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)
<第二步、偷溜進內牆-energy-dependent phase>
AMG穿過內膜,需要透過其中的電子傳遞鏈建立質子位能proton motive force(PMF),主動運輸進去。可能是H+主動打出內膜,細菌為了平衡膜電位,會把帶正電的AMG拉進去。同樣這階段也會因為最後使30S做出爛材料,而使AMG的穿透率大增。
相反的,如果AMG在酸性環境,”我覺得” 細菌就不太會再把質子打到充滿H+的膜外面,自然沒有平衡膜電位的需求,AMG就無法進入胞內。
厭氧菌、兼性厭氧菌不呼吸時,不使用氧氣,所以不會使用膜上耗氧的電子傳遞鏈,也就無法將AMG拉近胞內。
<總結>
酸性環境與無氧時AMG效果差的原因,經過考古~
主因: 沒有質子濃度差動力(PMF)、沒有使用耗氧電子傳遞鏈,所以AMG穿不過細菌內膜
次因: 細菌外層膜修飾後帶正電,與正電的AMG相斥
Ref:
1.
台大生物化學基礎: http://juang.bst.ntu.edu.tw/files%20BC/BC2007/Amino(2)%202007B.pdf
2.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451945619302405
3.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34989857/
4.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9646598/
5.
https://journals.asm.org/doi/10.1128/ecosalplus.esp-0002-2018
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