion der NRPS eine
Reduktase, die entweder die finale Kette reduktiv abspaltet oder aber durch
intramolekulare Bildung eines Imins zur Abspaltung und zum Ringschluss
führt.
120

Post-NRPS Modifizierungen
Nachdem Loslösen des PKS- bzw. NRPS-Produkts können weitere Modifizierungen durch einzelne,
spezifisch aqierende Enzyme erfolgen. Beispiele für postketidische Enzyme wurden bereits in dem Kapitel
PKS Typ II beschrieben. Auch bei Polyketiden Typ I und Nicht-Ribosomalen Peptiden finden solche späten
Veränderungen, wie Glycosylierungen, C-Glycosylierungen an Phenolen, Halogenierungen, Methylierungen,
Veresterungen oder Prenylierungen statt. Sehr weit verbreitet sind Oxidationen.
β-Lactam-Antibiotika sind ebenfalls berühmte Beispiele für Nicht-Ribosomalen Peptide. Der biologische
Vorläufer für β-Lactam-Antibiotika ist ein Tripeptid aus L-Asparagin, L-Cystein und L-Valin (wird im Verlaufe
der Biosynthese in das D-bzw. (R)-Enantiomer invertiert) (Siehe auch Kapitel 4.3).
aus
NRPS
L-Asparagin
HS
Isopenicillin N
O
Synthase
D-Valin
NH
Ox
O
SH
S
L-Cystein
HN
O
HO 2 C
über die Seitenkette
verknüpft !
(S)
HO 2 C
HS
HN
HO
O
NH 2 ACV Tripeptid
H
(S)
N NH 2
O
=
O
O
OH
H
N
H
N
O
O
Isopenicillin N
H
H 2 N
CO 2 H
(S)
E
S
HO 2 C
H
N
H
N
O
O
Penicillin N
H
H 2 N
CO 2 H
(R)
H
S
N
CO 2 H
Ox
Deacetoxycephalosporinsynthase
H
N
O
O
H
H 2 N
CO 2 H
(R)
Deacetoxy-cephalosporin C
J. E. Baldwin, Nat. Prod. Rep. 1988, 5, 129.
Ox
= (quadratisch statt rund) post-PKS/NRPS Enzyme
121

Beispiel: Cyclosporin – ein cyclisches Peptid-Antibiotikum
Cyclosporin A ist ein Cyclopeptid-Antibiotikum mit stark immunosuppresiven Eigenschaften. Die Cyclosporin-
Synthetase gehört mit 1,6 MDa zu den größten bekannten Enzymen und katalysiert 40 individuelle Reaktionen
zur Auswahl, Modifizierung und Verknüpfung der Aminosäuren. MeBmt ist der "Starter" der nichtribosomalen
Peptid-Synthese. Die Aminosäure wird auf dem Polyketid-Weg aufgebaut und nachfolgend an C4 methyliert.
Die Biogenese der Aminosäuren an den Positionen 3 –11 in Cyclosporin A verläuft über die üblichen
Biosynthesewege, wobei D-Formen aus den L-Aminosäuren durch Epimerisierung an der Peptid-Synthetase
erzeugt werden. Auch N-Methylierungen werden vom Enzym durch S-Adenosylmethionin-abhängige
Methyltransferase-Domänen katalysiert.
Cyclosporin wirkt selektiv auf Antigen-sensitive T-Lymphocyten und blockiert hier die mRNA-Synthese von
Lymphokinen, insbesondere Interleukin-2. Cyclosporin A wird besonders bei Organtransplantationen zur
Unterdrückung von Abstoßungsreaktionen eingesetzt.
Ein potentielles Zielobjekt im Zytoplasma ist das Protein Cyclophilin; ein Enzym, welches in grossen Mengen
in T-Zellen vorkommt. Die genaue Funktion von Cyclophilin ist unbekannt, es besitzt Peptidyl-Prolin-cis-trans-
Isomerase-Aktivität und katalysiert die Proteinfaltung
122

Beispiel: Vancomycin
Vancomycin ist ein Glycopeptid aus
dem Actinomyceten Amycolatopsis
orientalis. Vancomycin wird von einer
nichtribosomalen
Peptid-Synthetase
gebildet, die das Vorläuferpeptid Leu –
Tyr –Asn –Hpg –Hpg –Tyr –Dpg erzeugt
(Hpg = 4-Hydroxyphenylglycin, Dpg =
3,5-Dihydroxyphenylglycin).
Hpg
entsteht aus Chorismat (siehe
Shikimisäure-Biosyntheseweg),
Dpg
aus Acetyl- und Malonyl-CoA über einen
Polyketid-Weg. In weiteren Schritten
werden Chlor- und Hydroxy-
Substituenten eingeführt, aromatische
Ringe oxidativ gekuppelt (drei
Cytochrom-P450-katalysierte
Reaktionen) und schließlich die Zucker-
Einheiten angefügt.
L-Vancosamin
Me
HO
D-Glucose
HO
O
HN
HO
4-Hydroxyphenylglycin
L-Tyr
ß-OH
Cl-Tyr
HO
O
HN
3,5-Dihydroxyphenylglycin
HO
Acetat
NH 2
Me
HO
HO
HO
O
N
H
CO 2 H
O
N
H
CO 2 H
*
O
OH
OH
O
O
Cl
H
N
OH
OH
O
OH
*
Cl
H
N
vancomycin
O
O
OH
N
H
O
L- Tyr
HO
*
O
O
H
N
N
H
O O O
NH 2
O
Cl
H N O
NH 2
L-Asn
Cl
Chiralitätselemente
basierend auf
Chiralitätsachsen
* oxidative Kupplungsreaktionen
ß-OH
Cl-Tyr
OH
O
N
H
L-Tyr
OH
O
N
H
L-Leu
NHMe
NHMe
123

Durch die oxidative Quervernetzung
wird eine eingeschränkte
Konformation erreicht, die für die
biologische Wirkung optimal ist.
Vancomycin wirkt bakterizid gegen
Gram-positive Erreger. Die Wirkung
beruht auf der Hemmung der
Zellwandbiosynthese durch Bindung
an das D-Alanyl-D-Alanin-Ende des
UDP-Muramyl-pentapeptids und
verhindert dadurch die Elongation und
die Quervernetzung der Murein-
Ketten.
Beispiel: Toxine aus Cyanobakterien
L-Vancosamin
D-Glucose
O
HO
Me
HO
HO
HN
Microcystin-LR
O
Me
Me
Me
NH 2
Me
HO
HO
HO
O
N
H
CO 2 H
OMe
O
OH OH
Me
O
O
Cl
H
N
O
O
Glycosidierung
Chlorierung
O
Cl
O
H
N
N
H
O O O
Adda
H 2 N
CO 2 H
NH 2
L-Phe Met H 3 C CO 2 H
NH
N
H
NH 2
O
HN
N
CO 2 H
O
H
L-Arg
D-Glu
H
N
R
O
Hydroxylierung
O
OH
O
N
H
O
O P
O P
O
HO
Me
N
O HO
H
N
O
O
N-Methylierung (SAM)
NHMe
Mhda
O
CO 2 H O
D-Masp
B
NH
HN
Mhda = N-Methyldehydroalanin
Microcystine umfassen eine Gruppe
von ca. 20 Heptapeptid-Toxinen,
die unter anderem von Microcystis
aeruginosa gebildet werden. Sie wirken
häufig als Lebertoxine und sind damit
für den Tod von Vieh verantwortlich.
Sie inhibieren die Protein-
Phosphatasen 1 und 2A. Für
die toxische Wirksamkeit
ist wahrscheinlich die
3-Amino-9-methoxy-
2,6,8-trimethyl-10-phenyl-
4,6-decadiensäure (Adda),
verantwortlich.
OH
OH
Nukleotiddiphosphat-
Zucker
D-Ala
O
Masp = 3-Methyl-asparginsäure
L-Leu
Adda = 3-Amino-9-methoxy-2,6,8-trimethyl-
10-phenyl-4,6-decadiensäure
124

Beispiel: Novobiocin
Novobiocin ist ein antibiotisch wirksames Cumarin-Glycosid aus Kulturfiltraten von
Streptomyceten (z.B. Streptomyces spheroides). Wegen Nebenwirkungen wie hypertensive
Reaktionen oder haemopoietischen Effekten kommt es in der Humanmedizin selten zur
Anwendung, meist in Kombination mit Tetracyclin, Rifampicin oder Fusidinsäure. Es wird aber
in der Veterinärmedizin eingesetzt.
CO 2 H
A
T 1
Ox
P­450
A
T 1
KR
NADP +
A
T 1
Met
SAM
A
T 1
Ox
P­450
HO
NH 2
O
S
NH 2
O
HO
S
NH 2
O
O
S
NH 2
O
H 2 N
S
OH
O
H 2 N
A
T 1
S
OH
OH
Me
OH
OH
HO
NH 2 C
2
HO O
O
Me
OH
OH
OH
OH
HN O
HO O
O
Me
OH
OH
O
OH
HO
Me
OH
OH
HN O
O
O
Novobiocin
Me
H 2 N
O
O
O
MeOMe Me
125

4. 2 Peptidhormone
Hormone sind Metabolite von Säugetieren, die in die Blutbahn entlassen werden, um spezielle
Wirkungen, Reaktionen bei Organen und in Geweben hervorzurufen. Manche dieser Hormone
basieren auf Aminosäuren und fungieren als chemische Botenstoffe. Hormone sind aber keine
Biokatalysatoren (Enzyme), können aber auf den Katabolismus wirken oder die
Membranpermeabilität beeinflussen. Häufig benötigen sie für ihre Aktivität einen zweiten
Botenstoff wie cyclisches AMP (cAMP).
Thyroid-Hormone
Thyroid-Hormone Thyroxin und
Triiodthyronin sind einfache
Derivate der Aminosäure
Tyrosin. Sie werden durch
Degradation eines
I
größeren Proteins
gebildet. L-Triiodthyronin
O
ist in der Schilddrüse
I
in viel geringeren
Mengen als das
I
Tetraiod-Derivat
vertreten, aber fünfmal
O
wirksamer.
Biarylether-
Bildung
I
Peptid
oxidative
O
Kupplung
HN
H
O
HN
Peptid
I
HO
I
CO 2 H
R = I, Thyroxin
NH 2 R = H, Triiodthyronin
R
O
Biarylether
I
I
O
I
Peptid
Peptid
I
O
I
HN
O
O
HN
I
O
O
I
H
I
HN
Peptid
HO
O
I
HN
Aromatizität durch
Peptid
Eliminierung
zurückgewonnen
Thyroxin
126

4. 3 Gibt es ribosomale Peptid-Naturstoffe ?
Diese Frage konnte bis vor Kurzem nicht eindeutig beantwortet werden – heute ist aber klar, dass auch, der
ribosomalen Protein (Peptid)biosynthese sich anschließend, weitere enzymatische Modifizierungen folgen können
und ungewöhnlichen Sekundärmetabolite biosynthetisiert werden. Allerdings sind bisher nur wenige Beispiele für
bakterielle Metabolite nachgewiesen. Posttranslationale Veränderungen können z. B. die Dehydratation bei
Serin- und Threonin-Bautseinen gefolgt von Michael-Addition an das gebildete Alken sein:
gene cluster
I. Dehydratation
O
O
Transkription
Translation
Precursor Peptide
(X) N XXXXXXXXXXXXXXXXX
Posttranslationale
Modifizierungen
* * * *
(X) N XXXXXXXXXXXXXXXXX
Führungspeptid
(X) N XXX
Proteolytische
Spaltung
Aktiver Naturstoff
* * * *
XXXXXXXXXXXXXX
Im Gegensatz zu NRP´s, beschränkt sich die
Auswahl von Aminosäuren auf die proteogenen!
Lit.: Natural Products Reports 2009, 26, 537-559.
O
HN
HN
O
O
O
HN
HN
O
N
O
II. Lanthionin Bildung
O
O
HN
HN
O
SH
N
O
N
O
SH
NH
H
OH
NH
ATP
HA
Cys 284
Zn His Cys330
331
S
NH
HA
O
HN
HN
O
O
O
HN
O
HN
O
O
HN
HN
N
O
SH
N
O
HS
NH
H
O
PO 2-
3
NH
HA
Cys 284
Zn His Cys330
331
N
O
S
NH
Cys 284 Zn Zn O
Cys330
His331 Cys330
D
Cys 284
His331
Me
NH
127

Beispiel: Nisin – ein Lantibiotikum (ribosomal !)
HN
Ile
O
HN
MeHN
Me
S
O
O
Leu
NH
O
O
Ala
Gly
HN
NH
Lys
O
S
Me
NH
Pro
Gly
Nisin
Leu Met Gly
O
NH
S
O
Me
Lys
O
H
N
Met
Asn
O
Me
O
HN
S
O
Val
His
Ile
Ser
Lys
NH
Ala
HN
Me
S
N
H
His
N
H
O
O
HN
O
HN
SH
O
HN
Dehydroalanin (Dha)
S
O
HN
Lantibiotika (von "Lanthionin-haltige Antibiotika") sind antibakteriell aktive Peptide mit 19 bis 38 Aminosäuren
aus Gram-positiven Bakterien (z.B. Lactococcus lactis und Bacillus subtilis) und zeichnen sich durch die
Anwesenheit nichtproteinogener Aminosäuren wie Lanthionin und Methyllanthionin mit Thioether-Verbrückung
sowie Dehydroalanin (Dha, siehe 2-Aminoacrylsäure) und (Z)-2,3-Didehydrobutyrin (Dhb) aus.
In der Biosynthese wird zunächst ein Präpeptid ribosomal aus proteinogenen Aminosäuren gebildet. Die
Dehydroaminosäuren Dha und Dhb gehen durch Eliminierung aus Serin bzw. Threonin hervor. Intramolekulare
Addition von Cystein-Resten an die Michael-Akzeptorsysteme von Dha und Dhb ergeben die Schwefelverbrückten
Aminosäuren. Schließlich werden die eigentlichen Antibiotika durch proteolytische Abspaltung
einer Erkennungssequenz aus dem prozessierten Präpeptid freigesetzt.
Nisin wirkt gegen Gram-positive Bakterien. Es scheint in die Peptidoglycan-Synthese der bakteriellen Zellwand
einzugreifen, indem es den Aufbau der Murein-Struktur unterbindet.
128

Ebenso sind Heterocyclen-Bildung von Oxazolidinen und Thiazolidinen aus Serin,
Threonin und Cystein wie bei NRP bekannt. Eine weitere wichtige biosynthetische
Veränderung sind Prenylierungen.
Strukturen
R
R
O
N
H
O
R = H, Me
Ser / Thr Prenylierung
(Cyanobactine)
N
H
O
Trp Prenylierung (ComX-
R
Signalpeptide aus Bacillus
subtilis)
N
N
H
O
H
O
O
R = diverse Seitenketten
N
Andere bekannte Prenylierungen (möglich) RPs
Biosynthese
R = H, Isopren-Einheit
PPiO
R
N
N
H
O
HN
H
N
ComX
O
R
R O H
N
H
O
R = H, Me
R
O
N
H
O
R = H, Me
Cyanobactins
129

Ferner sind die posttranslationale Bildung von Disulfidbrücken bekannt. Wichtig sind aber auch
Veränderungen der Aminosäuren an der α-Position.
Sulfid-Einbau:
Nukleophiler Mechanismus
H
N
S
O
Cys
Cys
H
N
S
O
R oder S
Sulfid-Einbau:
Radikalmechanismus
Enz
S
Cys
S
Cys
Enz
S
N
O
H
N
S
O
R oder S
Epimerisierungen
130

Weitere Seitenketten-Modifizierungen
O
H
N
O
HN
O
HO
HO
O
O
N
2
OH
H
NH
erythro-β-Hydroxy-
L-asparaginsäure (2,S,9S)-Lysinoalanin 2-Hydroxypropionyl
O
H
N
O
H 2 N
O
O
HN
Cl
4-Chlorotryptophan
O
O
allo-Isoleucin
HO
OH
2-Oxopropionyl
2-Oxobutyryl
N
O
Dihydroxyprolin
131

Bildung von Macrocyclen
Aktivierungsmechanismus
R'
(X) N
O
H 3 N
N H
NH
O
R''
OH
+
Aktivierung (ATP etc.)
H 2 N
(X) N
N H
O
R'
O
O
NH
R''
Aktivator
(X) N
HN
N
H
R '
O
O
NH
R''
Transamidierung
(X) N
+ H 3 N N H
O
R'
O
NH
R''
(X) N
H 2 N
N H
O
R'
O
NH
R''
(X) N
HN
N
H
R'
O
NH
R''
R
NH
+
HO
Ser-Enz
+
R
O
+
NH 3
Ser-Enz
+
R
O
NH 3
++ HO Ser-Enz
Pyrrolochinon-Bildung
Pyrrolochinon ist ein
bakterieller Redo-Cofaktor;
seine Bildung erfolgt über
eine Cyclisierungskaskade
aus einem Vorläuferpeptid.
O
Val-Thr-Leu
HO O
NH HO
Peptid
NH
O
Peptid
HO
O
HO
N
O
HN
O
O
O
OH
Pyrrolochinon
132

Thiopeptid-Antibiotika (enthalten ungewöhnliche Strukturelemente)
Die Thiopeptide und Thiazolylpeptide sind seit mehreren Jahrzehnten bekannt. Erst seit kurzem
ist sicher, dass es sich um ein ribosomales Peptidprodukt handelt. Diverse postribosomale
Transformationen führen zum Produkt auch der Pyridinring.
HO
HN
S
N
H
N
O
O
S
N
H
N
O
O
N
S
H
N
N
S
N
N
S
OH
HN
O
N
S
Thiocillin I
OH
O
H
N
OH
S
N
NHR
O
S
N
NH
N
S
C. Li, W. L. Kelly, Natural Product Reports 2010, 27, 153-164.
133

Lassopeptide: z. B. Capistruin (ribisomales Peptid)
Die Makrocyclisierung stellt eine Strategie der Natur dar, Peptide gegenüber erhöhten
Temperaturen,hydrolytischen Prozessen (Proteasen) und anderen Denaturierungsprozessen
zu stabilisieren.
Außerdem wird der Verlust an Entropie beim Binden an das biologische Zielprotein
verringert.
Lassopeptide sind eine relativ neue Klasse von Peptiden und besitzen eine
einzigartige 3D Struktur. Sie bestehen aus einem am N-Terminus anzutreffenden,
aus 8 bis 9-Resten bestehenden Macrolactam-Ring, (zwischen der α-Aminogruppe
von Gly oder Cys an Position 1 und dem Seitenketten-Carboxylat von Asp oder Glu
an den Positionen 8 oder 9. Zusätzlich verbleibt ein C-terminaler Schwanz, der durch
den Macrolactam-Ring reicht und dort stabil verbleibt. Man nennt diese Struktur auch
Lassostruktur. Lassopetide können die HIV-Replikation inhibieren und antiinfektive
Wirkung als RNA-Polymerase-Inhibitoren aufweisen.
134

4. 4 β-Lactam-Antibiotika
4.4.1 Penicilline
Penicillin-Biosynthese durch die Isopenicillin N-Synthase
Die Penicilline wurden um 1928 von Sir Alexander Fleming in dem Pilz Penicillium chrysogenum
entdeckt. 10 Jahre später wurde von Florey und Chain die biologische Wirkung des Penicillins
beschrieben und alle drei bekamen 1945 für ihre Arbeiten den Nobelpreis. Es gehört zu den β-
Lactam-Antibiotika. Die Struktur wurde in den 40er durch Woodward aufgeklärt.
Lediglich ein Enzym katalysiert die Biosynthese des Tripeptids zu Penicillin. Das monomere Enzym
benutzt dazu ein Fe-Ion, 1 Molekül O 2 und eine doppelte oxidative Cyclisierung von -(1-
Aminoadipyl)-L-cysteinyl-D-Valin (ACV) zu Isopenicillin N und 2 x H 2 O.
Das Tripeptid wird aus den entsprechenden Aminosäuren und ATP durch die ACV Synthase
(ACVS) erzeugt (ebenso auch Gramicidin und Cyclosporin) und nicht per ribosomaler
Proteinbiosynthese.
HOOC
L- α -Aminoadipinsäure
(Asparaginsäure)
NH 2
H
N
O
O
L-Cystein
SH
HOOC
H + O
IPNS
2
N
Fe 2+
Isopenicillin-Synthase
COOH
NH 2
Isopenicillin N
H
N
O
O
H
H
N
S
COOH
+ H 2 O
Tripeptid (ACV)
L-Valin
O
NH
β-Lactam
135

NRP-Synthase für die Synthese des Tripeptids
Die modulare Einheit der nicht ribosomalen Proteinbiosynthese.
C. A. Townsend, Chemistry & Biology, 1997, 721-730.
136

Mechanismen der oxidativen Cyclisierungen
IPNS-Fe 2+
ACV
O 2
RHN
O
H
HOOC
His
S
NH
H O
H
His
Fe(III)
H O 2 O
Asp
RHN
O
H
HOOC
His
S
NH
HO
H
His
Fe(II)
H O 2 O
Asp
β-Lactame sind sehr reaktiv gegenüber nukleophilem Angriff
R
H
N
H
S
R
H
N
H
S
RHN
RHN
H
N
O
HOOC
H
O
Nu
H
N
His
S
S
His
Fe(IV)
H 2 O
O
H
COOH
Asp
+ H 2 O
O
O
N
CO 2 H
O
O
N
CO 2 H
O
N
sp 3
H
Resonanz, die durch Überlappung
des freien Elektronenpaars am
N mit dem π∗-Orbital der Carbonylgruppe
erfolgt, reduziert den Carbonylcharakter
der Carbonylgruppe; damit wir die
Carbonylgruppe vor nukleophilem Angriff
geschützt.
Diese Resonanz ist aus
sterischen Gründen nicht möglich,
wodurch die Carbonylgruppe in β-
Lactamen sehr reaktiv (mit
Acylierungseigenschaften)
gegenüber Nukleophilen wird.
offenkettiges
Amid
O
N
sp 2
137

Penicilline, wie Penicillin G, sind basen- und säurelabil
O
H
N
O
Benzylpenicillin
(durch Großfermentation
in Anwesenheit
von Phenylessigsäure)
H
N
S
CO 2 H
Zersetzung
Im Magen
H
pH < 5
HO
pH> 8
oder ß-Lactamase
(Penicillinase)
O
NH
O
H
N
H
S
CO 2 H
Nukleophiler Angriff auf das
Amidsauerstoff-Atom des gespannten
β-Lactamrings und Ringöffnung. Die
Anwesenheit
elektronenziehender
Heteroatome in der Seitenkette
unterdrücken diese unerwünschte
Reaktion.
H
N
O
HO 2 C
Penicilloinsäure
H
HN
S
CO 2 H
O
a
O
Nukleophiler Angriff der
Aminogruppe auf das
Iminium Ion
NH
H
H
b
N
H
H
S
CO 2 H
b
pH 4
N
O
HS
O
HN
CO 2 H
Penicillensäure
HN
a
O
pH 2
H
S
O
N
Eliminierung der Thiolgruppe
führt zur Konjugation
HO 2 C
H
S
N
N
CO 2 H
die Carboxylgruppe
als interne Abgangsgruppe
CO 2 H
Penillinsäure
138

Von Isopenicillin N zu Penicillin G und V
RHN
H
H
S
H 2 N
H
H
S
PhCH 2 COSCoA
Bn
H
N
H
H
S
O
N
COOH
N
O
COOH
6-Aminopenicilansäure (6-APA)
O N
O
139
COOH
Benzylpenicillin (Penicillin G)
+ α-Aminoadipinsäure
Phenoxyessigsäure
H
H 2 N
N
O
6-APA
S
CO 2 H
O
CO 2 H
Penicillium
chrysogenum
H
H
N
S
O
O
N
O
CO 2 H
Phenoxymethylpenicillin
(Penicillin V)
Supplemation von Phenoxyessigsäure
zu einer Penicillium-
Kultur in Anwesen-heit von 6-
APA liefert Penicillin V. Durch
den Elektronenzug der
Phenoxygruppe ist dieses β-
Lactam säurestabiler und kann
oral verabreicht werden.
139

Biochemische und chemische Zugänge zu 6-APA und Seitenkettenderivaten
Chemischer
Weg
H
N
H
S
Silylierung der
Carboxylgruppe
H
N
H
S
O
O
Benzylpenicillin
N
CO 2 H
O
O
N
CO 2 SiMe 2 Cl
Penicillin
Acylase
Biochemischer
Weg
H 2 O
Me 2 SiCl 2 PCl 5
N
OBu
O
Imidylether
H
N
N
Cl
OPCl 3
Cl
S
BuOH
CO 2 SiMe 2 Cl
Chlorierung des Seitenkettenamids
über das Imidylalkohol-Tautomer
Cl
N
O
Imidylchlorid
H
S
N
CO 2 SiMe 2 Cl
H
H 2 N
N
O
6-APA
S
CO 2 H
RCOCl
R
O
H
N
O
H
N
S
CO 2 H
Der synthetische Zugang ist zur Zeit
noch der ökonomischere Weg.
140

Beispiele
für semisynthetische
β-Lactam-
Antibiotika
HO
NH 2
H
O
O
H
N
N
Amoxycill
(säureresistent,
Breitspektrum-A.)
S
CO 2 H
N
O
Cl
H
O
O
H
N
N
Cloxacillin
(β-Lactamase- und
säureresistent)
S
CO 2 H
S
CO 2 H
OMe H
141
O
O
H
N
N
CO 2 H
Temocillin
(β-Lactamase-resistent)
S
Halbsynthetische Lactam Antibiotika: Keine Naturstoffklasse synthetisch so intensiv bearbeitet (etwa 10.000
Derivate in industriellen Laboratorien erzeugt !
Vorteile : geringe Toxizität und hohe bakterizide Wirkung
Nachteile: geringe Breitbandwirkung, ungenügende Pharmokinetik (Absorption), rasche Resistenzentwicklung
Pharmakologisch wichtige Lactam-Strukturen
Sind die Lactamstrukturen
S
der Penicilline die einzigen
β-Lactame
N
Lactam-Stabilität abnehmend:
a. Monolactame mit NH
b. Monolactame mit NR
c. Lactame mit 6-Ring
d. Lactame mit 5-Ring
O
Penam
O
N
S
Cepham
N
O
O
N
S
Penem
(nicht natürlich)
H
R 1 R
N
2
O
N
Carbapenem
Außerdem: S erhöht Stabilität
O
O
gegenüber C (längere Bindung)
Clavam
Monobactam
und sp 2 -Zentren destabilisieren 141
O
N
SO3 H

Struktur der bakteriellen Zellwand
Bei Bakterien und Cyanobakterien besteht die Zellwand hauptsächlich aus dem
Peptidoglycan-Sacculus. Die Zellwand von Gram-positiven und Gram-negativen
Bakterien unterscheiden sich hinsichtlich Ausprägung des Murein-Sackes
(Sacculus) und im Schichtaufbau. Während bei Gram-positiven Bakterien die
Zellwand aus mehreren Schichten von Murein-Peptidoglucan besteht und 30 –
70% der Zelltrockenmasse ausmacht, ist die Zellwand von Gram-negativen einoder
maximal zweischichtig und beträgt nur 10% der Zelltrockenmasse. Bei den
Gram-negativen ist dem Murein-Netz eine äußere Wandschicht aufgelagert
(äußere Membran). Die in der äußeren Membran eingelagerten Porine besitzen
für die Stoffaufnahme eine wichtige Funktion. Die Lipopolysaccharide sind als
Endotoxine verantwortlich für die Pathogenität.
142

Struktur der bakteriellen Zellwand
Die Zellwand der Bakterien unterscheidet sich prinzipiell von denen von Pflanzen oder Säugetieren.
Peptidoglycane bestehend aus iterativ wechselnden Einheiten von N-Acetylglucosamin und N-
Acetylmuraminsäure und Peptidstummeln (gebunden an der N-Acetylmuraminsäure) bestehend aus L-
Alanin, D-Glutamin, L-Lysin und D-Alanin sind über Pentaglycin-Ketten über Lysin des einen Peptids zum
D-Alanin des nächsten Peptids quervernetzt. So entsteht ein stabiles Netz, das die bakteriellen Zelle
zusammenhält. Wird der quervernetzende Schritt blockiert (z. B. durch Peniciline), so ist die bakterielle
Zelle nicht überlebensfähig, sondern läuft aus aufgrund des osmotischen Drucks.
O
HO
O
OH
N-Acetylglucosamin
O
NH
Me
N-Acetylmuraminsäure
(O-Lactyl-N-acetylglucosamin)
OH
O
O
Me
L-Alanin
O
O 2 C
iso-D-Glutaminsäure
D-Alanin
L-Lysin
O
Me
HN
HN
NH
NH
CO 2
O
NHAc
O
Me
O
O
NH 3
G
M
N-Acetylglucosamin
N-Acetylmuraminsäure
(O-Lactyl-N-acetylglucosamin)
L-Alanin
D-Glutamin
L-Lysin
D-Alanin
Pentaglycin Brücke
Modell gilt für
Gram-positive
Bakterien
M
G
M
M
G
G
M
M
M
G
G
G
M
M
M
M
G
G
G
G
M
M
M
M
G
G
G
G
M
M
M
G
G
G
M
M
G
G
M
G
143

Unterschiede der bakteriellen Zellwand (Gram-negative vs. Gram-positive)
Gram-negative: Die Peptidoglykanschicht (Murein; lat.
Murus = Wand) ist ein Polymer. (bis 20-lagig und
wahrscheinlich 3D-vernetzt). Sie wird ständig auf- und
abgebaut. Sie gewährleistet osmotische Stabilität des
eingeschlossenen Protoplasten (5-15% der Zellwand
stellt das Petidoglykan dar). Bei Gram-negativen
Bakterien ist auf diese Peptidoglykanstruktur eine
Doppellipidmembran geschichtet, die eine Anfärbung
verhindert. Gram-positive Bakterien besitzen diese
Lipischicht nicht. Sie ist etwa 20 nm dick (40-50% der
gesamten. Zellwand). D/L-meso-DAP dient hier als
quervernetzendes Element (z. B. E. coli).
Gly 5
O 2 C
NH 3 CO meso-Diaminopimellinsäure (DAP)
2
NH 3
GMG
L-Ala
G-Glu
meso-
DAP
D-Ala
GMG
L-Ala
G-Glu
meso-
DAP
D-Ala
D-Ala
Bei der Vernetzungs-/Spaltungsreaktion sind
mehrere Enzyme beteiligt:
Abbau
L,D-Carboxypeptidase
H N L
OH
R 2 N D
H
O Me R 1 O
D,D-Carboxypeptidase
D-Ala
H H N L
N
R 2 N D
H
Vernetzung
D
O Me R 1 O Me
D-Ala
H H N L
N
R 2 N D
H
+
D-Ala
O
H N L
R 2 R 1
H 2 N
CO 2 H
D,D-Transpeptidase
D
O Me R 1 O R 3
quervernetztes Peptid
O
R 4
+
Me
D-Ala
Endopeptidase
CO 2 H
H 2 N
H 2 N
+
Spaltung der D-Ala-DAB Peptid-Bindung
OH
Peptidkette
mit terminaler
Diaminopimelinsäure
D
R 3
O
Me
D-Ala
R 4
CO 2 H
144

Wirkungsweise der β-Lactam-Antibiotika
β-Lactam-Antibiotika wirken antibakteriell, da sie die Zellwandbiosynthese von Bakterien im letzten
Schritt blockieren. Die Inhibierung der Penicillin-Bindeproteine führt dazu, dass die Quervernetzung der
Peptidoglycan-Ketten verhindert wird. Hierbei spielt eine Peptidbindungsbildung eine Rolle bei der eine
Acyl-D-Ala-D-Ala–Einheit entscheidend ist. Die D-Ala-D-Ala Einheit wird konformatorisch vom Penicillin
widergespiegelt (siehe unten). Die β-Lactame a) inhibieren die membrangebundenen Proteine durch
direkte Bindung und b)verändern sie schon vorher die Konformation der beteiligten Enzyme.
I. Wirkweise des Penicillin Bindeproteins
Wachsende Peptidkette:
Peptid-D-Ala-D-Ala
Nukleophiler Angriff der OH-Gruppe
des Serins im aktiven Zentrum und
Hydrolyse der Amidbindung
Bildung der neuen Amidbindung
unter Esterspaltung
Peptid
H N
O O
OH
Ser
Me
H
N
Me
H
CO 2 H
Peptid
H N
Me H2 N
O O
O
H
Ser
O
Peptid
H Peptid
N
O O
Me
N H
Quervernetzte Peptidkette:
Peptid-D-Ala-Gly-Peptid
O
Peptid
Modell (durch Molekülrechnungen
bestimmt):
Deshalb ist die (D)-Konfiguration
am Carboxylgruppen-tragenden
C-Atom im 5-Ring entscheidend
R
H
O
N
Me
D
O
H
Me
N
H
D
H
O
O
zum Vierring
zusammengefasst
Isosterie
R
H
O
N
Me
O
S
H
N
H
Me
D
H
O
O
145

Wirkweise von β-Lactam-Antibiotika auf das Bindeprotein
Typische Substruktur in
in ß-Lactam Antibiotika
R
H N
O O
Weg A
R
R
H N
O O
H H Hydrolyse der H N S ß-Lactam R N
Amidbindung
O N O O O
Ser
Ser
Ser
H
OH
und weiterer (chemischer) Abbau:
H
S
NH
O
CO 2
Desacylierung
(langsam)
H
S
NH
O
CO 2
CO 2
Weg B
analog zu
Retro-Aldol
Fragment der
Seitenkette
R
H N
O O
Esterhydrolyse
R
H N
O O
Ser
Ser
O
OH
H
+
S
NH
O
CO 2
O
N
HN
S
CO 2
HS
Penicillin / Cephalosporin
werden irreversibel an das
Enzym gebunden
H 2 O
CO 2
N-Formyl-
D-Penicillamin
via
HN
S
CO 2
Penicilloinsäure
146

β-Lactamasen- die bakterielle Antwort
Resistenzen gegen Penicillin entstehen, wenn -
Lactamasen (mehr als 30 bekannt) den gebildeten Ester
aus Serin und Penicillin wieder hydrolysieren und damit
das Enzym wieder „befreien“. Diese Lactamasen sind
sowohl chromosomal als auch plasmidal kodiert.
Die Permeabilität der äußeren Membrane für β-Lactam-
Antibiotika ist ein weiterer Resistenzmechanismus
(wichtig bei Gram-negativen Bakterien bei denen die
Porenbildung (Porine) und die Lipophilie verändert
werden.)
RHN
O
N
TPase­Ser­OH
(Wirkung der
Antibiotika)
S
COOH
RHN
RHN
O
HN
O
TPase­Ser
­Lactam­
Hydrolyse durch
­ Lactamase
Penicilloinsäure
HN
S
S
COOH
Schließlich kennt man auch Veränderungen des Targets,
hervorgerufen durch strukturelle Veränderungen der
Bindeproteine.
HO O
COOH
+ TPase­Ser­OH
Als Antwort auf diese Resistenzen sucht man nach Kombinationspräparaten aus Antibiotika und
Inhibitoren gegen wirkstoffinaktivierende Enzyme von Bakterien. Außerdem sucht man nach Strukturveränderten
β-Lactam-Antibiotika.
Der Prototyp eines β-Lactamase-Inhibitors ist Clavulansäure, welches das erste aus Kulturfiltraten von
Streptomyces clavuligerus isolierte -Lactam-Antibiotikum mit einem -Lactam-Oxazolidin-Ringsystem
(Clavam).
147

β-Lactamasen-Inhibitoren – die (menschliche) Antwort
Zur Unterdrückung der Resistenzen werden Verbindungen eingesetzt, die zu einer irreversiblen
Veränderung der -Lactamasen (hier als Enz-Nu gekennzeichnet) führen. Strukturelle Merkmale von β-
Lactamase-Inhibitoren sind der β-Lactam-Ring und eine ausreichende Säurestärke in der 6α-Position, um
an der nachfolgenden Eliminierungsreaktion teilnehmen zu können.
O
β-Lactamase
Enz-Ser-OH
OH
O
H
N
O
CO 2 H
Clavulansäure
H
N
S
CO 2 H
OH
O
HN
O
Enz-Ser
Kommerzielle β-Lactamase Inhibitoren
NHR
Thienamycin R=H (Merck)
Imipenem R=CH=NH
(Merck, 1985 eingeführt)
O
O
OH
CO 2 H
H
N
H
OH
S
CO 2 H
β-Lactamase
Enz-Nu
O
O
Enz-Ser
NH
O
Meropenem (Zeneca, 1998)
N
O
CO 2 H
NMe 2
O
irreversible
Enz-Nu
Inaktivierung
OH
O
OH
O
HN
O
CO 2 H
Enz-Ser
O O
H O H
O N
S
S
N N
N
CO 2 H
Sulbactam
O
N
CO 2 H
Tazabactam
oder
β-Lactamase
Enz-Nu
O
H O
O
O
O
H
O
S
S
S
N
N
HN
O
O
O
β-Lactamase
CO 2 H
Enz-Ser-O
CO 2 H
Enz-Ser-O
CO 2 H
Enz-Ser-OH
Sulbactam
C=N hydrolysiert
O (semisynthetisch) leicht zu
2 S
OHC-CH 2 -CO 2
+
H 2 N
CO 2 H
β-Lactamase
Enz-Nu
O
O
S
O 2 C HN
CO 2 H
148

4.4.2 Cephalosporine
Cephalosporine werden aus Cephalosporium acremonium isoliert. Sie sind säurestabiler und durch
Lactamasen weniger angreifbar als Penicilline. Allerdings ist ihre Bioverfügbarkeit geringer als bei
Penicillinen, was ihre geringere Aktivität erklärt. Mechanistisch verlaufen Inaktivierungen durch
Lactamasen ähnlich wie für die Penicilline beschrieben. Cephalosporine besitzen zwei Positionen für
Derivatisierungen. Da die Fermentationen nicht so ergiebig sind wie bei Penicillin, sind sie teurer.
Biosynthese:
S
H 2 N
H
N
H
S
Epimerase
H 2 N
R
H
N
H
S
H
S
CO 2 H
Isopenicillin N
O
O
N
CO 2 H
CO 2 H
O
N
O
Penicillin N
CO 2 H
N
CO 2 H
H 2 N
CO 2 H
Desacetylcephalosporin
C
H N
O O
H
N
S
CO 2 H
Hydroxylierung der
Methylgruppe
O 2
2-Oxoglutarat
H 2 N
O 2
2-Oxoglutarat
H
N
OH
CO 2 H
O
O
H 2 NCOP
Carbamoyl P
H
N
S
CO 2 H
H
N
S
H
Ringerweiterung
(möglicherweise)
über freie Radikale
CO 2 H
Acetyl-CoA
O 2 / 2-Oxoglutarat
Esterbildung
Hydroxylierung / Methylierung zur
Einführung der 7 -Methoxygruppe
SAM
H H
1
H 2 N
N
7 6
S
OMe
2
H H
H CO 2 H O N O
2 N
N S
4
3
O 8
5
CO CO 2 H O
2 H O N O NH 2
O Cephalosporin C
CO 2 H
O
Abspaltung der Seitenkette bisher wi beim
Cephamycin C
Penicillin chemisch möglich aber nicht biochemisch
149

Cephalosporine werden nach „Generationen“ eingeteilt, d. h. nach ihrem Zeitpunkt an dem sie entwickelt
bzw. in den Markt geführt wurden. Eng verknüpft mit dem Zeitpunkt ist ihr Wirkspektrum.
1. Generation (parentale Präparate)
- aktiv gegenüber Gram-positiven Bakterien
- kaum aktiv gegenüber Gram-negative Bakterien
- ähnliche Aktivität wie Ampicillin
- anfällig gegenüber einigen Lactamasen
2. Generation (injizierbare Präparate)
- aktiver gegenüber Gram-positive Bakterien als die 1. Generation
- bessere Resistenz gegenüber β-Lactamasen
3. Generation
- Gram-negative Bakterien werden adressiert
- weniger aktiv gegenüber Gram-positiven Bakterien
- Aminothiazolring ist strukturell häufig vertreten; auf diesen reagieren Gram-negative Bakterien
sensibel
- O-substituierte Oxime sind ebenfalls häufig und erweisen sich als modulierend für die antibiotische
Wirkung (β-Lactamase Resistenz)
- syn-Stereochemie ist wichtig
. Generation
- breitspektral inklusive
Staphylokokken,
Enterobacteriaceae
und Pseudomonas
aeruginosa
N
H 2 N
MeO
N
H
N
S O O
Cefpirome
H
N
S
CO 2
N
N
H 2 N
MeO
N
H
N
S O O
Cefepime
H
N
S
CO 2
N
Me
150

4.4.3 Clavame (Biosynthese)
HO
HO
OH
NH
H 2 N
N
NH 2
H
CO 2 H
Glycerin
N
O
N
H
CO 2 H
L-Arginin
NH
NH 2
O 2
2-Oxoglutarat
O
Seitenkettenoxidation
β-Alanin in Bakterien durch
Aspartat-Decarboxylase
(β-Alanin in Pantothensäure !)
N
HO 2 C
OH
CO 2 H
N
H
NH
H N N
NH 2
H
CO 2 H
2 epimerizations
Guanidin-Hydrolyse
NH
NH 2
O
OH
N
NH 2
CO 2 H
Proclavaminsäure
1. oxidative
Deaminierung
H
H H 2 N
zum Aldehyd
H
HO
O 2
O
O 2
O
2. Epimerase (2x)
O
2-Oxoglutarat
NH 2 2-Oxoglutarat
3. NADPH + H +
N
N
N
O
O
O
CO 2 H CO 2 H
Epimerisierung
CO 2 H
über Keto-Enol-
Dihydroclavaminsäure
Clavaminsäure
Tautomerie
Ring bildet sich
Clavulansäure
Ringöffnung
erneut mit
H
umgekehrter
H
O
Stereochemie
CHO
O
CHO
O
CHO
N
N
N
O
O
O
CO 2 H
CO 2 H
CO 2 H
Epimerisierung:
151

4.4.4 Thienamycin (Biosynthese)
Kennzeichnend sind eine Carbapenem-Struktur (im Fünfring eine Doppelbindung, aber kein Schwefel-
Atom), trans-Stellung der H-Atome am -Lactam-Ring und eine 2-Aminoethylthio-Seitenkette am
Dihydropyrrol-Ring. Es wurde als ein -Lactamase-Inhibitoren aus Kulturen von Streptomyces cattleya
isoliert; wird heute aber jedoch vorwiegend chemisch synthetisiert. Thienamycin ist als -Lactamase-
Inhibitor und Breitbandantibiotikum gegen Gram-positive und -negative Erreger einsetzbar, ist jedoch
extrem instabil (nukleophile Seitenkette, die Aminogruppe als „Selbstmördergruppe“), weshalb chemisch
stabilere, synthetisch erzeugte Derivate verwendet werden.
Claisen-Typ-Reaktion
PO
Acetyl _ CoA
O
L _ ATP
Glu
O CoAS
H2 N
CO 2 H
γ _ Glutamylphosphat
O H2 N
CO 2 H
Bildung der Schiff´schen Base
O
N
CoAS
CO 2 H
Hydroxyethyl-Seitenkette
aufgebaut durch zwei SAMabhängige
C-Methylierungen
HO
H
H
S
N
O
CO 2 H
Thienamycin
NH 2
Oxidation,
SAM, SAM,
L-Cys
an Position 2
O
6
H H Bildung des
H
β-Lactamrings
2
O
N N HN
CoAS
O
CO 2 H
CO 2 H
CO 2 H
152

4.4.5 Monobactame (Aztreonam)
Natürliche Monobactame aus Pseudomonas-, Acetobacter-, Gluconobacter- und Chromobacter-Arten sind
meistens nur von geringer antibiotischer Aktivität, wogegen allerdings eine Reihe synthetischer Monobactame
wie Aztreonam therapeutische Bedeutung besitzt. Die bakterizide Wirkung beruht auf der hohen Affinität zum
Penicillin-bindenden Protein PBP 3 mit daraus resultierender Hemmung der Zellwandsynthese des
Bakteriums. Natürliche Monobactame besitzen nur schwache Wirkung. Die Seitenkettenmodifizierung ist
notwendig, so dass alle Vertreter synthetisch gewonnen werden.
Biosynthesen
H 2 N
A.
OH
Amid-Bildung und Überführung der Hydroxylgruppe
in eine geeignete Abgangsgruppe
OX
H 2 N
H 2 N
NH O
N
CO 2 H CONH 2 O
O
L-Serin
NH 3 -Quelle
H
N
OMe
SO 3 H
SQ 26,180
(einfachstes natürliches Monobactam)
Aztreonam
B.
L-Tyr
HO
NH 2
CO 2 H
H 2 N
OH
CO 2 H
H 2 N
CO 2 H
OH
L-Tyr
Oligopeptid-Aufbau; die Konfiguration
im 4-Hydroxyphenylglycin wird im
Verlaufe invertiert
L-4-hydroxyphenylglycine L-Ser L-4-hydroxyphenylglycine
S N 2 Austausch; normalerweise liefert SAM
seine S-Methylgruppe, hier wird der Aminosäureteil
übertragen
H 2 N
CO 2 H
SAM
S
Ad
HO
Me
D
NH 2
L
O
O
H
N
N
D
CO 2 H
OH
CO 2 H
D
H 2 N
weitere Modifizierung beinhaltet
Epimerisierung des chiralen Zentrums
in der Methionin-basierten Seitenkette
O
N
OH
O
Nocardicin A
H
N
O
N
CO 2 H
OH
153

4.5. Chemische Synthesen von β-Lactam-Antibiotika
4.5.1 Prinzipielle Synthesestrategien zur β-Lactambildung
X
H
R 1
1. Cyclisierung von Aminosäuren
a. DCC-Methode
X
O
H
OH
R 1
NHR
b. Mitsunobu-Ansatz
BocHN
O
H
OH
OH
DCC, 4-DMAP
R 1
R 2
X
O
Cy
1. H 2 N OCH 2 Ph
2. DCC, 4-DMAP
H
N
H
R 1
NHR
O
N
BocHN
O
Cy
H
OH
NH
R 1
R 2
NR
O
NMe 2
H
X
N
O
N
R 1
NHR
NMe 2
Ph 3 P, CCl 4 / Et 3 N oder
Ph 3 P, EtO 2 C CO 2 Et
N N
DEAD
OBn
Inversion !
BocHN
H
H (R 1 )
R 2
O
N
OBn
154

Mechanismus der Mitsunobu-Reaktion
Beispiele:
155

2. [2+2] – Cycloaddition
Als Einzelbausteine dienen Ketene und Imine. Ketene besitzen kumulierte
Doppelbindungen und gehen deshalb thermisch [2+2]-Cycloadditionen ein. Dieses stellt
ein sehr direkter Zugang zu β-Lactamen dar; der Prozess ist kinetisch getrieben, was für β-
Lactam-Bildung von Vorteil ist (im Gegensatz zu thermodynamischer Kontrolle).
R R 1
Imine: RCHO + H 2 NR 1 N
Ketene:
Cl
R 2
O
Et 3 N
O
R 2
O
N
O
O
+
Cl
H
N
O
Me
O
Me
PhthN
H
O
Me
O
Me
1. CH 3 NHNH 2
2. PhCH 2 OC(O)Cl
3. TsOH, THF, H 2 O
4. NaIO 4 , CH 3 OH
CbzHN
CHO
aus Glycin
MeO
OMe
O
N
OMe
O
N
DMB
aus Glycerinaldehyd
D­ Mannose
OMe
DMB= Dimethoxybenzyl
Phth= Phthalimid
Cbz = Benzyloxycarbonyl
156

Als Einzelbausteine können auch elektronenreiche Alkene und Isocyanate dienen. Auch
Isocyanate besitzen eine kumulierte Doppelbindung und sie können deshalb auch
thermisch für [2+2]-Cycloadditionen eingesetzt.
Alkene:
X
X= nicht elektronenziehend
z. B. gehen OAc, SR, OR
Isocyanate:
O
N
R 1
OAc
OAc
H 3 O
OAc
O
N
SO 2 Cl
O
N
SO 2 Cl
O
N
H
Chlorsulfonylisocyanat
(kommerziell verfügbar,
sehr reaktiv)
Obwohl [2+2]-Cycloadditionen einen sehr direkten Zugang zu β-Lactamen erlauben, gibt
es kaum gute Methoden, um diese enantioselektiv zu führen.
157

3. Enolat - Imin Kondensation
Das Konzept nutzt die gleichen Startmaterialien wie das Konzept 2 aber besitzt größere
synthetische Flexibilität und bessere Möglichkeiten zur Stereokontrolle.
Me
H 2 N
Nocardicin-Vorläufer
Me
Si
N
Si
Me
Me
OBn 1. LDA
+ H NC N
2. H N
CO 2 Et
O
OBn
H
H
(> 95% ee)
72% Ausbeute
OBn
+ anti - Addukt
OBn
Mechanismus:
NC
H
LDA
N R N C
N R H 2 C NR
Me
und :
Me
Si
N
Si
Me
Me
CO 2 Et
1. LDA
2. ZnCl 2
- 78°C
H
Me
Me
1.
R'N NR
Si
Si
Me
Me Me
-78°C
rt
H
Si
N H
N
2. H Si
2 O
Me
Me
ZnCl
Me
R'
N
EtO
O
O
R
anti
158

4. Übergangsmetall – vermittelte β-Lactambildung
159

5. Andere Methoden
OH
OH
Keine Eliminierung
Von H 2 O, da sp 2 Hybidisierung
in Dreiringen nicht begünstigt ist
Diese Ringerweiterungs-
Strategie hat aber keine
praktische Bedeutung
gewonnen.
H 2 NR
OH
t-BuO-Cl
OH
NHR
NR
O
NR
O
Cl
O
Cl
NHR
Alkylierung: Dieser
Prozess ähnelt prinzipiell
dem Mitsunobu-Ansatz
160

4.5.2 Chemische Synthesen von Penicillinen
Prinzipiell spielen alle Synthesekonzepte eine Rolle bei der Erzeugung der unterschiedlichen
β-Lactame: a) Isolierung und Semisynthese, b) Umbau bestehender Lactame in andere
Lactam-Klassen und c) Totalsynthese. Keine Naturstoffklasse wurde synthetisch so intensiv
bearbeitet wie die β-Lactame und daraus resultierten viele halbsynthetische Antibiotika.
Im 2. Weltkrieg arbeiteten etwa 1000 Chemiker in Industrie und Akademia an der
Bereitstellung ausreichender Mengen von Penicillin. Im Jahr 1945 wurde die Struktur durch
Röntgenstrukturanalyse aufgeklärt. Wegen der chemischen Labilität hielt man die chemische
Synthese als nicht durchführbar.
a. Die klassische Synthese (Sheehan, J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 1262); Beginn bereits 1948 !
Retrosynthese
Als weiteres
Ergebnis aus der
Synthese fand
Sheehan DCC
als Kondensations-
Reagenz und
die Phthalimid-
Gruppe als
N-Schutzgruppe.
PhO
N
O
H
N
Lactam­Bildung
6
O
H
6
7
O
O
t­BuO 2 C HN
H H 1
H H H
S
N
S
Me PhO
H
N
3
S
2
4 5
CO 2 H
CO 2 H
Penicillin V
4
Ring
Bildung
Me
Me
Me
O
O HO 2 C HN
N
O
O
CHO
O­tBu
+
CO 2 H
HS
Me
Me
HCl * H 2 N
Me
Me
CO 2 H
D­Penicillamin
Hydrochlorid
161

Retrosynthese
H
H
N
PhO
6
7
O
O
Lactam-Bildung
H
2
N
3
1
S
5
4
CO 2 H
Me
Me
PhO
O
H
H
N
HO 2 C
H
HN
S
Me
Me
CO 2 H
Penicillin V
O
O
H
H
N
6
t-BuO 2 C HN
S
4
Ring
Bildung
CO 2 H
Me
Me
O
N
O
O
HS
Me
CHO
+
Me
HCl
*
H 2 N
CO 2 H
O-tBu
D-Penicillamin
Hydrochlorid
Die Realisierung
a. Synthese von D-Penicillinamin Hydrochlorid
Konzept:
162

Synthese:
NH 2
Me
CO 2 H
Me
Cl
O
Cl
Me
Me
HN
O
CO 2 H
Cl
Ac 2 O
Me
Me
HN
O
O
O
O
Cl
Me
Cl
Cl
H
Me
Me
N
Me
O
OAc
O
Me
N
H
Me
O
O
Base
H
N
Me
Me
O
O
Me
N
Me
O
O
H 2 S
Addition
HS
N
Me
Me
Me
O
O
MeO
HS
HN
Me
Me
Me
O
CO 2 Me
HCl,
Aceton
HN
Me
Me
CO 2 H
Me
S
Me
HCO 2 H
OHC
N
Me
Me
CO 2 H
Me
S
Me
1.Umkristallisieren
mit Brucin
2. HCl
CO 2 H
ClH 3 N
Me
HS
Me
D-Penicillinamin
Hydrochlorid
163

. Synthese des 2. Bausteins und Abschluss der Synthese
N
O
1. t­BuONa
2. t­BuOCHO
N
O
+
CHO
ClH 3 N
HS
CO 2 H
Me
Me
D­Penicillinamin
Hydrochlorid
O
t­BuO 2 C
O
t­BuO 2 C
NaOAc,
EtOH, H 2 O
1. N 2 H 4 , 13°C
2. HCl, H 2 O
O
O
H
N
t­BuO 2 C
H
HN
S
Me
Me
+
O
O
H
N
t­BuO 2 C
H
HN
S
Me
Me
CO 2 H
CO 2 H
HCl
H 2 N
H
H
t­BuO 2 C HN
1. KOH (1 Äqu.)
2.
S
N C N
CO 2 H
Me
Me
(4 Äqu.), Dioxan, H 2 O,
10­12%
PhOCH 2 COCl,
Et 3 N
70%
OPh
O
C 6 H 11 N
H
H
N
O
H
O
H
N
H
H
PhO t­BuO 2 C HN
H
N
O
H
NHC 6 H 11
S
CO 2 K
Me
Me
S
CO 2 H
Me
Me
OPh
O
1. HCl, CH 2 Cl 2 , 0 °C
2. Pyridin, (CH 3 ) 2 CO, H 2 O
H
N
O
~100%
Kaliumsalz von (+)­Penicillin V
H
H
N
S
CO 2 K
PhO
Me
Me
OPh
O
H
N
H
HO 2 C
N
H
H
HN
H
164
S
CO 2 H
S
Me
Me
Me
HN Me
O
O
CO 2 H
Nebenprodukt
durch Azlactonisierung

4.5.3 Synthese von 6-Aminopenicillansäure (6-APA)
H
H
H 2 N
HO 2 C HN
S
Me
Me
CO 2 Bn
Ph 3 CCl,
Et 2 NH
H
H
Ph 3 CHN
HO 2 C HN
S
Me
Me
CO 2 Bn
Me
Me
Me
N C N Me
67%
Ph 3 CHN
O
H
H
N
S
Me
Me
CO 2 Bn
1. H 2 , Pd
2. HCl, H 2 O
H 2 N
H
H
S
Me
N
Me
O
CO 2 H
6-Aminopenicillansäure (6-APA)
165

4.5.4 Synthese des Cephalosporin-Grundkörpers aus Penicillinen
nach Morin 1963
J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 1896 – 1897.
H
O
H
H
R
N
S
R
N
Ac S
2 O
CH 2 OAc
Analogie zur
O
N
O
N
Pummerer-Reaktion
O
O
Sulfoxid
CO 2 H
CO 2 H
verschiedene Oxidationsmittel
wie mCPBS, oder NaIO 4
Pummerer Reaktion
CH 3 C O O
CCH 3
H
CH 3
O
OAc
O
O
O
O R 1 OCCH
S R 1
3
R
S
R 1
S
R 1
S
R R 2 R 2 2
R 1
OAc
SR
Mögliche
Pummerer-
Variante
166

Thermische Ringöffnung des Sulfoxids
R
O
H
N
O
H
H
N
O
S
H
CO 2 H
R
O
H
N
O
N
S
CH 3
CO 2 Me
R
O
H
N
O
H
N
sehr instabile
Sulfensäure
OH
S
CH 2
CO 2 Me
H
N
SH
S
Alternatives
Abfangen der
empfindlichen
Sulfensäure
R
O
H
N
O
N
N
S
S
S
Br 2 , OH
CH 3
CO 2 Me
R
O
- H 2 O
H
N
O
N
S
H CH 3
OH
CO 2 Me
H
R
H
N
S
O
O
N
CO 2 Me
167

Totalsynthese nach Merck (Merck, Sharp & Dohme)
168

4.5.5 Synthesen von Thienamycin
1. Thienamycin-Synthese ( Synthese: J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6163;
Isolierung: J. Antibiot. 1979, 32, 1 und J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 6491)
Retrosynthese (späte Bildung des 5-Rings, enantioselektiv, Seitenkette spät einführen,
um leicht Analoga zu erzeugen)
Me
C­C Bindungsbildung
O
OH
H H
1
8 6 5 2
S
N
O 7 4 3
CO 2 thienamycin
H
NR
Me 3 Si
H
I
+
S
+
S
NH 3
Konjugierte
Addition­
Eliminierung
O
Me H
Acetaldehyde
S
S
H
Me
OH
H
O
H
N
Carben Einschub
Me
O
CO 2 pNBn
pNBn = CH 2 C 6 H 4 ­p­NO 2
OH
H
Aldol
KondensationO
SiMe 3
H
NR
OH
O
R = SiMe 2 t­Bu
Me
Me
OH
H
O
OH
H
8
O
6
H
N
H
H
NH
N 2
Diazo
Insertion
H H H CO2 H
CO 2 Bn
CO 2 Bn
O
CO 2 pNB
C­C Bindungsbildung
O
CO 2 pNBn
O
NR
O
NH BnO 2 C NHSiMe 3
HO 2 C NH 2
Lactam
Bildung
L­Asparaginsäure
169

O
Realisierung
1. t­BuMgCl (1.0 equiv.),
H Me 3 SiCl, Et 3 N, H Et 2 O, 0 25 °C
H
CO 2 Bn Et 2 O, 0 °C
CO 2 Bn 2. 2 N HCl, NH 4 Cl
CO 2 Bn
BnO 2 C NH
N­Schutz
65­70%
2 BnO 2 C NHSiMe 3 über alle Stufen
NH
O
Cyclisierung
H
nach Deprotonierung;
1. CH H
3 SO 2 Cl, Et 3 N,
Desilylierung
OH CH 2 Cl 2 , 0 °C
2. Nal, (CH
t­BuMe 2 SiCl, Et 3 N, DMF
3 ) 2 CO,
O
NH
Alkyliodid­
Bildung
O
NH
50% von
L­Asparaginsäure
N­Schutz
O
H
NR
NaBH 4 , MeOH
chemoselektive
Reduktion
Li
S
S
THF, ­78 °C
SiMe 3
70 ­ 80%
R = Sit­BuMe 2 Funktionalisierung
mit Acylanionen
Äquivalent
R =
H S
LDA, THF,
O
H H S K­Selectride, Kl, HO
­78 °C; then
Et
Me
2 O, 25 °C
H H S
O
S
NR
S
87% Me
NR
SiMe 3 Me N N
O
SiMe 3 Reduktion
S
NR
O
SiMe
Sit­BuMe 3
2 82%
R = Sit­BuMe 2
9:1 Verhältnis
Seitenkettenfunktionalisierung
R = Sit­BuMe 2
mit Säurechlorid­
Äquivalent
L­Selectride:
LiBH(i­Bu) 3 (sterisch anspuchsvolles Hydrid für die Reduktion von z. B. Ketonen)
ausserdem N­Selectride (Natrium­Salz) und K­Selectride (Kalium­Salz)
170

Realisierung
Me
HO
H
O
H
NR
S
S
SiMe 3
HgCl 2 , HgO,
MeOH, H 2 O, ∆
93%
Me
HO
H
O
H
NR
O
SiMe 3
H 2 O 2 , MeOH,
H 2 O
76%
Me
HO
H
O
H
NR
O
OH
R = Sit-BuMe 2
Im 2 CO,
THF, 25°C
Me
HO
H
H
O
Mg(O 2 CCH 2 CO 2 pNBn) 2 ,
THF, 25°C
86%
Me
HO
H
H
O
1. HCl, MeOH (>90%)
2. p-HO 2 CC 6 H 4 SO 2 N 3 , Et 3 N,
CH 3 CN, O°C 20°C (90%)
O
NR
N
O
NR
CO 2 pNB
N
pNBn = CH 2 C 6 H 4 -p-NO 2
Me
HO
H
O
H
NH
N 2
O
Rh(OAc) 2 (kat.)
Toluol, 80°C
CO 2 pNB
quant.
Me
HO
H
O
H
N
1. ClP(O)(OPh) 2 , 4-DMAP (kat.)
i-Pr 2 NEt, CH 3 CN, 0°C
NHCO 2. HS
2 pNB
i-Pr O
2 NEt, CH 3 CN, 0°C
Me
3. Pd/C, H 2 70%
CO 2 pNB
HO
H
O
H
N
NH 3
S
CO 2
171

O
2. Thienamycin-Synthese
Zunächst wird der β-Lactam-Ring aufgebaut und anschließend der zweite Ring. Es müssen
Reaktionen gewählt werden, die im pH-Bereich zwischen 6 und 8 gelingen, da sonst der β-
Lactam hydrolytisch öffnet.
Me
Me
OBz
H
O
OBz
H
O
N
H
SO 2 Cl
NH
H
N
OAc
S
S
CO 2 Me
1. ∆
2. H 3 O
3. Pd/C, H 2
4. NaOMe
Acetat etwas labiler
unter basischen Be-
O
dingungen als das Amid
(aber das bicyclische
Amid würde sofort hydrolysieren!)
N
H
N
H
O
O
NO 2
NO 2
NH
OH
1. (MeO 2 C) 2 CO
2. SO 2 Cl, PPh 3
1. Me 2 C(OMe) 2 , H 3 O
2. LDA, MeCHO
3. PhCOCl, Et 3 N
OBz
4. H 3 O
H
H
1. HSCH 2 CH 2 NH-R
5. CrO O
3 2. Et 3 N, Br 2
Me
R= C(O)CH 2 p-nitrophenyl
NH
H
1. Thiocetal-Bildung
O
2. Eliminierung von HSR
nach Br + Angriff auf ein SR
Me
OBz
H
O
H
N
MeO 2 C
1. iPr 2 NH,
OH
H
H
2. LiI
3. Pd/C, H 2 Me
1. Doppelbindungs-
N
O
migration
2 und 3. Hydrolyse der
Schutzgruppen
S
CO 2 Me
S
CO 2 Me
N
H
O
NH 2
NO 2
1. NEt 3 , Br 2
2. AgF
3. LiI
1. Br + Angriff auf Olefin,
dann Enol des Malonsäureesters
auf Bromonium
Kation
2. HBr-Eliminierung
3. Esterhydrolyse und
Decarboxylierung
Me
OH
H
O
H
N
O
Diastereomere
werden auf dieser
Stufe getrennt
(der 6-gliedrige Ring
reduziert die Gefahr
der Lactam-Hydrolyse)
NO 2 172

4.5.6 Norcardicin-Synthese
O
N
O
COCl
Et 3 N
O
N
O
O
SMe
OR
N
CO 2 Me
64 %
SMe Substituent
aktiviert die Schiff´sche
Base
O
O
N
O
N
SMe
CO 2 Me
OR
O
Raney-Ni, H 2
37 %
O
N
O
N
CO 2 Me
OR
1. LiI
2. H 2 NNHMe
40 %
O
O
Me
I
H 2 N
O
N
CO 2 H
OR
Basen würden zur Spaltung
des Lactamrings führen
173

β-Lactame, wie Tazobactam, denen die Aminogruppe am Lactam-Ring fehlen und die am Schwefel
oxidiert sind, zeigen β-Lactamase Eigenschaften. Ein Beispiel für die Entfernung der Aminogruppe
ist im Folgenden gezeigt.
O
O
S
S
S
S
S
Cl
SH
N 3
NaN Cl
S
3 CuCl
N
S
N
N
O
N
N
O
CO 2 PNB
CO 2 PNB
O
CO 2 PNB
CO 2 PNB
KMnO 4 PNB = p-NO 2 C 6 H 5 CH 2
O
N=N
S
Br
S
Br
S
Br
Br
HIO 4 PNBCl
O
S
O
N
O
N
O
N
Et 3 N
O
N
CO 2 H
CO 2 H
CO 2 H
CO 2 PNB
durch Diazotierung
von 6-APA
Pd, H 2
N
siehe Mechanismus bei
der Cephalosporin-Synthese
O
N
O
O
S
CO 2 PNB
N 3
HC
CH
1,3-dipolare
Cycloaddition
O
N
O
O
S
N
verdünnte
NaOH
N N N
O
CO 2 PNB
O
O
S
CO 2 H
N
N
N
Tazobactam 174

Die Kombination von chemischer Synthese und Biosynthese liefert neue Konzepte
der Naturstoffsynthese
175

Neue Geldanamycin-Derivate produziert durch Acyltransferase (AT) Substitutionen
in der Gdm Polyketidsynthase (Nummern entsprechen den PKS Modulen; Flächen in
grau zeigen strukturelle Unterschiede zum Geldanamycin).
176

AT (Rap) Austausch (Substrat: Malonyl­CoA)
AT 1 AT 4 AT 5 AT 7
MeO
14
MeO
O
O
N
H
O
MeO
OH
O
14­Desmethylgeldanamycin
(14 mg/L)
O
NH 2
MeO
MeO
O
O
MeO
N
14
N
H
O
H
O
MeO
OH
OH
8
MeO
6
O
O
O
O
NH 2
NH 2
8­Desmethylgeldanamycigeldanamycin
2­Desmethoxy­
(20 mg/L)
(10 mg/L)
O
O
MeO
OH
N
H
O
MeO
OH
O
2­Desmethylgeldanamycin
(35 mg/L)
2
O
NH 2
MeO
MeO
O
O
N
H
O
MeO
OH
O
Geldanamycin
O
NH 2
MeO
O
O
OH
O
14
MeO
O
OH
N
H
6
O
O
MeO
N
H
MeO
OH
O
2
OH
3
O
(12 mg/L)
NH 2
NH 2
(beide Epimere)
(15 mg/L)
OH
MeO
N
H
O
MeO
OH
2
OH
3
OH
(beide Epimere)
(10 mg/L)
177

Störungen in salL, einem Gen, welches für die ungewöhnliche Chlorinase kodiert und
mutasynthetische Bildung von Fluorosalinosporamid
178

Störungen in rhiA, einem Gen welches die Heterozyklisierung im Lademodul kodiert
und mutasynthetische Bildung des Thia-Rhizoxins.
179

Mutasynthetische Synthese von neuen Fluorbalhimycin Derivaten
HO HO HO
erhalten durch
chemische
Synthese
HO
CHEM
OH
NH 2
CO 2 H
F
natürlicher Vorläufer
NH 2
HO
CO 2 H
BIO
Amycolatopsis
balhimycina (Deletionsmutante
des 3­Chlor­ ­
hydroxytyrosins)
O H 2N
Me O
Me
O
HO 2 C
akzeptierte modifizierte Vorläufer
NH 2
NH 2
HO
CO 2 H
HO
CO 2 H
F
O
HO
NH
N
H
HO
X
O
O
OH
H
N
OH
O
O
O
O
N
H
O
H 2 NOC
2
X
H
N
(X= Cl) Balhimycin
(X= F; 0.12 mg/L)
O O
OH
NH
NHMe
OH
F
OH
F
OH
180

CrpTE katalysiert die
Makrozyklisierung des
immobilisierten Polyketid-
Peptid Vorläufers zu
Desepoxycryptophycin.
Epoxidierung des
strukturell verwandten
Cryptophycins durch
CrpE führt zu
Cryptophycin
O
O
O
HN
O
OH
BIO
erhalten durch organische
Festphasensynthese
O
H
N
R 3
CHEM
+
O
N
H
CrpTE
R 3 R 2
O
R 1
OH
CN
N S
O
O O
Phosphatpuffer (pH 8.0),
4 h, RT
R 1 N O R 2
H
R 2
Verhältnis von X/Y von bis zu 4:1
R 3
O
H
N
O
O
H
N
N
H
O
R 1
O
OH
R 1 = O, R 2 = OMe, R 3 = H (Desepoxyarenstatin)
R 1 = O, R 2 = OMe, R 3 = Cl (Cryptophycin)
R 1 = NH, R 2 = H, R 3 = H
R 1 = O, R 2 = OMe, R 3 = H
R 1 = O, R 2 = OMe, R 3 = Cl
R 1 = NH, R 2 = H, R 3 = H
3´ 2´
O
O
O
O
HN
N
H
O
O
OMe
BIO
CrpE
Ferredoxin,
Ferredoxin­NADP Reduktase,
NADPH, Glucose­6­phosphat,
Glucose­6­phosphat
Cryptophycin 4 Cryptophycin 2
dehydrogenase
O
O
O
O
O
HN
N
H
O
O
OMe
181

Der BIO-BIO-CHEM Zugang zum Ansamitocin P3-Derivat unter Verwendung von
zwei genetisch manipulierten Stämmen von A. pretiosum und S. hygroscopicus gefolgt
von selektiver Einführung der Esterseitenkette an C-3
182

Das ungewöhnliche NRPS-Modul SfmC ist in der Lage, die Gerüststruktur von Saframycin durch
die Katalyse zweier aufeinanderfolgender Pictet-Spengler-Reaktion aufzubauen; die Synthese
wird durch chemische Synthese vervollständigt (C= Kondensationsdomäne, A= Adenylierungsdomäne,
T= Peptidylcarrierprotein, Red= Reduktionsdomäne).
183

Synthese eines Aza-Derivats von Isositsirikin durch eine zweistufige enzymatische
Biotransformation und Fermentation des 7-Aza-Tryptaminvorläufers (Glc= D-Glucosyl
NHMe
CHEM
BIO
erhalten durch
Fermentation
(L. tartarica)
BIO
X
TMS
NHMe
CHO
AcHN
OGlc
1. NaI, CuI, X (94%)
O
2. Y, Pd(dppf)Cl 2,
NH 3 Cl MeO 2 C
Y LiCl, Na Z Secologanin
2 CO 3,
3. konz. HCl, (49­56%
Strictosidinsynthase
Br
NH
zwei Stufen)
N NH 2 N N 30 °C, 2 d
N N H
H H
OGlc
O
C. roseus
Strictosidin
MeO 2 C
C. roseus
BIO
Strictosidinglycosidase
30 °C, 2 d
H
H
N N
H
N +
MeO 2 C
OH
BIO
C. roseus
7 d
H
H
N N
H
N
MeO 2 C
OH
7­Aza­isositsirikin
184