通过模块化PKS和立体化学考虑因素生物合成复合聚酮化合物

减少或复杂的聚酮化合物在细菌中通过称为聚酮合酶（PKS）的巨大多酶组装，其过程类似于哺乳动物脂肪酸合成酶（FAS）的脂肪酸生物合成[8]，PKS可能从中发展出来[9]。在这两种情况下，简单的酰基辅酶A构建模块是头对尾连接以构建线性链。然而，有几个特征区分了这两种途径：PKS使用比它们的FAS对应物更广泛的两个初始构建块（称为“起始单元”）和链扩展单元，这显着地导致链的分支，减少的程度。最初形成的C3-酮中间体是可变的（而在FA生物合成中，系统地完全还原为脂肪酰基），并且聚酮化合物最通常以环状形式释放，而脂肪酸作为羧酸释放。PKS中更加复杂的生物合成控制是通过多个类FAS模块的连续动作实现的（因此这种类型的系统的名称为“模块化PKS”），

每个PKS模块都包含链增长所需的三个功能域（图3）：酰基转移酶（AT），其从细胞库中选择合适的前体，酮合成酶（KS）通过Claisen样脱羧缩合延伸链，和非催化酰基载体蛋白（ACP），其中间体通过磷酸泛酰巯基乙胺修复基团共价连接。该模块还可以包含在FA生物合成的每个循环中起作用的加工活性的可变补体，包括酮还原酶（KR），脱水酶（DH）和烯酰还原酶（ER）结构域; 这些活性依次导致聚酮化合物链中特定位置的羟基，烯属部分或饱和亚甲基。聚酮化合物核心的构建通常由位于最终PKS多酶末端的硫酯酶（TE）结构域终止，使用内部羟基亲核试剂通过水解或更通常的大环内酯化释放产物。这种不含PKS的中间体（在红霉素生物合成的情况下为6-脱氧红霉内酯B，然后经常通过一系列所谓的“后PKS酶”（例如，甲基转移酶，羟化酶和糖基转移酶）修饰图3），以实现其最终的生物活性形式[10]。

事实上，自然界已经进化出两种不同类型的模块化PKS，称为顺式 -AT（包括红霉素PKS（图3））和反式 -AT（图4）。trans -AT系统的主要区别特征是没有将AT结构域整合到亚基中，因为活性反而作为离散蛋白存在，它反复作用以向模块提供扩展单元[11]。。其他特征包括不寻常的域排序，重复和非活动域，非典型酶功能，以及分布在两个子单元之间的模块（所谓的“分离模块”）。这种建筑学上的差异很可能反映了两种系统的独立进化路径[12]，尽管最近的证据表明一些反式 -AT PKS可能是从顺式 -AT亲本进化而来的[13]。

然而，就立体化学考虑而言，它们在两个系统中大致相同，因为立体化学可以在通路内的几个点处引入。例如，尽管脂肪酸主要由丙二酰辅酶A单元构建，但顺式 -AT PKS 的AT结构域对许多支链延伸单元（包括甲基丙二酰辅酶A，乙基丙二酰辅酶A，羟丙二酰辅酶A，甲氧基丙二酰辅酶A，等[15,16]），因此将侧链官能团结合到聚酮化合物骨架中（分别为C-2-甲基，C-2-乙基，C-2-羟基和C-2-甲氧基）。在红霉素A（1）的情况下（图2和图3）例如，使用甲基丙二酰基-CoA产生的C-2-甲基基团表现出两种可能的立体化学作用。相反，在反式 -AT PKS中操作的大多数反式 -ATs对丙二酰辅酶A具有特异性，尽管存在例外（例如来自科鲁霉素生物合成的乙基丙二酰辅酶A特异性AT）[17] ; 因此，这些系统中的C-2-甲基主要通过甲基转移酶结构域引入[18]，据推测定义了立体定向性（立体化学并不总是明显的，因为它可以通过随后的脱水而模糊）。加工反应套件还在分子中引入立体化学：由最初形成的C-3-酮的酮还原产生的羟基表现出两种构型，羟基官能团的脱水产生顺式 - 和反式 - 双键，最后，烯酰还原可以在饱和的C2-甲基中心产生两种构型。反式 -AT PKS和某些顺式 -AT PKS中存在的其他类型的加工反应（例如，吡喃合成酶结构域[19,20]，双键转移模块[21,22]），C-2-羟化酶[11]等）也可能具有立体化学后果，但这里不会对其进行处理，因为迄今为止对于控制结构结果的酶因子知之甚少。最后，在引入手性的情况下，PKS后处理反应也以确定的立体化学进行，尽管这方面也不会在本文中讨论。以下部分将讨论每个主要PKS结构域在控制这些立体化学特征中的作用，在每种情况下突出化学生物学在阐明酶功能中的贡献。