農藥毒理學課件 第二章第四節(jié) 呼吸毒劑的作用機理

第四節(jié)呼吸毒劑的作用機理

第四節(jié)呼吸毒劑的作用機理外呼吸抑制劑：起物理作用的，引起昆蟲窒息，由于堵塞或覆蓋了昆蟲氣門而不能呼吸，即阻斷了昆蟲氣管內的氣體與外界空氣的交換。內呼吸抑制劑：對呼吸酶系的抑制，即內呼吸的抑制，也即抑制了氧化代謝。多數(shù)呼吸毒劑屬于后一類，如各種熏蒸毒氣、魚藤酮、氟乙酸及其衍生物等。

呼吸毒劑：呼吸生理生物氧化的涵義生物的一切活動（包括內部的臟器活動和各種合成作用以及個體的生活活動）皆需要能。能的來源為糖、脂、蛋白質在體內的氧化。糖、脂、蛋白質等有機物質在活細胞內氧化分解，產(chǎn)生CO2、H2O并放出能的作用稱生物氧化。生物氧化實際上是需氧細胞呼吸作用中的一系列氧化還原作用。生物氧化與體外的化學氧化，實質相同，即一種物質丟失電子是氧化，得到電子是還原。所不同者，生物氧化是在活細胞內進行，而且必須在有酶參加和在一定條件（溫度和pH等都不偏高、偏低）下進行，放出的能主要以ATP形式儲存起來，供需要時使用。生物氧化的一般原理一個是代謝物分子中的氫如何脫出？另一個是脫出的氫如何能與分子氧結合成水并釋放能量？代謝物質（糖、脂、氨基酸等）脫氫脫氫酶遞氫體呼吸鏈的一定方向傳遞

細胞色素b2個氫（2H）放出2個電子（2e-）質子（H+）,暫留溶液中e-通過細胞色素體系傳到分子氧激活變?yōu)殡x子O2-2H+與O2-結合成水在氫與電子傳遞過程中，有三處放出能量，放出的能量通過氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP。生物氧化產(chǎn)生的能不是直接被利用的，而是暫時存在高能化合物ATP中，然后再由ATP釋放出來。這一過程涉及到氧化和磷酸化，這兩個過程的配合即為氧化磷酸化。氧化磷酸化是指物質在生物體內氧化時釋放的能量供給ADP與無機磷合成ATP的偶聯(lián)反應。i.e.代謝物被氧化釋放的電子通過一系列電子遞體從NADH或FADH2傳到O2并伴隨將ADP磷酸化產(chǎn)生ATP的過程。傳遞系統(tǒng)是由NAD或NADP（脫氫酶的輔酶）、FMN(黃素單核苷酸)或FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)，輔酶Q和多種細胞色素所組成傳遞系統(tǒng)為可逆的氧化還原系統(tǒng)。氧化型遞體接受氫原子或電子后變?yōu)檫€原型、還原型遞體失去氫或電子又變?yōu)檠趸?。細胞色素只傳遞電子，其余遞體可遞氫亦可遞電子，整個體系又稱電子傳遞體系或呼吸鏈。生物氧化中關鍵酶糖、蛋白和脂肪等通過一定的初步代謝而進入三羧酸循環(huán)。以NAD＋為輔酶的脫氫酶催化代謝物質脫氫后NAD＋被還原為NADH，同時生成一個H＋。NADH把它的兩個電子和一個質子傳遞給黃素單核苷酸（FMN），從而開始了呼吸鏈電子傳遞過程。生物氧化中關鍵酶

呼吸鏈:和三羧酸循環(huán)同樣重要，因為它是所有物質共同呼吸過程。

呼吸鏈上的重要的氧化還原系成分是：

1)

NAD或NADP(吡啶核苷酸相連的脫氫酶的輔酶)；NAD:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,Nicotinamideadeninedinucleotide,簡稱

“輔酶Ⅰ”。是一種基本的氧化還原輔酶。NADH不能直接為分子態(tài)氧所氧化，但能通過NADH脫氫酶的作用進行脫氫變成NAD+。在260納米處具有最大紫外吸收光譜，通過各種脫氨酶，從底物中接受一個氫原子和一個電子，變成還原型。呼吸鏈及其重要酶:

呼吸鏈:和三羧酸循環(huán)同樣重要，因為它是所有物質共同呼吸過程。

呼吸鏈上的重要的氧化還原系成分是：

1)

NAD或NADP(吡啶核苷酸相連的脫氫酶的輔酶)；NADP:

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,Nicotinamideadeninedinucleotidephosphate,簡稱“輔酶Ⅱ”。是一種極為重要的核苷酸類輔酶。是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）中與腺嘌呤相連的核糖環(huán)系2‘-位的磷酸化衍生物。呼吸鏈及其重要酶:

呼吸鏈:和三羧酸循環(huán)同樣重要，因為它是所有物質共同呼吸過程。呼吸鏈及其重要酶:2）FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸，flavinadeninedinucleotide），活性型維生素B2，是體內核黃素的活性型,作為某些氧化還原酶的輔基,廣泛參與體內多種氧化脫氫反應,在生物FMN（黃素單核苷酸，F(xiàn)lavinmononucleotide）與黃素相連的酶的輔基；對生物氧化過程的電子傳遞有作用。氧化系統(tǒng)中起傳遞氫的作用。其氧化型和還原型分別簡寫為FAD和FADH2。

呼吸鏈:和三羧酸循環(huán)同樣重要，因為它是所有物質共同呼吸過程。3）細胞色素，是一類以鐵卟啉（或血紅素）作為輔基的電子傳遞蛋白，廣泛參與動、植物，酵母以及好氧菌、厭氧光合菌等的氧化還原反應。細胞色素作為電子載體傳遞電子的方式是通過其血紅素輔基中鐵原子的還原態(tài)(Fe2+)和氧化態(tài)（弤）之間的可逆變化。細胞色素可根據(jù)血紅素輔基的不同結構,分為a、b、c和d類。a類細胞色素的α吸收帶位于598～605納米；b類的最大α吸收帶在556～564納米;c類在550～555納米；d類為600～620納米之間。呼吸鏈及其重要酶:

吡啶核苷酸相連的脫氫酶以NAD＋或NADP＋為輔酶，以NAD＋為輔酶的脫氫酶催化代謝物質脫氫后NAD＋被還原為NADH，同時生成一個H＋。NADH是介于三羧酸循環(huán)和線粒體內膜之間的主要媒介物。NADH把它的兩個電子和一個質子傳遞給黃素單核苷酸（FMN），從而開始了呼吸鏈電子傳遞過程。

黃素相連的脫氫酶作為呼吸鏈的主要組分，常見的有兩種：以黃素單核苷酸（FMN）為輔基的NADH脫氫酶和以黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）為輔基的琥珀酸脫氫酶。FMN和FAD分子中可以進行加氫和脫氫反應，是傳遞兩個氫原子的傳遞體。呼吸鏈重要酶的作用:三羧酸循環(huán)中與毒理有關的酶：

從檸檬酸由烏頭酸酶催化形成烏頭酸，轉而再形成異檸檬酸的過程；

由琥珀酰輔酶A形成α-酮戊二酸的α-酮戊二酸去氫酶。

與毒理有關的酶呼吸鏈中，電子傳遞鏈由復合體Ⅰ－Ⅴ組成，每個復合體都有可能受呼吸毒劑的影響。呼吸鏈中與毒理有關的酶:呼吸鏈中，電子傳遞鏈由復合體Ⅰ－Ⅴ組成，每個復合體都有可能受呼吸毒劑的影響。呼吸鏈中與毒理有關的酶:

鐵硫蛋白：電子傳遞組分，其分子中含非血紅素鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，常見的有Fe2S2和Fe4S4的鐵硫蛋白。通過Fe2+－Fe3+互變進行電子傳遞，這些蛋白成簇排列，又稱為鐵硫簇。輔酶Q：一種苯醌衍生物，具有氧化型、還原型和介于二者之間的自由基半醌3種狀態(tài)，為氫原子的載體。

呼吸鏈中與毒理有關的酶:與毒理有關的酶細胞色素是一類特征性蛋白，分子中含有血紅素鐵，以共價形式與蛋白結合，并以氧化態(tài)Fe3+與還原態(tài)Fe2+的形式發(fā)揮其電子傳遞體的作用。呼吸鏈中的細胞色素蛋白有5類，即細胞色素a、a3、b、c、c1。通過細胞色素中Fe可逆地被氧化還原，最終將電子傳遞給氧，生成氧離子，與2H＋結合成H2O。與毒理有關的酶呼吸鏈中與毒理有關的酶:復合物Ⅰ（NADH脫氫酶：NADH-CoQ還原酶）是最復雜的酶系，至少有25條多肽鏈組成，含有黃素單核苷酸（FMN）和至少6－8個鐵硫蛋白。分子量為850kDa左右，以二聚體形式存在?？杀环纸鉃樗苄渣S素蛋白、水溶性鐵硫蛋白和不溶于水的部分（含磷脂、鐵及對酸不穩(wěn)定的硫）。其作用是催化NADH的2個電子傳遞至輔酶Q。能使質子移位從基質側面移至細胞質側面，故也是質子移位體。與毒理有關的酶呼吸鏈中與毒理有關的酶:復合物Ⅱ（琥珀酸－CoQ還原酶：琥珀酸脫氫酶）至少有4條多肽鏈組成。含有黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、2個鐵硫蛋白、1個細胞色素b。分子量約為140kDa。其作用是催化電子從琥珀酸通過FAD和鐵硫蛋白傳遞給輔酶Q，和復合物Ⅰ相反。復合物Ⅱ不能使質子跨膜移位。與毒理有關的酶呼吸鏈中與毒理有關的酶:6）復合物Ⅲ（CoQ－細胞色素c還原酶，又名細胞色素bc1）一般有9條多肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b、一個細胞色素c1和一個鐵硫蛋白。二聚體的分子量約為500kDa。其作用是催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，同時發(fā)生質子的跨膜轉移，故也稱為質子移位體。與毒理有關的酶呼吸鏈中與毒理有關的酶:7）復合物Ⅳ（細胞色素c氧化酶）每個單位至少由9－13條多肽鏈組成，包含兩個細胞色素（a，a3）和2個銅原子，以二聚體形式存在。二聚體的分子量約為300kDa。其作用是將從細胞色素c接受的電子傳遞給氧。它橫跨線粒體內膜，突出于內膜兩側表面。與毒理有關的酶呼吸鏈中與毒理有關的酶:8）復合物Ⅴ（ATP合成酶）：ATP合成酶是一個多組分的復合體，一般認為由水溶性蛋白F1和疏水性蛋白F0所組成。在呼吸鏈中有3個部位是能量釋放和ATP形成的耦聯(lián)部位。部位Ⅰ在NADH和輔酶Q之間；部位Ⅱ在細胞色素b和細胞色素c之間；部位Ⅲ在細胞色素a和氧之間。與毒理有關的酶呼吸鏈中與毒理有關的酶:1）作用于三羧酸循環(huán)的呼吸毒劑氟乙酸、氟乙酰胺、氯乙酰苯胺等亞砷酸鹽類2）作用于呼吸鏈的呼吸毒劑在NAD+與輔酶Q之間起作用抑制劑（復合體Ⅰ抑制劑）

琥珀酸氧化作用抑制劑（復合體Ⅱ抑制劑）

在Cytb及CytCl之間起作用抑制劑（復合體Ⅲ抑制劑）

細胞色素C氧化酶的抑制劑（復合體Ⅳ抑制劑）

氧化磷酸化作用的抑制劑（復合體Ⅴ抑制劑）

3.內呼吸抑制劑：1）作用于三羧酸循環(huán)的呼吸毒劑氟乙酸、氟乙酰胺、氯乙酰苯胺等機理：阻斷了三羧酸循環(huán)。該類化合物-水解轉變成氟乙酸后，與乙酰輔酶A結合形成一個復合物，然后與草酰乙酸結合，形成氟檸檬酸而抑制了烏頭酸酶,使檸檬酸不能轉變?yōu)楫悪幟仕?，因而阻斷了三羧酸循環(huán)。亞砷酸鹽類機理：阻斷了三羧酸循環(huán)。該類化合物主要是抑制α-酮戊二酸脫氫酶，使得酮戊二酸積累而影響三羧酸循環(huán)，更重要的是由于影響氨基酸的相互轉化而造成其他代謝的混亂。1）作用于三羧酸循環(huán)的呼吸毒劑2）作用于呼吸鏈的呼吸毒劑在NAD+與輔酶Q之間起作用抑制劑(復合體Ⅰ抑制劑)主要有魚藤酮及殺粉蝶素A及B。早期的研究表明魚藤酮的作用機制主要是影響昆蟲的呼吸作用，主要是與NADH脫氫酶與輔酶Q之間的某一成分發(fā)生作用。魚藤酮使害蟲細胞的電子傳遞鏈受到抑制，從而降低生物體內的ATP水平，最終使害蟲得不到能量供應，然后行動遲滯、麻痹而緩慢死亡。2）作用于呼吸鏈的呼吸毒劑魚藤對15個目，137科的800多種害蟲具有一定的防治效果，作用譜廣，尤其對蚜螨類害蟲效果突出。魚藤酮的作用方式:觸殺、胃毒作用、拒食、生長發(fā)育抑制作用；抑制某些病菌孢子的萌發(fā)和生長，或阻止病菌侵入植株（1）魚藤酮圖17魚藤酮對家蠅和粘蟲的致毒癥狀A死亡，示排泄異常、足異常；B痙攣，示尾部上翹；C昏迷，靜臥不動ABC

可明顯地分為痙攣、昏迷和死亡三個時期。痙攣期試蟲僅表現(xiàn)出輕微的抽搐，且持續(xù)時間較長，昏迷期試蟲無特殊的癥狀，而死亡試蟲的體軀則極度皺縮。可能魚藤酮還對昆蟲的蛻皮有一定的影響，如棉蚜的正常蛻皮受阻。魚藤酮的致毒癥狀a)L-谷氨酸氧化酶特異抑制劑切斷了呼吸鏈上NAD+與輔酶Q之間的聯(lián)系，而抑制了L-谷氨酸的氧化作用。谷氨酸在腦的功能中極為重要，并且它是呼吸過程中大腦中唯一氧化的氨基酸。谷氨酸氧化作用的抑制乃是殺死昆蟲的主要原因。魚藤酮中毒的試蟲表現(xiàn)出活動遲滯，隨后昏迷、死亡的癥狀，類似于神經(jīng)毒劑，只是沒有興奮期。（1）魚藤酮魚藤酮對許多生物細胞線粒體中的反丁烯二酸還原酶、甘露醇合成酶丁二酸等都具有一定的抑制作用。魚藤酮還可干擾菜粉蝶的正常生長發(fā)育，蛻皮異常及畸形蟲，可能是由于魚藤酮抑制了呼吸作用而使能量降低所致。（1）魚藤酮魚藤酮還可抑制細胞中紡錘體微管的組裝，并在體外證明抑制微管的形成，推測魚藤酮是以一種可逆的方式聯(lián)接在微管蛋白上而抑制了微管的形成。從遺傳學的角度來看，紡錘體形成受到抑制必然影響細胞的正常分裂，從而可推論魚藤酮可能通過這一途徑影響蟲體的生長。此外，魚藤酮處理菜粉蝶幼蟲會使蟲體體壁蛋白質組成發(fā)生改變，使總蛋白的量降低，體壁蛋白的變化必定影響體壁結構。（1）魚藤酮紡錘體微管向細胞內部侵入,與染色體的著絲點結合.（2）殺粉蝶素番荔枝,annonon和neoannonin;巴婆，巴婆素(Trilobacin)。在高濃度下，使電子傳遞鏈在NADH和輔酶Q之間被抑制。但這種抑制作用與魚藤酮的抑制作用不同。吡螨酯、吡螨胺等，均作用于呼吸鏈上的復合體Ⅰ；陶氏益農，喹螨醚也作用于呼吸鏈上的復合體Ⅰ；噠嗪酮化合物噠螨靈也作用于呼吸鏈上的復合體Ⅰ。番荔枝Litchi在殺蟲藥劑中較少。滴滴涕在高濃度時有作用。放線菌素A也是該酶的抑制劑。琥珀酸氧化作用抑制劑（復合體Ⅱ抑制劑）在Cytb及CytCl之間起作用抑制劑（復合體Ⅲ抑制劑）

許多化合物，包括抗生素及麻醉劑放線菌素A

某些昆蟲的毒素Cytb是一類以鐵卟啉為輔基的色蛋白，其主要功能是通過鐵的化合價的互變傳遞電子。CytCl-細胞色素C氧化酶

細胞色素C氧化酶為一外周蛋白，位于線粒體內膜的外側，其輔基是血紅素，血紅素通過共價鍵與酶蛋白相聯(lián)。細胞色素C氧化酶是末端氧化酶，它的抑制使呼吸鏈在末端阻斷，結果使所有在呼吸鏈中的化合物都處于還原態(tài)。多數(shù)抑制劑是與細胞色素C氧化酶的血紅素部分發(fā)生化學結合而產(chǎn)生抑制作用。細胞色素C氧化酶的抑制劑（復合體Ⅳ抑制劑）HCN等熏蒸毒氣和有機硫氰酸酯類化合物的作用實際上是釋放出HCN，CN-與血紅素側鏈上的甲?；鸱磻种屏朔肿友跖c血紅素的結合，導致死亡。但Boveris等認為氫氰酸抑制昆蟲呼吸傳遞鏈中的細胞色素氧化酶后，能阻斷電子由NADH脫氫酶向氧的傳遞，使氧氣不能被還原，導致線粒體產(chǎn)生0-，0-可被SOD(超氧化物歧化酶)歧化成過氧化氫，從線粒體釋放出來。當過氧化氫積累到一定程度時就會對昆蟲產(chǎn)生細胞毒性而引起昆蟲的死亡。HCN：氰化氫標準狀態(tài)下為液體。氰化氫易在空氣中均勻彌散，在空氣中可燃燒

磷化氫：

磷化氫在有氧的條件下，先形成一個氧化物，然后再和細胞色素C氧化酶的氧化中心起作用。磷化氫對細胞色素氧化酶的抑制作用一直被認為是磷化氫對昆蟲致死的主要原因。

但在體外磷化氫對細胞色素氧化酶活力有明顯抑制作用，而體內幾乎沒有任何抑制作用。

所以：磷化氫的作用機制之一是由于磷化氫抑制昆蟲線粒體而在呼吸過程中使氧氣不能被還原，產(chǎn)生了0-，0-又被SOD歧化為過氧化氫，當昆蟲對磷化氫吸收較少時，過氧化氫可及時被過氧化氫酶和過氧化物酶所消除，不會對昆蟲造成不可逆毒害，但如果昆蟲對磷化氫吸收量較多，產(chǎn)生的過氧化氫不能被過氧化氫酶和過氧化物酶及時地完全消除，過氧化氫就在昆蟲體內積累，達到一定程度時便對昆蟲產(chǎn)生細胞毒性而引起細胞死亡。（與氫氰酸的作用一樣）磷化氫：氧化磷酸化是與呼吸鏈相偶聯(lián)的，任何作用于呼吸鏈的毒劑均會影響到氧化磷酸化作用,i.e.解偶聯(lián)劑。二硝基酚類和溴蟲腈攜帶H往返線粒體膜兩側而消除H濃度差-解除磷酸化的偶聯(lián)。氧化磷酸化作用的抑制劑（復合體Ⅴ抑制劑）（1）二硝基苯酚類二硝基苯酚類的多種殺螨劑（敵螨普、敵螨死、地樂消）均為氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑。其作用機理為：使呼吸鏈和氧化磷酸化不能偶聯(lián)起來，電子可以傳遞，但不能生產(chǎn)ATP。五氯苯酚也屬于這一類。有些帶硝基苯的有機磷類殺蟲劑、滴滴涕及殺蟲