分枝桿菌細胞壁有選擇性交換陽離子的孔蛋白，能有效控制或阻滯親水性小分子的擴散，大大降低了化合物的滲透性，導致藥物進入高疏水性細胞壁間隙比較慢，這便筑成了MTB對藥物的第一道防線，且MTB有相對的耐干燥、耐堿等特性，使得它很難被清除。MTB的細胞壁和其他細菌有著很大的差別，其中類脂質含量超過60%，而革蘭氏陰性細菌類脂質含量僅占20%左右。類脂質是一類復雜的復合物，它賦予MTB表面硫水性，含有分枝菌酸（是MTB和棒狀桿菌屬獨有的結構，主要由2～24碳短鏈和40～64長鏈分支脂肪酸組成。分枝菌酸層能形成有效的屏障，使MTB免受溶菌酶、自由基等損傷，抵抗親水性化合物或抗生素的攻擊）、索狀因子（是分枝菌酸和海藻糖結合的一種糖脂，能使細菌在液體培養基中呈蜿蜒索狀排列。此因子與分枝桿菌毒力密切相關，它能破壞細胞線粒體膜，影響細胞呼吸，抑制白細胞遷移和引起慢性肉芽腫。若將其從細菌中提出，則細菌喪失毒力）、磷脂（能促使單核細胞增生，并使炎癥灶中的巨噬細胞轉變為類上皮細胞，從而形成結核結節）、蠟質D（一種肽糖脂和分枝菌酸的復合物，可從有毒株或卡介苗中用甲醇提出，具有佐劑作用，可激發機體產生遲發型超敏反應）、多糖類、細胞壁粘肽。因基因突變而導致MTB細胞壁結構發生改變從而使MTB耐藥的基因有 katG、 inhA、 ahpC、 oxyR、 kasA、 ndh、 embC、 embA、 embB、 alrA、 gadA。

分枝菌酸（myolic acid）是組成MTB細胞壁的關鍵成分，賦予了細菌極強的抵抗力。異煙肼對MTB產生作用的機制就是抑制了分枝菌酸的合成，破壞細菌的細胞壁，使其因失耐酸性和疏水性而死亡。

Alderwick等于2005年發現阿拉伯糖基轉移酶（arabinofuranosyltransferase，AftA），是MTB細胞壁的主要成分，是阿拉伯聚糖生物合成途徑中的關鍵酶，也是重要的MTB致病相關因子。阿拉伯半乳聚糖層能阻止疏水性分子的進入。乙胺丁醇是一種阿拉伯糖類似物，其通過抑制阿拉伯半乳聚糖層的合成進而達到殺菌效果。

粘肽細胞壁的主要結構成分為細胞壁粘肽，由N-乙酰葡萄糖胺（GNAc）和與五肽相連的N-乙酰胞壁酸（MNAc）重復交替聯結而成，而環絲氨酸（cycloserine，Cs）可通過抑制粘肽生物合成酶D-丙氨酸的消旋酶（Ar）和合成酶（Dd），而阻礙細胞質內粘肽前體N-乙酰胞壁酸的形成，抑制細菌細胞壁粘肽（肽聚糖）的合成，致MTB細胞壁缺損，減弱其抗酸能力，有殺菌和抑作用。

MTB耐藥性的產生多由其基因組上編碼藥物標靶的基因或與藥物活性有關的酶的基因突變所造成，即基因型耐藥。基因型耐藥的基礎是在大量MTB菌群中存在天然抗藥突變株，這些突變株在藥物的選擇壓力下保留并繁殖。基因型耐藥菌株能夠將耐藥特性傳遞給后代菌株，后代菌株能保持并遺傳其耐藥性。當編碼藥物標靶的基因或與藥物活性有關的酶的基因發生突變而產生耐藥性的主要機制如下：

如鏈霉素、卷曲霉素、阿米卡星、卡那霉素、大環內酯類藥物及對氨基水楊酸鈉等藥物。

RNA的合成為主　如利福平。

如氟喹諾酮類藥物。

如吡嗪酰胺。

在MTB中已經發現了活躍的藥物外排泵系統，外排泵能將菌體內藥物泵出，使得胞內藥物濃度不能有效抑制或殺死分枝桿菌，從而產生耐藥性。目前為止，雖有MTB質粒的報道，但未發現質粒介導耐藥的現象。僅憑MTB天然細胞壁屏障作用和耐藥基因并不能全面解釋其耐藥機制，有些MTB雖然發生了突變卻不耐藥，有些耐藥的MTB卻沒有發現突變基因，這說明MTB還有其他的耐藥機制。研究表明，分枝桿菌存在藥物主動外排泵的表達，并被視為是MTB藥物靶分子突變機制外的一個重要機制。外排泵是膜上參與代謝的一些蛋白，它們認為抗生素是外來毒素而將其排出體外。最早人們只是在腫瘤細胞及細菌中發現存在外排現象，并導致低濃度耐藥的產生。雖然導致的是低濃度的耐藥，但正是外排泵的出現增加了基因突變的頻率，并最終導致高濃度耐藥的產生。MTB外排泵的發現時間并不是很長，但卻是對耐藥機制研究的一個重要補充。

研究發現，分枝桿菌外排泵能將菌細胞內的藥物泵出，使得胞內藥物濃度不能有效抑制分枝桿菌的生長，從而產生抗生素耐受性。藥物外排系統根據其蛋白氨基酸同源性可分成很多種類，MTB的H37Rv株基因組有20個編碼假想外排泵的開放閱讀框（ORF）。目前，僅有幾種分枝桿菌外排泵得到一定研究，分別為屬于主要易化超家族（MFS）的LfrA、RvI634、EfpA、Tet（V）、P55、Tap、Rv1258c；屬于耐受小節分裂區家族（RND）的MmpL；屬于ATP結合超家族（ABC）的DrrAB、Pst、Rv2686c-Rv2687c-Rv2688c；屬于小耐多藥性家族（SMR）的Mmr等。其中LfrA為分枝桿菌中被發現的第一個功能外排泵，具有較廣的底物專一性。

異煙肼（INH）是20世紀50年代發現的具有抗MTB活性的臨床應用最廣泛的一線藥物。其作用機制是被MTB內的觸酶——過氧化物酶katG活化后，抑制enoyl-ACP還原酶inhA，從而抑制分枝菌酸和細胞壁的生物合成，并能使MTB喪失多種特性，如抗酸染色、增殖性和疏水性，最終導致MTB死亡。異煙肼耐藥與多種基因突變有關，目前與INH耐藥相關的突變基因有 katG、 inhA、 sigl、 ahpC- oxyR、 kasA、 ndh、 nat和 mshA等，其中 katG和 inhA基因是主要耐藥基因，二者占總耐藥基因的90%以上。

分析結果發現，導致異煙肼耐藥性的原因主要包括 katG基因的插入、缺失以及點突變。463位CGG→CTG、315位AGC→ACC是最常見的 katG基因點突變，除此之外 katG基因突變點還包括104位、108位、138位以及148位。 katG基因突變破壞觸酶——過氧化物酶的產生，從而使INH與MTB無法作用。

inhA基因也就是enoyl-ACP還原酶編碼基因。如果 inhA基因出現結構突變，則會降低NADH和異煙肼的親和力，進而出現耐藥。 inhA結構基因常見的突變位于16位、21位、47位和178位密碼子上， inhA基因啟動子突變常見于堿基對的置換，如：24位（G-T），16位（A-G）或8位（T-G）。除此之外 inhA基因的調節序列發生突變或者 inhA基因中的某一點發生突變，則會導致 inhA基因蛋白過度表達，從而導致異煙肼耐藥。 inhA基因的過度表達造成分枝菌酸的過度合成，而 katG基因突變主要是由 AhpC基因突變造成的。

kasA基因突變在異煙肼耐受中所起的作用還不清楚，因為有部分學者在敏感菌株中也發現有 kasA基因突變。

利福平（RFP）于20世紀60年代被發現，為臨床重要的一線抗結核藥物。RFP的作用機制是與MTB DNA依賴的RNA聚合酶β亞單位（rpoB）結合，從而抑制其活性，進而對mRNA轉錄進行抑制，干擾DNA及蛋白質的合成，導致細胞死亡。 rpoB基因則是RNA聚合酶β亞基所依賴的編碼基因，在位于RNA聚合酶β亞單位 ropB核心保守區域出現突變時，如缺失突變、插入突變或者點突變等，約97%的RFP耐藥株受RNA聚合酶β亞單位的 rpoB基因突變影響，造成RFP與RNA聚合酶之間的親和力減小，從而導致RFP耐藥性的出現。RNA聚合酶β亞單位 ropB核心保守區域的突變有96%集中在一段81bp的區域內，其中65%～86%的突變位于526位或531位密碼子，并導致對利福平的高度耐藥，臨床上把檢測這個區域的突變作為MTB對利福平耐藥的參考，而511位、516位、518位和522位密碼子的突變與MTB對利福平低水平的耐藥相關。還有一些突變發生在RNA聚合酶的其他亞基上，它們可能引起MTB對利福平滲透性的改變，這些方面的研究還有待于進一步的深入。

鏈霉素（SM）是臨床常用的一線抗結核藥，為氨基糖苷類抗生素，主要作用于16SrRNA，干擾蛋白質翻譯、抑制蛋白質合成。已有研究證實，鏈霉素耐藥相關基因主要包括編碼核糖體蛋白S12的 rpsL基因和編碼16SrRNA的 rrs基因。鏈霉素與MTB作用受限就是由 rpsL和 rrs基因的突變造成的，繼而導致耐藥性的出現。鏈霉素耐藥菌大部分都與這兩個基因突變有關。 rpsL突變率高于 rrs， rpsL突變位點主要集中在43位和88位密碼子上， rrs的突變位點主要集中在491位、512位和516位密碼子上。

有研究表明，由于7-甲基鳥苷-甲基轉移酶具有使16S rRNA發生甲基化的特性，因此編碼7-甲基鳥苷-甲基轉移酶的 gidB基因突變可能可造成菌株對鏈霉素的低度耐藥性。耐鏈霉素菌株中大約有27%發生 gidB突變并不同時伴有 rpsL或 rrs基因突變，但它們能夠引起MTB對鏈霉素低度耐藥性，但鏈霉素敏感的菌株中也能檢測到 gidB基因，因此 gidB突變與耐藥相關性值得進一步研究。

乙胺丁醇（EMB）是一種阿拉伯糖類似物，作用于分枝桿菌阿拉伯糖基轉移酶，使阿拉伯半乳聚糖和阿拉伯甘露聚糖合成障礙，MTB無法合成完整的細胞壁并造成分枝菌酸積累，導致細菌死亡。阿拉伯糖基轉移酶的編碼基因為 embABC操縱子基因，其過量表達導致MTB對乙胺丁醇的耐受。 embABC操縱子基因是由 embA、 embB和 embC三個基因構成的復合物，耐乙胺丁醇株的常見突變點為 embB基因的306位密碼子。 embB基因突變影響三元復合物的形成，然而 embABC操縱子基因突變所導致的MTB對乙胺丁醇耐受的具體機制還有待研究。

吡嗪酰胺（PZA）是煙酰胺的模擬藥物，主要是和阿拉伯糖基轉移酶產生作用，進而對肽聚糖復合物形成產生影響，讓抗結核治療的療程顯著縮短。吡嗪酰胺需經 pncA基因編碼的吡嗪酰胺酶催化才能變為活性形式——吡嗪酸，而耐吡嗪酰胺的MTB通常伴隨著吡嗪酰胺酶活性的缺失。但是到目前為止，吡嗪酸的靶位尚不清楚，對此特異性靶位尚存在爭議。約72%～98%吡嗪酰胺耐藥菌株存在 pncA基因突變，使吡嗪酰胺酶失去活性從而抑制吡嗪酸的合成最終導致耐藥。 pncA基因位點突變呈高度多樣性，但有三個密碼子區域如3～17位、132～142位、61～85位有相當程度的聚集性，這些區段很可能有吡嗪酰胺酶的催化部位，尚需進一步的晶體學研究證實。還有研究發現在一部分耐吡嗪酰胺的菌株中沒有 pncA基因的任何突變，可能存在著另外一種耐藥機制，尚待進一步研究證實。

氟喹諾酮類包括氧氟沙星、環丙沙星、莫西沙星和加替沙星等抗生素，是治療耐多藥結核病必不可少的藥物。喹諾酮類藥物的主要作用是抑制MTB脫氧核糖核酸DNA回旋酶，縮短抗結核藥物的治療療程，該酶由 gyrA和 gyrB基因編碼。 gyrA基因和 gyrB基因突變主要集中在一個保守區域，此區域編碼的是喹諾酮類與DNA回旋酶相互作用的位點。研究表明， gyrA基因上單一的錯義突變與低水平喹諾酮類耐藥有關，而高水平耐藥一般在 gyrA基因上發生兩個或兩個以上錯義突變，或者 gyrA基因和 gyrB基因同時突變。但也有文獻報道，MTB gyrB基因與喹諾酮類藥物耐藥關聯性不明顯。