神经毒剂的作用机理（制药本科）农药毒理学教学.ppt

第五节 神经毒剂 神经毒剂，均是阻断神经传导，而不是直接杀死神经细胞。 1. 轴突毒剂 （1）滴滴涕的作用机理 （2）菊酯类杀虫药剂的作用机理 2. 前突触毒剂 六六六及环戊二烯类 3. 胆碱酯酶抑制剂 （1）有机磷类杀虫剂的作用机理 （2）氨基甲酸酯类杀虫药剂的作用机理 4. 乙酰胆碱受体毒剂 （1）烟碱及烟碱类杀虫药剂的作用机理 （2）沙蚕毒素类杀虫药剂的作用机理 5. GABA受体毒剂 （1）多氯环烷烃类 （2）Avermectin类 （3）苯并咪唑类及其类似物 6. 章鱼胺受体毒剂 杀虫脒类 一、轴突毒剂 药剂对轴突传导的抑制主要是通过改变膜的离子 通透性，从而影响正常膜的电位差，使电冲动的发生 与传导失常。而离子通透性的改变主要与离子通道有 关。 离子通道：细胞膜上有通道蛋白形成的跨膜充水 小孔，称为离子通道（ion channel），离子通道使钠 、钾、钙等离子顺电化学梯度扩散，通过双分子层。 离子通道必须能够开放和关闭，才能实现其产生 和传导电信号的生理功能。 根据通道开关的调控机制（门控机制）的不同，可 分为： (1) 配体门控离子通道（受体控制性通道）(ligand gated) 将化学信息转变为电信号 Ach受体、GABA受体等； (2) 电压门控离子通道（电压依赖性通道）(voltage gated) 开、关一方面由膜电位决定，另一方面与电位变 化的时间有关(时间依赖性)。 钠通道、钾通道等； 离子通道（ion channel） 根据通道开关的调控机制（门控机制）的不同，可 分为： (3) 环核苷酸门控(CNG)通道 这类通道在视觉和嗅觉方面的信号传导中相当重要 (4) 机械力敏感的离子通道 当细胞受各种各样的机械力刺激时开启的离子通道 离子通道（ion channel） 1. 钠离子通道的结构与功能 5种：1种,电鳗；3种，大鼠脑神经，分别是I、 、型；1种，大鼠骨骼肌中。 这5种在化学上各有其特点，但都包含一个由1 800-2O00个氨基酸组成分子量约为240-280千道尔顿的 糖蛋白亚单位。 大鼠脑神经中的I、型钠离子通道都是由a 亚单位(260千道尔顿)、1亚单位(36千道尔顿)和2 亚单位(33千道尔顿)组成的复合体。电鳗中钠通道仅 有一个a亚单位构成。 一、轴突毒剂 1. 钠离子通道的结构与功能 亚基是钠通道的功能性亚单元： 通道的激活； 通道的离子选择性有关。 1和2亚单元则对亚单元在膜上的定位以及 稳定性起着重要的辅助作用，并参与调节亚单元的 电压敏感性和失活过程。 Na+通道是一个结合在神经 轴突膜上的大型糖基化蛋白质 ，存在关闭、开启和失活三种 空间构型，其构型之间的转变 受神经膜电位变化的控制，也 受到药物的影响。钠通道功能 包括选择性滤孔（ selectivity filter）（位于细胞外膜，允许 适当大小和适当电荷的离子通 过，钠离子最容易通过）、闸 门（gate）（位于内膜，是通 道的内侧口）、和电压感受器 （sensor） （位于内外膜之间，对膜电位的变化很敏感，控制闸门的开闭） ，通道内侧有控制激活的m闸门和控制失活的h闸门。去极化时， m闸门打开，使钠离子通过，持续去极化则h闸门关闭，极化时m 闸门重新关闭，h闸门重新打开，钠通道才会对去极化再次做反应 。 h m 在电压门控钠通道上至少存在9个不同的神经毒 素靶结合受体位点。按其在钠通道的作用方式和受体 位点的结构，它们可被分为三大类： 阻滞钠电导的毒素； 作用于跨膜区域内并影响电压依赖性的毒素； 通过作用于胞外影响钠通道电压依赖性的毒素 。 1. 钠离子通道的结构与功能 *别够偶联是指一个受体位点被相应的神经毒素占据后诱导其他神经毒 素在指定受体位点上的结合。正调节（+）指促进毒素在其他指定受体位点 的结合/或刺激Na+内流；（-）指削弱毒素在指定受体位点的结合。 （1）DDT的中毒症状 （2）作用机理 （3）症状与机理之间的关系 2. 滴滴涕的作用机理 该药剂中毒的鱼尸花蝇出现的症状为：兴奋性提 高，身体及运动平衡被破坏，当运动量达到最大后， 体躯强烈痉挛、颤栗，最后试虫麻痹，缓慢地死亡。 解剖虫尸发现，昆虫组织非常干燥，几乎完全丧失了 血淋巴。DDT中毒后，一些昆虫还具有足自断现象 ，且断裂下的足仍长时间收缩。几丁虫还能咬掉中毒 的跗足，而保护自己免于失死亡。 DDT的中毒症状 图1 DDT对家蝇和粘虫的致毒症状 A 麻痹；B 死亡；C 死亡；D 兴奋；E 痉挛；F 死亡 A B C D E F DDT的中毒症状 可以明显地分为兴奋、痉挛、麻痹、死亡共四个阶 段，且伴随有体表失水、呕吐、足和触角颤抖等症状 ； DDT的中毒症状 DDT受体学说 酪胺 钠离子通道学说 DDT主要是作用于昆虫神经膜上的钠离子通道。 2. 滴滴涕的作用机理 DDT的作用是使钠离子通道打开，延迟h门的关闭，钠不 断内流，从而使得负后电位加强，当负后电位超过了钠阈值， 就会引起电位的又一次上升，引起动作电位的重复后放。动作 电位重复后放使神经持续兴奋，昆虫就表现出急速爬动等兴奋 症状。在重复后放之后就是不规则的后放，有时产生一连串动 作电位，有时停止，这时乃是进入痉挛及麻痹阶段，到重复后 放变弱时乃进入完全麻痹，而传导的停止既是死亡的来临。 2. 滴滴涕的作用机理 Ca2+-ATP酶： 滴滴涕主要抑制外Ca2+-ATP酶。外Ca2+-ATP酶的作用是调 节膜外Ca2+的浓度，在浓度高时，酶不起作用，在浓度低时，它 的作用是使膜外的钙的浓度增加。因此抑制此酶，膜外钙的浓度 就降低而不能恢复。膜外部Ca2+的浓度与轴突膜的兴奋性有关。 外部Ca2+减少时，膜的限阈降低，因而易受刺激（即不稳定化） 。实际上，这是由于Ca2+的减少造成了膜外面正电荷的降低，这 样膜内对膜外的相对电位差也减小了，因此外部缺少Ca2+的轴突 膜更容易去极化，也即更容易发生一系列的动作电位。滴滴涕的 作用是抑制了“外Ca2+-ATP酶”导致轴突膜外表的Ca2+减少， 从而使得刺激更容易引起超负后电位的加强，引起重复后放。另 外，在神经膜受到刺激时，膜外的钙离子浓度略有减少。加强膜 外的Ca2+浓度，有抑制钠闸门被打开的作用。因此钠闸门的延迟 关闭也与钙降低有关。 DDT结合在钠通道上，延缓了钠通道的关闭，形 成了动作电位重复后放，从而使神经持续兴奋，昆虫 就表现出兴奋症状。在重复后放之后就是不规则的后 放，有时产生一连串动作电位，有时停止，从而导致 痉挛及麻痹，到重复后放变弱时乃进入完全麻痹，而 传导的停止即是死亡的来临。DDT对多种ATP酶的影 响是导致昆虫呕吐、颤抖的主要原因。 DDT的症状与作用机理之间的关系： 3. 菊酯类杀虫药剂的作用机理 （1）中毒症状 （2）作用机理 （3）症状与机理之间的关系 型拟除虫菊酯：不带CN基的，处理的昆虫很快就出现高度 兴奋及不协调运动、麻痹即所谓击倒，但击倒时体内的药量若 未达到致死量时，将会苏醒，最后瘫软死亡，如丙烯菊酯和胺 菊酯等。“击倒”，即引起昆虫的快速的、可恢复的麻痹。 型拟除虫菊酯：带有CN基的，处理昆虫不出现兴奋症状， 而出现运动失调以后的中毒症状，即很快痉挛，立即进入麻痹 状态，最后瘫软死亡，如氯氰菊酯、溴氰菊酯和速灭杀丁等。 图2 功夫对家蝇和粘虫的致毒症状 A 痉挛，示拉出产卵器；B 痉挛，示呕吐；C 死亡；D痉挛 ；E 麻痹；F 死亡 AB C DEF 图3 氯氰菊酯对家蝇和粘虫的致毒症状 A 痉挛，示足、翅异常；B 死亡，示腹部皱缩、翅异常；C 痉挛； D 麻痹，侧卧；E 麻痹，瘫软状；F 死亡；G 对照 AC DE FG B 可分为四个阶段：兴奋、痉挛、麻痹、死亡。而 型菊酯类杀虫药剂的典型中毒症状仅有痉挛、麻痹 、死亡三个阶段。 菊酯类杀虫药剂的致毒症状 电流和钠尾电流（ 表示有更多的钠通道处于开放状态） 明显延长 。其中带CN基的拟除虫菊酯类甚至能使钠通道长期不关闭，如溴 氰菊酯等。延长的钠电流引起负后电位去极化，振幅和时程增加 ，在负后电位去极化达到兴奋阈值时，发生重复后放。引起这样 的重复后放可在神经系统的各个部位发生，特别在突触的神经末 端和感觉神经元，引起神经肌肉痉挛产生超兴奋，使运动失调， 最后麻痹死亡。 当拟除虫 菊酯与神经膜 上的钠离子通 道结合后，个 别的钠离子通 道被拟除虫菊 酯变构，在去 极化期间使钠 离子通道开启 延长，导致钠 Na+，K+-ATP酶也是拟除虫菊酯类药剂的靶标之一。这种 观点和钠离子通道靶标学说并不矛盾。钠离子在神经细胞内外 的流动依靠Na+,K+离子泵。Na+,K+-ATP酶的基本功能是催化 ATP末端磷酸水解，并利用该反应产生的自由能来逆电化学梯 度进行Na+、K+的主动运输，从而维持细胞膜内外Na+、K+离 子浓度的相对恒定及渗透压的平衡，以保证细胞正常的神经传 导或物质吸收等重要的生理功能。当Na+,K+-ATP酶受强烈的 抑制时，离子流受抑制，水被吸收，滞留，引起各种谷氨酸盐 及其他神经递质的释放，进而引发中枢神经系统的疾病。拟除 虫菊酯作用于钠通道的同时可能也就抑制了Na+，K+-ATP酶的 活性。 3. 菊酯类杀虫药剂的作用机理 另外，拟除虫菊酯也对 多种不同受体产生不同的作 用，例如烟碱受体、乙酰胆 碱受体、GABA受体-氯离子 载体系统、Ca2+ATP酶、谷氨 酸受体等。 3. 菊酯类杀虫药剂的 作用机理 型菊酯与钠通道结合后延缓钠通道的关闭，使 其长时间开放从而引起动作电位的重复后放。型菊 酯作用于钠通道后也可以产生延长的钠电流引起负后 电位去极化，振幅和时程增加，在负后电位去极化达 到兴奋阈值时，发生后效，引起神经肌肉痉挛产生超 兴奋，使运动失调，表现为强烈的痉挛，但钠通道一 直不关闭，则使神经传导被阻断，昆虫麻痹死亡。 菊酯类杀虫药剂致毒症状与作用机理的关系 DDT和型菊酯类药剂在症状上的区别，主要表 现在三个方面： 一是DDT引起的中毒速度慢于菊酯类； 二是DDT可引起持续兴奋，型菊酯引起的兴奋 不明显； 型菊酯中毒后，在痉挛期，粘虫幼虫的足似乎 完全充满了体液而暴突出来，整个虫体似乎成半透明 状，而DDT中毒后无此现象。 与DDT的差异: 与DDT的差异: 除虫菊酯不但对周围神经系统有作用，对于中央 神经系统也有作用，而DDT对中央神经系统无作用。 虽然除虫菊酯与DDT都作用于轴突，但除虫菊 酯的作用主要是在冲动产生区(impulse generating region)，而DDT没有这样固定,并且除虫菊酯似乎对感 觉器官的输入神经的轴突特别有效。 此外，在电生理学上发现有些小的差异。除虫菊酯 及其类似物的毒理作用比DDT更为复杂，它同时具有驱 避、击倒及毒杀三种不同的作用。 神经毒剂 二、前突触毒剂 前突触膜毒剂是一类主要作用于前突触膜，即突 触前膜的杀虫剂。 六六六及环戊二烯类 图4 丙体六六六对粘虫的致毒症状 A 兴奋；B 痉挛；C 麻痹； D 死亡；E 对照 AB DCE 中毒症状分为兴奋、痉挛、麻痹、死亡等几个阶 段。兴奋主要表现在试虫在四处爬动的过程中会不时 地将头胸高高举起，静立不动。在痉挛期，试虫的主 要中毒特点为全身抽搐，足、口器等颤抖不已，难以 正卧或爬动。在麻痹期，最明显的特征也反映在足上 ，因足麻痹而呈瘫卧状，麻痹似乎为局部性的。死亡 试虫的体躯会极度皱缩，体长仅为对照的一半，特别 是体躯腹部紧缩在一起，周长也较对照小的多，因而 显得头特别大。 昆虫对丙体六六六的中毒症状 二、前突触毒剂 六六六和环戊二烯类能引起乙酰胆碱大量积累的 原因，并非是由于它们对胆碱酯酶抑制作用所造成的 ，也不是由于它们占领了胆碱受体后使乙酰胆碱未能 与受体结合而造成的乙酰胆碱积累的结果，而是六六 六与环戊二烯类杀虫剂刺激前突触膜，加强了乙酰胆 碱的释放。但具体的作用位点尚无定论。 此类杀虫剂还为GABA受体抑制剂。 药剂刺激前突触膜，加强了ACh的释放，ACh在突 触间隙大量积累而不断地刺激AChR，引发动作电位， 试虫兴奋、痉挛；过量的ACh可阻断神经的传导，造成 试虫死亡。 丙体六六六致毒症状与作用机理之间的关系 神经毒剂 三、 胆碱酯酶抑制剂 （一）乙酰胆碱酯酶的结构与功能 1. AChE的基因结构及分子多态性 所有的脊椎动物及无脊椎动物中的昆虫，其AChE 均由单个Ace编码。在不同生物间Ace结构存在差异。 AChE是一大分子糖蛋白，糖基约占总重量的15 。AChE按其分子特征可分为球型（对称型）及尾型（ 不对称型）。 1. AChE的基因结构及分子多态性 同一生物的不同AChE分子，其分子大小、形状、 溶解性等理化性质存在差异，但这些不同的酶分子却 具有相同的底物催化特性，其原因在于AChE氨基端的 氨基酸序列在不同酶分子之间完全相同。该相同的氨 基酸序列包含了AChE完成其催化功能所必须的所有氨 基酸残基。因此，该段相同的氨基酸序列也叫做AChE 的催化亚基。与催化亚基羧基端连接的不同结构域决 定着酶分子的类型和酶分子的理化特性。 2. AChE的分布 主要分布在神经肌肉组织。 昆虫：中枢神经 ；肌肉、血淋巴 脊椎动物：中枢、周围 神经组织中的AChE主要是球型。 3. AChE酶蛋白结结构和氨基酸组组成 AChE是一个异构化酶，它有三类作用部位：催化部位、 结合部位及异构化部位。 催化部位和结合部位构成该酶的活性中心。 催化部位又叫酯动部位，对乙酰胆碱、有机磷和氨基甲酸 酯发生乙酰化、磷酰化和氨基甲酰化都在这个部位，这个部位 主要是丝氨酸的OH基； 另外，在催化部位周围的许多氨基酸残基都有可能成为结 合部位，主要有阴离子部位、疏水部位、电荷转移复合体部位 、靛酚结合部位、巯基结合部位等； 异构化部位又叫外周离子部位。 3. AChE酶蛋白结结构和氨基酸组组成 该催化亚基是由14个螺旋与12个折叠片组成 的大小为456065的椭球形分子；螺旋、 折叠片在晶体中的含量分别为15、30，折叠片 位于椭球形分子的中央而被螺旋所包围。 该分子结构最明显的特点是在球形分子的表面有 一向内凹陷的又深又窄的“峡谷”(gorge)，峡谷的 深度达到20 ，相对于入口处其底部更加扩展。 3. AChE酶蛋白结结构和氨基酸组组成 AChE的催化中心的3个氨基酸残基：第200位的丝氨酸 (S200)、第327位的谷氨酸(G327)、第440位的组氨酸(H440)均位 于峡谷内，因此该峡谷也叫做活性中心峡谷。峡谷内壁四周主 要是由34个疏水的芳基氨基酸组成,这些芳基氨基酸残基在 AChE与底物的结合过程中起重要作用，其中第84位的色氨酸 (W84)、330位的酪氨酸(Y330)或苯丙氨酸(F330)、442位的酪氨酸 (Y442)，与G199一起构成了AChE活性中心底物与酶的结合部位， 其亲和力主要来源于底物与芳环上电子的相互作用。 酶晶体衍射研究的结果进一步表明，底物与酶分子的结合 部位和催化部位实际上同处于活性峡谷之中；底物与酶的结合 部位主要是由疏水的芳基氨基酸组成。 在峡谷入口处附近，椭球形分子的外表面主要是由一些带 负电的氨基酸组成。这些带负电的氨基酸组成了AChE的外周阴 离子部位(peripheral anionicsite,PAS)。当配体结结合于PAS后 ，可以改变变酶活性中心的立体构型，影响酶与底物或与其它配 体的亲亲和力。它的存在可能有助于提高AChE催化效率：乙酰胆 碱进入活性中心之前，先通过静电吸引结合于PAS，然后顺势滑 入到峡谷内并进一步扩散到活性中心，从而加快底物与活性中 心的结合进程；另外，PAS可能还与高浓度底物对酶活性的抑制 作用有关。 3. AChE酶蛋白结结构和氨基酸组组成 4 . AChE的功能 Ach是昆虫胆碱能突触的神经递质，在完成信息传 递（动作电位）后被AChE分解 CH3COOC2H4N+(CH3)3 CH3COOHHOC2H4N(CH3)3 反应式：EAX EAX AE AE 第一步 可逆反应 形成复合体EAX Kd = 解离常数、亲和力常数； K+1结合速率常 数；K-1解离速率常数；Kd愈小， EAX 愈大（亲合 力愈大） H2O AChE K+1 K-1 K2 X K3 K+1 K-1 第二步 酶乙酰化反应，放出X（胆碱）取决于K2， K2速率常数（ K2 大，易放出X） 第三步 水解反应，脱乙酰化反应，放出乙酸，酶恢复 ， 水解速率常数K3，快，（1/几 1/100msec）。 H2O AChE K+1 K-1 K2 X K3 CH3COOC2H4N+(CH3)3 CH3COOHHOC2H4N(CH3)3 反应式：EAX EAX AE AE 结合部位 阴离子部位 疏水基部位 电荷转移复合体 吲哚苯基结合部位 催化部位 （酯动部位）丝氨酸羟基 相邻组氨酸的咪唑基活化丝氨酸OH 诱导反应，整个反应很快，仅23msec AChE 酶与乙酰胆碱的季铵基团N+(CH3)3结合 R1O 烷氧基 CH3O- C2H5O- 或R2O 胺基 NH2- 苯(氧)基 苯氧硫甲基 异丙硫基C3H7S- n C3H7S R3：强酸性基 -CH=CCl2 直接连P原子 （二）有机磷杀虫剂的作用机理 有机磷杀虫剂的化学结构类型 磷酸酯类(RO)2P-O-R：如久效磷、磷胺、敌敌畏 一硫代磷酸酯(RO)2P-O-R（硫逐）：如对硫磷、甲基对硫磷 、 (RO)2P-S-R（硫赶）： 氧化乐果、内吸磷 二硫代磷酸酯(RO)2P-S-R：乐果、马拉硫磷、甲拌磷(3911) 膦酸酯类(RO)2PR：如敌百虫 硫代膦酸酯 (RO)2PR：苯硫磷 (硫代)磷酰胺类： 甲胺磷、乙酰甲胺磷 =SS= =O O= O= =S (S) 不对称结构： 如丙溴磷、甲丙硫磷 杂环类硫代磷酸酯： 如三唑磷（1,2,4-三唑） 毒死蜱（吡啶类） 甲基硫环磷（二硫戊烯） 111 CH3CH2 CH3CH2CH2 （二）有机磷杀虫剂的作用机理 （1）中毒症状 （2）作用机理 （3）症状与机理之间的关系 图5 久效磷对家蝇和粘虫的致毒症状 A 痉挛，示足、翅异常；B 死亡，示足异常、口器伸出；C 兴奋； D 痉挛，示呕吐；E 昏迷；F 对照；G 死亡 ABC DEFG 图6 辛硫磷对家蝇和粘虫的致毒症状 A 昏迷，示足、翅异常，且口器伸出；B 兴奋；C痉挛；D 昏迷，示体皱 缩，且拉出部分直肠；E 对照；F 死亡；G 呕吐致滤纸变色 ABC DEFG 图7 马拉松对家蝇和粘虫的致毒症状 A 昏迷，示口器、足异常；B 昏迷，示足、翅异常；C死亡，示产卵部分 伸出，足、翅异常；D 兴奋；E 痉挛；F 对照；G 死亡 AB C D E FG 分为兴奋、痉挛、昏迷和死亡四个阶段。兴奋期 的主要症状为：试虫的运动速度、强度明显增强，不 停地爬动或起飞；痉挛期的主要特点是试虫的触角、 口器、足、翅等器官颤抖、抽搐，反吐胃液，排泄异 常，甚至会拉出直肠，或生殖器外伸，难以缩回；昏 迷期的特点为试虫静卧不动，但对机械刺激有反应； 死亡期的特点为试虫体壁干燥，体躯皱缩，体长仅为 对照的一半。另外，在兴奋前，试虫有一定的安静期 。 有机磷类杀虫药剂的致毒症状 1. 酶活性的抑制： EPX PXE PE PE 第一步 形成可逆性复合体（ PXE 存地时间短） 依靠抑制剂与酶活性区之间的亲和力形成抑制剂络 合物。 K+1 K-1 K2 X K3 OP杀虫剂对AChE抑制作用 1. 酶活性的抑制： 第二步 酶磷酰化反应 利用P原子的亲电性攻击酶的丝氨酸上的羟基。磷 酰化反应实质上是有机磷酸酯与AChE中的亲核基OH-之 间的亲电反应, 且亲电亲电 性反应应与X基团团(PX)的分离是 同时进时进 行的，P原子亲电性愈强，对酶抑制能力愈强 ，X基团分离能力愈大。 K2磷酰化反应速率常数 很快 2. 酶活性的恢复 酶经磷酰化后，虽然水解作用极为缓 慢，但仍然能自发地放出磷酸并使酶复活，这一反应称 为自发复活作用或脱磷酰化作用。 EP+H2O EH+P一OH 自发复活速度与抑制剂的离去基团无关，而取决于 磷原子上残留的取代基以及酶的来源。 AChE复活剂： 羟胺(NH2OH)（弱）、肟、羟肟酸（强），引入阳离子 活性更强。攻击磷酰化酶中的P原子而取代它们。 （解磷定 ） 3. 磷酰化酶的老化 老化：指磷酰化酶在恢复过程中转变为另一种结构 ，以至于羟胺类的药物不能使酶恢复活性。老化现象是 由于二烷基磷酰酶的脱烷基反应造成的。 磷酰化酶的老化速率与磷酰基上的烷基有关。二乙 基磷酰化酶老化缓慢，但甲基、仲烷基及苄基（苯甲基 ）酯的老化速度要快得多。 老化反应速度取决于非酶的化学力，发生烷基磷酸 酯基C一O键的断裂。因此，酶如果受烷基化能力高的 磷酸酯的抑制，老化现象易于发生。 1. 抑制神经细胞的生长发育： 由于AChE的活性表达与轴轴突的延伸有关，AChE的 催化作用能增强神经轴突的生长，因而，在AChE活性 被有机磷杀虫剂抑制后，即使未致死亡，机体神经细 胞的生长发育也受到阻碍。毒死蜱可以抑制PC12细胞 的有丝分裂和轴突的长出，抑制神经细胞DNA的合成， 可见，有机磷杀虫剂不仅具有胆碱能毒性，还具有非 胆碱能毒性作用。 有机磷杀虫剂的其他作用机理： 有机磷杀虫剂的其他作用机理： 2. 抑制乙酰胆碱受体：乐果可以增强肌细胞膜上的 nAChR的表达。它可通过结合到非竞争性位点改变该 受体的构型或是直接阻断nAChR通道而抑制其功能。 3. 影响神经突触的ACh的释放：毒死蜱可以作用于突 触膜上的自主型nAChR，抑制这些自主受体的功能， 从而影响ACh的释放。 此外，有机磷杀虫剂还对大脑突触体的钙离子通 道功能有抑制作用，例如：甲胺磷(methamidophos) 可以使脑突触体钙摄取减少，说明甲胺磷影响了膜上 的电压敏感型钙离子通道。 有机磷杀虫剂抑制了乙酰胆碱酯酶，导致突触间 隙积累大量的乙酰胆碱，突触后膜的乙酰胆碱受体不 断地被激活，突触后神经纤维长期处于兴奋状态，而 使中毒试虫兴奋，但是过量的乙酰胆碱又可造成突触 传递阻断，从而抑制了神经传导，使昆虫在中毒后期 逐渐地失去活动能力，昏迷死亡。有机磷类药剂中毒 后，随着昆虫乙酰胆碱酯酶的活力降低，中毒程度逐 渐加剧，在症状与酶活力之间存在一定的相关性。另 外，神经传导的阻断必然会影响到整个生理生化过程 的失调与破坏及机体的衰竭而使昆虫呕吐、排泄异常 。 有机磷类杀虫药剂致毒症状与作用机理的关系 (一)稠环基氨基甲酸酯等（西维因、克百威、丙硫克百 威、丁硫克百威、百亩威(猛扑因)、喹啉威等 ） （三）氨基甲酸酯类杀虫剂的作用机理 化学结构类型 (二)N,N-二甲基氨基甲酸酯类 抗蚜威、抗蝇威、敌威蝇、异索威、吡唑威、低麦 威等 (三)取代苯基-N-甲基氨基甲酸酯类 异丙威、湿灭威 仲丁威、残杀威 速灭威、害扑威 灭害威等 (四)肟基氨基甲酸酯类 涕灭威、灭多威、硫双威、丁酮威、棉铃威等。 （三）氨基甲酸酯类杀虫剂的作用机理 （1）中毒症状 （2）作用机理 （3）症状与机理之间的关系 图8 灭多威对家蝇和粘虫的致毒症状 A 昏迷，示翅、足异常；B 兴奋；C 痉挛；D 、E 昏迷；F 死亡；G 对照 ABC D E F G 图9 呋喃丹对粘虫的致毒症状 A 痉挛；B 昏迷；C 死亡；D 对照 图10 丁硫克百威对 家蝇的致毒症状 A 痉挛；B 昏迷； ABCD AB 致毒症状主要分为兴奋、痉挛、昏迷和死亡四个阶段。各 阶段的症状特点和有机磷杀虫药剂的几乎相同，即：在兴 奋期，主要症状为试虫的运动速度加快、运动强度明显增 强；痉挛期的主要特点是试虫的触角、口器、足、翅等器 官颤抖、抽搐，反吐胃液，排泄异常，甚至会拉出直肠， 或生殖器外伸，难以缩回；昏迷期的特点为试虫静卧不动 ，但对机械刺激有反应；死亡试虫的体壁干燥，体躯皱缩 ，体长仅为对照的一半。 和有机磷类的区别主要表现在：氨基甲酸酯类药剂的 作用速度快，处理后很快兴奋，且兴奋强度高，而有机磷 类作用速度慢，处理后有一明显的安静期，兴奋强度弱。 与OP差异： K3比乙酰化酶水解慢，但是比磷酰化酶水解快得 多。乙酰化酶的复活半衰期只有0.1ms左右，氨基甲酰 化酶为几分钟到数小时，而磷酰化酶为几小时到几十 天，甚至永不复活。 无老化 治疗，阿托品效好，酶复活剂（2-PAM、4-PAM 、双复磷 ）无效 （三）氨基甲酸酯类对乙酰胆碱酯酶的抑制作用 总之： 二者均是AChE的不正常底物，为酯动部位抑制剂（有 时也称为酸转移抑制剂）。有机磷或氨基甲酸酯与 AChE丝氨酸的羟基结合，使AChE磷酰化或氨基甲酰化 ，即被抑制，去磷酰化需要几个月的时间，而去氨基甲 酰化也需要几个小时左右，但是去乙酰化只要几分之一 毫秒。这样导致突触部位积累大量的乙酰胆碱，突触后 膜的乙酰胆碱受体不断地被激活，突触后神经纤维长期 处于兴奋状态，中毒试虫就表现出兴奋状态。但是过量 的乙酰胆碱又可造成去极化阻断，从而抑制了神经传导 ，使昆虫在中毒后期逐渐地失去活动能力，昏迷死亡。 另外，神经传导的阻断必然会影响到整个生理生化过程 的失调与破坏。 各种有机磷和氨基甲酸酯的抑制能力有很大的不 同，这决定于有机磷及氨基甲酸酯的化学特性，如磷 原子的亲电子性等；还决定于酶的特性，AChE具有 多种不同的结合部位，各种有机磷和氨基甲酸酯对他 们的结合能力不同，也就影响其催化作用；与AChE 的异构部位的变化也有关，某些化合物的作用可整个 改变酶的反应性。所以，各种有机磷酸酯及氨基甲酸 的抑制能力不同，在很大程度上决定于它们与哪些部 位起作用。 神经毒剂 四、 乙酰胆碱受体毒剂 受体：细胞膜或细胞内能与某些化学物质（递质、调质、 激素等）特异性结合并诱发生物效应的特殊生物分子，其本质 为蛋白质。每一种受体均有其相应的激动剂 （agonist）和拮抗 剂（antagonist）。 神经递质的受体：在神经生化领域内把对神经递质起应答 作用的生物活性物质称为神经递质的受体，它们是存在于突触 膜上的蛋白质分子，其分子链镶嵌在膜内，而与配体（递质） 结合的位点露在膜外。神经递质必须通过与受体结合后才能发 挥作用。 神经递质的受体，两类： 配体门控离子通道： N-型乙酰胆碱受体（nAChR）、 -氨基丁酸受体（GABAR） 甘氨酸受体（GlyR）； 与信号转导蛋白相偶联的受体：当递质与受体结 合后，经G蛋白将信号传给腺苷酸环化酶，产生 CAMP，调节细胞代谢，最后引起各种生理效应， 肾上腺素受体、M-型乙酰胆碱受体（mAChR）、 单胺类受体和视紫红质（Rh）等。 将化学信号重新 转变为电信号 四、 乙酰胆碱受体毒剂 以昆虫神经系统的受体为作用靶标的一类药剂 称为受体毒剂。昆虫体内作为杀虫靶标的有乙酰胆 碱受体、GABA受体、章鱼胺受体这三类主要的神 经受体，另外还有多巴胺受体、5-羟色胺受体、谷氨 酸受体等。 1. 乙酰胆碱受体（AChR） 生理功能：在胆碱能突触的重要作用在于识别和 转导化学信号ACh。 类别： 烟碱样受体（nAChR） 蕈毒碱样受体(mAChR) 蕈毒酮样受体(muscaronic receptor)。 乙酰胆碱与受体的结合就是对受体的激活过程，这个激活包括 受体本身发生某些改变，而这些改变又间接地引起突触后膜的三维 结构的改变。膜的改变主要是各种离子的通导性改变了。 烟碱样受体： 一种能被烟碱激活的寡聚 糖蛋白，位于细胞膜上，由4 种不同的亚单位（、 、）构成的五聚体糖蛋白， 2 。该受体是突触后 膜的配体门控离子通道，当受 体与ACh结合后，其构相改变 ，直接影响膜电位改变，在突 触后产生一个快兴奋性突触后 电位（fast excitatory post- synaptic potential, fepsp）。 蕈毒碱样受体(mAChR) 膜受体家族的成员，通过与异三聚体鸟苷酸结合 蛋白(G蛋白)偶联介导信号转导过程，因此又称G 蛋 白偶联受体(GPCR)。mAChR蛋白分子量约51- 66kD， 由460590个氨基酸残基组成，N端在胞膜外，C端在 胞质内，七次跨过细胞膜，七个跨膜区(TM I-)由三 个胞外环(01-3)和三个胞内环(i1-3)连接而成。mAChR可 以被蕈毒碱（ muscarine）激活，被阿托品阻断，主 要分布在哺乳动物的平滑肌和各种腺体内。 mAChR与递质结合后激活腺苷酸环化酶（或鸟苷 酸环化酶），使腺苷三磷酸（ATP）（或鸟苷三磷酸 GTP）分解出一个焦磷酸盐，并同时形成一个环腺苷酸 （CAMP或环鸟苷酸CGMP），从而使CAMP（或 CGMP）的浓度升高，CAMP（或CGMP）又激活蛋白 激酶，蛋白激酶使离子通道蛋白磷酸化，实际上是激活 了后突触膜上的离子通道，在突触后膜上产生一个慢兴 奋性突触后电位（slow excitatory post-synaptic potential, sepsp）。 蕈毒碱样受体(mAChR) 蕈毒酮样受体(muscaronic receptor) 第三类AChR。蕈毒酮是一种特殊的激活剂， 它对M型、N-型受体同样有效，但对第三类受体有更 大的亲和力。研究证明，对于蕈毒酮样受体，三类药 物的作用部位相同，他们之间有竞争性抑制作用。昆 虫体内这三种AChR都存在，在中枢神经中主要是nAChR 。 四、 乙酰胆碱受体毒剂 乙酰胆碱受体 作用靶标 烟碱 巴丹等沙蚕毒素类 氯化烟酰类杀虫药剂。 图11 烟碱对家蝇和粘虫的致毒症状 A 昏迷，示翅、足、产卵器异常；B 抽搐；C 昏迷；D 对照；E 死亡； A DE B C 2. 烟碱及烟碱类杀虫药剂的作用机理 烟碱： 2. 烟碱及烟碱类杀虫药剂的作用机理 烟碱： 烟碱被公认是一种乙酰胆碱受体毒剂。作为乙酰胆碱受体的 激活剂，烟碱在低浓度时刺激烟碱样乙酰胆碱受体，引起兴奋， 而在高浓度时，它占领受体，使神经突触传递受阻，因而中毒的 试虫表现持续兴奋、呼吸衰竭，直至死亡的症状。 烟碱类杀虫剂以游离碱形式达到作用点, 其离子化型十分有利 于和烟碱型受体的结合，故烟碱及其类似物的毒性并不决定于它 们对乙酰胆碱受体的结合能力，而主要决定于它们能否进入到中 枢神经系统内。 烟碱只对烟碱样受体和蕈毒酮样受体有作用，而对蕈毒碱样 受体没有作用。 2. 烟碱及烟碱类杀虫药剂的作用机理 烟碱类：氯化烟酰类杀虫剂也叫新烟碱类杀虫剂，主 要指硝基甲撑杂环化合物及其它们的硝基亚胺类似物 。 1978年，硝基甲撑类新杀虫化合物；1984年，日 本特殊农药制造公司，咪蚜胺(imidacloprid)，中文 通用名为吡虫啉。 代表性产品：咪蚜胺、噻虫嗪(thiamethoxam)、 噻虫胺(clothianidin) 、 噻虫啉(thiacloprid) 机理： 1984年，首次报道，昆虫中枢神经系统，nAChR。 该类药剂可作用于多种AChR，不但对m型受体和蕈 毒酮样受体有作用，还可作用于药理学性质不同的昆 虫烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）亚型。 靶标：nAChR是a亚基。因此该类杀虫剂与其它杀虫 剂一般无交互抗性 。 2. 烟碱及烟碱类杀虫药剂的作用机理 烟碱类： 图12 吡虫啉对家蝇和粘虫的致毒症状 A 痉挛，示足异常；B 昏迷，示足、翅异常；C 死亡，示足、口器异常 ；D 兴奋；E 昏迷 ACB D E 对昆虫的致毒症状与剂量密切相关：在低剂量下，试虫的 中毒症状可明显分为兴奋、痉挛、昏迷、死亡等四个时期。兴 奋期的特点为：昆虫不断爬行、呕吐、体躯扭动等，此期时间 很短。在痉挛期，昆虫剧烈扭曲，足痉挛而难以运动，排泄异 常，甚至可拉出直肠或生殖器外露，此期时间较长。在昏迷期 ，昆虫的足、口器附肢等微微颤抖，并逐渐完全不动。死亡试 虫体躯皱缩，尤其是腹部几乎缩在一起。部分试虫昏迷后还会 复苏，恢复活动，但最终仍会死亡。在高剂量下，试虫直接表 现出痉挛状态，并很快昏迷，死亡试虫的状态和以低剂量处理 的一样，个别试虫在昏迷后也会复苏。 烟碱类药剂的中毒症状 症状： 致死剂量下：典型神经中毒症状，即行动失控 、发抖、麻痹直至死亡； 亚致死剂量下：拒食作用，引起蚜虫惊厥、蜜 露排放减少，最终饥饿死亡。对害虫生殖有显著影 响。 2. 烟碱及烟碱类杀虫药剂的作用机理 烟碱类： 2. 烟碱及烟碱类杀虫药剂的作用机理 烟碱类： 选择性：对昆虫比对哺乳动物有更强的毒性作用。 由于吡虫啉对昆虫nAChR的结合能力要比脊椎动物 的高1000倍以上。 这类杀虫剂所作用的nAChR的位点不同，其N位未 被取代的亚胺基作用于哺乳动物nAChR的24 亚单 位，而杀虫剂分子中带负电荷的部分则作用于昆虫的 nAChR的阳离子亚单位。 田间试验已验证了这类杀虫剂的毒性具有选择性 。 日本渔民发现海滩上死的异足索沙蚕(环形动物门、 毛足纲、沙蚕科)能使蚊、蝇致死。 20世纪60年代开发兴起的一种新型仿生杀虫剂。生 物活性和作用机制类似天然化合物沙蚕毒素的一类高效安 全的杀虫剂。 四、 乙酰胆碱受体毒剂 3. 沙蚕毒素类杀虫药剂的作用机理 四、 乙酰胆碱受体毒剂 3. 沙蚕毒素类杀虫药剂的作用机理 1934年日本新田清三郎(S. Nita)从中分离到活性 物质，命名为Nereistoxin，简称NTX，对脊椎动物具 神经麻痹作用。 1962年桥木确定其化学结构 1965年日本武田药品工业株式会社，第一个NTX 类杀虫剂-巴丹，这也是人类历史上第一次成功利 用动物毒素进行仿生合成的杀虫剂。 杀虫双、杀虫环等同类药物。 3. 沙蚕毒素类杀虫药剂的作用机理 巴丹及沙蚕毒素是乙酰胆碱受体的拮抗剂。 在昆虫体内NTX降解为1，4-二硫酥糖醇(DTT)的类 似物，从二硫键转化而来的巯基进攻乙酰胆碱受体 (AChR)并与之结合，从而阻断了正常的突触传递传递 。 对nAChR的作用：显著地抑制了神经节的突触后膜 电位(EPSP)，使其阈值增加，同时使突触前膜放出的神 经递质减少，另外电降低了突触后膜对乙酰胆碱Ach的 敏感性，从而阻断了正常的突触传递。 杀虫环：占领了AChR以后，中断了突触后膜的去极 化，神经递质被阻。 3. 沙蚕毒素类杀虫药剂的作用机理 该类药剂还可对mAChR起作用，这与对nAChR 的作用相反，对nAChR的作用是竞争性阻断，而对 mAChR起作用则引起兴奋，产生去极化而阻断，这两 种相反的作用可能在不同剂量水平时分别表现出来。 沙蚕毒素可与ACh竞争性作用于nAChR，当它占领 nAChR后使其失活，影响了离子通道，从而降低突触后 膜对ACh的敏感性，不能引起动作电位，去极化现象不 再产生，突触传递被阻断（高）。对mAChR起作用， 引起兴奋，产生去极化而阻断（低）。 最近，Keiichi等采用单通道记录膜片钳法进一步证 明了巴丹是作用于nAChR的通道开放抑制剂。 图13 巴丹对家蝇和粘虫的致毒症状 A 微弱痉挛，示呕吐、足异常；B 麻痹，示足、翅异常；C 麻痹；D 对 照；E 死亡；F 杀虫双对家蝇致死状 死亡，喙伸出，足翅异常 ABCD EF 分为麻痹和死亡两个阶段。试虫在受药后，运动逐 渐迟缓，至麻痹时，体躯极度瘫软。死亡试虫的体躯明 显较对照长（鳞翅目幼虫），体色不变。在麻痹过程中 ，试虫会复苏，在恢复活动片刻后又麻痹。 中毒症状：瘫痪、麻痹，虫体软化、瘫痪死亡。 沙蚕毒素类杀虫药剂的致毒症状 3. 沙蚕毒素类杀虫药剂的作用机理 致毒症状与机理之间的关系为：沙蚕毒素类杀虫药剂 可和昆虫体内乙酰胆碱受体的-亚基结合，阻断了接 纳乙酰胆碱的功能，并作为nAChR 的通道开放抑制剂 ，阻断神经节胆碱能突触的传递。因ACh 不能正常传 递，使反射弧对刺激不产生反应，使试虫表现为活动 降低，麻痹瘫痪致死。巴丹和杀虫双均可使部分试虫 在麻痹后又复苏，可能是由于由于沙蚕毒素的主要代 谢物二磺酸可反过来促使其解毒而致昆虫复苏。 神经毒剂 五、 GABA受体毒剂 1. GABA受体 -氨基丁酸（GABA）是一种抑制性神经递质，它 引致后突触膜的超极化作用，因而抑制动作电位的产生 。 GABAR是一个配体门控的离子通道。 类型：脊椎动物 GABAAR：分布于突触后膜及树突上的对荷包牡丹 碱敏感，抑制性受体，与突触传递有关 。GABA-A兴奋 时打开Cl-通道，Cl-内流使突触后膜超极化，引起一种 快IPSP。 GABABR： GABA-B受体则与钾通道偶联，激动时通 过一种百日咳毒素敏感的G蛋白(G/G) 打开钾通道， 使突触后膜超极化，引起慢IPSP。 分布于突触前膜的，对氯苯胺丁酸敏感的GABABR， 它刺激前突触膜上钙的大量进入，由此使更多的小泡 释放出GABA。 五、 GABA受体毒剂 1. GABA受体 GABAC受体：在哺乳动物视网膜的平行双极神经 元上，它对荷包牡丹碱和氯苯胺丁酸不敏感，能被 GABA类似物和4-氨基巴豆酸激活。 在昆虫的神经-肌肉接头处，GABAR也有两个亚型 ，在突触前膜，既有GABAAR也有GABABBR，而在突 触后膜则只有GABAAR。 占领GABA受体或破坏GABA受体，均会影响正常 的突触传递，造成神经功能的失常。 1. GABA受体 GABAAR是一种多肽类寡聚体（heterooligomer） 。脊椎动物的GABAAR是由两条链和链构成（22） 。而昆虫的GABAR具有多样性，GABAAR有、 、5个亚基组成，每个亚基又包括4个疏水区（M1 M4），都是跨膜的螺旋，他们相互作用共同形成氯 离子进入细胞膜的孔道氯离子通道，因此，GABAAR 也被叫做-氨基丁酸门控的氯通道（GABA-gated chloride channel）。 1. GABA受体 This diagram shows the GABA-A receptor and the putative binding site for a number of agents that affect GABA function. 1. GABA受体 生理意义：突触前膜释放的GABA和后膜 GABAAR位点结合，诱导受体的构象改变，将大量带正 电荷的氨基酸暴露在通道口，使通道开放，Cl-迅速涌 入膜内，使膜超级化，产生抑制性突触后电位。 GABAAR的结构:具有作用部位和吸收部位。其中，吸收 部位主要是吸收GABA分子；而作用部位包括：GABA及 其抑制剂荷包牡丹碱位点；苯并二氮杂卓位点；巴比 妥盐位点和抑制剂苦毒宁、TBPS（二环磷酸酯化合物 ）位点。 荷包牡丹碱结合于GABA识别位点，竞争性地抑制GABA诱 导的氯离子流；苯并二氮杂卓、巴比妥盐结合于变构部 位，增加受体与GABA及其协同剂的亲和力，延长氯通道 开放时间或开放频率；苦毒宁部位与氯离子通道相连， 对这个部位起作用的化合物可使氯离子通道关闭（如拮 抗剂苦毒宁、六六六、环戊二烯类等），也可使氯离子 通道开放（如激活剂avermectin）,拮抗剂和激活剂的作 用是对立的，可以彼此抵消。 This diagram shows the GABA-A receptor and the putative binding site for a number of agents that affect GABA function. 苯并二氮杂卓位点 巴比妥盐位点 GABA及其抑制剂 荷包牡丹碱位点 抑制剂苦毒宁 、TBPS（二环 磷酸酯化合物 ）位点 GABA受体与氯离子通道的关系 当GABA受体被激活剂激活后，不论在哪个部位， 总是使氯离子通道开放，氯离子大量进入突触后膜，造 成超极化，使另一个兴奋性的冲动到达该突触时达不到 阈值电位，亦不会引起兴奋，而拮抗剂的作用则相反。 脊椎动物的GABA 受体和昆虫的GABA受体在遗传上 的差别决定了其药理性质的差异。 尽管两类受体均对GABA产生反应，但来自家蝇、 果蝇的GABA受体相对哺乳动物受体对GABA的敏感性至 少降低至130，而且大多数昆虫受体对荷包牡丹碱的 抑制作用不敏感，苯并二氯杂卓也不能增加其对GABA 的敏感性。 脊椎动物的GABA 受体和昆虫的GABA受体在遗传上的差别决 定了其药理性质的差异。 TBPS （二环磷酸酯化合物） 、EBOB与哺乳动物受体具有 很高的亲和力，是非常有效的非竞争性抑制剂，但家蝇GABA受 体对其抑制作用的敏感性显著降低。相反，昆虫GABA受体对许 多杀虫剂却表现极强的敏感性。家蝇GABA受体对多氯环烷烃类 杀虫剂中的林丹、毒杀酚、硫丹的敏感性程度，与哺乳动物相 比分别增加了130倍、62倍和3.6倍；对阿维菌素类杀虫剂增加 了615-714倍。哺乳动物和昆虫GABA受体对上述杀虫剂剂的敏感性 差异，使杀杀虫剂剂具有了高度的选择选择 性。 Deng等（1993）将作用于GABA受体的杀虫剂分为4 类： A类杀虫剂包括多氯环烷烃类化合物、苦毒宁、芳 基取代的杂环化合物及某些小取代基的杂环化合物， 这些杀虫剂诱发典型的极度兴奋症状，表现为正温度 系数，并与狄氏剂有交互抗性； 五、 GABA受体毒剂 2. GABA受体毒剂 Deng等（1993）将作用于GABA受体的杀虫剂分为4 类： B类杀虫剂为其他小取代基的杂环化合物，表现为 负温度系数，中毒症状不固定； C类杀虫剂为芳基吡唑类；如锐劲特 D类杀虫剂为阿维菌素类，该类杀虫剂引起镇静、 多尿中毒症状，与狄氏剂无交互抗性。 五、 GABA受体毒剂 2. GABA受体毒剂 五、 GABA受体毒剂 2. GABA受体毒剂 （1）多氯环烷烃类 六六六及环戊二烯类等多氯环烷烃类药剂是GABA受体的 拮抗剂，可抑制GABA诱导的氯离子内流，并能抑制二氢苦毒 宁（DXPTX）与受体的结合，认为该类药剂为GABA受体抑制 剂。膜片钳技术也证明GABA受体氯通道复合体是环戊二烯和林 丹类杀虫剂的靶标部位。 中毒试虫表现出兴奋、痉挛、麻痹、死亡四个阶段的症状 。 该类药剂还可对中枢神经系统中的突触部位起作用。 五、 GABA受体毒剂 2. GABA受体毒剂 （2）Avermectin类 Avermectins是由土壤放线菌Sereptomyces avermeitilis产生一类16元环内酯化合物的混合物，包 括A1a、A2a、B1a、B2a4个主成分和同系的4个次成分 A1b、A2b、B1b、B2b，其中Avermectins B1是主成分。 目前市售的Avermectin以Abamectin（Avermectins B1 ）为主。另外，此类药剂还包括伊维菌素（ Ivermectin）、埃玛菌素（emamectin）等。 图14 Avermectin 对家蝇和粘虫的致毒症状 A 麻痹，示喙管伸出、翅异常；B 麻痹瘫软状；C 对照 AB C 昆虫对Avermectin的中毒症状可分为麻痹期和死 亡期，昆虫在麻痹后瘫软死亡。鳞翅目死亡昆虫的体 躯极度柔软，体长较对照长，体色不变。 Avermec