结构生物化学/膜蛋白/多药耐药泵
尽管有许多药物可以杀死细菌，但总有一小部分细菌无法被现有的药物杀死。科学家在细胞膜中发现了细胞内蛋白质，称为多药耐药 (MDR) 泵，据信它们是自我防御机制。MDR 来自三个不同的基因家族，在细菌中广泛存在。
在细菌中，多药耐药泵赋予对抗化学无关的两亲性毒素的耐药性。开发有效抗生素的主要挑战是识别不会被细菌细胞快速泵出的抗菌化合物。植物抗菌药小檗碱是药用植物紫锥菊和金印草的活性成分，是一种阳离子，很容易被细菌 MDR 排出，因此作为治疗剂的疗效相对较低。
多药外排泵具有其他生理功能：大肠杆菌的 AcrB，其主要生理功能是保护细菌免受胆汁盐的侵害，因为大肠杆菌可以在肠道中发现。此外，胆汁盐对 AcrB 转运蛋白具有亲和力。
这些泵存在于几乎所有生物体中，并具有多种作用，包括将人体的天然分子进出细胞。在人类中，它们可以在大脑、肝脏、肾脏和消化道的膜中找到。[1]
这些 MDR 泵不仅在细菌中发挥作用，而且不幸的是，也在癌细胞中发挥作用。癌细胞可以通过将化疗药物泵出细胞来抵御化疗药物，从而逃避细胞死亡。[1]
波士顿东北大学的 Kim Lewis 进行了一项实验，以检验 MDR 泵确实是细菌逃避抗生素的原因这一假设。在他的实验中，他对金黄色葡萄球菌进行了基因改造，使其不再具有 MDR 泵。然后，他用小檗碱抗生素治疗这种改变后的细菌，这种抗生素通常对未改变的细菌无效。他发现这种抗生素实际上对这些细菌有效。Lewis 还发现，如果这种通常很弱的抗生素与 MDR 泵抑制剂同时使用，则未改变的金黄色葡萄球菌会被杀死。这些结果暗示，丢失或失活的 MDR 泵在细菌的保护和生存中起着至关重要的作用。[1]
AcrB
AcrB 及其同源物是主要的抗多药外排转运系统，它从大肠杆菌和其他革兰氏阴性生物体的周质中捕获部分底物。AcrB 与 AcrA 和一个外膜蛋白通道 TolC 形成复合物，该复合物利用质子动力，将各种化合物跨越周质空间运送到细胞外部。虽然 AcrB 是同源三聚体，但它可以发生结构变化，其中每个亚基表现出不同的构象，这些构象相互转换，将有毒化合物从初始结合位点运出转运蛋白。[2]
AcrB 与外膜通道 TolC 和膜融合蛋白 AcrA 协同工作。这种复合物在质子动力驱动的反应中去除可能对细胞有害的多种类型的化学物质。
AcrB 通过三步功能性旋转机制转运药物，其中药物经历有序的结合变化。[3] 第一个构象是进入状态。这是前室打开到周质，允许底物进入复合物。第二个构象是结合状态。在这种状态下，结合口袋膨胀，底物结合到口袋中的不同位置。第三个构象是挤出状态。前室关闭，出口打开。结合的药物被推到漏斗顶部，使 AcrB 原体收缩并返回到机制的第一阶段，即进入状态。
三聚体的这些构象变化是由跨膜的质子动力驱动，通过三个带电残基，天冬氨酸-407、408 和赖氨酸-940 的参与，在膜嵌入区域形成电荷对。[3] 在进入和结合状态，赖氨酸-940 的侧链与天冬氨酸-407 和天冬氨酸-408 的羧基形成盐桥。然后在挤出状态中解离这种盐桥，赖氨酸侧链转向并倾斜以与苏氨酸-978 形成新的极性键，在那里可能附着质子。为了返回到进入状态，结合的质子被解离。这些残基，天冬氨酸-407、408 和赖氨酸-940，对于导出药物至关重要，没有它们，细胞将完全失去耐药性。
由于这种复合物具有 AcrB 的三聚体，因此它连续地排出三种药物。当 AcrB 的第一个原体处于进入状态时，第二个原体处于结合状态，第三个原体处于挤出状态。一个原体的构象变化会影响另一个原体的构象。这种一个原体影响另一个原体的构象循环可以用协同作用原理来解释。
多药耐药是在药物开发后出现的，因为细菌很快变得抗药。存在两种形式的多药耐药。第一种方式是通过编码耐药性的基因，这些基因位于 R 质粒或转座子上。第二种方式是通过外排泵，外排泵能够一次排出一种或多种药物。细菌还可以由于导致蛋白质发生改变的突变而变得耐药，从而使其对药物的敏感性降低。有时耐药性可以通过细胞将耐药性传递到其质粒上的其他细胞来转移。其他时候，耐药性是由于靶标修饰，例如底物与蛋白质结合并改变其形状。例如，Tet(M) 或 Tet(S) 蛋白结合到核糖体并改变构象，以防止药物与核糖体结合。耐药基因也来自土壤中的微生物，因为它们是降解基因的进化起源，因为它们利用抗生素作为营养物质。当基因从质粒表达的例子是整合子，它包含一个编码基因，并且对在 R 质粒上的特定位点插入耐药基因具有催化作用。ISCR 将耐药基因传递给整合子，以产生更多耐药基因。有时 R 质粒是稳定的，并且具有一个杀手元件，如果质粒丢失，则细胞会死亡。最后，在抗生素治疗的患者中会发生多药耐药，因为当患者生病时，他们可能会进入耐药状态，而没有发生基因变化。基因变化和突变是导致细菌对抗生素产生耐药性的原因。
"细菌中的多药耐药性。" 国家卫生研究院。 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2839888/
- "医药设计。" 国家卫生研究院。 http://www.nigms.nih.gov. 2006 年 7 月。
- Von Heijne 和 Rees。 结构生物学当前观点，18：405。2008 年 8 月。
- "多药外排转运蛋白 AcrB——泵送机制。" 村上聪。 结构生物学当前观点，18：459-465。2008 年 8 月。