農(nóng)藥生物活性和作用機(jī)理-1

作用過程第一頁，共45頁。

研究中毒機(jī)理時，藥劑的基本作用十分重要。所謂基本作用即藥劑在體內(nèi)通過復(fù)雜的過程，最終的關(guān)鍵生理作用。由于這種作用而使害蟲的正常生理活動受到干擾或破壞而致死?；咀饔玫膹?fù)雜生化過程，必須經(jīng)過詳盡的研究，才能明確。藥劑的毒理作用除和毒性基團(tuán)有關(guān)外，也與整個分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。第二頁，共45頁。目前大量使用的殺蟲劑，例如有機(jī)磷、氨基甲酸酯等都是神經(jīng)毒劑，非神經(jīng)毒劑不占主要地位。但從全部殺蟲劑的作用機(jī)制看，大致可分為兩大類：(1)神經(jīng)系統(tǒng)毒劑a.對突觸后膜作用——煙堿、殺螟丹、殺蟲脒；b．對刺激傳導(dǎo)化學(xué)物質(zhì)分解酶作用；抑制膽堿酯酶——有機(jī)磷、氨基甲酸酯；抑制單胺氧化酶——?dú)⑾x脒。c．作用于神經(jīng)纖維膜(包括膜的Na、K離子活化，抑制ATP分解酶)。(2)干擾代謝毒劑a．破壞能量代謝——魚藤酮、氰氫酸、磷化氫等；b．抑制幾丁質(zhì)合成——取代苯基脲類；c．抑制激素代謝——保幼激素類似物等；d.抑制毒物代謝酶系；多功能氧化酶——增效醚等3，4—亞甲二氧苯基類化合物(MDP)；水解酶——三磷甲苯磷酸酯(TOCP)，正丙基對氧磷等：轉(zhuǎn)移酶——?dú)Ⅱ嫉?。第三頁，?5頁。二、神經(jīng)毒劑毒理第四頁，共45頁。

(一)神經(jīng)構(gòu)造和生理

第五頁，共45頁。昆蟲的神經(jīng)概可分為三類，即感覺神經(jīng)元、聯(lián)系神經(jīng)元和運(yùn)動神經(jīng)元，無自主神經(jīng)系統(tǒng)。神經(jīng)元的膜為二層磷酯分子間夾有蛋白質(zhì)或膽固醇類復(fù)雜物質(zhì)構(gòu)成，突觸前神經(jīng)元和后神經(jīng)元之間，神經(jīng)元和肌肉之間不連接，大約有20～50nm的間距。無脊椎動物的神經(jīng)纖維均為無髓神經(jīng)，脊椎動物則有髓和無髓都有。有髓神經(jīng)上有很厚的神經(jīng)髓鞘，并每隔1—2mm就分節(jié)斷開。第六頁，共45頁。高等動物與昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)存在若干差別，這是產(chǎn)生高效而低毒農(nóng)藥的根據(jù)之一。兩者的主要差別在于：（1）神經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)成不同；（2）神經(jīng)末端的構(gòu)造不同；（3）突觸處的傳導(dǎo)物質(zhì)不同。第七頁，共45頁。與高等動物比較，昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)特征有以下幾點(diǎn)：

1．昆蟲的末梢神經(jīng)不存在乙酰膽堿作用的突觸，全部存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)；2．無明顯的自主神經(jīng)系統(tǒng)，有以激素調(diào)節(jié)的自主系統(tǒng)；3．末梢神經(jīng)不存在神經(jīng)節(jié)，均在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中；4．昆蟲的中樞神經(jīng)未發(fā)現(xiàn)除乙酰膽堿以外的化學(xué)傳導(dǎo)物質(zhì)，神經(jīng)肌肉接合部已知存在有胺類傳導(dǎo)物質(zhì)。第八頁，共45頁。此外，從形態(tài)學(xué)上昆蟲還有以下不同：1．昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)無髓鞘；2.昆蟲的神經(jīng)軸突包有強(qiáng)固的纖維鞘，這與髓鞘是不同的；3．昆蟲的軸突有若干分枝，僅刺激—根肌肉纖維，與高等動物支配全體肌肉纖維不同；4．昆蟲的神經(jīng)由氣管中的氧氣擴(kuò)散而直接提供氧。第九頁，共45頁。神經(jīng)系統(tǒng)功能1接受外來刺激；2傳遞刺激（沖動）；3對外來刺激作出反應(yīng)；4協(xié)調(diào)體內(nèi)生理生化活動。第十頁，共45頁。

(二)神經(jīng)細(xì)胞的興奮傳導(dǎo)(conduction)

從外界來的刺激，不管是機(jī)械的、化學(xué)的，還是光的，樹枝突起接受后，細(xì)胞膜即發(fā)生脫極化作用，與此同時引起膜的滲透性改變，膜內(nèi)處K、Na離子的改變，使膜內(nèi)外的電位差發(fā)生變化。由脫極化作用產(chǎn)生的動作電位，像電波一樣沿軸突傳導(dǎo)以達(dá)到相應(yīng)器官。第十一頁，共45頁。第十二頁，共45頁。當(dāng)刺激在某一點(diǎn)發(fā)生時，該部位由于脫極化作用變?yōu)榛钚詤^(qū)，Na離子突然大量進(jìn)入膜內(nèi)，K離子流出膜外，膜的該部位內(nèi)側(cè)電荷暫時成為內(nèi)正外負(fù)(此時也稱為Na平衡電位)。由此形成由正到負(fù)的局部電流回路，瞬間之后，Na由鈉離子泵從膜內(nèi)排出，K離子自膜外進(jìn)入，這一瞬間K高子進(jìn)入膜內(nèi)稍多，使比原濃度稍大，膜電位有少量降低，這就是正后電位的來源。然后K離于又從膜內(nèi)向外排出電位開始上升，此時產(chǎn)生了后負(fù)電位。因?yàn)樯窠?jīng)軸突周圍包著膠質(zhì)細(xì)胞，其孔隙很容易通過K離子的擴(kuò)散，而且容量很大，所以負(fù)后電位在幾個毫秒間即使電位恢復(fù)至原來的靜止電位。電位的波動幅度一般在-80mV—+40mV之間，大的刺激僅僅是頻率的增加。沖動—但通過后，該部位即變?yōu)椴桓袘?yīng)的區(qū)域，時間可以繼續(xù)數(shù)毫秒，因此，沖動不能逆方向傳導(dǎo)，永遠(yuǎn)沿一定方向前進(jìn)。第十三頁，共45頁。(三)突觸處

沖動的傳導(dǎo)突觸處的傳導(dǎo)主要是化學(xué)傳導(dǎo)物質(zhì)起作用。傳導(dǎo)物質(zhì)包含在突觸小胞體內(nèi)，由前膜放出，后膜上的感受器接受，引起軸突膜的脫極化作用，沖動即可向前傳導(dǎo)?；瘜W(xué)傳導(dǎo)物質(zhì)完成任務(wù)后立即被分解，在昆蟲的神經(jīng)中(主要是中樞神經(jīng))的傳導(dǎo)物質(zhì)主要是乙酰膽堿，神經(jīng)和肌肉連接處為其它化學(xué)傳導(dǎo)物質(zhì)，可能是一種一元胺化合物。突觸處沖動的通過也很快，一般只要1—5ms。第十四頁，共45頁。根據(jù)以上所述，神經(jīng)系統(tǒng)沖動的傳導(dǎo)主要有二種方式，即軸突上的傳導(dǎo)和突觸處的傳導(dǎo)。滴滴梯、六六六以及環(huán)戍二烯類有機(jī)氯劑、擬除蟲菊酯類主要是對前者的抑制；有機(jī)磷、氨基甲酸酯類殺蟲劑主要是對后者的抑制。第十五頁，共45頁。(四)有機(jī)磷殺蟲劑的作用機(jī)理

神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的乙酰膽堿酯酶(AChE)或膽堿酯酶(ChE)，和有機(jī)磷殺蟲劑發(fā)生磷酸化反應(yīng)．形成共價鍵的“磷酰化酶”是有機(jī)磷劑的主要作用機(jī)制。第十六頁，共45頁。從水解膽堿酯類底物的?；詠砜?，至少可分為兩大類：a．乙酰膽堿酯酶(AChE)：對乙酰膽堿的親和力和水解能力比其它任何膽堿酯類都強(qiáng)，而且存在許多同功酶。乙酰膽堿酯酶在適當(dāng)?shù)牡孜餄舛?，例如，?-7mmol／1的乙酰膽堿溶液中活性最強(qiáng)，超過此濃度活性反而降低。

CH3COOCH2CH2N+(CH3)3

→

CH3COOH+HOCH2CH2N+(CH3)3第十七頁，共45頁。b．膽堿酯酶(ChE)：或稱非專化性膽堿酯酶；與乙酰膽堿酯酶不同的是它不會被過高的底物濃度所抑制。此外，膽堿酯酶對丁酰膽堿的親和力和水解能力大于乙酰膽堿酯酶。第十八頁，共45頁。無脊椎動物(包括昆蟲、螨類等)和脊椎動物的神經(jīng)組織內(nèi)，都含有高濃度的乙酰膽堿酯酶，人和哺乳動物的血紅細(xì)胞中也含有AChE，但大多數(shù)動物的血漿中含有膽堿酯酶(ChE)。有些動物和人的血漿中還含有不同量的脂肪酯酶(可以水解直鏈酯的酶)。此外，還有一些其它酶，例如存在于胰腺中的胰蛋白酶和糜蛋白酶，也可以被一些有機(jī)磷化合物抑制。也有一些有機(jī)磷化合物可被一些酶水解，使其失去毒性，因此，一種藥劑進(jìn)入昆蟲或高等動物體內(nèi)，可以產(chǎn)生不同的毒性效果．各種作用交織在一起，情況比較復(fù)雜。第十九頁，共45頁。AChE表面的活性部位（1）陰離子部位，又稱結(jié)合部位；（2）酯解部位。又稱催化部位；（3）吲哚苯基結(jié)合部位；（4）電子復(fù)合體形成部位。這就使不含陰離子基團(tuán)的多種酯，也可以水解，例如乙酸苯酯、乙酸吲哚酚酯等。（5）AChE上可能還有疏水基部位，與烴基部分結(jié)合；（6）硫氫基部位，這是半胱氨酸的殘基；（7）空間異構(gòu)部位，這一部位被占領(lǐng)以后其它部位也會相應(yīng)改變。第二十頁，共45頁。

圖：ACHE與ACH結(jié)合部位第二十一頁，共45頁。酯解部位即和乙酰膽堿的酯結(jié)合的部位此處有兩個離子化傾向的基團(tuán)，解離常數(shù)分別為：pKa=6．5和10．5，后者是絲氨酸(serine)的-OH基和乙酰膽堿(ACh)親質(zhì)子的＞C=O基碳結(jié)合。前者為組氨酸(histidine)咪唑基，具有幫助絲氨酸的—OH進(jìn)行親質(zhì)子反應(yīng)的作用。乙酰膽堿酯酶和乙酰膽堿的反應(yīng)是酶與底物的親質(zhì)子結(jié)合，失去膽堿形成乙酸酶復(fù)合體；最后水解，生成乙酸和酶分離，酶復(fù)原。第二十二頁，共45頁。酯解部位的抑制對酯解部位的抑制即對絲氨酸-OH基的O進(jìn)行的攻擊，有機(jī)磷劑、氨基甲酸酯類殺蟲劑都有這種作用，有機(jī)磷為不可逆性抑制劑，其特征是與酶結(jié)合的磷酸在水存在的條件下，很難被水解使酶復(fù)原，這與酶和底物乙酰膽堿的結(jié)合不同，在有水的條件下，酶和乙酸的結(jié)合體只要幾毫秒即可水解。所謂“不可逆抑制”也并非絕對不可逆，只是相對而言。第二十三頁，共45頁。有機(jī)磷化合物對AChE的抑制一般凡具有下列通式的有機(jī)磷化合物都有對AChE酯解部位的抑制作用。R為烷基或烯丙基，R1為烯丙基、烷氧基、烷基或取代氨基。x為脫離基，為了使抑制效果加強(qiáng)，X基一般是對硝基苯基，—CN，F(xiàn)或磷酸二酯等。第二十四頁，共45頁。（1）AChE在一定濃度范圍內(nèi)，隨底物濃度增加水解速率加快。當(dāng)?shù)孜餄舛瘸^4-7mmol/l時，水解速率反而下降。第二十五頁，共45頁。

2)ACHE水解ACH過程

K+1K2K3E+AXE.AXEAE+AK-1X

（1）形成復(fù)合體；（2）乙?；磻?yīng)；（3）水解反應(yīng)。第二十六頁，共45頁。3）有機(jī)磷和氨基甲酸酯抑制機(jī)制

KdK2K3

PX+EPX.EPE…..P+EXKdK2K3CX+ECX.EC.E….C+EX第二十七頁，共45頁。3對高等動物低毒化的線索

以對氧磷為例經(jīng)過化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性關(guān)系的研究，可總結(jié)出以下幾點(diǎn)：a.＞P=O用＞P=S取代則毒性降低，這是因?yàn)楹腕w內(nèi)的解毒與活化作用有關(guān)。b．甲氧基取代乙氧基，一般可降低毒性但也降低了對昆蟲的毒力。c．對硝基苯基一NO2代以一CN，一SOCH3，--CI則毒性降低，這與Hammett取代基常數(shù)有關(guān)。d．在對硝基苯基的鄰位代人一個CH3基，則毒性大為降低，這也與Hammett取代基常數(shù)有關(guān)。第二十八頁，共45頁。4．解毒劑(乙酰膽堿酯酶的復(fù)活劑)

人畜中毒的主要原因既然是磷?；疉ChE不易復(fù)活，即磷?；灰酌撾x酶。如果加以親核性更強(qiáng)的藥劑，就有可能將磷?；〈聛?，而使酶復(fù)活。解磷定(2-PAM)及氯磷定等就是根據(jù)這一原理合成的有效有機(jī)磷解毒劑。第二十九頁，共45頁。實(shí)際在臨床上阿托品(Atropine)也多用于有機(jī)磷中毒的治療；不過阿托品不能直接對酶的復(fù)活起作用，而是對付交感神經(jīng)末端乙酰膽堿受器起封閉作用，使大量積累的乙酰膽堿不能發(fā)揮作用，因此癥狀得到緩解，AChE逐漸得到恢復(fù)。第三十頁，共45頁。5．磷?；傅摹袄匣?aging)和對酶活性恢復(fù)的影響

所謂“老化”即有機(jī)磷劑中毒后，如果立即用解毒劑解毒則酶很容易復(fù)活，但是，解毒劑的效果與酶和有機(jī)磷劑的作用時間有關(guān)，作用的時間愈長則解毒劑的效果愈差，甚至無效，這種現(xiàn)象稱為磷?；傅摹袄匣?。老化后的磷?；讣词褂媒饬锥ń舛荆Ч埠懿?。第三十一頁，共45頁。試驗(yàn)證明，不同有機(jī)磷劑的老化難易并不相同，一般與以下因素有關(guān)：a．分子中的烴氧基試驗(yàn)證明，二乙氧基磷酸酯類(例如對氧磷)與ChE反應(yīng)后，30min大約有10％老化，老化是很慢的，24h后才有90％以上老化。二甲氧基或二異丙氧基磷酸酯與酶作用后，老化都快的多；例如，二異丙氧基磷酰化酶的老化速度比二乙氧基磷?；敢?倍。b．溫度和pH值低溫時老化速度慢，接近于人體正常溫度時老化很快(用TEPP和血紅細(xì)胞CHE試驗(yàn))在酸性溶液中老化較快，堿性溶液中老化較慢。第三十二頁，共45頁。以上情況與實(shí)際有機(jī)磷劑中毒的搶救經(jīng)驗(yàn)相符合。一些二乙基有機(jī)磷劑，例如對硫磷、內(nèi)吸磷、甲拌磷等等，雖然對人毒性大，但中毒后如能及時使用解毒劑救治，療效快而且效果好。有些二甲基有機(jī)磷劑，例如樂果、馬拉硫磷等，對人的毒性小，在一般使用下不會中毒；但如果誤食大量高濃度藥液中毒后，常常發(fā)生不易救活的事例。敵敵畏、敵百蟲等有機(jī)磷劑中毒后，解磷定等解毒劑療效也很差，這可能就是因?yàn)槎籽趸柞；溉菀桌匣木壒?。第三十三頁，?5頁。（五）氨基甲酸酯殺蟲劑的作用機(jī)理

哺乳動物的神經(jīng)和肌肉連接部位是由乙酰膽堿傳遞神經(jīng)沖動的，如果乙酰膽堿不足，就發(fā)生肌肉無力等癥狀。在醫(yī)藥方面為了抑制乙酰膽堿酯酶的分解，改善癥狀，常給以適量的AChE抑制劑。在研究非洲一種毒扁豆屬(Physostigmasp)植物中所含的生物堿毒扁豆堿時，發(fā)現(xiàn)有這種作用，后來合成了毒扁豆堿的類似物普洛斯的民(prostigmine)作為臨床醫(yī)藥使用。由此受到啟發(fā)開發(fā)出一系列氨基甲酸酯類殺蟲劑。第三十四頁，共45頁。殺蟲用的氨基甲酸酯必須容易透過昆蟲的表皮層，不能具有如醫(yī)藥上所用藥劑那樣的離子結(jié)構(gòu)。作為殺蟲劑用的氨基甲酸酯一般可用以下通式表示：第三十五頁，共45頁。氨基甲酸酯的作用也是抑制膽堿酯酶，與有機(jī)磷殺蟲劑的作用十分類似，但也有所不同。抑制反應(yīng)一般可用下列通用反應(yīng)式來表示：第三十六頁，共45頁。下式反應(yīng)中第一步是可逆的，最后一步的水解反應(yīng)比有機(jī)磷化合物更容易進(jìn)行，因此與有機(jī)磷劑不同，全部反應(yīng)是可逆的，稱為可逆性抑制反應(yīng)。由于這個反應(yīng)與膽堿酯酶分解乙酰膽堿十分類似，所以又叫競爭性抑制劑。也就是說氨基甲酸酯可作為膽堿酯酶的底物與乙酰膽堿競爭，如果在反應(yīng)中，加入乙酰膽堿使?jié)舛忍岣邉t反應(yīng)向左進(jìn)行；所以作為整個反應(yīng)過程，始終是進(jìn)行著競爭性的可逆反應(yīng)。由于各種不同的氨基甲酸酯化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，即連接的x基不同，最后的水解速率也不同。如果水解太快，或整個分子與膽堿酯酶的親和力不強(qiáng)，都不能表現(xiàn)較高的毒效。試驗(yàn)證明，氨基上連接甲基的氨基甲酸酯水解的速度最慢(但比有機(jī)磷快)，所以許多實(shí)用化的品種多是這類結(jié)構(gòu)。第三十七頁，共45頁。水解速率的快慢次序如下：氨基甲酸酯分子中的x也與反應(yīng)速率有關(guān)，因?yàn)檫B結(jié)不同的x基團(tuán)與整個分子的立體結(jié)構(gòu)是否和ChE作用部位適合有關(guān)。如果結(jié)構(gòu)適合與ChE的親合性就大，易于與ChE結(jié)合，為反應(yīng)順利進(jìn)行創(chuàng)造了條件。第三十八頁，共45頁。形成的氨基甲?；疌hE的水解，可用氫氧化氨加以促進(jìn)，但膽堿酯酶復(fù)活劑如解磷定等，只適用于有機(jī)磷劑，對氨基甲?；疌hE的復(fù)活不起作用，所以氨基甲酸酯殺蟲劑中毒時不能用解磷定等藥劑進(jìn)行治療。第三十九頁，共45頁。（六）擬除蟲菊酯的殺蟲作用機(jī)理

擬除蟲菊酯包括一系列人工合成的除蟲菊素類似化合物，昆蟲中毒后的表現(xiàn)與天然除蟲菊有效成分除蟲菊素十分相似。其主要特點(diǎn)是中毒后昆蟲迅速麻痹，因此擊倒(knockdown)作用明顯，擊倒后的昆蟲很快死亡，但也可能有部分昆蟲會復(fù)蘇。20世紀(jì)70年代以來擬除蟲菊酯的合成有很大突破，各種各樣化學(xué)結(jié)構(gòu)的農(nóng)用擬除蟲菊酯陸續(xù)研制成功，大大地?cái)U(kuò)大了使用面，使其很快成為殺蟲劑中的主要類型之一。第四十頁，共45頁。許多試驗(yàn)證明，擬除蟲菊酯類殺蟲劑主要作用于神經(jīng)突觸和神經(jīng)纖維。對丙烯菊酯(allethrin)神經(jīng)電生理學(xué)的研究表明，主要是作用于神經(jīng)突觸的末梢，引起反復(fù)興奮，促進(jìn)了神經(jīng)突觸和肌肉間的傳導(dǎo)。由于神經(jīng)末端根細(xì)小，所以一般都采用巨大神經(jīng)纖維細(xì)胞內(nèi)電極法或膜電位法來進(jìn)行研究。試驗(yàn)證明，擬除蟲菊酯可引起膜電位的異常，主要是對膜的離子滲透性產(chǎn)生了影響。

第四十一頁，共45頁。

例如，丙烯菊酯對