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 (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: HAH+ + A-

n   弱鹼: BH+H+ + B

解離常數KapH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+]

pH=6,pKa=6log[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2pKa,則pI =pKa的平均值;若有>2pKa就比較複雜,要取淨電荷+1與淨電荷-1的兩個pKa取平均。

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。

Gentamicin5個胺基,5pKa,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GNB30S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 growingMycobacterium 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,kanamycinMIC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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