本教材主要从代表生物活性物质和天然药物的次生代谢产物生物合成的角度，系统讲述了次生代谢产物的生物合成途径及其调控原理与应用，教材整体框架完整、新颖，内容详略得当、重点突出，特别注重教材内容的与时俱进，将本领域最新的前沿进展纳入教材，并很好地结合作者团队在次生代谢生物合成、合成生物学及生物转化方面的研究积累，且系统融入了次生代谢产物合成生物学最新研究进展。教材采用纸质与数字资源一体化设计的新形态，将纸质与数字资源有机融合，纸质部分纲要结构清晰，突出内容主线；数字资源方便使用，且保持及时更新，适应教育信息化发展需要。

次生代谢产物是指次生代谢途径产生的产物。次生代谢是相对初生代谢而言，通常将生物的代谢过程分为初生代谢和次生代谢，其中，初生代谢一般是指与生物的生长繁殖和发育密切相关的代谢过程，相应的代谢途径和代谢产物分别称为初生代谢途径和初生代谢产物；而次生代谢是指与生物的生长繁殖和发育相关性较小的代谢过程，生物在该过程所合成的次生代谢产物通常对该生物的生长繁殖和发育影响较小。也可以讲，生物的初生代谢以外的代谢过程都称为次生代谢过程。通常所说的次生代谢产物是由生物在次生代谢过程中合成，虽然这些次生代谢产物对合成它的生物的生长繁殖及发育过程影响较小，却对人类生产生活具有重要价值，可被开发成为药物、营养保健品、天然色素和抗菌剂等各种重要生物产品。 天然药物是人们在长期同疾病作斗争过程中，经过筛选证实其疗效而积累并保存下来的人类共同的宝贵财富。目前，天然药物约占所有药物总量的60%，其中直接作为药物使用的仅占5% 左右，其余55% 作为药物前体经半合成修饰后可成为药物。 天然药物活性成分往往是次生代谢物质。虽然次生代谢产物与合成它的植物或微生物本身的基本生命活动并无直接关联，但它们中的许多常常与生物的抗逆性、防御性、信号转导、竞争拮抗等生命活动及生理功能密切相关。通常在生物体或其细胞中次生代谢产物的含量远少于初生代谢产物含量，但其结构及生理活性却是多种多样。次生代谢产物是生物学、化学、药学和食品科学等领域长期关注的重点和热点，更是新药发现、研究与开发的重要来源。 研究次生代谢产物中的天然药物成分生物合成，是天然药物和生物制药的一个重要领域，重点研究生物体或其细胞如何从小分子前体，经过系列顺序协作的酶催化反应形成不同的化学结构，研究内容不仅涉及天然药物的生物合成途径、催化合成反应的酶学特性，还包括生物体或其细胞如何对该生物合成途径密切相关的代谢网络进行调控，分别从天然药物化学、生物化学、生理学、分子生物学、基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等不同方面，共同阐明这一生物合成过程的理论和技术原理。 天然药物的生物合成研究将回答生物学、化学、药学和食品科学领域共同关注的基本问题：自然界中这些成分究竟是如何产生的？ 相关的酶催化生化反应调节机制如何？ 这些酶催化反应是如何联系在一起，共同完成那些具有复杂化学结构的天然产物的合成？ 这一连续的酶催化反应过程在生物体或其细胞内是如何受调控的？ 回答了这些基本问题，就有可能指导我们从生物群体、个体、细胞及分子等不同层次对这一代谢过程进行有效调控，以达到在生产实践过程中提高天然药物含量和产量，或发现和发展更具应用价值的药物的目的。同时，将对资源生物学、植物化学、微生物代谢及相关学科的发展具有重要指导意义。 目前，对于生命科学、化学化工、食品科学、药学以及新兴的生物制药专业等生物与医药相关领域的本科及研究生教学，与次生代谢产物生物合成相关的课程难以找到比较合适的教材，相关高校教师大多靠自选教学资料或自编讲义进行教学。本书作者结合二十多年来的科研教学及应用实践，在系统总结多年讲授生物技术、生物制药等专业高年级本科生课程“生物合成原理”“天然药物与化学药物”，以及在讲授生物与医药、生物化工、生物工程、生物制药工程、生化与分子生物学、微生物学、植物学等学位点的研究生课程“生物合成与天然产物”基础上编写而成。 本书从天然药物或食品中的次生代谢产物及其他典型的小分子活性成分生物合成的角度，系统讲述了次生代谢产物的生物合成途径及其调控原理、方法与应用，并系统介绍了大量天然活性物质的生物合成途径、合成代谢调控及其最新研究进展。全书共分为11章，各章自成体系又相互联系，重点突出，由浅入深，编写力求突出如下特点。 （1）课程思政引领，激发学生爱国奉献的使命感和情怀。次生代谢产物是人类长期与大自然共处中不断被发现和利用的宝贵自然资源，利用生物技术将有用次生代谢产物工程化应用，是人类一直以来的梦想。次生代谢生物合成途径及其调控原理是实现这一宏伟目标的科学基础和关键技术，通过本书的编写和实际课程的学习，有助于激发学生进行多学科交叉研究，解决生物高端制造问题的信心和使命感。 （2）学科交叉融合，培养学生创新思维和能力。本书内容涉及天然药物化学、天然有机化学、生物化学、分子生物学、合成生物学、生物技术、代谢生理学等多学科的交叉融合，体现当代“大科学”发展的趋势和特征，有助于提高学生综合分析和解决实际问题的宏思维能力和创新能力。 （3）明确目标定位，强调实践性。着力为国家培养绿色生物智造与大健康产业的拔尖创新人才，体现以学生发展为中心的理念，以能力培养为主线，理论

余龙江，华中科技大学教授，先后承担了各类教学任务。作为课程负责人，先后建设并承担了多门本科生和研究生课程，目前，有两门课程分别建成省级和 级精品课程。在课程教学中，不断将学科新发展和自己科研成果融入教学中，及时更新电子教案，运用大量图片和实物等，教案简洁、生动，教学内容新、信息量大，突出地采用了探究式教学方法，显著提高了教学效果和质量。课堂上，他始终充满激情，对待学生既有热情又有耐性，所授课程深受学生欢迎。2008年被评为华中科技大学教学名师，两次获校研究生优秀指导教师奖，2009年被评为华中科技大学“我 喜爱的导师”并获“三育人”奖，2010年获宝钢教育基金优秀教师奖、湖北高校名师、华中科技大学“立德树人奖”。 先后承担了国家自然基金、科技支撑计划、“十五”863及“十一五”863重点项目、973子课题，以及省部级人才基金和重点基金等项目，近五年来，发表SCI论文40余篇，申请专利30余项，授权近10项，多项成果在企业应用，产生较大社会经济效益。不断深化科学研究与成果应用，显著促进了教学质量稳步提高。

1 生物合成基本原理 001 1.1 基本概念 003 1.1.1 生物合成概述 003 1.1.2 次生代谢产物 004 1.1.3 次生代谢产物基本生物合成途径 006 1.1.4 次生代谢产物生物合成途径在线数据库简介 006 1.2 生物合成基本要素 008 1.2.1 小分子前体 008 1.2.2 能量来源 008 1.2.3 还原力 009 1.2.4 酶的种类 009 1.3 生物合成基本化学反应类型及其催化酶 011 1.3.1 共价键的断裂与生成 011 1.3.2 Wagner-Meerwein 重排及异构化反应 015 1.3.3 基团转移反应 016 1.3.4 氧化- 还原反应 017 1.4 生物合成调控原理 019 1.4.1 生物固有的调控机制 019 1.4.2 人工干预生物合成的作用原理 024 2 次生代谢产物生物合成研究方法 029 2.1 研究生物合成途径的一般方法 031 2.1.1 提出途径假说 031 2.1.2 同位素示踪法 032 2.1.3 前体饲喂法 033 2.1.4 针对酶的诱导或抑制方法 034 2.1.5 无细胞体系酶试验法 034 2.1.6 微生物突变株法 035 2.1.7 现代分子生物学研究方法 036 2.2 研究次生代谢调控的一般方法 041 2.2.1 转录水平调控方法 041 2.2.2 翻译水平调控方法 042 2.3 系统生物学研究方法 044 2.3.1 基因组学 044 2.3.2 转录组学 046 2.3.3 蛋白质组学 046 2.3.4 代谢组学 048 2.3.5 代谢网络的整合分析方法 050 2.4 基于次生代谢产物的研究方法 052 2.4.1 靶向代谢产物研究 052 2.4.2 非靶向代谢产物研究 053 3 萜类代谢产物及其生物合成 055 3.1 萜类代谢产物分布与分类 057 3.2 萜类代谢产物生物合成途径 057 3.2.1 途径总览 057 3.2.2 IPP 合成阶段 058 3.2.3 碳骨架延伸形成二级萜类前体 060 3.2.4 碳链环合形成三级萜化合物组骨架 063 3.3 典型萜类次生代谢产物举例 071 3.4 萜类生物合成的分子生物学概述 074 3.4.1 萜烯合成酶 074 3.4.2 细胞色素P450 单加氧酶 076 4 聚酮类代谢产物及其生物合成 081 4.1 源于聚酮途径的次生代谢产物 083 4.2 聚酮类代谢产物生物合成中的主要反应 083 4.3 典型聚酮类代谢产物生物合成途径实例 085 4.3.1 脂肪酸生物合成途径 085 4.3.2 含芳香环的聚酮产物 086 4.3.3 四环素的生物合成途径 088 4.3.4 红霉素的生物合成途径 089 4.4 聚酮的模块化生物合成机制及其酶学基础 092 4.4.1 聚酮的模块化生物合成机制及多酶复合物组成 092 4.4.2 聚酮合酶的催化类型 092 5 莽草酸与桂皮酸衍生物及其生物合成途径 097 5.1 莽草酸生物合成途径及其常见代谢产物 099 5.2 桂皮酸衍生物概述 103 5.2.1 简单苯丙烯（烷）类代谢产物 103 5.2.2 香豆素 104 5.2.3 木脂素与木质素 105 5.3 桂皮酸生物合成途径 107 5.3.1 桂皮酸途径概要 107 5.3.2 经桂皮酸途径合成苯甲酸衍生物 109 5.3.3 木脂素和木质素的生物合成途径 109 5.3.4 香豆素的生物合成途径 110 5.4 典型莽草酸与桂皮酸合成途径实例 112 5.4.1 水杨酸及其衍生物生物合成途径 112 5.4.2 绿原酸生物合成途径 112 5.5 莽草酸与桂皮酸途径的酶学基础 113 5.5.1 莽草酸途径关键酶及调控 114 5.5.2 桂皮酸途径中的酶及其调控 114 6 黄酮类代谢产物及其生物合成 117 6.1 黄酮类代谢产物分布与分类 118 6.2 黄酮类代谢产物生物合成途径 119 6.3 典型黄酮类代谢产物生物合成途径实例 121 6.3.1 典型黄酮类代谢产物结构式 121 6.3.2 黄酮类代谢产物生物合成途径及亚类间的途径联系 123 6.4 类黄酮代谢产物生物合成的酶学基础 124 6.4.1 类黄酮合成酶及其编码基因结构分析 124 6.4.2 类黄酮生物合成途径中系列关键酶的细胞定位 126 6.4.3 植物类黄酮生物合成的基因调控 127 6.5 相似途径合成的非黄酮代谢产物 128 7 生物碱与非核糖体途径多肽类生物合成 131 7.1 生物碱的分布与分类 133 7.2 典型生物碱的生物合成途径 133 7.2.1 来源于鸟氨酸的生物碱 133 7.2.2 来源于赖氨酸的生物碱 135 7.2.3 来源于邻氨基苯甲酸的生物碱 137 7.2.4 来源于苯丙氨酸或酪氨酸的生物碱 137 7.2.5 来源于色氨酸的生物碱 142 7.2.6 其他来源途径的生物碱 144 7.3 非核糖体多肽产物概述 147 7.3.1 NRPs 的生物活性 147 7.3.2 常见NRPs 的分子结构类型 147 7.4 NRPs 的生物合成机制 149 7.4.1 青霉素类代谢产物生物合成途径 149 7.4.2 NPRs 产物生物合成机制 149 7.5 NRPS的分类与催化类型 152 8 皂苷类代谢产物及其生物转化 155 8.1 皂苷类代谢产物的分类及分布 157 8.2 植物皂苷生物合成与转化的酶学基础 157 8.2.1 皂苷常见的转化反应 157 8.2.2 皂苷生物转化酶的类型与来源 160 8.3 植物皂苷类的微生物转化原理与应用 164 8.3.1 微生物转化植物皂苷生产皂素 164 8.3.2 微生物对植物皂素的转化利用 166 9 植物次生代谢生物合成调控原理与应用 173 9.1 植物次生代谢合成调控特点及调控规律 175 9.1.1 植物次生代谢产物及其合成调控特点 175 9.1.2 植物次生代谢产物生物合成的调控规律 176 9.2 植物次生代谢产物生产技术及其调控 180 9.2.1 药用植物人工规模化种植 180 9.2.2 植物细胞培养合成次生代谢物及其影响因素的调控规律 181 9.2.3 植物细胞大规模培养生产天然产物 183 9.2.4 毛状根培养生产植物次生代谢物技术 186 9.2.5 植物内生真菌生产次生代谢产物技术 187 9.3 植物次生代谢调控原理与技术的应用实例 189 9.3.1 红豆杉中紫杉醇的生物合成与调控 189 9.3.2 人参皂苷生物合成和次生代谢调控 193 10 微生物次生代谢的调控原理与应用 197 10.1 微生物次生代谢产物及其生物合成模式特点 199 10.1.1 微生物次生代谢产物概述 199 10.1.2 微生物次生代谢产物生物合成模式及其特点 204 10.2 微生物对次生代谢的调控原理 206 10.2.1 微生物次生代谢酶的调控 206 10.2.2 分解代谢物对次生代谢的调节 209 10.2.3 环境因子对次生代谢的调控 211 10.2.4 基于代谢网络的次生代谢调控 215 10.3 微生物次生代谢调控策略与技术 217 10.3.1 微生物次生代谢调控策略 218 10.3.2 微生物次生代谢调控技术 220 10.3.3 优化发酵过程，促进目标次生代谢产物大量累积 222 10.4 微生物次生代谢物调控应用实例 225 10.4.1 微生物生产抗生素类产物的合成调控 225 10.4.2 微生物多不饱和脂肪酸合成代谢调控研究实例 226 10.4.3 复杂代谢网络调控实例 226 11 合成生物学在次生代谢产物生产中的应用 231 11.1 合成生物学与次生代谢产物生物合成 233 11.1.1 合成生物学概念与发展简况 233 11.1.2 合成生物学在生产次生代谢产物中的研究进展 235 11.2 宿主菌的选择与底盘设计 236 11.2.1 宿主菌选择的一般原则 236 11.2.2 典型底盘简介 236 11.2.3 人工多菌体系的构建 238 11.3 合成生物学中的合成路线设计与优化 240 11.3.1 生物合成虾青素全局设计及模块优化 240 11.3.2 从二氧化碳合成淀粉的路线设计与优化 241 11.4 生物合成途径的重构及关键酶的挖掘与优化 241 11.4.1 生物合成途径的重构与酶的挖掘241 11.4.2 生物合成途径中酶的设计与优化 243 11.5 合成生物学制造天然产物的应用实例 247 11.5.1 青蒿酸的生物制造 247 11.5.2 人参皂苷的生物制造 247 11.5.3 β-烟酰胺单核苷酸的生物制造 247