脂多糖

LPS的毒性是由李察•菲佛首次發現的，並認為是被細菌釋放到周圍環境中的內毒素，平常保存在細菌細胞內，僅在破壞細菌細胞壁後才會被釋放[1]^:84。隨後的研究表明，從革蘭氏陰性微生物中釋放LPS，不一定需要破壞細菌細胞壁，反而LPS可作為膜小泡運輸正常生理活動的一部分，以OMVs形式分泌出來，包含着其他致病因子和蛋白質[2]。如今，內毒素通常與LPS同義[3]，不過仍有一些與LPS不相關的內毒素，例如革蘭氏陽性的蘇雲金芽孢桿菌所分泌的bt毒蛋白。

脂多糖的結構

脂多糖通常由三部分组成：

• 多糖鏈，又稱多聚O抗原鏈(O polysaccharide) ，是細菌菌體抗原的抗原決定簇。由多個寡糖重復單位組成。 通常由1至6個糖殘基重復單位構成，具有很高的可變性，僅在大腸桿菌中就有170多種不同的多糖鏈已被報道[4][5]。但多糖鏈並不存在於所有的革蘭氏陰性菌中，其在某些革蘭氏陰性菌中是缺乏的，如腦膜炎雙球菌和博德氏菌屬。這種不存在多糖鏈的脂多糖有時也被叫做脂寡糖[6]。多糖鏈存在與否決定LPS是粗糙或光滑，標準長度的多糖鏈會使LPS光滑，而缺少或減少多糖鏈則會使LPS變得粗糙[7]。具有粗糙LPS的細菌通常具有比疏水性抗生素更滲透的細胞膜，因為粗糙LPS更具疏水性[8]。

• 核心多糖，在結構上分為內核心寡糖和外核心寡糖，其中內核心寡糖由3個KDO結構和3個庚醣結構組成[9][10]。許多細菌的LPS核心多糖還包含非碳水化合物成分，例如磷酸鹽、氨基酸和乙醇胺取代基等。綠膿桿菌在革蘭氏陰性菌中具有最磷酸化的內核心寡糖：LD-Hep残基HepI被3個磷酸殘基和1個PEtN修飾，而另一個LD-Hep残基HepII則被3個磷酸殘基和1個氨基甲酰基（Cm）修飾[11]。

• 脂質A，是細菌內毒素活性的根源，並且幫助脂多糖分子錨定在外膜上[12]。與多糖鏈不同，脂質A和核心寡糖是具有LPS的革蘭氏陰性菌均會存在的結構。絕大多數脂質A是由一個葡萄糖胺二糖構成的。其中大腸桿菌的脂質A在第1和4位點被磷酸化；在2和2位點各有一條脂肪酰鏈；在3和3位點上各有一條酯鏈，並且在二糖骨幹上的2和3的主酯鏈上會再次酯化，連接一條次級脂肪酸鏈。這種結構通常在革蘭氏陰性菌中，只會在各脂肪酸鏈所在的二糖主骨幹的位點上會有所差異。脂質A可被宿主血清中的LPS結合蛋白（LBP）探查到。這依賴於分化輔助因子14（CD14）和骨髓分化因子2（MD2），然後被調理素受體CD14識別，形成一個三元復合物。隨後這個復合物激活Toll樣受體4（TLR4），從而引發信號級聯反應，導致細胞因子和凝血因子的產生，以及CAMPs和其他刺激性分子的分泌。CAMPs會通過與帶負電的脂質A磷酸基團結合來幫助確定入侵的病原體，最終導致細胞的裂解和死亡[11]。

生物合成途徑 (Wzy依賴途徑)

O抗原的生物合成已知有三種途徑。第一是Wzy依賴途徑，第二是ABC轉運蛋白依賴途徑，而第三則是合成酶依賴途徑。前兩個途徑很常見，而合成酶依賴途徑則不常見，然而三通路有類似的起始反應：形成十一異戊二烯焦磷酸（Und-PP）並連接糖，通常由WecA和GlcNAc-1P轉運酶催化，形成Und-PP-GlcNAc[11]。

在Wzy依賴途徑中，O抗原亞基通過Wzx翻轉酶，跨越內膜來移位至外周胞質中，再通過Wzy進行聚合，並由Wzz調節最終的O抗原鏈長度接著通過WaaL進行連接。接著再通過MsbA形成完整的和已移位的Core-Lipid A分子[21]。在ABC轉運蛋白依賴途徑中，整個O抗原是在細胞質中組裝的，然後由Wzm和Wzt組成的ABC轉運蛋白轉運出去。Wzm形成膜通道，而Wzt提供了轉運能量[11]。在合成酶依賴途徑中，依賴兩種酶WbbE和WbbF，同時通過內膜延長並排出O抗原[11]。

依賴7個不同的脂多糖運輸蛋白 (LptABCDEFG) 協同完成運輸[22]

透過將細胞內已裝配完整的LPS正確裝配到外膜，使得與脂多糖相關的阻滲、有機溶劑耐受性、疏水性抗生素耐受性及膜通透性等功能得以實現。該運輸系統的作用主要依賴7個不同的脂多糖運輸蛋白 (LptABCDEFG) 協同完成。整個系統貫穿細菌內膜至外膜，並且由ABC轉運體復合物LptB2FG、胞質內協同轉運蛋白LptA和LptC，以及外膜蛋白復合物LptDE共同構成。

首先，細胞內膜上蛋白復合物共同形成ABC轉運體復合物，接收由MsbA翻轉酶翻轉出內膜的完整脂多糖結構[23]。LPS翻轉出內膜的細胞周質面後，會被呈遞給ABC轉運體的LptB2FG，構建出一個針對LPS的信號轉導通路，並且將LPS運輸至周質轉運蛋白LptA/C。因本身攜帶有大量的負電荷而會對鄰近的分子間產生靜電排斥力的脂質A，使得LPS能沿LptA-LptC進行單向移動。接著，LPS會通過LptA與LptD間的水溶性周質結構，被運輸至位於外膜的β桶狀蛋白LptD的氮端，並且插入LptD的内部。在LptD的碳端桶狀蛋白結構中，由LptD的分子伴侶LptE進行方向調整，使其垂直於外膜，並且在外膜帶正電荷的Mg²⁺的幫助下完成在LptD蛋白中的側向移動過程。最終，LPS成功裝配到外膜上[24][25]。

通過修飾LPS，可以呈現特定的糖結構。這些可以被能夠抑制LPS毒素的LPS識別，抑或被使用這些糖結構，添加更多特定糖的糖基轉移酶識別。有研究顯示，腸中的一種鹼性磷酸酶可以通過去除LPS中碳水化合物上的兩個磷酸基團，使LPS解毒[26] 。這可能是一種適應機制，可幫助宿主管理小腸中革蘭氏陰性細菌的潛在毒性。當LPS進入動物組織或在動物組織中產生時，其他酶可能會幫助LPS解毒。中性粒細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞產生脂酶，而酰氧基酰基水解酶（AOAH）則通過從脂質A中去除兩條二級酰基鏈令LPS失活。如果在胃腸外給予LPS，缺乏酰氧基酰基水解酶的小鼠就會產生高滴度的非特異性抗體，延長肝腫大和經歷很長的內毒素耐受性。胃腸外的LPS暴露後，動物可能需要失活LPS來恢復體內平衡[27]。