⚔️破劍藥師的魔法藥鋪: 深度解析aminoglycoside的作用機轉

2024年3月17日星期日

深度解析aminoglycoside的作用機轉

今天要探討aminoglycoside的一個現象：為何aminoglycoside 在酸性、缺氧環境 (如abscess) 殺菌效果變差? 透過他來解釋一些基礎生化學

l pKa叫做解離常數…
首先回憶一下高中化學的酸鹼篇，弱酸/弱鹼會部分解離

n 弱酸: HA⇄H⁺ + A^-

n 弱鹼: BH⁺⇄H⁺ + B

解離常數Ka與pH的關係式如下:

同理鹼性的Ka=[H⁺][B]/[BH⁺]
pH=pKa+log[B]/[BH⁺]
aminoglycoside不同分子部位的胺基有不同的pKa，以pKa=6為例
pH=pKa+log[NH2]/[NH3⁺]

當pH=6,pKa=6時log[NH2]/[NH3⁺]必須=0，所以[NH2]=[NH3⁺]，一半帶正電一半未解離，pH 6即為該分子的等電點(Isoelectric point, pI)，若一分子有2個pKa，則pI =兩pKa的平均值；若有>2個pKa就比較複雜，要取淨電荷+1與淨電荷-1的兩個pKa取平均。

當pH降至5時，log[NH2]/[NH3⁺]必須=-1，所以[NH2]/[NH3⁺]=1/10，帶正電比例多10倍。由此可知，對於aminoglycoside來說，越酸(pH越低)NH3⁺帶正電的比例越多。總之若pH>pK分子會丟出更多的H⁺，而本身帶負電，請見下圖。

Gentamicin有5個胺基，5個pKa，當pH<6時，所有胺基都會是帶正電比例>不帶電。

而長在人身上的痰、膿瘍、生物膜基本上都是酸的，所以AMG進入其中都會帶很多正電

u 牙根尖周圍膿腫(periapical abscess), pH 6.0~ 7.3

u amoebic liver abscesses, pH 5.2~6.7

u intra-abdominal abscesses, pH 6.4

u 膿胸(empyema), pH 5.7 ~ 6.7

l Aminoglycoside (AMG)要怎麼跑到GNB的30S作用?

<第一步、攻破外城牆-ionic binding phase>
首先，GNB的外層膜上的脂多醣帶負電、E.coli的外層膜通道蛋白(porin) OmpF帶負電、GPC細胞壁上的teichoic acids也帶負電。AMG用其帶正電的NH3⁺競爭取代掉膜上的Mg²⁺，這會破壞膜的穩定性，讓AMG順利攻破第一道城牆。或者單純通過親水性porin進入periplasm*
最後作用於30S使其製造出爛爛的外膜蛋白也可以讓此處的AMG順利闖關

*有爭議，因為通道狹窄AMG可能進不去，理由是fast growing的Mycobacterium smegmatis外膜上有MspA-like porins (MspA, MspB, MspC, MspD)，當人為Msp基因突變讓porin缺失時，kanamycin的MIC卻沒有改變多少，代表他應該主要不是透過porin進去periplasm的。相反的，beta-lactams通過porin進入的研究證據較多較肯定。

細菌透過改變外膜脂多醣蛋白結構，如加上帶正電的4-amino-4-deoxy-L-arabinose sugar，正正相斥，讓AMG難以過來取代掉Mg²⁺。有名的例子如two-component system ColRS (P. aeruginosa) or PmrAB (E. coli, Salmonella enterica)