杀虫剂的作用机理教学PPT农药的生物活性和作用机理.ppt

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 ( (一一) )神经构造和生理神经构造和生理 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2050nm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。 神经系统功能神经系统功能 1 1 接受外来刺激；接受外来刺激； 2 2 传递刺激（冲动）；传递刺激（冲动）； 3 3 对外来刺激作出反应；对外来刺激作出反应； 4 4 协调体内生理生化活动。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。 CH3COOCH2CH2N+(CH3)3 CH3COOH + HOCH2CH2N+(CH3)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 PEP+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NO2代以一CN，一SOCH3，- 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CH3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甲酸酯水解的速度最慢(但比有 机磷快)，所以许多实用化的品种多是这类结构。 水解速率的快慢次序如下： 氨基甲酸酯分子中的x也与反应速率有关，因 为连结不同的x基团与整个分子的立体结构是 否和ChE作用部位适合有关。如果结构适合与 ChE的亲合性就大，易于与ChE结合，为反应顺 利进行创造了条件。 形成的氨基甲酰化ChE的水解，可用氢氧化氨加 以促进，但胆碱酯酶复活剂如解磷定等，只适用 于有机磷剂，对氨基甲酰化ChE的复活不起作用 ，所以氨基甲酸酯杀虫剂中毒时不能用解磷定等 药剂进行治疗。 （六）拟除虫菊酯的杀虫作用机理 拟除虫菊酯包括一系列人工合成的除虫菊 素类似化合物，昆虫中毒后的表现与天然 除虫菊有效成分除虫菊素十分相似。其主 要特点是中毒后昆虫迅速麻痹，因此击倒 (knock down)作用明显，击倒后的昆虫很 快死亡，但也可能有部分昆虫会复苏。20 世纪70年代以来拟除虫菊酯的合成有很大 突破，各种各样化学结构的农用拟除虫菊 酯陆续研制成功，大大地扩大了使用面， 使其很快成为杀虫剂中的主要类型之一。 许多试验证明，拟除虫菊酯类杀虫剂主要作 用于神经突触和神经纤维。对丙烯菊酯 (allethrin)神经电生理学的研究表明，主要 是作用于神经突触的末梢，引起反复兴奋， 促进了神经突触和肌肉间的传导。由于神经 末端根细小，所以一般都采用巨大神经纤维 细胞内电极法或膜电位法来进行研究。试验 证明，拟除虫菊酯可引起膜电位的异常，主 要是对膜的离子渗透性产生了影响。 例如，丙烯菊酯对蜚蠊巨大神经纤维的膜电位影响测 定表明：在低浓度处理时负后电位增大和延长；随 温度增高出现了反复的兴奋；如用高浓度处理则静止 电位降低，同时动作电位也有所降低。以上这些现象产 生的原因，主要是因为膜的离子透过性发生异常。根据 Na、K电流的精密测量，证明丙烯菊酯主要是影响了Na 的活性机制，因此在瞬间Na的流入受到部分抑制，动 作电位降低。负后电位的增大和延长，也主要说明Na 的活化及K的活化机制受到了抑制的结果。但也有人 认为是抑制了膜外Ca2+ ATP酶或Ca2+、Mg2+、ATP酶，使 膜的渗透性改变。应该指出不同的拟除虫菊酯的毒理作 用机制，存在某些差别，作用机制很复杂，许多问题尚 未解决。迄今为止，拟除虫菊酯推测的作用点大约有9 个部位之多，但一般都认为主要作用点是电位性钠离子 通道。根据钠离子流入以及通道膜结合实验研究，证明 拟除虫菊酯存在时，可推迟钠离子通道的关闭。 拟除虫菊酯中毒的昆虫，除神经系统的传导受 到干扰和阻断外，许多研究发现还引起一些 组织器官发生病变。例如神经细胞病变、肌 肉组织病变，甚至其它一些如失水、泌尿等 不正常生理生化现象。也有研究证明与滴滴 涕一样，溴氰菊酯可引起神经系统产生酪胺 毒素，不过这些现象大多产生于中毒后期， 因此一般认为这些病变不是这类药的初级作 用，可能是神经系统受到干扰或破坏以后的 次级反应，促使昆虫死亡，所有这些都是造 成昆虫死亡的因素。 拟除虫菊酯的许多品种也是负温度系数药剂，例如 ，丙烯菊酯对蜚蠊神经的作用，在较高浓度时对 动作电位的抑制随温度的下降而增大，这也与离 子的透过性有关。