神经毒剂的作用机理

关于神经毒剂的作用机理第1页，课件共63页，创作于2023年2月离子通道（ionchannel）：

指在脂双层膜中形成含水孔道的大分子复合物，也即贯穿于细胞膜，为膜内外离子提供交换途径的水性孔道（water-filledpore）。一类转运离子的跨膜转运蛋白，由相似的几个亚基或结构域围筑而成。离子通道使钠、钾、钙等顺电化学梯度扩散。一、电压门控离子通道及其毒剂

结构域:介于二级和三级结构之间的另一种结构层次,指蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状结构区域，又称为辖区，为具有特定功能的独立单元，多个结构域共同构成蛋白质的功能。

第2页，课件共63页，创作于2023年2月离子通道功能:

参与细胞各种电信号的形成;

调控信使Ca＋流;

控制细胞体积;

调节通过分泌细胞和重吸收组织上表皮细胞的离子体量等。

存在于所有的细胞膜，多种亚细胞结构膜上。

一、电压门控离子通道及其毒剂第3页，课件共63页，创作于2023年2月离子通道的活性：来自机体和细胞内外环境的控制，对某些特殊的刺激如膜电位的变化、化学物质、机械变形等。产生的化学信号转变为电反应离子通道是神经系统中信号传递的基本单位。通道的反应称为门控（gating），表现为通道的开启和关闭，其实质是通道蛋白构象的变化。开放的通道对不同种离子具有选择通透性，106个/秒

一、电压门控离子通道及其毒剂第4页，课件共63页，创作于2023年2月离子通道的活性：离子通道作为可兴奋性组织的基本兴奋元件，在介导神经、肌肉和突触的电信号形成、传导和传递种的作用，与酶在代谢中所处地位相似。实际信号的发生、传播和调节，神经递质释放的控制，以及作用于细胞内外环境电化学、机械的刺激转换为电反应等，都是不同离子通道开、关和协同作用的结果。

一、电压门控离子通道及其毒剂第5页，课件共63页，创作于2023年2月

通道是如何识别不同的离子的呢？最简单的方式是孔径、孔道和离子的大小。如Ach受体通道的孔径为6.5ÅNa＋通道为4Å，

K＋通道为2.66Å。一、电压门控离子通道及其毒剂第6页，课件共63页，创作于2023年2月

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）

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）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（ionchannel）一、电压门控离子通道及其毒剂第7页，课件共63页，创作于2023年2月

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（ionchannel）一、电压门控离子通道及其毒剂第8页，课件共63页，创作于2023年2月第9页，课件共63页，创作于2023年2月一、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道1.电压门控离子通道的特性

Na＋、K＋、Ca＋通道的一级结构具有明显的同源性。通道是具有横穿其中心的一个洞孔的跨膜大分子，分子外表面被糖基化。

第10页，课件共63页，创作于2023年2月一、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道1.电压门控离子通道的特性

主要功能特性为：

选择性过滤器（selectivitysensor）：通道的孔道相当窄，对离子起选择性过滤作用，可区分Na＋、K＋、Ca＋、Cl－等；

电压传感器（voltagesensor）：感受膜内的电场，促使通道的构象改变，在效应上开放和关闭通道。

门控（gating）

：由电压引起的离子通道孔开启和关闭时通道蛋白构象的变化。第11页，课件共63页，创作于2023年2月一、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道1.电压门控离子通道的特性

基本特性：选择性的离子电导；依赖电压的活化，使洞孔开启；依赖电压的失活终止离子流动。第12页，课件共63页，创作于2023年2月2.钠离子通道的结构与功能5种：1种,电鳗；3种,大鼠脑神经；1种,大鼠骨骼肌。化学上各有特点，但都包含一个由1800-2O00个氨基酸组成分子量约为240-280Kd的糖蛋白α亚单位。大鼠脑神经中的I、Ⅱ、Ⅲ型钠离子通道都是由a亚单位(260千道尔顿)、β1亚单位(36千道尔顿)和β2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、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道第13页，课件共63页，创作于2023年2月α亚基是钠通道的功能性亚单元，它由4个高度相似的同源结构域(D1-D4)围成一个中心孔道，每一结构域有6个α螺旋跨膜片段(S1-S6)。每个结构域中S4片段的氨基酸序列高度保守，是通道的电压感受器。该片段含有重复的结构特征：每隔2个疏水残基即有一个带正电的Arg或Lys残基。该段氨基酸残基的点突变或化学修饰会影响通道的激活功能。2.钠离子通道的结构与功能一、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道第14页，课件共63页，创作于2023年2月第15页，课件共63页，创作于2023年2月

联结S5和S6片段的发夹样β折叠SS1和SS2(亦称P区)被嵌入膜内，构成孔道衬里，与通道的离子选择性有关。它的氨基酸残基点突变会降低通道的离子选择性以及诸如TTX类阻断剂对通道的选择性。钠通道结构域III和IV的细胞内连接环充当通道失活化门控襻，它可电压依赖性地进入钠通道的孔道内口，进而堵塞孔道，致使通道失活。2.钠离子通道的结构与功能一、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道第16页，课件共63页，创作于2023年2月β1和β2亚单元则对α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α亚单元的电压敏感性和失活过程。2.钠离子通道的结构与功能一、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道第17页，课件共63页，创作于2023年2月2.钠离子通道的结构与功能一、电压门控离子通道及其毒剂（一）电压门控离子通道果蝇钠通道的结构与脊椎动物钠通道的结构基本相似。昆虫的钠通道在几个方面不同于脊椎动物的：与大鼠脑Ⅱ钠通道相比，昆虫钠通道对TTX阻断的敏感性大10倍以上，对拟除虫菊酯类氯菊酯的敏感性大100倍以上，这是首次证明拟除虫菊酯类杀虫剂的选择毒性的部分原因是由于最佳靶标部位亲和性所致。第18页，课件共63页，创作于2023年2月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（selectivityfilter）（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。hm第19页，课件共63页，创作于2023年2月第20页，课件共63页，创作于2023年2月

神经毒素有两种类型：阻断性的和调节性的。使通道处于开放状态，并延长通道的开放时间。

阻断性的药物:蛤蚌毒素（STX）和河豚毒素（TTX）均是带胍基的水溶性神经毒素，带正电荷的胍基部分伸入到钠通道的狭窄部分――选择性滤孔，与钠通道壁的游离羟基相结合，毒素分子的其他部分因太大而堵塞了通道口，从而阻断Na+离子流。对钠通道的激活或失活状态没有影响，也不影响闸门的开放和关闭。

调节性的药物:碱性水溶性毒素和脂溶性神经毒素，如α－蝎毒素（LqTX）、海葵毒素（ATX），其作用特点是使失活过程变慢并不影响钠通道的激活过程，它们和钠通道的结合有明显的电压依赖性，受体位点位于通道外口处。

2.钠离子通道的结构与功能第21页，课件共63页，创作于2023年2月

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：①阻滞钠电导的毒素；②作用于跨膜区域内并影响电压依赖性的毒素；③通过作用于胞外影响钠通道电压依赖性的毒素。2.钠离子通道的结构与功能第22页，课件共63页，创作于2023年2月*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。

第23页，课件共63页，创作于2023年2月

钙离子与许多细胞功能有关。在兴奋性细胞中，初始涉及的功能有细胞分泌、细胞内移动、神经递质释放、肌肉收缩、酶活性、膜电位、控制其他离子通道，最后涉及细胞毒性和死亡。细胞内钙离子浓度的调控使极为重要的。

3.钙离子通道的结构与功能第24页，课件共63页，创作于2023年2月Ca＋从胞外内流透过质膜钙离子通道。钙通道是一种膜结合蛋白，它通过构象变化呈开放和关闭状态，从而控制Ca＋流动。根据控制启闭的因素主要分为电压门控及激动剂－受体门控通道。一般由α1、α2、β、γ、δ5个亚基组成。3.钙离子通道的结构与功能第25页，课件共63页，创作于2023年2月K＋通道蛋白类同于Na＋或Ca＋通道中的一个同源结构，它是以类同于Na＋或Ca＋通道结构中的4个亚基的四聚体起作用。

4.钾离子通道的结构与功能第26页，课件共63页，创作于2023年2月1.作用于钠离子通道的杀虫剂一、电压门控离子通道及其毒剂（二）作用于电压门控离子通道的杀虫剂4大类：

DDT及其类似物、拟除虫菊酯类、二氢吡啶类（dihydropyrasoles）烷基胺类（alkylamides）。第27页，课件共63页，创作于2023年2月（1）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。1.作用于钠离子通道的杀虫剂（二）作用于电压门控离子通道的杀虫剂第28页，课件共63页，创作于2023年2月图1DDT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ABCDEFDDT的中毒症状第29页，课件共63页，创作于2023年2月

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的中毒症状第30页，课件共63页，创作于2023年2月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。（1）滴滴涕的作用机理

第31页，课件共63页，创作于2023年2月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。第32页，课件共63页，创作于2023年2月（1）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。第33页，课件共63页，创作于2023年2月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：第34页，课件共63页，创作于2023年2月第35页，课件共63页，创作于2023年2月Ⅰ型拟除虫菊酯：天然除虫菊素和不含CN基及光不稳定的拟除虫菊酯类化合物，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。（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理

第36页，课件共63页，创作于2023年2月Ⅱ型拟除虫菊酯：含CN基及光稳定的拟除虫菊酯类化合物

，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。（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理

第37页，课件共63页，创作于2023年2月图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ABCDEF第38页，课件共63页，创作于2023年2月图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ACDEFGB第39页，课件共63页，创作于2023年2月Ⅰ型拟除虫菊酯可分为四个阶段：兴奋、痉挛、麻痹、死亡。

Ⅱ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第40页，课件共63页，创作于2023年2月

当Ⅰ型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菊酯变构，在去极化期间使钠离子通道开启延长，导致钠电流和钠尾电流明显延长，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（backfiring），而对静息膜电位无影响，故呈现兴奋症状。重复后放时突触引起连续刺激，导致Ach及其它神经递质的大量释放，造成神经和肌肉活动的加强。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；（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理－－Ⅰ型菊酯第41页，课件共63页，创作于2023年2月（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理－－Ⅰ型菊酯第42页，课件共63页，创作于2023年2月

Ⅱ型拟除虫菊酯可使钠通道较长时间的保持开放状态而不能失活，改变了膜的静息电位，不引起重复后放，故无兴奋症状。但可引起去极化。

在神经末端去极化有3种效应：（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理

（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理－－Ⅱ型菊酯第43页，课件共63页，创作于2023年2月

在神经末端去极化有3种效应：引起阻断神经末端的轴传导，即动作电位传导的阻断，为早期阻断；提高微兴奋性突触后电位（miniatureexcitatorypostsynapticpotential,mEPSPs）释放速率，引起囊泡耗尽，因此来自神经末端的神经递质最终引起突触传递的阻断，为后期阻断。毒性与提高mEPSPs的能力有很好的相关性；可在昆虫和脊椎动物神经肌肉连接处的神经末端引起重复后放，这种重复后放与毒性呈负相关，而与拟除虫菊酯的毒杀能力相关。（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理

（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理－－Ⅱ型菊酯第44页，课件共63页，创作于2023年2月

不同类型的拟除虫菊酯对钠通道的作用具有高度的立体专一性。大多数拟除虫菊酯存在4种异构体，即（＋）-反式、（＋）-顺式，（－）-反式、（－）-顺式。根据胺菊酯对钠通道作用的实验，可以证明只有（＋）-异构体对钠通道是有活性的，而（－）-异构体对钠通道无活性，但它们可能以一种独特的方式对（＋）-异构体产生拮抗作用。（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理第45页，课件共63页，创作于2023年2月Na+，K+-ATP酶也是拟除虫菊酯类药剂的靶标之一。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。Na+,K+-ATP酶的抑制剂是具有神经毒性的，如强心苷（cardiacglycosides）、寡霉素（

oligomasin）。（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理第46页，课件共63页，创作于2023年2月拟除虫菊酯还可影响蛋白磷酸化作用，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、谷氨酸受体等。（2）菊酯类杀虫药剂的作用机理

第47页，课件共63页，创作于2023年2月Ⅰ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，故呈现兴奋症状。重复后放可在神经系统的各个部位发生，引起神经肌肉痉挛产生超兴奋，使运动失调，最后麻痹死亡；

Ⅱ型菊酯作用于钠通道后，改变了膜的静息电位，不引起重复后放，故无兴奋症状，但可引起去极化，去极化达到兴奋阈值时，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第48页，课件共63页，创作于2023年2月与DDT的差异:①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。②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(impulsegeneratingregion)，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。第49页，课件共63页，创作于2023年2月（3）二氢吡啶类（dihydropyrasoles）和烷基胺类（alkylamides）的作用机理二氢吡啶类：钠通道的杀虫剂，诱导昆虫很强的麻痹作用。N-烷基胺类：诱发非常类似于除虫菊酯的中毒症状和死亡率。是作用Na+通道位点2的激活剂，可阻断运动神经元的导电性和去极化，并伴随重复发放。

“昆虫选择性神经毒性多肽毒素”：影响钠通道，如亚非毒蝎(Afro-Asinbuthidscorpions)的毒素、网蜘蛛（diguetiacanities）的毒素等。第50页，课件共63页，创作于2023年2月二、乙酰胆碱激性突触及其毒剂（一）乙酰胆碱激性突触第51页，课件共63页，创作于2023年2月乙酰胆碱激性突触

突触传递：突触前膜接受到一个传送来的电冲动，它促使突触前膜去极化，它引起神经传递物质的释放，释放出的乙酰胆碱分子扩散在突触间隙中，四向扩散，与AChE结合被分解，而与AChR接触，就形成暂时的结合，这个结合使突触后膜发生改变，引起膜的通导性改变，造成去极化，再由此产生一系列的电变化，主要是一个新的动作电位的产生。

以乙酰胆碱为递质的突触叫乙酰胆碱激性突触。AChEAChRACh第52页，课件共63页，创作于2023年2月

小泡的释放：胞吐作用（exocytosis）,动作电位的去极化激活了末梢的电压门控钙通道，使钙离子内流，钙离子使小泡释放递质。胞吐过程是可逆的，即传递物质之后，小泡膜自行恢复而脱离突触前膜。（响尾蛇毒素和黑寡妇蜘蛛毒素可阻止小泡的形成）（一）乙酰胆碱激性突触二、乙酰胆碱激性突触及其毒剂第53页，课件共63页，创作于2023年2月第54页，课件共63页，创作于2023年2月第55页，课件共63页，创作于2023年2月乙酰胆碱酯酶：

将乙酰胆碱水解为乙酸及胆碱。

（一）乙酰胆碱激性突触第56页，课件共63页，创作于2023年2月

乙酰胆碱受体乙酰胆碱与受体的结合，造成膜的通导性改变，造成去极化，再由此产生一个新的动作电位。在兴奋性的突触中，通导性的改变都是使钠及钾的渗透性增加，其结果总是造成去极化，去极化产生一个电位，这个