殺蟲劑的作用機(jī)理教學(xué)農(nóng)藥的生物活性和作用機(jī)理

第三章：殺蟲劑的作用機(jī)理作用過程研究中毒機(jī)理時(shí)，藥劑的根本作用十分重要。所謂根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(dòng)受到干擾或破壞而致死。根本作用的復(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(gè)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。二、神經(jīng)毒劑毒理

(一)神經(jīng)構(gòu)造和生理

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(dòng)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(dòng)物的神經(jīng)纖維均為無髓神經(jīng)，脊椎動(dòng)物那么有髓和無髓都有。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。高等動(dòng)物與昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)存在假設(shè)干差異，這是產(chǎn)生高效而低毒農(nóng)藥的根據(jù)之一。兩者的主要差異在于：〔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。與高等動(dòng)物比較，昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)特征有以下幾點(diǎn)：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．昆蟲的軸突有假設(shè)干分枝，僅刺激—根肌肉纖維，與高等動(dòng)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。神經(jīng)系統(tǒng)功能1接受外來刺激；2傳遞刺激〔沖動(dòng)〕；3對(duì)外來刺激作出反響；4協(xié)調(diào)體內(nèi)生理生化活動(dòng)。

(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(shí)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(dòng)作電位，像電波一樣沿軸突傳導(dǎo)以到達(dá)相應(yīng)器官。當(dāng)刺激在某一點(diǎn)發(fā)生時(shí)，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(shí)成為內(nèi)正外負(fù)(此時(shí)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(shí)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(gè)毫秒間即使電位恢復(fù)至原來的靜止電位。電位的波動(dòng)幅度一般在-80mV—+40mV之間，大的刺激僅僅是頻率的增加。沖動(dòng)—但通過后，該部位即變?yōu)椴桓袘?yīng)的區(qū)域，時(shí)間可以繼續(xù)數(shù)毫秒，因此，沖動(dòng)不能逆方向傳導(dǎo)，永遠(yuǎn)沿一定方向前進(jìn)。(三)突觸處

沖動(dòng)的傳導(dǎo)根據(jù)以上所述，神經(jīng)系統(tǒng)沖動(dòng)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(duì)前者的抑制；有機(jī)磷、氨基甲酸酯類殺蟲劑主要是對(duì)后者的抑制。(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)生磷酸化反響．形成共價(jià)鍵的“磷?；辅暿怯袡C(jī)磷劑的主要作用機(jī)制。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(duì)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)3b．膽堿酯酶(ChE)：或稱非?；阅憠A酯酶；與乙酰膽堿酯酶不同的是它不會(huì)被過高的底物濃度所抑制。此外，膽堿酯酶對(duì)丁酰膽堿的親和力和水解能力大于乙酰膽堿酯酶。無脊椎動(dòng)物(包括昆蟲、螨類等)和脊椎動(dòng)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(dòng)物的血紅細(xì)胞中也含有AChE，但大多數(shù)動(dòng)物的血漿中含有膽堿酯酶(ChE)。有些動(dòng)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(dòng)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。

圖：ACHE與ACH結(jié)合部位酯解部位即和乙酰膽堿的酯結(jié)合的部位此處有兩個(gè)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)子反響的作用。乙酰膽堿酯酶和乙酰膽堿的反響是酶與底物的親質(zhì)子結(jié)合，失去膽堿形成乙酸酶復(fù)合體；最后水解，生成乙酸和酶別離，酶復(fù)原。酯解部位的抑制對(duì)酯解部位的抑制即對(duì)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(duì)不可逆，只是相對(duì)而言。有機(jī)磷化合物對(duì)AChE的抑制一般凡具有以下通式的有機(jī)磷化合物都有對(duì)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(duì)硝基苯基，—CN，F(xiàn)或磷酸二酯等?！?〕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(shí)，水解速率反而下降。

2)ACHE水解ACH過程K+1K2K3E+AXE.AXEAE+AK-1X〔1〕形成復(fù)合體；〔2〕乙酰化反響；〔3〕水解反響。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+EX3對(duì)高等動(dòng)物低毒化的線索

以對(duì)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取代那么毒性降低，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(duì)昆蟲的毒力。c．對(duì)硝基苯基一NO2代以一CN，一SOCH3，--CI那么毒性降低，這與Hammett取代基常數(shù)有關(guān)。d．在對(duì)硝基苯基的鄰位代人一個(gè)CH3基，那么毒性大為降低，這也與Hammett取代基常數(shù)有關(guān)。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。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(duì)酶的復(fù)活起作用，而是對(duì)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，因此病癥得到緩解，AChE逐漸得到恢復(fù)。5．磷?；傅摹袄匣?aging)和對(duì)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那么酶很容易復(fù)活，但是，解毒劑的效果與酶和有機(jī)磷劑的作用時(shí)間有關(guān)，作用的時(shí)間愈長(zhǎng)那么解毒劑的效果愈差，甚至無效，這種現(xiàn)象稱為磷酰化酶的“老化〞。老化后的磷酰化酶即使用解磷定解毒，效果也很差。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(duì)氧磷)與ChE反響后，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?；傅睦匣俣缺榷已趸柞；敢?倍。b．溫度和pH值低溫時(shí)老化速度慢，接近于人體正常溫度時(shí)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。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(duì)硫磷、內(nèi)吸磷、甲拌磷等等，雖然對(duì)人毒性大，但中毒后如能及時(shí)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(duì)人的毒性小，在一般使用下不會(huì)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?。〔五〕氨基甲酸酯殺蟲劑的作用機(jī)理哺乳動(dòng)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(dòng)的，如果乙酰膽堿缺乏，就發(fā)生肌肉無力等病癥。在醫(yī)藥方面為了抑制乙酰膽堿酯酶的分解，改善病癥，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(shí)，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。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：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。抑制反響一般可用以下通用反響式來表示：下式反響中第一步是可逆的，最后一步的水解反響比有機(jī)磷化合物更容易進(jìn)行，因此與有機(jī)磷劑不同，全部反響是可逆的，稱為可逆性抑制反響。由于這個(gè)反響與膽堿酯酶分解乙酰膽堿十分類似，所以又叫競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)，如果在反響中，參加乙酰膽堿使?jié)舛忍岣吣敲捶错懴蜃筮M(jìn)行；所以作為整個(gè)反響過程，始終是進(jìn)行著競(jìng)爭(zhēng)性的可逆反響。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(gè)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)。水解速率的快慢次序如下：氨基甲酸酯分子中的x也與反響速率有關(guān)，因?yàn)檫B結(jié)不同的x基團(tuán)與整個(gè)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，為反響順利進(jìn)行創(chuàng)造了條件。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(duì)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(shí)不能用解磷定等藥劑進(jìn)行治療?！擦硵M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，但也可能有局部昆蟲會(huì)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。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(duì)丙烯菊酯(allethrin)神經(jīng)電生理學(xué)的研究說明，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(duì)膜的離子滲透性產(chǎn)生了影響。例如，丙烯菊酯對(duì)蜚蠊巨大神經(jīng)纖維的膜電位影響測(cè)定說明：①在低濃度處理時(shí)負(fù)后電位增大和延長(zhǎng)；②隨溫度增高出現(xiàn)了反復(fù)的興奮；③如用高濃度處理那么靜止電位降低，同時(shí)動(dòng)作電位也有所降低。以上這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，主要是因?yàn)槟さ碾x子透過性發(fā)生異常。根據(jù)Na、K電流的精密測(cè)量，證明丙烯菊酯主要是影響了Na＋的活性機(jī)制，因此在瞬間Na＋的流入受到局部抑制，動(dòng)作電位降低。負(fù)后電位的增大和延長(zhǎng)，