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1、第三章：杀虫剂的作用机理,作用过程,研究中毒机理时，药剂的基本作用十分重要。所谓基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。基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。,目前大量使用的杀虫剂，例如有机磷、氨基甲酸酯等都是神经毒剂，非神经毒剂不占主要地位。但从全部杀虫剂的作用机制看，大致可分为两大类：(1)神经系统毒剂 a.对突触后膜作用烟碱、杀螟丹、杀虫脒；b对刺激传导化学物质分解酶作用；抑制胆碱酯酶有机磷、氨基甲酸酯；抑制单胺氧化酶杀虫脒。c作用于神经纤
2、维膜(包括膜的Na、K离子活化，抑制ATP分解酶)。(2)干扰代谢毒剂 a破坏能量代谢鱼藤酮、氰氢酸、磷化氢等；b抑制几丁质合成取代苯基脲类；c抑制激素代谢保幼激素类似物等；d.抑制毒物代谢酶系；多功能氧化酶增效醚等3，4亚甲二氧苯基类化合物(MDP)；水解酶三磷甲苯磷酸酯(TOCP)，正丙基对氧磷等：转移酶杀螨醇等。,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2050nm的间距。无脊椎动物的神经纤维
3、均为无髓神经，脊椎动物则有髓和无髓都有。有髓神经上有很厚的神经髓鞘，并每隔12mm就分节断开。,高等动物与昆虫的神经系统存在若干差别，这是产生高效而低毒农药的根据之一。两者的主要差别在于：（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：,1昆虫的末梢神经不存在乙酰胆碱作用的突触，全部存在于中枢神经系统；2无明显的自主神经系统，有以激素调节的自主系统；3末梢神经不存在神经节，均在中枢神经系统中；4昆虫的中枢神经未发现除乙酰胆碱以外的化学传导物质，神经肌肉接合部已知存在有胺类传导物质。,此外，从形态学上昆虫还有以下不同
4、：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昆虫的轴突有若干分枝，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 对外来刺激作出反应；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达到相应器官。,当刺激在某一
5、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
6、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,突触处的传导主要是化学传导物质起作用。传导物质包含在突触小胞体内，由前膜放出，后膜上的感受器接受，引起轴突膜的脱极化作用，冲动即可向前传导。化学传导物质完成任务后立即被分解，在昆虫的神经中(主要是中枢神经)的传导物质 主要是乙酰胆碱，神经和肌肉连接处为其它化学传导物质，可能是一种一元胺化合物。突触处冲动的通过也很快，一般只要15ms。,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
7、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应形成共价键的“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4-7mmol1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)3,b胆碱酯酶(ChE)：或称非专化性胆碱酯
8、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。,AChE表面的
9、活性部位（1）阴离子部位，又称结合部位；（2）酯解部位。又称催化部位；（3）吲哚苯基结合部位；（4）电子复合体形成部位。这就使不含阴离子基团的多种酯，也可以水解，例如乙酸苯酯、乙酸吲哚酚酯等。（5）AChE上可能还有疏水基部位，与烃基部分结合；（6）硫氢基部位，这是半胱氨酸的残基；（7）空间异构部位，这一部位被占领以后其它部位也会相应改变。,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=65和105，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，
10、具有帮助丝氨酸的OH进行亲质子反应的作用。乙酰胆碱酯酶和乙酰胆碱的反应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，生成乙酸和酶分离，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 一般凡具有下列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，
11、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+1 K2 K3 E+AX E.AX EA E+A K-1 X（1）形成复合体；（2）乙酰化反应；（3）水解反应。,3）有机磷和氨基甲酸酯抑制机制,Kd K2 K3 PX+E PX.E PE.P+E X Kd K2 K3 CX+E CX.E C.E.C+E X,3 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
12、总结出以下几点：a.P=O用P=S取代则毒性降低，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则毒性降低，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，则毒性大为降低，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(Atro
13、pine)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，因此症状得到缓解，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则酶很容易复活，但是，解毒剂的效果与酶和有机磷剂的作用时间有关，作用的时间愈长则解毒剂的效果愈差，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
14、磷)与ChE反应后，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
15、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，如果乙酰胆碱不足，就发生肌肉无力等症状。在医药方面为了抑制乙酰胆碱酯酶的分解，改善症状，常给以适量的AChE抑制剂。在研究非洲一种毒扁豆属(Physostigma sp)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
16、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。抑制反应一般可用下列通用反应式来表示：,下式反应中第一步是可逆的，最后一步的水解反应比有机磷化合物更容易进行，因此与有机磷剂不同，全部反应是可逆的，称为可逆性抑制反应。由于这个反应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，如果在反应中，加入乙酰胆碱使浓度提高则反应向左进行；所以作为整个反应过程，始终是进行着竞争性的可逆反应。由于各种不同的氨基甲酸酯
17、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也与反应速率有关，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，为反应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
18、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(knock down)作用明显，击倒后的昆虫很快死亡，但也可能有部分昆虫会复苏。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表明，主要是作用于神经突触的末梢，引起反复兴奋，
19、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表明：在低浓度处理时负后电位增大和延长；随温度增高出现了反复的兴奋；如用高浓度处理则静止电位降低，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的流入受到部分抑制，动作电位降低。负后电位的增大和延长，也主要说明Na的活化及K的活化机制受到了抑制的结
20、果。但也有人认为是抑制了膜外Ca2+ATP酶或Ca2+、Mg2+、ATP酶，使膜的渗透性改变。应该指出不同的拟除虫菊酯的毒理作用机制，存在某些差别，作用机制很复杂，许多问题尚未解决。迄今为止，拟除虫菊酯推测的作用点大约有9个部位之多，但一般都认为主要作用点是电位性钠离子通道。根据钠离子流入以及通道膜结合实验研究，证明拟除虫菊酯存在时，可推迟钠离子通道的关闭。,拟除虫菊酯中毒的昆虫，除神经系统的传导受到干扰和阻断外，许多研究发现还引起一些组织器官发生病变。例如神经细胞病变、肌肉组织病变，甚至其它一些如失水、泌尿等不正常生理生化现象。也有研究证明与滴滴涕一样，溴氰菊酯可引起神经系统产生酪胺毒素，不过这些现象大多产生于中毒后期，因此一般认为这些病变不是这类药的初级作用，可能是神经系统受到干扰或破坏以后的次级反应，促使昆虫死亡，所有这些都是造成昆虫死亡的因素。,拟除虫菊酯的许多品种也是负温度系数药剂，例如，丙烯菊酯对蜚蠊神经的作用，在较高浓度时对动作电位的抑制随温度的下降而增大，这也与离子的透过性有关。,
