結構生物化學/膜蛋白/多藥耐藥泵
儘管有許多藥物可以殺死細菌，但總有一小部分細菌無法被現有的藥物殺死。科學家在細胞膜中發現了細胞內蛋白質，稱為多藥耐藥 (MDR) 泵，據信它們是自我防禦機制。MDR 來自三個不同的基因家族，在細菌中廣泛存在。
在細菌中，多藥耐藥泵賦予對抗化學無關的兩親性毒素的耐藥性。開發有效抗生素的主要挑戰是識別不會被細菌細胞快速泵出的抗菌化合物。植物抗菌藥小檗鹼是藥用植物紫錐菊和金印草的活性成分，是一種陽離子，很容易被細菌 MDR 排出，因此作為治療劑的療效相對較低。
多藥外排泵具有其他生理功能：大腸桿菌的 AcrB，其主要生理功能是保護細菌免受膽汁鹽的侵害，因為大腸桿菌可以在腸道中發現。此外，膽汁鹽對 AcrB 轉運蛋白具有親和力。
這些泵存在於幾乎所有生物體中，並具有多種作用，包括將人體的天然分子進出細胞。在人類中，它們可以在大腦、肝臟、腎臟和消化道的膜中找到。[1]
這些 MDR 泵不僅在細菌中發揮作用，而且不幸的是，也在癌細胞中發揮作用。癌細胞可以透過將化療藥物泵出細胞來抵禦化療藥物，從而逃避細胞死亡。[1]
波士頓東北大學的 Kim Lewis 進行了一項實驗，以檢驗 MDR 泵確實是細菌逃避抗生素的原因這一假設。在他的實驗中，他對金黃色葡萄球菌進行了基因改造，使其不再具有 MDR 泵。然後，他用小檗鹼抗生素治療這種改變後的細菌，這種抗生素通常對未改變的細菌無效。他發現這種抗生素實際上對這些細菌有效。Lewis 還發現，如果這種通常很弱的抗生素與 MDR 泵抑制劑同時使用，則未改變的金黃色葡萄球菌會被殺死。這些結果暗示，丟失或失活的 MDR 泵在細菌的保護和生存中起著至關重要的作用。[1]
AcrB
AcrB 及其同源物是主要的抗多藥外排轉運系統，它從大腸桿菌和其他革蘭氏陰性生物體的周質中捕獲部分底物。AcrB 與 AcrA 和一個外膜蛋白通道 TolC 形成複合物，該複合物利用質子動力，將各種化合物跨越周質空間運送到細胞外部。雖然 AcrB 是同源三聚體，但它可以發生結構變化，其中每個亞基表現出不同的構象，這些構象相互轉換，將有毒化合物從初始結合位點運出轉運蛋白。[2]
AcrB 與外膜通道 TolC 和膜融合蛋白 AcrA 協同工作。這種複合物在質子動力驅動的反應中去除可能對細胞有害的多種型別的化學物質。
AcrB 透過三步功能性旋轉機制轉運藥物，其中藥物經歷有序的結合變化。[3] 第一個構象是進入狀態。這是前室開啟到周質，允許底物進入複合物。第二個構象是結合狀態。在這種狀態下，結合口袋膨脹，底物結合到口袋中的不同位置。第三個構象是擠出狀態。前室關閉，出口開啟。結合的藥物被推到漏斗頂部，使 AcrB 原體收縮並返回到機制的第一階段，即進入狀態。
三聚體的這些構象變化是由跨膜的質子動力驅動，透過三個帶電殘基，天冬氨酸-407、408 和賴氨酸-940 的參與，在膜嵌入區域形成電荷對。[3] 在進入和結合狀態，賴氨酸-940 的側鏈與天冬氨酸-407 和天冬氨酸-408 的羧基形成鹽橋。然後在擠出狀態中解離這種鹽橋，賴氨酸側鏈轉向並傾斜以與蘇氨酸-978 形成新的極性鍵，在那裡可能附著質子。為了返回到進入狀態，結合的質子被解離。這些殘基，天冬氨酸-407、408 和賴氨酸-940，對於匯出藥物至關重要，沒有它們，細胞將完全失去耐藥性。
由於這種複合物具有 AcrB 的三聚體，因此它連續地排出三種藥物。當 AcrB 的第一個原體處於進入狀態時，第二個原體處於結合狀態，第三個原體處於擠出狀態。一個原體的構象變化會影響另一個原體的構象。這種一個原體影響另一個原體的構象迴圈可以用協同作用原理來解釋。
多藥耐藥是在藥物開發後出現的，因為細菌很快變得抗藥。存在兩種形式的多藥耐藥。第一種方式是透過編碼耐藥性的基因，這些基因位於 R 質粒或轉座子上。第二種方式是透過外排泵，外排泵能夠一次排出一種或多種藥物。細菌還可以由於導致蛋白質發生改變的突變而變得耐藥，從而使其對藥物的敏感性降低。有時耐藥性可以透過細胞將耐藥性傳遞到其質粒上的其他細胞來轉移。其他時候，耐藥性是由於靶標修飾，例如底物與蛋白質結合並改變其形狀。例如，Tet(M) 或 Tet(S) 蛋白結合到核糖體並改變構象，以防止藥物與核糖體結合。耐藥基因也來自土壤中的微生物，因為它們是降解基因的進化起源，因為它們利用抗生素作為營養物質。當基因從質粒表達的例子是整合子，它包含一個編碼基因，並且對在 R 質粒上的特定位點插入耐藥基因具有催化作用。ISCR 將耐藥基因傳遞給整合子，以產生更多耐藥基因。有時 R 質粒是穩定的，並且具有一個殺手元件，如果質粒丟失，則細胞會死亡。最後，在抗生素治療的患者中會發生多藥耐藥，因為當患者生病時，他們可能會進入耐藥狀態，而沒有發生基因變化。基因變化和突變是導致細菌對抗生素產生耐藥性的原因。
"細菌中的多藥耐藥性。" 國家衛生研究院。 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2839888/
- "醫藥設計。" 國家衛生研究院。 http://www.nigms.nih.gov. 2006 年 7 月。
- Von Heijne 和 Rees。 結構生物學當前觀點，18：405。2008 年 8 月。
- "多藥外排轉運蛋白 AcrB——泵送機制。" 村上聰。 結構生物學當前觀點，18：459-465。2008 年 8 月。