第五章-杀虫剂的代谢.ppt

1 第五章 杀虫剂在昆虫体内的代谢 1 杀虫剂的初级代谢2 杀虫剂的次级代谢3 一些杀虫剂在昆虫体内的代谢 2 昆虫对杀虫剂代谢的结果 解毒作用活化作用昆虫对杀虫剂的代谢类型 次级产物 初级产物 次级产物 第一节杀虫剂的初级代谢 3 一杀虫剂的氧化代谢 杀虫剂代谢中所涉及到的酶系很多 主要酶系有 脱氯化氢酶 deyudrochlorinase 微粒体多功能氧化酶 microsomalmixed functionoxidases 谷胱甘肽转移酶 glutathionetransferases 各种酯酶 esterases 等 由于微粒体多功能氧化酶具有底物的极大的广谱性 他们能参与各种杀虫剂 包括有机氯 有机磷 氨基甲酸酯 拟除虫菊酯 化学不育剂和昆虫生长调节剂等 的解毒作用 以及催化生物变化也很广泛的特点 所以微粒体多功能氧化酶在杀虫剂的代谢中起着中心作用 4 一杀虫剂的氧化代谢 多功能氧化酶的研究历史MFO的组成及作用机制细胞色素P450的特性细胞色素P450的作用机理MFO对外来化合物的反应类型MFO的抑制剂外来化合物对MFO的诱导作用影响MFO活性的一些因子 5 1 1943年Claude把不同离心作用所分离出来的亚细胞颗粒 直径约200nm 称之为微粒体 2 1958年 Brodie证明了离体微粒体氧化酶需要氧和还原性辅酶 NADPH 3 昆虫中的微粒体氧化酶是1961年首次在德国蜚蠊中发现的 1 多功能氧化酶的研究历史 6 MFO的分离 差速离心 7 2 MFO的组成及作用机制 包括 细胞色素P450 血红素蛋白 NADPH 细胞色素P450还原酶 黄素蛋白 NADH 细胞色素b5还原酶磷脂铁硫蛋白 8 3 细胞色素P450的特性 1 光学特性微粒体被还原后可以与CO结合形成复合体 通过双光束扫描分光光度计扫描 在波长450nm处出现一个最大吸收峰 除了与CO结合外 细胞色素P450可以与许多物质结合 结合后所诱导产生的光谱 按其性质分为三类 型 波峰在390 410 波谷在425 435nm 型 波峰在425 435nm 波谷在390 410nm III型 最大和最小吸收峰分别在325和420nm 9 棉铃虫中肠细胞色素P450CO差光谱图 10 2 不稳定性 11 3 多样性 控制P450的基因是基因超家族 目前P450基因超家族包括70个家族 120个亚家族 Nelson 1998 且数量增长很快 12 4 可诱导性 现已证明 许多化合物 如药物 杀虫剂 以及植物他感化和物都能诱导P450的生物合成 目前研究比较清楚的是苯巴比妥和3 甲基胆蒽对P450的诱导合成 13 细胞色素P450酶系的作用机理 1 底物与酶结合 酶上的铁原子由于NADPH 细胞色素P450还原酶供给一个电子使得三价铁还原为二价铁 2 铁的还原作用使其与分子氧结合 3 另一个电子和质子加到铁上形成FeOOH复合体 4 失去一分子水后形成 FeO 3 复合体 此复合体将其氧原子转移到底物上 5 被氧化的底物释放出来 游离的细胞色素P450又重复下一个循环 14 4 细胞色素P450酶系的作用机理 Fe3 P450 底物 OH FeOOHP450 底物 H Fe2 O2P450 底物 H Fe2 P450 底物 H e O2 Fe3 P450 底物 H Fe3 P450 底物 OH 底物 H e FeO 3 P450 底物 H H H2O H 1 15 5 MFO对外来化合物的反应类型 O S和N 烷基的羟基化作用脂族羟基化作用和环氧化作用芳香族羟基化作用有机磷酸酯的脂族氧化作用氮和硫醚的氧化作用 16 1 脱硫氧化和酯键断裂 对硫磷 中间体 对氧磷 二乙基磷酸 对硝基苯酚 17 2 环氧化和芳基羟基化 环氧化物水解酶 苯并芘9 10 苯并芘二醇 艾氏剂狄氏剂 18 3 脂肪族羟基化 对硝基甲苯对硝基苯甲醇 DDT三氯杀螨醇 19 4 杂环羟基化 烟碱5 羟基烟碱cotinine 20 5 N O S 脱烷基化 N 甲基对氯苯胺对氯苯胺对硝基苯甲醚对硝基酚 可根据对硝基酚在412nm的光吸收测定MFO的活性 在昆虫的离体研究中还没有发现S 脱烷基化作用 21 6 硫氧化 亚砜 砜 涕灭威 涕灭威亚砜 涕灭威砜 22 6 硫氧化 亚砜 砜 甲拌磷甲拌磷亚砜 23 6 MFO的抑制剂 内源性抑制剂Endogenousinhibitor眼黄质Eyepigment蛋白质水解酶RNA酪氨酸酶Tyrosinase外源性抑制剂Exogenousinhibitor重金属heavymetal有机巯基试剂orgnicsulfhydrylreagent甲撑二氧苯基化合物methylenedioxyphenyl MDP 24 7 外来化合物对MFO的诱导作用 能够使处理物的生物活性增加的物质称为诱导剂 这种现象叫诱导现象 诱导的多样性诱导的表现诱导的机制 25 8 影响MFO活性的一些因子 生理因子physologicalfactors发育阶段stageofdevelopment性别sex营养状态stateofnutrition食性feedinghabits组织器官tissueandapparatus其它因子otherfactors 26 二杀虫剂的其它初级代谢一 杀虫剂的水解代谢 A酯酶 主要是芳基酯酶 能水解某些含芳基的磷酸酯类杀虫剂 B酯酶 包括胆碱酯酶 羧酸酯酶和酯酶 27 杀虫剂的水解代谢主要包括 一 磷酸三酯的水解 二 羧酸的水解 三 酰胺的水解 28 一 磷酸三酯的水解磷酸三酯水解酶 主要作用于磷酯和酐键 其曾用名很多 例如 对氧磷酶 A酯酶 磷酸酯酶 磷酰基磷酸酶 芳基酯酶等 实际上都属于磷酸三酯水解酶 一般水解磷酸酯的酶系多半是根据其水解底物来命名的 目前发现的水解酶主要包括 Fluorohydrolases DFP酶 芳族酯水解酶 O 烷基水解酶 磷酸二脂水解酶 1 氟水解酶 DFP酶 2 芳族酯水解酶3 O 烷基水解酶4 磷酸二脂水解酶 29 H2O HX H2O ROH 30 1 氟水解酶 DEF H2O HF 31 H2O 2 芳族酯水解酶 32 H2O CH2OH 3 O 烷基水解酶 33 H2O 4 磷酸二酯的水解 HOCH CCL2 34 二 羧酸酯的水解羧酸酯酶 Carboxylesterase 属于B酯酶 又称脂族酯酶 能催化各种脂族酯和芳族酯的水解 但不能水解胆碱酯 目前研究表明羧酸酯酶在一些有机磷和拟除虫菊酯的代谢中起着重要的作用 这种酶的活性一般在正常的昆虫品系中是比较低的而在某些抗性品系中比较高 羧酸酯酶通过附加一分子水而将底物裂解成酸和醇两部分 例如 将马拉硫磷水解 形成 单酸以及醇 35 二 羧酸酯的水解 H2O 2C2H5OH 马拉硫磷 马拉硫磷 单酸 马拉硫磷 单酸 36 三 酰胺的水解 H2O CH3NH2 乐果 乐果酸 酰胺酶可以水解含酰胺键的化合物 例如将乐果水解成乐果酸 37 四 环氧化物水解环氧化物的水解由环氧化物水解酶催化 在家蝇 红头丽蝇 黄粉甲 亚热带粘虫等昆虫中存此酶 H2O 38 二 还原代谢还原代谢没有氧化代谢那么普遍 在动物体内这种代谢多发生于那些含硝基苯核或含卤原子的化合物 在酶或细菌的作用下 被转化为相应的氨基化合物及脱卤代谢物 如 DDT转变为滴滴伊的反应 就是通过脱氯化氢酶的作用 一个卤原子被氢所取代 含硝基苯母核的农药 如 苯硫磷 对硫磷 杀螟松等化合物在动物体内容易被还原为氨基衍生物 在昆虫中发现了硝基还原和偶氮还原两类 如对硫磷在 依赖于NADPH的 硝基还原酶的作用下被还原成胺基对硫磷 39 对硫磷 氨基对硫磷 NADPH 硝基还原酶 NH2 40 三 以谷胱甘肽为介质的代谢许多外来化合物的代谢都与谷胱甘肽 GSH 有关 杀虫剂及其代谢产物也能够被以谷胱甘肽为介质的系统代谢 这种代谢有两类 第一 GSH纯粹以催化剂的形式被利用 第二 GSH直接与底物结合而被消耗 至少在反应初期是这样的 并不能再生 而是排除体外 41 谷胱甘肽催化代谢 DDT脱HCl CH C Cl Cl C GSH HCl GSH CH DDT DDE 42 2 GSH消耗代谢 GSH S 转移酶此酶属于共轭反应类型 在以后还会介绍 GSH和底物结合 一般有两种类型 第一 GSH代替底物中不稳定的部分 第二 直接进攻底物分子二乙基顺丁烯二酸 43 1 GSH S 烷基转移酶 GSH CH3 SG 甲基对氧磷 GSH代替底物中的不稳定部分 44 2 GSH S 芳基转移酶 二嗪农 45 3 GSH S 芳烷基转移酶 GSH HCl 苄基氯 46 1 GSH S 链烯转移酶 GSH 马来酸二乙酯 GSH S 转移酶直接将GSH转移到底物分子中 47 2 GSH S 环氧基转移酶 GSH 1 2环氧乙基苯 48 第二节杀虫剂的次级代谢 共轭代谢次级代谢 初级代谢的产物 主要是具有 OH SH NH2 COOH的化合物 与内源物质 轭合剂 结合 最后排除体外 农药在昆虫体内的轭合形式主要是氨基酸反应 包括与单氨基酸类 复氨基酸 硫酸酯和谷胱甘肽等的轭合 还有烷基化和酰化反应等 形成的轭合物比农药本身的亲水性更强 更容易从动物体内排出 49 共轭反应共轭反应主要指天然的或外来的化合物及其代谢物与内源性的中间产物结合 具有中间代谢和解毒的双重作用昆虫中主要有三种类型的共轭反应 50 1 外来化合物或其代谢产物和内源性的活化供体反应 要求外来化合物或其它代谢产物有 OH NH2 SH COOH基团 这些基团与脲苷二磷酸葡萄糖 UDPG 反应 萘酚 UDPG 活化供体 萘基葡萄糖苷 51 2 外来化合物形成活化供体 再与内源性受体酶促反应 对硝基苯甲酰CoA 活化供体 对硝基苯甲酸 活化 CoA 甘氨酸 共轭 对硝基苯甲酰甘氨酸 52 3 外来化合物或其产物与GSH酶促反应 在第一种和第二种类型的共轭反应中 需要形成高能量的或活化的中间产物 虽然第三种类型不需要但它反应所需要的GSH的合成需要ATP 因此 总的来说 共轭代谢需要额外能量 苄基氯 GSH 苄基 SG 53 二 几种共轭代谢的类型1 葡萄糖苷的形成在昆虫体内的转葡萄糖作用主要以UDPG作为葡萄糖供体 活化的供体 由UDP葡萄糖转移酶催化 这个反应要求底物 受体 具有 OH 或巯基 SH 作为受体基团 在昆虫体内许多有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂经氧化和水解后 产生苯酚和醇类 形成O 葡萄糖苷 54 ROH UDP 葡萄糖转移酶 UDP D 葡萄糖 UDP D 葡萄糖苷 葡萄糖苷的形成 55 2 氨基酸的共轭 1 外来酸的活化 需ATP和CoA 2 外来酸与内源性氨基酸结合 RCOOH ATP HSCoA RCOSCOA AMP P2O74 这一步的反应的机制在昆虫还没有完全搞清楚 但是 对氨基酸的共轭一般需要CoA的衍生物和氨基酸N 酰基转移酶 56 3 谷胱甘肽 GSH 共轭谷胱甘肽的共轭是由一组酶系造成的 其催化亲电子物质共轭 这样就保护了蛋白质 核酸等物质的亲核中心 并可作为一种排泄有毒物质的手段 在昆虫中 谷胱甘肽转移酶主要分布于匀浆的可溶性部分 100 000g离心时的上清夜部分 在家蝇中 芳基转移酶活性的60 在腹部 雌虫比雄虫活性高 烷基和芳基转移酶活性约相差2倍 现在 已经发现能被昆虫GSH代谢的杀虫剂主要有 甲基对硫磷 甲基对氧磷 杀螟松 乐果 敌百虫 对硫磷 二嗪哝等 57 4 硫酸共轭硫酸共轭的酶系主要分布于匀浆100 000g离心的上清