青霉素结合蛋白(PBPs)是位于细菌细胞膜上的一些膜蛋白,最初发现时因为能和青霉素共价结合而得名。1972年Suginaka等第一次报道了青霉素结合蛋白(PBPs),他们用放射性同位素标记的青霉素标出了细菌表面的PBPs。后来研究发现PBPs也能与非β-内酰胺类抗生素结合。另外非细菌如螺旋体也可能有PBPs。PBPs是参与细菌细胞壁肽聚糖生物合成的酶,包括转肽酶、羧肽酶、内肽酶。它的正常存在是细菌保持正常形态及功能的必需条件,青霉素等抗生素正是通过与PBPs结合抑制细菌细胞壁的生物合成引起细菌细胞死亡从而发挥杀菌作用。一旦青霉素结合蛋白的数量、种类或者与抗生素的亲和力发生变化将会影响细菌的形态或者对抗生素的敏感性。细菌青霉素结合蛋白改变引起的细菌对抗生素的耐药性目前仍是研究的热点之一,其研究对于抗生素的改造、新抗生素的设计均有指导意义。
分类
按照细菌对各种β-内酰胺类抗生素的敏感度，可以将PBPs大致分为两类:①对青霉素敏感度稍差，但对大多数头孢菌素敏感的PBPs:分子质量较低(Mr24.8～34.7ku)，一般是D，D-肽酶，作用于肽或羧肽羧基供体相似物。如金黄色葡萄球菌的PBP4，大肠埃希氏菌的PBP5、PBP6;②一般对青霉素和头孢菌素均敏感的PBPs:分子量较高(Mr59.5～89.3ku)，其羧基末端是青霉素结合域催化青霉素敏感的肽聚糖转肽酶反应(肽交联)，氨基末端催化青霉素不敏感的肽聚糖转糖基酶反应(糖链延伸)，如大肠埃希氏菌的PBP2、PBP3。已知不同的抗生素作用于不同的PBPs上，即使是同一抗生素作用于不同细菌也是作用于不同的PBPs上。如头孢噻肟作用于链球菌的靶位是PBP2X，而作用于金黄色葡萄球菌的靶位是PBP2，苯唑西林也主要作用于金黄色葡萄球菌的PBP2，同时金黄色葡萄球菌的PBP3却是头孢拉定的主要作用点。作用于同一PBPs靶位点的抗生素合用会产生相互拮抗作用，作用于不同PBPs的β-内酰胺类抗生素在联用时可产生协同作用。
结构
以前是通过细菌提取的羧肽酶的青霉素-肽衍生物的氨基酸序列分析弄清了数种PBPs的活性中心，结果显示细菌PBP活性中心常是丝氨酸，β-内酰胺类抗生素正是通过其β-内酰胺环中的羧基和细菌相应的PBPs的丝氨酸的羟基共价结合成丝氨酸酯起作用。另外也有研究表明可能存在半胱氨酸-巯基为活性中心的羧肽酶。后来又有人联合液相色谱法和纳电喷雾法来鉴定PBP活性中心丝氨酸，在体外作β内酰胺类抗生素和重组PBP的共价结合，乙酰化的肽被分离以及用胰岛素作进一步的消化。消化后的肽纳-电喷雾法测序显示青霉素是和PBP2a403位丝氨酸结合在一起的。研究表明低分子质量的PBPs和A类β-内酰胺酶有相似的二级结构空间排布，均是双结构域的蛋白，一个是全α-型结构，另一个是核心由5个β-片层外加两面都有的α-螺旋组成的结构。它们还有相似的三级结构，并且在三级结构中相同的关键位置至少有三个盒，包括Ser-Xaa-Xaa-Lys盒，位于一级结构-60～80处产生于全α-型结构的一个螺旋的氨基酸末端，这样一来绕过一个螺旋之后赖氨酸残基侧链又重新回到活性中心区域;Lys-Thr-Gly/His-Thr-Gly盒，位于羧基末端的上游-60～70处产生于5个β-片层最里面的一个，组氨酸咪唑环或赖氨酸ε-氨基酸也指向活性中心，因此组成了活性中心的另一边;最后一个，大概位于一级结构的中部(更接近羧基末端)，有带阴性电荷的残基，Asp225/Glu150/Glu166，产生于连接两个螺旋的环上，构成活性中心的入口。也有研究认为PBPs青霉素结合区包括此3个保守序列:含氨基酸活化位点的SerXxxXxxLys(SXXK盒)、SerXxxAsn(SXN盒)、LysThr/SerGly(KT/SG盒)。现在人们用分子动力学模拟，量子力学及X-射线衍射等方法进一步研究了PBPs的晶体结构，活性位点的氨基酸序列及抗生素与PBPs具体酰化步骤。目前已搞清楚MRSA的PBP2a晶体结构是由三部分组成:①N-末端跨膜区;②糖基转移酶区;③转肽酶区，含β-内酰胺类抗生素作用位点。如果这些保守序列或相邻的氨基酸被替代，β内酰胺类抗生素不能有效地与PBPs结合而导致耐药。
功能
不同细菌的PBPs组成不同，其功能也各不相同，研究表明并非所有的PBPs均是抗生素的作用靶位。按其与细菌生理功能的关系及抗生素作用后的反应大致可以将它们分为细菌生长必需蛋白和生长非必需蛋白。现在研究得比较多的是革兰氏阳性菌中的肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌等，革兰氏阴性菌中的大肠埃希氏菌、铜绿假单胞菌、淋病奈瑟氏菌、流感嗜血菌等。
以大肠埃希氏菌为例阐明不同的PBPs的功能。大肠埃希氏菌含有7种PBPs，依次为PBP1a、PBP1b、PBP2、PBP3、PBP4、PBP5、PBP6。PBP1a为细菌生长非必需蛋白，缺乏PBP1a的变异株能够存活。PBP1b是维持细菌生长的重要蛋白质，是肽聚糖交联过程中的必需酶，也是青霉素溶解细胞作用的靶位。PBP2能维持大肠埃希氏菌的张力，使菌体保持杆棒状，当基因突变引起PBP2减少或缺乏时可使细菌变成圆球形而致溶解死亡。PBP3与细菌分裂有关，是隔膜的胞壁质形成的必须成分，抗生素选择性的作用于PBP3后，能够阻止大肠埃希氏菌的分裂并使细胞形成丝状体而不溶解。PBP4同时具有D，D-羧肽酶活性及D，D-内肽酶活性，但不是β-内酰胺类抗生素的主要作用靶位。PBP5是细菌生长非必需蛋白，具有D-丙氨酸羧肽酶IA的活性，而这个酶在细菌体内能保护大肠埃希氏菌不致被低浓度的β-内酰胺类抗生素杀死。PBP6具有D-丙氨酸羧肽酶I的活性，在细菌的静止期的含量远比指数生长期的要高(2～10倍)，能在静止期稳定肽聚糖的结构。有研究者发现另有两种青霉素结合蛋白PBP7(31.8ku)和它的蛋白降解产物PBP8(28.8ku)，均有D，D-内肽酶活性，特异性地水解大分子的细胞壁质的D，D-DAP-Ala间的肽键。克雷伯氏菌、沙门氏菌和铜绿假单胞菌的PBPs类型和大肠埃希氏菌高度相似。有报道PBPs还参与AmpC酶诱导产生过程，该酶是细菌的某种低分子质量PBP(PBP4或PBP7)暴露于β-内酰胺类抗生素后分泌的，这种低分子质量的PBPs很可能是β内酰胺酶的前体。
与产β-内酰胺酶细菌的关系
PBPs与革兰阳性菌
革兰阳性细菌细胞壁可自由透过β-内酰胺类抗菌药物，除产生β-内酰胺酶菌株外，革兰阳性菌一般对青霉素敏感，PBPs介导的耐药在临床上最常见的是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)。然而据报道，发现在肠球菌中已经出现了耐万古霉素菌株，这种耐药性可在实验中转移到金黄色葡萄球菌中去。在正常情况下，金黄色葡萄球菌有5种PBP，为其固有蛋白质，其分子量分别为87ku(PBP1)，80ku(PBP2)、75ku(PBP3)、70ku(PBP3)和41ku(PBP4)，其中PBP1、PBP2、PBP3是细菌所必需的且与β-内酰胺类抗菌药物具有高度的亲和性。而耐甲氧西林金黄色葡萄球菌中的PBP2a，分子量为78ku为耐药菌株所特有的，不是菌体必需的蛋白质，但有了它细菌就可以对青霉素产生耐药。PBP2a可由β-内酰胺类抗菌药物诱导产生并且与β-内酰胺类抗菌药物亲和力很低，所以很少被该类抗菌药物结合。PBP2a具有其他高亲和力PBPs的功能，当高亲和力的PBPs被β-内酰胺类抗菌药物结合而失去功能时，PBP2a的存在仍能维持细菌生长与存活，使其成为耐药菌株，因而PBP2a是MRSA对β-内酰胺类抗菌药物耐药的主要机制。有证据表明，不同的β-内酰胺类抗菌药物对PBP2a的诱导有差别，并非结构基因(mecA)的突变。临床分离的中度耐头孢氨苄和头孢拉定的金黄色葡萄球菌，发现其耐药性与PBP3亲和力降低有关，将PBPs基因通过转化方式可使敏感菌产生耐药性。青霉素结合蛋白在革兰阳性菌细胞壁合成过程中起着关键的作用。因其种类繁多，编码基因不同，分子质量大小也有很大的差异，但其作为肽聚糖合成中的关键酶类的功能相近。葡萄球菌耐药菌株中新出现的低亲和力的PBPs阻止了β-内酰胺类抗菌药物对细菌的抑制作用，当其他高亲和力的PBPs由于抗菌药物结合而失去活性时，这些低亲和力的PBP，补偿其他PBP，从高抗菌药物亲和力向低亲和力方向改变，从而出现耐药性。在发生β-内酰胺类抗菌药物耐药时，PBPs相应的基因发生变异，构成了细菌耐药机制中的重要部分，因此进一步深入研究革兰阳性菌的PBPs及其相关耐药机制，将对临床用药及新药开发提供重要参考。
PBPs与革兰阴性菌
革兰阴性菌因其外膜蛋白较薄，因而膜的穿透能力变化较大。而膜孔蛋白通道非常狭窄，能对大分子及疏水性化合物的穿透形成有效屏障，外膜屏障使细菌对抗菌药物产生不同程度的固有耐药性，且多数革兰阴性细菌产生β-内酰胺酶。导致革兰阴性菌β-内酰胺类药物耐药的机制主要是青霉素结合蛋白各种亚单位编码基因突变导致PBPs构象改变，β-内酰胺类抗菌药物与构象改变的PBPs结合力下降而耐药。外膜屏障与β-内酰胺酶具有明显的协同作用，即通透性降低的作用可使有效的酶灭活系统加强。外膜通透性降低导致细菌产生耐药性主要由于出现膜孔蛋白缺陷株、多向性突变、特异性通道的突变或脂质双层改变等。近年来，外膜通透性降低而出现的耐药性已越来越多，如绿脓杆菌等引起的严重感染主要是因为抗菌药物对细菌外膜蛋白显示低通透性所致。对于PBPs必需含量发生变化或缺失、与抗菌药物的亲和力降低、细菌产生缓慢结合的PBPs、诱导性PBPs的出现，即不依赖β-内酰胺酶的存在而对β-内酰胺类抗菌药物耐药，这种由PBPs介导的耐药性在革兰氏阳性菌中比革兰氏阴性菌中更常见。因此，革兰阴性细菌对β-内酰胺类抗菌药物的耐药性与PBPs改变的关系不如革兰阳性细菌明显和重要。