农药毒理学：第二章第四节 呼吸毒剂的作用机理

1、第四节 呼吸毒剂的作用机理 呼吸毒剂 呼吸生理 内呼吸抑制剂,第二章 杀虫剂的作用方式与机理,第四节 呼吸毒剂的作用机理,外呼吸抑制剂：起物理作用，引起昆虫窒息，堵塞或覆盖气门而不能呼吸，阻断昆虫气管内的气体与外界空气的交换。 内呼吸抑制剂：对呼吸酶系的抑制，即内呼吸的抑制，也即抑制了氧化代谢。 多数呼吸毒剂属于后一类，如各种熏蒸毒气、鱼藤酮、氟乙酸及其衍生物等。,呼吸毒剂：,呼吸生理,生物氧化的涵义 生物的一切活动（包括内部的脏器活动和各种合成作用以及个体的生活活动）皆需要能。能的来源为糖、脂、蛋白质在体内的氧化。糖、脂、蛋白质等有机物质在活细胞内氧化分解，产生CO2、H2O并放出能的作用称

2、生物氧化。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原作用。 生物氧化与体外的化学氧化，实质相同，即一种物质丢失电子是氧化，得到电子是还原。所不同者，生物氧化是在活细胞内进行，必须有酶参加和在一定条件（温度和pH等都不偏高、偏低）下进行，放出的能主要以ATP形式储存起来，供需要时使用。,生物氧化的一般原理 代谢物分子中的氢如何脱出？ 脱出的氢如何能与分子氧结合成水并释放能量？,代谢物质（糖、脂、氨基酸等）,脱氢,脱氢酶,递氢体,呼吸链定向传递,细胞色素b,2个氢（2H）放出2个电子（2e-）,质子（H+）,暂留溶液中,e- 通过细胞色素体系传到分子氧,激活变为离子O2-,2H+与O2-结

3、合成水,在氢与电子传递过程中，有三处放出能量，放出的能量通过氧化磷酸化作用产生ATP。,生物氧化产生的能不是直接被利用的，而是暂时存在高能化合物ATP中，然后再由ATP释放出来。这一过程涉及到氧化和磷酸化，这两个过程的配合即为氧化磷酸化。,氧化磷酸化是指物质在生物体内氧化时释放的能量供给ADP与无机磷合成ATP的偶联反应。 i.e. 代谢物被氧化释放的电子通过一系列电子递体从NADH或FADH2传到O2并伴随将ADP磷酸化产生ATP的过程。,传递系统是由NAD或NADP（脱氢酶的辅酶）、FMN (黄素单核苷酸)或FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)，辅酶Q和多种细胞色素所组成 传递系统为可逆的氧化还原

4、系统。氧化型递体接受氢原子或电子后变为还原型、还原型递体失去氢或电子又变为氧化型。 细胞色素只传递电子，其余递体可递氢亦可递电子， 整个体系又称电子传递体系或呼吸链。,生物氧化中关键酶,糖、蛋白和脂肪等通过一定的初步代谢而进入三羧酸循环。 以NAD为辅酶的脱氢酶催化代谢物质脱氢后NAD被还原为NADH，同时生成一个H。 NADH把它的两个电子和一个质子传递给黄素单核苷酸（FMN），从而开始了呼吸链电子传递过程。,生物氧化中关键酶,呼吸链: 和三羧酸循环同样重要，因为它是所有物质共同呼吸过程。 呼吸链上的重要的氧化还原系成分是： 1) NAD或NADP (吡啶核苷酸相连的脱氢酶的辅酶)； NAD

5、: 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸, Nicotinamide adenine dinucleotide, 简称 “辅酶”。是一种基本的氧化还原辅酶。NADH不能直接为分子态氧所氧化，但能通过NADH脱氢酶的作用进行脱氢变成NAD+。在260纳米处具有最大紫外吸收光谱，通过各种脱氨酶，从底物中接受一个氢原子和一个电子，变成还原型。,呼吸链及其重要酶:,呼吸链: 和三羧酸循环同样重要，因为它是所有物质共同呼吸过程。 呼吸链上的重要的氧化还原系成分是： 1) NAD或NADP (吡啶核苷酸相连的脱氢酶的辅酶)； NADP: 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸, Nicotinamide adenine dinucle

6、otide phosphate, 简称 “辅酶”。是一种极为重要的核苷酸类辅酶。是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）中与腺嘌呤相连的核糖环系2-位的磷酸化衍生物。,呼吸链及其重要酶:,呼吸链: 和三羧酸循环同样重要，因为它是所有物质共同呼吸过程。,呼吸链及其重要酶:,2）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸，flavin adenine dinucleotide），活性型维生素B2，是体内核黄素的活性型,作为某些氧化还原酶的辅基,广泛参与体内多种氧化脱氢反应, 在生物,FMN（黄素单核苷酸，Flavin mononucleotide ）与黄素相连的酶的辅基；对生物氧化过程的电子传递有作用。,氧化系统中起传递

7、氢的作用。其氧化型和还原型分别简写为FAD和FADH2。,呼吸链: 和三羧酸循环同样重要，因为它是所有物质共同呼吸过程。 3）细胞色素，是一类以铁卟啉（或血红素）作为辅基的电子传递蛋白，广泛参与动、植物，酵母以及好氧菌、厌氧光合菌等的氧化还原反应。 细胞色素作为电子载体传递电子的方式是通过其血红素辅基中铁原子的还原态(Fe2+)和氧化态（弤）之间的可逆变化。 细胞色素可根据血红素辅基的不同结构, 分为a、b、c和d类。a类细胞色素的吸收带位于598605纳米；b类的最大吸收带在556564纳米;c类在550555纳米；d类为600620纳米之间。,呼吸链及其重要酶:,吡啶核苷酸相连的脱氢酶以N

8、AD或NADP为辅酶，以NAD为辅酶的脱氢酶催化代谢物质脱氢后NAD被还原为NADH，同时生成一个H。NADH是介于三羧酸循环和线粒体内膜之间的主要媒介物。NADH把它的两个电子和一个质子传递给黄素单核苷酸（FMN），从而开始了呼吸链电子传递过程。 黄素相连的脱氢酶作为呼吸链的主要组分，常见的有两种：以黄素单核苷酸（FMN）为辅基的NADH脱氢酶和以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基的琥珀酸脱氢酶。FMN和 FAD分子中可以进行加氢和脱氢反应，是传递两个氢原子的传递体。,呼吸链重要酶的作用:,从柠檬酸由乌头酸酶催化形成乌头酸，转而再形成异柠檬酸的过程； 由琥珀酰辅酶A形成-酮戊二酸的-酮戊二酸

9、去氢酶。,与毒理有关的酶,三羧酸循环中与毒理有关的酶：,呼吸链中，电子传递链由复合体组成，每个复合体都有可能受呼吸毒剂的影响。,呼吸链中与毒理有关的酶:,呼吸链中，电子传递链由复合体组成，每个复合体都有可能受呼吸毒剂的影响。,呼吸链中与毒理有关的酶:,铁硫蛋白： 电子传递组分，其分子中含非血红素铁和对酸不稳定的硫，常见的有Fe2S2和Fe4S4的铁硫蛋白。 通过Fe2+Fe3+互变进行电子传递，这些蛋白成簇排列，又称为铁硫簇。 辅酶Q：一种苯醌衍生物，具有氧化型、还原型和介于二者之间的自由基半醌3种状态，为氢原子的载体。,呼吸链中与毒理有关的酶:,与毒理有关的酶,细胞色素 是一类特征性蛋白，分

10、子中含有血红素铁， 以共价形式与蛋白结合，并以氧化态Fe3+与还原态Fe2+的形式发挥其电子传递体的作用。 呼吸链中的细胞色素蛋白有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1。 通过细胞色素中Fe可逆地被氧化还原，最终将电子传递给氧，生成氧离子，与2H结合成H2O。,与毒理有关的酶,呼吸链中与毒理有关的酶:,复合物（ NADH脱氢酶：NADH-CoQ还原酶） 是最复杂的酶系，至少有25条多肽链组成，含有黄素单核苷酸（FMN）和至少68个铁硫蛋白。 分子量为850kDa左右，以二聚体形式存在。 可被分解为水溶性黄素蛋白、水溶性铁硫蛋白和不溶于水的部分（含磷脂、铁及对酸不稳定的硫）。 其作用是催化NA

11、DH的2个电子传递至辅酶Q。能使质子移位从基质侧面移至细胞质侧面，故也是质子移位体。,与毒理有关的酶,复合物（琥珀酸CoQ还原酶：琥珀酸脱氢酶） 至少有4条多肽链组成。含有黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、2个铁硫蛋白、1个细胞色素b。 分子量约为140 kDa。 其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传递给辅酶Q，和复合物相反。 复合物不能使质子跨膜移位。,与毒理有关的酶,6）复合物（CoQ细胞色素c还原酶：细胞色素bc1） 一般有9条多肽链组成，以二聚体形式存在，约500kDa。 每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。 其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，同时发

12、生质子的跨膜转移，故也称为质子移位体。,与毒理有关的酶,7）复合物（细胞色素c氧化酶） 每个单位至少由913条多肽链组成，包含两个细胞色素（a，a3）和2个铜原子，以二聚体形式存在。二聚体的分子量约为300 kDa。 其作用是将从细胞色素c接受的电子传递给氧。它横跨线粒体内膜，突出于内膜两侧表面。,与毒理有关的酶,8）复合物（ATP合成酶）： ATP合成酶是一个多组分的复合体，一般认为由水溶性蛋白F1和疏水性蛋白F0所组成。 在呼吸链中有3个部位是能量释放和ATP形成的耦联部位。部位在NADH和辅酶Q之间；部位在细胞色素b和细胞色素c之间；部位在细胞色素a和氧之间。,与毒理有关的酶,1）作用于

13、三羧酸循环的呼吸毒剂 氟乙酸、氟乙酰胺、氯乙酰苯胺等 亚砷酸盐类 2）作用于呼吸链的呼吸毒剂 在NAD+与辅酶Q之间起作用抑制剂（复合体抑制剂） 琥珀酸氧化作用抑制剂（复合体抑制剂） 在Cytb及CytCl之间起作用抑制剂（复合体抑制剂） 细胞色素C氧化酶的抑制剂（复合体抑制剂） 氧化磷酸化作用的抑制剂（复合体抑制剂）,3. 内呼吸抑制剂：,1）作用于三羧酸循环的呼吸毒剂,氟乙酸、氟乙酰胺、氯乙酰苯胺等 机理：阻断了三羧酸循环。,该类化合物-水解转变成氟乙酸后，与乙酰辅酶A结合形成一个复合物，然后与草酰乙酸结合，形成氟柠檬酸而抑制了乌头酸酶, 使柠檬酸不能转变为异柠檬酸，因而阻断了三羧酸循环。

14、,亚砷酸盐类 机理：阻断了三羧酸循环。 该类化合物主要是抑制-酮戊二酸脱氢酶，使得酮戊二酸积累而影响三羧酸循环，,1）作用于三羧酸循环的呼吸毒剂,更重要的是由于影响氨基酸的相互转化而造成其他代谢的混乱。,2）作用于呼吸链的呼吸毒剂,在NAD+与辅酶Q之间起作用抑制剂 (复合体抑制剂) 主要有鱼藤酮及杀粉蝶素A及B。,早期的研究表明鱼藤酮的作用机制主要是影响昆虫的呼吸作用，主要是与NADH脱氢酶与辅酶Q之间的某一成分发生作用。 鱼藤酮使害虫细胞的电子传递链受到抑制，从而降低生物体内的ATP水平，最终使害虫得不到能量供应，然后行动迟滞、麻痹而缓慢死亡。,2）作用于呼吸链的呼吸毒剂,鱼藤对15个目，

15、137科的800多种害虫具有一定的防治效果，作用谱广，尤其对蚜螨类害虫效果突出。 鱼藤酮的作用方式: 触杀、胃毒作用、拒食、生长发育抑制作用； 抑制某些病菌孢子的萌发和生长，或阻止病菌侵入植株,（1）鱼藤酮,图17 鱼藤酮对家蝇和粘虫的致毒症状 A 死亡，示排泄异常、足异常； B 痉挛，示尾部上翘；C 昏迷，静卧不动,A,B,C,可明显地分为痉挛、昏迷和死亡三个时期。 痉挛期试虫仅表现出轻微的抽搐，且持续时间较长， 昏迷期试虫无特殊的症状， 而死亡试虫的体躯则极度皱缩。 可能鱼藤酮还对昆虫的蜕皮有一定的影响，如棉蚜的正常蜕皮受阻。,鱼藤酮的致毒症状,a) L-谷氨酸氧化酶特异抑制剂 切断了呼吸

16、链上NAD+与辅酶Q之间的联系，而抑制了L-谷氨酸的氧化作用。 谷氨酸在脑的功能中极为重要，并且它是呼吸过程中大脑中唯一氧化的氨基酸。谷氨酸氧化作用的抑制乃是杀死昆虫的主要原因。 鱼藤酮中毒的试虫表现出活动迟滞，随后昏迷、死亡的症状，类似于神经毒剂，只是没有兴奋期。,鱼藤酮-作用机理,鱼藤酮对许多生物细胞线粒体中的反丁烯二酸还原酶、甘露醇合成酶丁二酸等都具有一定的抑制作用。 鱼藤酮还可干扰菜粉蝶的正常生长发育，蜕皮异常及畸形虫，可能是由于鱼藤酮抑制了呼吸作用而使能量降低所致。,鱼藤酮-作用机理,鱼藤酮还可抑制细胞中纺锤体微管的组装，并在体外证明抑制微管的形成，推测鱼藤酮是以一种可逆的方式联接在

17、微管蛋白上而抑制了微管的形成。从遗传学的角度来看，纺锤体形成受到抑制必然影响细胞的正常分裂，从而可推论鱼藤酮可能通过这一途径影响虫体的生长。此外，鱼藤酮处理菜粉蝶幼虫会使虫体体壁蛋白质组成发生改变，使总蛋白的量降低，体壁蛋白的变化必定影响体壁结构。,纺锤体微管向细胞内部侵入, 与染色体的着丝点结合.,鱼藤酮-作用机理,（2）杀粉蝶素,番荔枝, annonon和 neoannonin; 巴婆，巴婆素 (Trilobacin)。在高浓度下，使电子传递链在NADH和辅酶Q之间被抑制。但这种抑制作用与鱼藤酮的抑制作用不同。 吡螨酯、吡螨胺等，均作用于呼吸链上的复合体； 陶氏益农，喹螨醚也作用于呼吸链上

18、的复合体； 哒嗪酮化合物哒螨灵也作用于呼吸链上的复合体。,番荔枝,Litchi,在杀虫药剂中较少。滴滴涕在高浓度时有作用。放线菌素A也是该酶的抑制剂。,琥珀酸氧化作用抑制剂（复合体抑制剂）,在Cytb及CytCl之间起作用抑制剂（复合体抑制剂）,许多化合物，包括抗生素及麻醉剂、放线菌素A、某些昆虫的毒素,Cytb是一类以铁卟啉为辅基的色蛋白，其主要功能是通过铁的化合价的互变传递电子。 CytCl-细胞色素C氧化酶,2）作用于呼吸链的呼吸毒剂,细胞色素C氧化酶为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧，其辅基是血红素，血红素通过共价键与酶蛋白相联。细胞色素C氧化酶是末端氧化酶，它的抑制使呼吸链在末端阻断

19、，结果使所有在呼吸链中的化合物都处于还原态。,细胞色素C氧化酶的抑制剂（复合体抑制剂）,2）作用于呼吸链的呼吸毒剂,多数抑制剂是与细胞色素C氧化酶的血红素部分发生化学结合而产生抑制作用。,HCN等熏蒸毒气和有机硫氰酸酯类化合物的作用实际上是释放出HCN，CN-与血红素侧链上的甲酰基起反应，而抑制了分子氧与血红素的结合，导致死亡。 但Boveris等认为氢氰酸抑制昆虫呼吸传递链中的细胞色素氧化酶后，能阻断电子由NADH脱氢酶向氧的传递，使氧气不能被还原，导致线粒体产生0-，0-可被SOD(超氧化物歧化酶)歧化成过氧化氢，从线粒体释放出来。当过氧化氢积累到一定程度时就会对昆虫产生细胞毒性而引起昆虫

20、的死亡。,HCN：氰化氢标准状态下为液体。氰化氢易在空气中均匀弥散，在空气中可燃烧,磷化氢： 磷化氢在有氧的条件下，先形成一个氧化物，然后再和细胞色素C氧化酶的氧化中心起作用。 磷化氢对细胞色素氧化酶的抑制作用一直被认为是磷化氢对昆虫致死的主要原因。,但在体外磷化氢对细胞色素氧化酶活力有明显抑制作用，而体内几乎没有任何抑制作用。 所以：磷化氢的作用机制之一是由于磷化氢抑制昆虫线粒体而在呼吸过程中使氧气不能被还原，产生了0-，0-又被SOD歧化为过氧化氢，当昆虫对磷化氢吸收较少时，过氧化氢可及时被过氧化氢酶和过氧化物酶所消除，不会对昆虫造成不可逆毒害，但如果昆虫对磷化氢吸收量较多，产生的过氧化氢不能被过氧化氢酶和过氧化物酶及时地完全消除，过氧化氢就在昆虫体内积累，达到一定程度时便对昆虫产生细胞毒性而引起细胞死亡。 （与氢氰酸的作用一样）,磷化氢：,氧化磷酸化是与呼吸链相偶联的，任何作用于呼吸链的毒剂均会影响到氧化磷酸化作用, i.e. 解偶联剂。二硝基酚类和溴虫腈携带H往返线粒体膜两侧而消除H浓度差- 解除磷酸化的偶联。,氧化磷酸化作用的抑制剂（复合体抑制剂）,（1）二硝基苯酚类 二硝基苯酚类的多种杀螨剂（敌螨普、敌螨死、地乐消）均为氧化磷酸化的解偶联剂。 其作用机理为：