头孢菌素C的应用及制备

概述^[1]

头孢菌素C(简称CPC)是由顶头孢霉(Acremoniumchrysogenum)产生的一种β-内酰胺类抗生素。结构显示头孢菌素C用二氢噻嗪环代替了青霉素中的噻唑环与β-内酰胺环相连，正是由于这种结构上的差异使得头孢菌素C有着更强的稳定性，不易被青霉素酶破坏，能够杀死许多青霉素耐药菌。另外，头孢菌素C的不良反应发生率低，对人、畜较为安全。CPC经化学改造后的7-氨基头孢烷酸(简称7-ACA)是头孢类抗生素，例如头孢噻吩、头孢氨苄等的重要中间体。头孢类抗生素自发现以来一直作为重要的抗感染药物而广泛应用于临床治疗。

应用^[2]

头孢菌素类药物属于β-内酰胺类广谱抗生素，通过干扰细菌细胞壁的合成、加速细胞壁的破坏而起到杀菌的作用。头孢菌素的抗菌部位为其母核7-氨基头孢烷酸(7-ACA)，它是各类半合成头孢菌素类抗生素药物的重要中间体。由于制备工艺简单、高效、低污染，采用头孢菌素C(CephalosporinC，CPC)酰化酶一步催化裂解CPC生产7-ACA已经成为发展趋势。

制备^[3]

由于CPC在临床上的重要作用，CPC生物合成的研究备受关注。经过几十年的研究，CPC的生物合成途径已基本阐明。同大多数微生物中参与次级代谢产物生物合成的基因相似，参与CPC生物合成的基因也成簇存在于顶头孢霉的染色体上。在顶头孢霉中参与CPC合成的基因分别位于VII号染色体上的“早期”基因簇和位于I号染色体上的“晚期”基因簇。“早期”基因簇中的基因pcbAB和pcbC编码的蛋白(ACV合酶和异青霉素N合酶)分别负责CPC合成的前两反应：在ACV合酶(ACVS)催化下，L-α-氨基己二酸(L-α-aminoadipicacid)、L-半胱氨酸(L-cysteine)和L-缬氨酸(L-valine)缩合为三肽的ACV，再经异青霉素N合酶(IPN)催化形成异青霉素N(IPN)。cefD1和cefD2位于“早期”基因簇中pcbC的下游，编码青霉素N异构化酶，负责将异青霉素N异构化为青霉素N(PenN)。最后两步反应由“晚期”基因簇中的基因cefEF和cefG编码的扩环酶-羧化酶和DAC乙酰转移酶负责，最终将青霉素N催化为CPC。

次级代谢产物的形成会对细胞造成一定的负担，因而产生菌往往会通过一些转运蛋白将次级代谢产物运输出细胞。真菌中，ATP-结合转运蛋白(ATP-bindingcassette，ABC)和主要协助转运蛋白超家族(majorfacilitatorsuperfamily，MFS)在次级代谢产物及其中间代谢产物分泌中起主要运输作用。CPC的产生过程中，也涉及到了一系列的前体物及终产物的转运。

研究发现，CPC“早期”基因簇中的cefT基因，编码了一种MFS家族膜转运蛋白，增加cefT基因的拷贝数能够显著增加CPC的产量。随后的研究显示，cefT编码一种亲水蛋白，参与了异青霉素N、青霉素N和脱乙酰头孢菌素C的分泌。

最近发现，在CPC“早期”基因簇中cefD1的下游还存在另一个编码MFS家族蛋白的cefM基因，其编码产物含有12个跨膜区，也参与了CPC的产生。在cefM敲除突变株中，CPC产量大幅下降，但是细胞内的青霉素N含量则比野生型菌株高出了7倍。进一步研究发现异青霉素N异构化为青霉素N的过程发生在过氧化物酶体中，cefM参与了青霉素N从过氧化物酶体转运到胞质的过程。有研究显示在CPC“早期”基因簇中，还存在第三个编码膜转运蛋白的基因cefP，其编码产物含有11个跨膜区。cefP敲除突变株中不再有CPC生成，而是积累了大量的异青霉素N，表明cefP参与了异青霉素N异构化为青霉素N的过程。有趣的是，Teijeira等[8]发现，cefP突变株必须由cefP和cefR共同回补才能恢复菌株的野生表型。cefR是位于cefP上游的一个调控基因，在cefR的敲除突变株中，cefEF转录延迟，青霉素N分泌量增加而CPC产量减少，过表达cefR则相反，转录结果表明cefR通过充当基因cefT的抑制子来调控CPC的生物合成。

主要参考资料

[1] 海洋化学辞典

[2] CN201110460235.5一种降低头孢菌素C分解的方法

[3] 头孢菌素C生物合成调控研究进展