Биологический синтез циклических структур из алифатических веществ рассматривают обычно на примере конденсации структурных элементов уксусной кислоты с последующими реакциями циклизации.
Конденсация уксусной кислоты происходит по типу связи «от головы к хвосту». Реакция происходит путем альдольной конденсации или С-ацилирования (конденсация Клайзена).
При конденсации большего числа структурных единиц будут образовываться более сложные соединения.
Одним из первых продуктов метаболизма грибов, на примере которого была показана справедливость предложенной теории, явилась 6-метилсалициловая кислота.
В дальнейшем было показано, что в синтезе участвует уксусная кислота в виде ацетилкоэнзима А и три молекулы малонилкоэнзима А, каждая из которых при конденсации подвергается декарбоксилированию. Далее происходят восстановительные реакции при участии НАДФ · Н2 и циклизация.
Синтез циклической структуры тетрациклиновых антибиотиков происходит также при участии уксусной кислоты. В питательную среду для биосинтеза окситетрациклина вводилась «меченная» по углероду уксусная кислота (С14Н3СООН). После выделения из нативного раствора, содержащего «меченные» соединения, кристаллического антибиотика последний разрушался и в продуктах распада определялась радиоактивность.
Непосредственно в реакции поликонденсации принимает участие малонилкоэнзим А, который образуется путем карбоксилирования ацетилкоэнзима А. Малонилкоэнзим А является исходным продуктом для образования углеродного скелета тетрациклинов. Конденсация малоната сопровождается декарбоксилированием. Вопрос о происхождении карбоксамидной группы у С2 является спорным. Гатенбек (1961), в частности, считает, что происходит амидирование малоновой кислоты, которая затем в виде малонилкоэнзима А включается в реакцию конденсации. С точки зрения McCormic (1965), амидированию подвергается какое-то иное, более сложное соединение. Согласно общему признанию отвергается имевшая место теория об участии в синтезе кольца А глютаминовой кислоты. По ходу биосинтеза происходит непрерывное удлинение образующейся поликетидной цепи. Вероятно, этот процесс происходит на какой-то матрице. Поликонденсация идет не беспредельно; она должна продолжаться, очевидно, до какой-то «критической точки». Такой критической точкой может быть восстановление при С8 с последующей циклизацией до макроциклического кетона и сшивка с образованием нафтаценового ядра. Среди метаболитов одним из идентифированных продуктов, производных нафтацена, является прететрамид. Если происходит биосинтез метилированных по С6 производных тетрациклина, то включение метильной группы из аденозилметионина наблюдается до циклизации поликетидоамида. В ферментной системе, осуществляющей перенос, важную роль играет коэнзим, в образовании которого участвует фолиевая кислота. Из претрамида образуется новое нафтаценовое производное: 4-гидрокси-6-метилпрететрамид.
Из последнего возникает ряд промежуточных продуктов, о существовании которых лишь предполагают на основании гипотез.
Возможно, что чередование реакций, происходящих на этапах от 4-гидрокси-6-метилпрететрамида до 5а, 6-ангидро-7-хлортетрациклина, несколько иное, однако совершенно очевидно, что осуществляются они в пять или шесть стадий:
1. Хлорирование в седьмом положении (в случае биосинтеза хлортетрациклина).
2. Замена кислорода у четвертого углеродного атома аминогруппой (возможно, за счет глютаминовой кислоты).
3. Метилирование имино-группы (донатор метальной группы — метионин).
4. Метилирование метиламино-группы.
5. Гидроксилирование при C12a.
В виде какого соединения вступает в реакцию хлор, неизвестно. Имеется лишь сообщение, что введенный в качестве компонента среды NaCl36 первоначально был обнаружен в каком-то неидентифицированном органическом метаболите, а затем в составе молекулы антибиотика.
Обнаруженный среди продуктов обмена веществ продуцентов 5а,6-ангидро-7-хлортетрациклин подвергается окислительному гидроксилированию у шестого углеродного атома с образованием 7-хлор-5а,11а-дегидротетрациклина. Если это вещество вводилось в систему, где находилась двух — или трехсуточная культура продуцента антибиотика, то происходило гидрирование двойной связи, расположенной между 5а и 11а углеродными атомами, с образованием 7-хлортетрациклина.
Из культуры был выделен ферментный препарат, получивший название косинтетический фактор 1, который осуществлял указанную восстановительную реакцию. Специфической функцией этого кофактора является перенос водорода в энзиматических системах. По своей химической природе он является, вероятно, производным птеридина или флавина. 7-хлор-5а (11а)-дегидротетрациклин является, вероятно, предпоследним продуктом на пути биосинтеза молекулы хлортетрациклина. В этом отношении он может быть назван предшественником, однако химический синтез этого вещества не менее сложен, чем готового продукта, поэтому оно может иметь лишь теоретический интерес к пониманию процесса биосинтеза молекулы антибиотика.
Аналогично схеме биосинтеза молекулы хлортетрациклина на ее заключительных этапах происходит, очевидно, синтез окситетрациклина. Vanek и Soucek (1962), суммируя известные данные о биосинтезе циклических структур, считают, что первой стадией синтеза является конденсация ацетатных единиц в линейную структуру. На второй стадии эти цепочки образуют основной скелет метаболита. Третья стадия характеризуется реакциями, которые имеют место на полном скелете (галоидирование, восстановление, окисление, нитрование и т. д.). В четвертой стадии, если она имеет место, могут происходить более глубокие изменения молекулы, часто сопровождающиеся нарушением структуры.