杀虫剂的作用机理教学农药的生物活性和作用机理

第三章：杀虫剂的作用机理作用过程研究中毒机理时，药剂的根本作用十分重要。所谓根本作用即药剂在体内通过复杂的过程，最终的关键生理作用。由于这种作用而使害虫的正常生理活动受到干扰或破坏而致死。根本作用的复杂生化过程，必须经过详尽的研究，才能明确。药剂的毒理作用除和毒性基团有关外，也与整个分子的化学结构有关。二、神经毒剂毒理

(一)神经构造和生理

昆虫的神经概可分为三类，即感觉神经元、联系神经元和运动神经元，无自主神经系统。神经元的膜为二层磷酯分子间夹有蛋白质或胆固醇类复杂物质构成，突触前神经元和后神经元之间，神经元和肌肉之间不连接，大约有20～50nm的间距。无脊椎动物的神经纤维均为无髓神经，脊椎动物那么有髓和无髓都有。有髓神经上有很厚的神经髓鞘，并每隔1—2mm就分节断开。高等动物与昆虫的神经系统存在假设干差异，这是产生高效而低毒农药的根据之一。两者的主要差异在于：〔1〕神经系统的构成不同；〔2〕神经末端的构造不同；〔3〕突触处的传导物质不同。与高等动物比较，昆虫的神经系统特征有以下几点：此外，从形态学上昆虫还有以下不同：1．昆虫神经系统无髓鞘；2.昆虫的神经轴突包有强固的纤维鞘，这与髓鞘是不同的；3．昆虫的轴突有假设干分枝，仅刺激—根肌肉纤维，与高等动物支配全体肌肉纤维不同；4．昆虫的神经由气管中的氧气扩散而直接提供氧。神经系统功能1接受外来刺激；2传递刺激〔冲动〕；3对外来刺激作出反响；4协调体内生理生化活动。

(二)神经细胞的兴奋传导(conduction)

从外界来的刺激，不管是机械的、化学的，还是光的，树枝突起接受后，细胞膜即发生脱极化作用，与此同时引起膜的渗透性改变，膜内处K、Na离子的改变，使膜内外的电位差发生变化。由脱极化作用产生的动作电位，像电波一样沿轴突传导以到达相应器官。当刺激在某一点发生时，该部位由于脱极化作用变为活性区，Na离子突然大量进入膜内，K离子流出膜外，膜的该部位内侧电荷暂时成为内正外负(此时也称为Na平衡电位)。由此形成由正到负的局部电流回路，瞬间之后，Na由钠离子泵从膜内排出，K离子自膜外进入，这一瞬间K高子进入膜内稍多，使比原浓度稍大，膜电位有少量降低，这就是正后电位的来源。然后K离于又从膜内向外排出电位开始上升，此时产生了后负电位。因为神经轴突周围包着胶质细胞，其孔隙很容易通过K离子的扩散，而且容量很大，所以负后电位在几个毫秒间即使电位恢复至原来的静止电位。电位的波动幅度一般在-80mV—+40mV之间，大的刺激仅仅是频率的增加。冲动—但通过后，该部位即变为不感应的区域，时间可以继续数毫秒，因此，冲动不能逆方向传导，永远沿一定方向前进。(三)突触处

冲动的传导根据以上所述，神经系统冲动的传导主要有二种方式，即轴突上的传导和突触处的传导。滴滴梯、六六六以及环戍二烯类有机氯剂、拟除虫菊酯类主要是对前者的抑制；有机磷、氨基甲酸酯类杀虫剂主要是对后者的抑制。(四)有机磷杀虫剂的作用机理

神经系统内的乙酰胆碱酯酶(AChE)或胆碱酯酶(ChE)，和有机磷杀虫剂发生磷酸化反响．形成共价键的“磷酰化酶〞是有机磷剂的主要作用机制。从水解胆碱酯类底物的专化性来看，至少可分为两大类：a．乙酰胆碱酯酶(AChE)：对乙酰胆碱的亲和力和水解能力比其它任何胆碱酯类都强，而且存在许多同功酶。乙酰胆碱酯酶在适当的底物浓度，例如，在4-7mmol／1的乙酰胆碱溶液中活性最强，超过此浓度活性反而降低。

CH3COOCH2CH2N+(CH3)3

→

CH3COOH+HOCH2CH2N+(CH3)3b．胆碱酯酶(ChE)：或称非专化性胆碱酯酶；与乙酰胆碱酯酶不同的是它不会被过高的底物浓度所抑制。此外，胆碱酯酶对丁酰胆碱的亲和力和水解能力大于乙酰胆碱酯酶。无脊椎动物(包括昆虫、螨类等)和脊椎动物的神经组织内，都含有高浓度的乙酰胆碱酯酶，人和哺乳动物的血红细胞中也含有AChE，但大多数动物的血浆中含有胆碱酯酶(ChE)。有些动物和人的血浆中还含有不同量的脂肪酯酶(可以水解直链酯的酶)。此外，还有一些其它酶，例如存在于胰腺中的胰蛋白酶和糜蛋白酶，也可以被一些有机磷化合物抑制。也有一些有机磷化合物可被一些酶水解，使其失去毒性，因此，一种药剂进入昆虫或高等动物体内，可以产生不同的毒性效果．各种作用交织在一起，情况比较复杂。

图：ACHE与ACH结合部位酯解部位即和乙酰胆碱的酯结合的部位此处有两个离子化倾向的基团，解离常数分别为：pKa=6．5和10．5，后者是丝氨酸(serine)的-OH基和乙酰胆碱(ACh)亲质子的＞C=O基碳结合。前者为组氨酸(histidine)咪唑基，具有帮助丝氨酸的—OH进行亲质子反响的作用。乙酰胆碱酯酶和乙酰胆碱的反响是酶与底物的亲质子结合，失去胆碱形成乙酸酶复合体；最后水解，生成乙酸和酶别离，酶复原。酯解部位的抑制对酯解部位的抑制即对丝氨酸-OH基的O进行的攻击，有机磷剂、氨基甲酸酯类杀虫剂都有这种作用，有机磷为不可逆性抑制剂，其特征是与酶结合的磷酸在水存在的条件下，很难被水解使酶复原，这与酶和底物乙酰胆碱的结合不同，在有水的条件下，酶和乙酸的结合体只要几毫秒即可水解。所谓“不可逆抑制〞也并非绝对不可逆，只是相对而言。有机磷化合物对AChE的抑制一般凡具有以下通式的有机磷化合物都有对AChE酯解部位的抑制作用。R为烷基或烯丙基，R1为烯丙基、烷氧基、烷基或取代氨基。x为脱离基，为了使抑制效果加强，X基一般是对硝基苯基，—CN，F或磷酸二酯等。〔1〕AChE在一定浓度范围内，随底物浓度增加水解速率加快。当底物浓度超过4-7mmol/l时，水解速率反而下降。

2)ACHE水解ACH过程K+1K2K3E+AXE.AXEAE+AK-1X〔1〕形成复合体；〔2〕乙酰化反响；〔3〕水解反响。3〕有机磷和氨基甲酸酯抑制机制

KdK2K3

PX+EPX.EPE…..P+EXKdK2K3CX+ECX.EC.E….C+EX3对高等动物低毒化的线索

以对氧磷为例经过化学结构与生物活性关系的研究，可总结出以下几点：a.＞P=O用＞P=S取代那么毒性降低，这是因为和体内的解毒与活化作用有关。b．甲氧基取代乙氧基，一般可降低毒性但也降低了对昆虫的毒力。c．对硝基苯基一NO2代以一CN，一SOCH3，--CI那么毒性降低，这与Hammett取代基常数有关。d．在对硝基苯基的邻位代人一个CH3基，那么毒性大为降低，这也与Hammett取代基常数有关。4．解毒剂(乙酰胆碱酯酶的复活剂)

人畜中毒的主要原因既然是磷酰化AChE不易复活，即磷酰基不易脱离酶。如果加以亲核性更强的药剂，就有可能将磷酰基取代下来，而使酶复活。解磷定(2-PAM)及氯磷定等就是根据这一原理合成的有效有机磷解毒剂。实际在临床上阿托品(Atropine)也多用于有机磷中毒的治疗；不过阿托品不能直接对酶的复活起作用，而是对付交感神经末端乙酰胆碱受器起封闭作用，使大量积累的乙酰胆碱不能发挥作用，因此病症得到缓解，AChE逐渐得到恢复。5．磷酰化酶的“老化〞(aging)和对酶活性恢复的影响所谓“老化〞即有机磷剂中毒后，如果立即用解毒剂解毒那么酶很容易复活，但是，解毒剂的效果与酶和有机磷剂的作用时间有关，作用的时间愈长那么解毒剂的效果愈差，甚至无效，这种现象称为磷酰化酶的“老化〞。老化后的磷酰化酶即使用解磷定解毒，效果也很差。试验证明，不同有机磷剂的老化难易并不相同，一般与以下因素有关：a．分子中的烃氧基试验证明，二乙氧基磷酸酯类(例如对氧磷)与ChE反响后，30min大约有10％老化，老化是很慢的，24h后才有90％以上老化。二甲氧基或二异丙氧基磷酸酯与酶作用后，老化都快的多；例如，二异丙氧基磷酰化酶的老化速度比二乙氧基磷酰化酶要快8倍。b．温度和pH值低温时老化速度慢，接近于人体正常温度时老化很快(用TEPP和血红细胞CHE试验)在酸性溶液中老化较快，碱性溶液中老化较慢。以上情况与实际有机磷剂中毒的抢救经验相符合。一些二乙基有机磷剂，例如对硫磷、内吸磷、甲拌磷等等，虽然对人毒性大，但中毒后如能及时使用解毒剂救治，疗效快而且效果好。有些二甲基有机磷剂，例如乐果、马拉硫磷等，对人的毒性小，在一般使用下不会中毒；但如果误食大量高浓度药液中毒后，常常发生不易救活的事例。敌敌畏、敌百虫等有机磷剂中毒后，解磷定等解毒剂疗效也很差，这可能就是因为二甲氧基磷酰化酶容易老化的缘故。〔五〕氨基甲酸酯杀虫剂的作用机理哺乳动物的神经和肌肉连接部位是由乙酰胆碱传递神经冲动的，如果乙酰胆碱缺乏，就发生肌肉无力等病症。在医药方面为了抑制乙酰胆碱酯酶的分解，改善病症，常给以适量的AChE抑制剂。在研究非洲一种毒扁豆属(Physostigmasp)植物中所含的生物碱毒扁豆碱时，发现有这种作用，后来合成了毒扁豆碱的类似物普洛斯的民(prostigmine)作为临床医药使用。由此受到启发开发出一系列氨基甲酸酯类杀虫剂。杀虫用的氨基甲酸酯必须容易透过昆虫的表皮层，不能具有如医药上所用药剂那样的离子结构。作为杀虫剂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胆碱酯酶，与有机磷杀虫剂的作用十分类似，但也有所不同。抑制反响一般可用以下通用反响式来表示：下式反响中第一步是可逆的，最后一步的水解反响比有机磷化合物更容易进行，因此与有机磷剂不同，全部反响是可逆的，称为可逆性抑制反响。由于这个反响与胆碱酯酶分解乙酰胆碱十分类似，所以又叫竞争性抑制剂。也就是说氨基甲酸酯可作为胆碱酯酶的底物与乙酰胆碱竞争，如果在反响中，参加乙酰胆碱使浓度提高那么反响向左进行；所以作为整个反响过程，始终是进行着竞争性的可逆反响。由于各种不同的氨基甲酸酯化学结构的不同，即连接的x基不同，最后的水解速率也不同。如果水解太快，或整个分子与胆碱酯酶的亲和力不强，都不能表现较高的毒效。试验证明，氨基上连接甲基的氨基甲酸酯水解的速度最慢(但比有机磷快)，所以许多实用化的品种多是这类结构。水解速率的快慢次序如下：氨基甲酸酯分子中的x也与反响速率有关，因为连结不同的x基团与整个分子的立体结构是否和ChE作用部位适合有关。如果结构适合与ChE的亲合性就大，易于与ChE结合，为反响顺利进行创造了条件。形成的氨基甲酰化ChE的水解，可用氢氧化氨加以促进，但胆碱酯酶复活剂如解磷定等，只适用于有机磷剂，对氨基甲酰化ChE的复活不起作用，所以氨基甲酸酯杀虫剂中毒时不能用解磷定等药剂进行治疗。〔六〕拟除虫菊酯的杀虫作用机理拟除虫菊酯包括一系列人工合成的除虫菊素类似化合物，昆虫中毒后的表现与天然除虫菊有效成分除虫菊素十分相似。其主要特点是中毒后昆虫迅速麻痹，因此击倒(knockdown)作用明显，击倒后的昆虫很快死亡，但也可能有局部昆虫会复苏。20世纪70年代以来拟除虫菊酯的合成有很大突破，各种各样化学结构的农用拟除虫菊酯陆续研制成功，大大地扩大了使用面，使其很快成为杀虫剂中的主要类型之一。许多试验证明，拟除虫菊酯类杀虫剂主要作用于神经突触和神经纤维。对丙烯菊酯(allethrin)神经电生理学的研究说明，主要是作用于神经突触的末梢，引起反复兴奋，促进了神经突触和肌肉间的传导。由于神经末端根细小，所以一般都采用巨大神经纤维细胞内电极法或膜电位法来进行研究。试验证明，拟除虫菊酯可引起膜电位的异常，主要是对膜的离子渗透性产生了影响。例如，丙烯菊酯对蜚蠊巨大神经纤维的膜电位影响测定说明：①在低浓度处理时负后电位增大和延长；②随温度增高出现了反复的兴奋；③如用高浓度处理那么静止电位降低，同时动作电位也有所降低。以上这些现象产生的原因，主要是因为膜的离子透过性发生异常。根据Na、K电流的精密测量，证明丙烯菊酯主要是影响了Na＋的活性机制，因此在瞬间Na＋的流入受到局部抑制，动作电位降低。负后电位的增大和延长，