第二节 杀虫剂在昆虫体内的代谢

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 杀虫剂在昆虫体内的代谢,农药在动物体内的代谢主要包括两个过程：,初级代谢：,发生氧化、水解、还原等酶促反应，生成强极性的最终产物，这是非合成过程。,次级代谢：,通过轭合等将初级代谢产物转变为水溶性化合物，这是合成过程。,1,第二章 昆虫的体壁,一、初级代谢,氧化代谢：,微粒体多功能氧化酶（,microsomal mixed function oxidase, MFO,）,还原代谢：,水解：,酯酶（,esterases,）,脱卤化代谢：,2,第二章 昆虫的体壁,微粒体多功能氧化酶（,microsomal mixed function oxidase, MFO,）,:,是分布于动物某些细胞的光滑内质网上的一种氧化酶系，在还原型辅酶,及分子氧的参与下，催化各种各样的外源物和内源物氧化。,氧化代谢,分布：,脊椎动物中主要分布于肝、肺、肾、肠等器官中，在昆虫体内则主要分布于中肠、脂肪体、马氏管等器官中。,组成：,多功能氧化酶的主要组分包括二种类型的细胞色素,(,细胞色素,P450,和细胞色素,b5),、二种黄素蛋白,(NADPH,细胞色素,P450,还原酶和,NADH,细胞色素,b5,还原酶,),及磷酯等。,3,第二章 昆虫的体壁,催化机制：,单氧加氧酶,RH + NADPH + O2 NADP+ + ROH + H2O,MFO,催化的反应类型：,羟基化反应 、脱烷基反应 、硫醚氧化及酯氧化反应、环氧化反应,微粒体多功能氧化酶,MFO,4,第二章 昆虫的体壁,农药在动物体内进行还原形式的代谢较多地发生于那些含硝基苯核或含卤原子的化合物中。它们经细菌或酶的作用，被转化为相应的氨基化合物及脱卤的代谢物。不过农药结构上卤原子的脱除，还原并非是唯一的途径。,还原,5,第二章 昆虫的体壁,在农药的初级代谢中，以微粒体多功能氧化酶最为重要，但也有一部分农药的初级代谢是水解作用。特别是有机磷农药中有许多种是以水解为主的，其他如氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类杀虫剂的代谢也涉及水解。下面将根据化合物的类别及相关酶系分别加以叙述。,酯酶,(esterases),是催化水解代谢的主要酶系，但酯酶的分类比较混乱。有时所用的术语仅描述某些反应。如,“,磷酸酯酶,”,水解,P-O-C,键，,“,酰胺酶,”,水解酰胺键，,“,羧酸酯酶,”,水解羧酯键等。,水解,6,第二章 昆虫的体壁,很多农药都是含卤素的化合物，在动物体内脱卤素反应的解毒代谢非常普遍。例如已证明在昆虫体内,DDT,由脱氯化氢酶的作用而变成,DDE,，而在哺乳动物体内则变成,DDD,和,DDA,。又如林丹，在昆虫体内，先在谷胱甘肽转移酶作用下和谷胱甘肽作用，然后再脱去,HCl,而生成苯硫酚。而在哺乳动物体内则逐步脱氯化氢形成三氯苯，再羟基化成三氯苯酚。,脱卤化代谢,7,第二章 昆虫的体壁,二、次级代谢,动物体内的初级代谢产物往往仍没有足够的水溶性，尚需经过次级代谢，生成完全溶于水的轭合物，通过排泄系统排出体外。轭合作用是一种生物合成过程，具有下述几个特点,:,（,1,）与轭合作用有关的酶系分布广泛，因此，轭合作用在胞液、线粒体或内质网中都可发生。,（,2,）轭合作用是合成反应，要消耗能量，需要,ATP,、乙酰辅酶,A,等的供应。,（,3,）一般被轭合的化合物都含有,OH,，,NH2,，,COOH,等基团。不带这些基团的化合物需先经氧化、水解、还原等初级反应后才能被轭合。,动物体内主要的轭合作用有：葡萄糖醛酸轭合、葡葡糖轭合、硫酸盐轭合、谷胱甘肽轭合及氨基酸轭合等。,8,谷胱甘肽,(GSH),轭合是农药在动物中解毒代谢的重要途径，与前述,4,种轭合作用不同的是，谷胱甘肽并非一定要和强极性的初级代谢产物反应，而是可以直接参与农药的初级代谢，和亲脂性强的农药直接轭合，尤其在有机磷酸酯农药的解毒代谢中，在谷胱甘肽,-S-,转移酶的作用下脱烷基反应。一般来说，脱去甲基比较容易，脱去乙基、丙基就比较困难，而且往往只脱去,1,个甲基，,2,个甲基同时脱去就十分困难。,谷胱甘肽轭合过程如下：,首先是底物（,RX,）与谷胱甘肽在谷胱甘肽,S,转移酶的作用下轭合形成一个轭合物。这个轭合物由谷氨酰转移酶作用转变为半胱氨酸轭合物，半胱氨酸轭合物再依次经半胱氨酰转移酶和乙酰转移酶作用，最后形成硫醚氨酸。谷胱甘肽轭合作用中关键酶称为谷胱甘肽,S,转移酶（,glutathione S-transferase,，简称,GST,）。在哺乳动物中，,GST,主要分布在肝细胞中。在昆虫中，,GST,主要分布在脂肪体中。,GST,实际上是一酶系，按其底物特异性可分成：,（,1,）谷胱甘肽,S-,烷基转移酶,该酶转移的烷基包括硝基烷烃、卤代烷或烯烃、烷基有机磷化合物。例如甲氧基有机磷农药转化为去甲基有机磷。,（,2,）谷胱甘肽,S,芳基转移酶,该酶转移的芳基包括简单的、复杂的芳环、硝基呋喃、三嗪等。如二嗪农的代谢。,9,第三节 杀虫剂的作用方式与作用机理概述,作用方式：,指杀虫剂进入昆虫体内并到达作用部位的途径和方法。,作用机理：,指杀虫剂进入虫体后与靶标的作用，即对昆虫的酶系、受体及其他物质的作用，及由此对虫体产生的影响和后效应。,10,第二章 昆虫的体壁,一、杀虫剂的作用方式,触杀作用,胃毒作用,熏蒸作用,内吸作用,常规杀虫剂,特异性杀虫剂,拒食作用,忌避作用,引诱作用,不育作用,生长发育调节作用,11,第二章 昆虫的体壁,二、杀虫剂的作用机理,杀虫剂,神经毒剂,呼吸毒剂,消化毒剂：,B.t,等,生长调节剂,生殖毒剂：,喜树碱等,行为干扰剂,轴突毒剂：,DDT,、除虫菊酯类,前突触膜毒剂：环戊二烯类,胆碱酯酶抑制剂：有机磷类、氨基甲酸酯类,乙酰胆碱受体毒剂：烟碱类、沙蚕毒素类,GABA,受体毒剂：锐劲特、,Avermectin,、环戊二烯类,章鱼胺受体毒剂：杀虫脒类,其它,外呼吸毒剂：矿物油、砷素剂等,内呼吸毒剂：磷化氢、鱼藤酮等,保幼激素类似物：双氧威、灭幼宝等,抗保幼激素类似物：早熟素等,几丁质合成抑制剂：磺酰脲类、噻嗪酮,蜕皮激素类似物：虫酰肼等,信息素：性信息素、聚集信息素等,拒食剂：印楝素,忌避剂：某些植物源物质,拒产卵剂：某些植物源物质,其它,其它类：,吡蚜酮等,12,第四节 昆虫的神经生理,作用方式：,指杀虫剂进入昆虫体内并到达作用部位的途径和方法。,作用机理：,指杀虫剂进入虫体后与靶标的作用，即对昆虫的酶系、受体及其他物质的作用，及由此对虫体产生的影响和后效应。,13,第五节 神经毒剂,杀虫药剂中绝大部分是神经毒剂，均是阻断神经传导，而不是直接杀死神经细胞。,张宗炳按照神经毒剂的毒理机制分为六大类：,（,1,）影响轴突传导的药剂，如,DDT,及除虫菊酯类化合物；,（,2,）影响突触的乙酰胆碱传导的药剂，又可分为四类：,（,a,）引起乙酰胆碱过度释放的，如六六六、狄氏剂等；,（,b,）抑制胆碱酯酶的，如有机磷及氨基甲酸酯类等；,（,c,）抑制胆碱乙酰化酶导致乙酰胆碱消耗尽的药物；,（,d,）占领乙酰胆碱受体的药物，如烟碱、沙蚕毒素等；,（,3,）影响突触其他神经传导体的，可能还涉及到膜的敏感性的药物，如杀虫脒等。,14,第三节 神经的传导机制,静息电位,离子在神经细胞膜内、外分布的不均一性和神经细胞膜对离子通透的选择性，使神经细胞膜在无外来刺激时，处于外正内负的极化状态，膜内外这时的电位差叫静息电位（,rest potential,）。,动作电位,当神经细胞接受到传入信号刺激后，膜对离子的通透性发生改变，产生去极化，从而引发了瞬时的内正外负的动作电位（,action potential,）。,神经活动的基础是神经细胞的跨膜电位，刺激使膜的通透性发生变化，引起动作电位的发生。神经传导包括轴突传导和突触传导。,神经生理,轴突传导,15,第三节 神经的传导机制,动作电流,去极化区,极化区,轴突膜,轴浆,K,+,膜,极化（董南平衡）,静息电位,Na,+,膜,去极化,动作电位,刺激,动作电位的产生与传导,16,第三节 神经的传导机制,突触结构,突触（,synapses,）是神经元间、神经与肌肉间、神经与腺体间的连接点，是神经传导的联络区。由,突触前膜,、,突触后膜,和,突触间隙,3,部分组成。,1,个神经元细胞通常与多个神经细胞形成输入和输出突触。,突触类型,分化学突触和电突触两类。,电突触,间隙很窄（,3.5nm,），靠直接电偶合即可传递信息，且速度很快，但在昆虫中很少存在。,化学突触,间隙较宽（,20,25nm,），靠化学递质传递神经活动信息，速度较慢，在昆虫中普遍存在。,突触传导,17,第三节 神经的传导机制,电,突,触,电突触,电源,前突触膜,后突触膜,间隙连接,蛋白复合体,电流通过,间隙汇合处,突触传导,18,第三节 神经的传导机制,化学突触,树,-,树突触,刺激,脉冲,化学突触,轴,-,体突触,兴奋性,突触电流,抑制性,突触电流,抑制性轴突,兴奋性,前突触轴突,神经,-,肌肉突触,肌肉,兴奋性,神经元,前突触上,神经末梢,抑制性,神经元,肌纤维上,神经末梢,突触传导,19,化学突触及其,传导,化学突触的前膜膨大成,突触小结,（,synaptic knob,），小结中含有许多内含神经递质的,突触小泡,。在以,乙酰胆碱,（,acetycholine,，,Ach,）为递质的突触中，每个小泡内含数万个,Ach,分子。动作电位传导到突触前膜时，引起膜上对电压敏感的,Ca,2+,通道,打开，使膜外的,Ca,2+,进入膜内，促使突触小泡与突触膜融合成“,”,状，,Ach,从开口处释放到突触间隙。,突触后膜略膨大，膜上有与,Ach,特异性结合的受体蛋白。,Ach,到达后膜便与之结合，引起受体分子构象发生改变，离子通道随之打开，使,Na,+,、,K,+,的通透性改变，导致膜去极化，产生突触后电位，将冲动传递到下一个神经元。,第三节 神经的传导机制,突触传导,20,第三节 神经的传导机制,昆虫神经元突触间,Ach,传导示意图,在突触间隙存在有乙酰胆碱酯酶（,AchE,），可将,Ach,及时水解成乙酸（,Ac,）和胆碱（,Ch,）；二者又被突触前膜吸收，在胆碱乙酰化酶作用下，合成,Ach,备用。,CH,3,CH,3,CH,3,CH,3,乙酰胆碱酯酶,胆碱乙酰化酶,（乙酰胆碱）,（乙酸）,（胆碱）,CH,3,COOCH,2,CH,2,-N-CH,3,+ H,2,O CH,3,COOH + HOCH,2,CH,2,-N-CH,3,突触间隙,突触前膜,（半胆碱）,突触小泡,突触前端丛,递质释放点,轴丘,树突端丛,EPSP,递减传布,突触前电位,峰,Ch,HC-3,Ac+Ch,Ach,Ach,Ach,Ach,Ach,Ach,Ca,2+,AchR,Ac+Ch,AchE,突触后膜,突触传导,21,神,经,突,触,结,构,和,突,触,传,导,第三节 神经的传导机制,突触传导,22,第三节 神经的传导机制,昆虫神经递质与脊椎动物的不同,脊,椎,动,物,昆,虫,乙,酰,胆,碱,谷,氨,酸,谷,氨,酸,乙,酰,胆,碱,中枢神经,系统,神经,-,肌肉,系统,中枢神经,系统,神经,-,肌肉,系统,突触传导,23,拟除虫菊酯类杀虫剂，主要作用于轴突膜上的离子通道（主要是,Na,+,通道），通过延迟钠离子通道的关闭，使负后电位上升到去极化的阈值，导致重复后放，破坏神经传导引起中毒。,第四节 杀虫剂对神经系统的影响,4.1,对轴突传导的影响,4.2,对乙酰胆碱酯酶的影响,有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂，都是乙酰胆碱酯酶的抑制剂，进入突触间隙后，能象,Ach,那样与,AchE,结合，且结合后很难水解，结果使酶的正常作用受阻，造成突触部位的,Ach,大量积累，致使昆虫过度兴奋，行动失调，最后麻痹死亡。,24,4.3,对突触后膜的影响,沙蚕毒素和吡虫啉等氯化烟酰类化合物，主要作用于神经突触后膜上的乙酰胆碱受体，前者抑制突触后膜的兴奋性，使昆虫瘫痪死亡，后者则增加突触后膜的兴奋性，使昆虫不断出现神经冲动，产生颤抖症状，随之发生痉挛，最后麻痹而死。,阿维菌素类杀虫剂的作用靶标是神经,肌肉接点的突触后膜，阻断神经与肌肉间的联系，破坏肌肉的兴奋收缩功能，是昆虫中毒死亡。,第四节 杀虫剂对神经系统的影响,25,一、轴突毒剂,药剂对轴突传导的抑制主要是通过改变膜的,离子通透性,，从而影响正常膜的电位差，使电冲动的发生与传导失常。而离子通透性的改变主要与离子通道（,ion channel,）有关。离子通道使钠、钾、钙等离子顺电化学梯度扩散，通过双分子膜。离子通道必须能够开放和关闭，才能实现其产生和传导电信号的生理功能。,根据通道开关的调控机制又称门控机制的不同，离子通道可分为：,(1),配体门控离子通道或称受体控制性通道，,Ach,受体、,GABA,受体等都是配体门控通道，将化学信息转变为电信号；,(2),电压门控离子通道，或称电压依赖性通道，其开、关一方面由膜电位决定，另一方面与电位变化的时间有关,(,时间依赖性,),，这类通道在维持可兴奋性细胞的动作电位方面起相当重要的作用，钠通道、钾通道等都是电压门控的离子通道；,(3),环核苷酸门控,(CNG),通道，这类通道在视觉和嗅觉方面的信号传导中相当重要。,(4),机械力敏感的离子通道，即当细胞受各种各样的机械力刺激时开启的离子通道。,26,钠离子通道,滴滴涕、除虫菊酯类,拟除虫菊酯类杀虫剂，主要作用于轴突膜上的离子通道（主要是,Na+,通道），通过延迟钠离子通道的关闭，使负后电位上升到去极化的阈值，导致重复后放，破坏神经传导引起中毒。,27,二、前突触毒剂,六六六和环戊二烯类杀虫剂主要对中枢神经系统中的突触部位起作用，刺激前突触膜大量释放乙酰胆碱，造成乙酰胆碱在前后两个神经元的间隙中大量积累，因而阻碍了神经元之间的神经传导。,近年来，随着毒理学研究手段的改进，特别是放射性标记的配体结合技术和膜片钳技术的引入，发现此类杀虫剂能抑制,GABA,诱导的氯离子流，并能抑制二氢苦毒宁（,DXPTX,）与受体的结合，认为该类药剂为,GABA,受体抑制剂。,至于,GABA,受体和突触前膜，这两个靶标中，哪个是初始靶标，哪种机理是致毒机理，到目前为止尚未见报道。,28,三、,胆碱酯酶抑制剂,乙酰胆碱的释放是化学传递所必需，但是，它必须迅速地被除去，否则连续的刺激会引起乙酰胆碱的积累，而积累过多反而引起神经传递的阻断。因此，乙酰胆碱酯酶是十分重要的，抑制了这种酶就会引起神经传导的阻断,(,有一个先期的兴奋,),。,分解后产生的胆碱重新被突触前膜所吸收，乙酸被一般细胞均能吸收。它们与辅酶,A,结合，形成乙酰辅酶,A,，然后，运送到前突触中，在胆碱乙酰转移酶的作用下重新合成乙酰胆碱。,有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂，都是乙酰胆碱酯酶的抑制剂，进入突触间隙后，能象,Ach,那样与,AchE,结合，且结合后很难水解，结果使酶的正常作用受阻，造成突触部位的,Ach,大量积累，致使昆虫过度兴奋，行动失调，最后麻痹死亡。,29,四、乙酰胆碱受体毒剂,以昆虫神经系统的受体为作用靶标的一类药剂称为受体毒剂。昆虫体内作为杀虫靶标的有乙酰胆碱受体、,GABA,受体、章鱼胺受体这三类主要的神经受体，另外还有多巴胺受体、,5-,羟色胺受体、谷氨酸受体等。,乙酰胆碱受体,Acetylcholine Receptor,沙蚕毒素和吡虫啉等氯化烟酰类化合物，主要作用于神经突触后膜上的乙酰胆碱受体，前者抑制突触后膜的兴奋性，使昆虫瘫痪死亡，后者则增加突触后膜的兴奋性，使昆虫不断出现神经冲动，产生颤抖症状，随之发生痉挛，最后麻痹而死。,阿维菌素类杀虫剂的作用靶标是神经,肌肉接点的突触后膜，阻断神经与肌肉间的联系，破坏肌肉的兴奋收缩功能，是昆虫中毒死亡。,30,乙酰胆碱受体,Acetylcholine Receptor,以昆虫神经系统的受体为作用靶标的一类药剂称为受体毒剂。昆虫体内作为杀虫靶标的有乙酰胆碱受体、,GABA,受体、章鱼胺受体这三类主要的神经受体，另外还有多巴胺受体、,5-,羟色胺受体、谷氨酸受体等。,乙酰胆碱受体，与乙酰胆碱酯酶一样，都是蛋白质，它们甚至于具有相似的氨基酸组成。但是，受体是一种酸性的糖蛋白，它处于突触后膜的膜内，一端伸出膜外，为接受乙酰胆碱的部位。乙酰胆碱受体（,AChR,）是一个配体门控阳离子通道，其在胆碱能突触的重要作用在于识别和转导化学信号,ACh,。据作用方式和药理学的不同将,AChR,分为三类，即烟碱样受体（,nicotinic receptor,，,N-R,，,nAChR,）、蕈毒碱样受体（,muscarinic receptor,，,M-R,，,mAChR,）、蕈毒酮样受体,(muscaronic receptor),。烟碱类化台物和蕈毒类化合物可作为配体分别与,nAchR,和,mAchR,结合，从而模拟,Ach,的作用。这两类化台物是胆碱能系统的拮抗物，可用来分析鉴定这两种受体。乙酰胆碱与受体的结合就是对受体的激活过程，这个激活包括受体本身发生某些改变，而这些改变又间接地引起突触后膜的三维结构的改变。膜的改变主要是各种离子的通导性改变了。乙酰胆碱与不同的受体结合产生的生理效应不同。,31,五、,GABA,受体毒剂,以昆虫神经系统的受体为作用靶标的一类药剂称为受体毒剂。昆虫体内作为杀虫靶标的有乙酰胆碱受体、,GABA,受体、章鱼胺受体这三类主要的神经受体，另外还有多巴胺受体、,5-,羟色胺受体、谷氨酸受体等。,多氯环烷烃类,Avermectin,类,苯并咪唑类及其类似物,32,六、章鱼胺受体毒剂,以昆虫神经系统的受体为作用靶标的一类药剂称为受体毒剂。昆虫体内作为杀虫靶标的有乙酰胆碱受体、,GABA,受体、章鱼胺受体这三类主要的神经受体，另外还有多巴胺受体、,5-,羟色胺受体、谷氨酸受体等。,多氯环烷烃类,Avermectin,类,苯并咪唑类及其类似物,33,