农药的生物活性和作用机理

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,*,第三章：杀虫剂的作用机理,作用过程,研究中毒机理时，药剂的基本作用十分重要。所谓基本作用即药剂在体内通过复杂的过程，最终的关键生理作用。由于这种作用而使害虫的正常生理活动受到干扰或破坏而致死。基本作用的复杂生化过程，必须经过详尽的研究，才能明确。药剂的毒理作用除和毒性基团有关外，也与整个分子的化学结构有关。,目前大量使用的杀虫剂，例如有机磷、氨基甲酸酯等都是神经毒剂，非神经毒剂不占主要地位。但从全部杀虫剂的作用机制看，大致可分为两大类：,(1)神经系统毒剂,a.对突触后膜作用烟碱、杀螟丹、杀虫脒；,b对刺激传导化学物质分解酶作用；,抑制胆碱酯酶有机磷、氨基甲酸酯；,抑制单胺氧化酶杀虫脒。,c作用于神经纤维膜(包括膜的Na、K离子活化，抑制ATP分解酶)。,(2)干扰代谢毒剂,a破坏能量代谢鱼藤酮、氰氢酸、磷化氢等；,b抑制几丁质合成取代苯基脲类；,c抑制激素代谢保幼激素类似物等；,d.抑制毒物代谢酶系；,多功能氧化酶增效醚等3，4亚甲二氧苯基类化合物(MDP)；,水解酶三磷甲苯磷酸酯(TOCP)，正丙基对氧磷等：,转移酶杀螨醇等。,二、神经毒剂毒理,(一)神经构造和生理,昆虫的神经概可分为三类，即感觉神经元、联系神经元和运动神经元，无自主神经系统。,神经元的膜为二层磷酯分子间夹有蛋白质或胆固醇类复杂物质构成，突触前神经元和后 神经元之间，神经元和肌肉之间不连接，大约有20,50nm的间距。无脊椎动物的神经纤维均为无髓神经，脊椎动物则有髓和无髓都有。有髓神经上有很厚的神经髓鞘，并每隔12mm就分节断开。,高等动物与昆虫的神经系统存在若干差别，这是产生高效而低毒农药的根据之一。两者的主要差别在于：,（1）神经系统的构成不同；,（2）神经末端的构造不同；,（3）突触处的传导物质不同。,与高等动物比较，昆虫的神经系统特征有以下几点：,1昆虫的末梢神经不存在乙酰胆碱作用的突触，全部存在于中枢神经系统；,2无明显的自主神经系统，有以激素调节的自主系统；,3末梢神经不存在神经节，均在中枢神经系统中；,4昆虫的中枢神经未发现除乙酰胆碱以外的化学传导物质，神经肌肉接合部已知存在有胺类传导物质。,此外，从形态学上昆虫还有以下不同：,1昆虫神经系统无髓鞘；,2.昆虫的神经轴突包有强固的纤维鞘，这与髓鞘是不同的；,3昆虫的轴突有若干分枝，仅刺激根肌肉纤维，与高等动物支配全体肌肉纤维不同；,4昆虫的神经由气管中的氧气扩散而直接提供氧。,神经系统功能,1 接受外来刺激；,2 传递刺激（冲动）；,3 对外来刺激作出反应；,4 协调体内生理生化活动。,(二)神经细胞的兴奋传导(conduction),从外界来的刺激，不管是机械的、化学的，还是光的，树枝突起接受后，细胞膜即发生脱极化作用，与此同时引起膜的渗透性改变，膜内处K、Na离子的改变，使膜内外的电位差发生变化。由脱极化作用产生的动作电位，像电波一样沿轴突传导以达到相应器官。,当刺激在某一点发生时，该部位由于脱极化作用变为活性区，Na离子突然大量进入膜内，K离子流出膜外，膜的该部位内侧电荷暂时成为内正外负(此时也称为Na平衡电位)。由此形成由正到负的局部电流回路，瞬间之后，Na由钠离子泵从膜内排出，K离子自膜外进入，这一瞬间K高子进入膜内稍多，使比原浓度稍大，膜电位有少量降低，这就是正后电位的来源。然后K离于又从膜内向外排出电位开始上升，此时产生了后负电位。因为神经轴突周围包着胶质细胞，其孔隙很容易通过K离子的扩散，而且容量很大，所以负后电位在几个毫秒间即使电位恢复至原来的静止电位。电位的波动幅度一般在-80mV+40mV 之间，大的刺激仅仅是频率的增加。冲动但通过后，该部位即变为不感应的区域，时间可 以继续数毫秒，因此，冲动不能逆方向传导，永远沿一定方向前进。,(三)突触处冲动的传导,突触处的传导主要是化学传导物质起作用。传导物质包含在突触小胞体内，由前膜放出，后膜上的感受器接受，引起轴突膜的脱极化作用，冲动即可向前传导。,化学传导物质完成任务后立即被分解，在昆虫的神经中(主要是中枢神经)的传导物质 主要是乙酰胆碱，神经和肌肉连接处为其它化学传导物质，可能是一种一元胺化合物。突触处冲动的通过也很快，一般只要15ms。,根据以上所述，神经系统冲动的传导主要有二种方式，即轴突上的传导和突触处的传导。滴滴梯、六六六以及环戍二烯类有机氯剂、拟除虫菊酯类主要是对前者的抑制；有机磷、氨基甲酸酯类杀虫剂主要是对后者的抑制。,(四)有机磷杀虫剂的作用机理,神经系统内的乙酰胆碱酯酶(AChE)或胆碱酯酶(ChE)，和有机磷杀虫剂发生磷酸化反应形成共价键的“磷酰化酶”是有机磷剂的主要作用机制。,从水解胆碱酯类底物的专化性来看，至少可分为两大类：,a乙酰胆碱酯酶(AChE)：对乙酰胆碱的亲和力和水解能力比其它任何胆碱酯类都强，而且存在许多同功酶。乙酰胆碱酯酶在适当的底物浓度，例如，在4-7mmol1的乙酰胆碱溶液中活性最强，超过此浓度活性反而降低。,CH,3,COOCH,2,CH,2,N,+,(CH,3,),3,CH,3,COOH +HOCH,2,CH,2,N,+,(CH,3,),3,b胆碱酯酶(ChE)：或称非专化性胆碱酯酶；与乙酰胆碱酯酶不同的是它不会被过高的底物浓度所抑制。此外，胆碱酯酶对丁酰胆碱的亲和力和水解能力大于乙酰胆碱酯酶。,无脊椎动物(包括昆虫、螨类等)和脊椎动物的神经组织内，都含有高浓度的乙酰胆碱酯酶，人和哺乳动物的血红细胞中也含有AChE，但大多数动物的血浆中含有胆碱酯酶(ChE)。有些动物和人的血浆中还含有不同量的脂肪酯酶(可以水解直链酯的酶)。此外，还有一些其它酶，例如存在于胰腺中的胰蛋白酶和糜蛋白酶，也可以被一些有机磷化合物抑制。也有一些有机磷化合物可被一些酶水解，使其失去毒性，因此，一种药剂进入昆虫或高等动物体内，可以产生不同的毒性效果各种作用交织在一起，情况比较复杂。,AChE表面的活性部位,（1）阴离子部位，又称结合部位；,（2）酯解部位。又称催化部位；,（3）吲哚苯基结合部位；,（4）电子复合体形成部位。这就使不含阴离子基团的多种酯，也可以水解，例如乙酸苯酯、乙酸吲哚酚酯等。,（5）AChE上可能还有疏水基部位，与烃基部分结合；,（6）硫氢基部位，这是半胱氨酸的残基；,（7）空间异构部位，这一部位被占领以后其它部位也会相应改变。,图：ACHE与ACH结合部位,酯解部位即和乙酰胆碱的酯结合的部位 此处有两个离子化倾向的基团，解离常数分别为：pKa=65和105，后者是丝氨酸(serine)的-OH基和乙酰胆碱(ACh)亲质子的C=O基碳结合。前者为组氨酸(histidine)咪唑基，具有帮助丝氨酸的OH进行亲质子反应的作用。乙酰胆碱酯酶和乙酰胆碱的反应是酶与底物的亲质子结合，失去胆碱形成乙酸酶复合体；最后水解，生成乙酸和酶分离，酶复原。,酯解部位的抑制 对酯解部位的抑制即对丝氨酸-OH基的O进行的攻击，有机磷剂、氨基甲酸酯类杀虫剂都有这种作用，有机磷为不可逆性抑制剂，其特征是与酶结合的磷酸在水存在的条件下，很难被水解使酶复原，这与酶和底物乙酰胆碱的结合不同，在有水的条件下，酶和乙酸的结合体只要几毫秒即可水解。所谓“不可逆抑制”也并非绝对不可逆，只是相对而言。,有机磷化合物对AChE的抑制 一般凡具有下列通式的有机磷化合物都有对AChE酯解部位的抑制作用。,R为烷基或烯丙基，R1为烯丙基、烷氧基、烷基或取代氨基。,x为脱离基，为了使抑制效果加强，X基一般是对硝基苯基，CN，F或磷酸二酯等。,（1）AChE在一定浓度范围内，随底物浓度增加水解速率加快。,当底物浓度超过4-7mmol/l时，水解速率反而下降。,2)ACHE水解ACH过程,K+1 K2 K3,E+AX E.AX EA E+A,K-1 X,（1）形成复合体；,（2）乙酰化反应；,（3）水解反应。,3）有机磷和氨基甲酸酯抑制机制,Kd K2 K3,PX+E PX.E PE.P+E,X,Kd K2 K3,CX+E CX.E C.E.C+E,X,3 对高等动物低毒化的线索,以对氧磷为例经过化学结构与生物活性关系的研究，可总结出以下几点：,a.P=O用P=S取代则毒性降低，这是因为和体内的解毒与活化作用有关。,b甲氧基取代乙氧基，一般可降低毒性但也降低了对昆虫的毒力。,c对硝基苯基一NO,2,代以一CN，一SOCH,3,，-CI则毒性降低，这与Hammett取代基常数有关。,d在对硝基苯基的邻位代人一个CH,3,基，则毒性大为降低，这也与Hammett取代基常数有关。,4解毒剂(乙酰胆碱酯酶的复活剂),人畜中毒的主要原因既然是磷酰化AChE不易复活，即磷酰基不易脱离酶。如果加以亲核性更强的药剂，就有可能将磷酰基取代下来，而使酶复活。解磷定(2-PAM)及氯磷定等就是根据这一原理合成的有效有机磷解毒剂。,实际在临床上阿托品(Atropine)也多用于有机磷中毒的治疗；不过阿托品不能直接对酶的复活起作用，而是对付交感神经末端乙酰胆碱受器起封闭作用，使大量积累的乙酰胆碱不能发挥作用，因此症状得到缓解，AChE逐渐得到恢复。,5磷酰化酶的“老化”(aging)和对酶活性恢复的影响,所谓“老化”即有机磷剂中毒后，如果立即用解毒剂解毒则酶很容易复活，但是，解毒剂的效果与酶和有机磷剂的作用时间有关，作用的时间愈长则解毒剂的效果愈差，甚至无效，这种现象称为磷酰化酶的“老化”。老化后的磷酰化酶即使用解磷定解毒，效果也很差。,试验证明，不同有机磷剂的老化难易并不相同，一般与以下因素有关：,a分子中的烃氧基试验证明，二乙氧基磷酸酯类(例如对氧磷)与ChE反应后，30min大约有10老化，老化是很慢的，24h后才有90以上老化。二甲氧基或二异丙氧基磷酸酯与酶作用后，老化都快的多；例如，二异丙氧基磷酰化酶的老化速度比二乙氧基磷酰化酶要快8倍。,b温度和pH值 低温时老化速度慢，接近于人体正常温度时老化很快(用TEPP和血红细胞CHE试验)在酸性溶液中老化较快，碱性溶液中老化较慢。,以上情况与实际有机磷剂中毒的抢救经验相符合。一些二乙基有机磷剂，例如对硫磷、内吸磷、甲拌磷等等，虽然对人毒性大，但中毒后如能及时使用解毒剂救治，疗效快而且效果好。有些二甲基有机磷剂，例如乐果、马拉硫磷等，对人的毒性小，在一般使用下不会中毒；但如果误食大量高浓度药液中毒后，常常发生不易救活的事例。敌敌畏、敌百虫等有机磷剂中毒后，解磷定等解毒剂疗效也很差，这可能就是因为二甲氧基磷酰化酶容易老化的缘故。,（五）氨基甲酸酯杀虫剂的作用机理,哺乳动物的神经和肌肉连接部位是由乙酰胆碱传递神经冲动的，如果乙酰胆碱不足，就发生肌肉无力等症状。在医药方面为了抑制乙酰胆碱酯酶的分解，改善症状，常给以适量的AChE抑制剂。在研究非洲一种毒扁豆属(Physostigma sp)植物中所含的生物碱毒扁豆碱时，发现有这种作用，后来合成了毒扁豆碱的类似物普洛斯的民(prostigmine)作为临床医药使用。由此受到启发开发出一系列氨基甲酸酯类杀虫剂。,杀虫用的氨基甲酸酯必须容易透过昆虫的表皮层，不能具有如医药上所用药剂那样的离子结构。作为杀虫剂用的氨基甲酸酯一般可用以下通式表示：,氨基甲酸酯的作用也是抑制胆碱酯酶，与有机磷杀虫剂的作用十分类似，但也有所不同。抑制反应一般可用下列通用反应式来表示：,下式反应中第一步是可逆的，最后一步的水解反应比有机磷化合物更容易进行，因此与有机磷剂不同，全部反应是可逆的，称为可逆性抑制反应。由于这个反应与胆碱酯酶分解乙酰胆碱十分类似，所以又叫竞争性抑制剂。也就是说氨基甲酸酯可作为胆碱酯酶的底物与乙酰胆碱竞争，如果在反应中，加入乙酰胆碱使浓度提高则反应向左进行；所以作为整个反应过程，始终是进行着竞争性的可逆反应。由于各种不同的氨基甲酸酯化学结构的不同，即连接的x基不同，最后的水解速率也不同。如果水解太快，或整个分子与胆碱酯酶的亲和力不强，都不能表现较高的毒效。试验证明，氨基上连接甲基的氨基