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1、消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,1,第七节 消化毒剂的作用机理,1996年，吴文君等首次提出了消化毒剂的概念，把主要作用于昆虫消化系统，即主要以消化系统为初始靶标的杀虫剂为消化毒剂。 破坏中肠 中肠组织破坏剂 影响消化酶系 消化抑制剂,主要种类： Bt内毒素 植物源次生代谢物，如二氢沉香呋喃类化合物等,两类靶标,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,2,一、 Bt内毒素,苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis,Bt），产品已达60余种，是世界上产量最大、应用最广泛的微生物杀虫剂,基本作用原理 Bt的杀虫活性主要是其产生的杀虫蛋白晶体在起作用。杀虫蛋白晶体，也叫原毒素（p
2、rotoxin），是由多个杀虫晶体蛋白（insecticidal crystal proteins,ICPs）或-内毒素（-endotoxin）或Cry（晶体）蛋白的亚单位组成。昆虫摄食该毒蛋白后，在中肠的高pH环境和蛋白酶的作用下，毒蛋白晶体溶解并被激活，引起试虫中肠膜上皮细胞裂解。 症状： 试虫失去运动能力，不停地颤抖，呕吐，停止取食，死亡,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,3,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,4,1. Bt杀虫晶体蛋白（Isecticidal Crystal Proteins，ICPs,杀虫晶体蛋白是由苏云金芽胞杆菌( Bacillus thuringiensi
3、s ，Bt)所产生的毒素。 毒蛋白主要有7种：A2外毒素、B2外毒素、C2外毒素、-内毒素、不稳定外毒素、水溶性毒素、鼠因子外毒素。 -内毒素是在形成芽孢的同时形成的蛋白质晶体，位于芽孢之旁，所以又称伴孢晶体毒素，是主要的杀虫晶体蛋白，这种晶体蛋白只是一种前毒素(Pretoxin)，经过激活，即消化成分子量为100070000的片段，才起毒素作用,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,5,晶体蛋白有130多种，按照杀虫范围和寄主同源型又可分为两大类群，即Cry 蛋白和Cyt蛋白。 Cry在活体和离体条件下只对鳞翅目、双翅目或鞘翅目有效； Cyt活体条件下只对双翅目有效，而离体条件下具有广谱性。
4、 Cry分为四大类（根据杀虫谱）：CryI（鳞翅目）、CryII(鳞翅目和双翅目)、CryIII（鞘翅目）和CryIV(双翅目)。 通常一种毒素只能杀死某一目的部分易感昆虫，对有益生物和脊椎动物安全,1. Bt杀虫晶体蛋白（ICPs,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,6,完整的毒蛋白一般由三个结构域组成。 结构域由一个-螺旋束组成，可能与细胞膜穿孔有关； 结构域由三组-折叠片层组成，可能参与了毒素与膜受体蛋白的识别和结合； 结构域位于毒素分子C-端，则可能能够防止昆虫肠道蛋白酶对毒性肽分子的进一步降解,1. Bt杀虫晶体蛋白（Isecticidal Crystal Proteins，ICP
5、s,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,7,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,8,2. Bt毒素受体蛋白,晶体蛋白的毒性与受体蛋白和晶体蛋白结合的能力呈正相关，膜受体蛋白是毒蛋白专一性的决定因子。 昆虫中肠Bt毒素受体蛋白主要为存在中肠的刷状缘膜囊泡(BBMV)的氨肽酶N (aminopeptidase N，APN)（肽链端解酶，催化蛋白氨基末端残基的分裂 ）。鳞翅目。 烟草天蛾中肠BBMV上Cry1Ab毒素的受体BT-R1，证明它是一种类钙粘蛋白(cadherin-like)。 尖音库蚊幼虫中肠中球形芽孢杆菌晶体的Bin毒素受体可能是一种-葡糖苷酶,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学
6、,9,内毒素的作用过程要经溶解、酶解活化、与受体结合、插入、孔洞或离子通道形成等五个环节,3. 杀虫晶体蛋白的作用机理,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,10,毒素的溶解 晶体蛋白可以溶解于pH 12或pH 9.5并加有巯基试剂的碱性溶液中。中肠内环境诸如pH值、还原电势、去垢性、体积等都可能影响-内毒素在昆虫体内的溶解性。鳞翅目幼虫的中肠pH值一般都较高，呈碱性, 对-内毒素的溶解很有利,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,11,毒素的活化 溶解的晶体蛋白被中肠蛋白酶水解，由130kD左右的前毒素，打开二硫键，释放出N 端的70kD左右的抗酶多肽活力片段。
7、活力片段至少由两部分组成, 即毒力片段和细胞结合片段。毒力片段位于N端, 由几个保守的亲水区组成，主要结构是-螺旋，对于跨膜通道的形成及毒效可能起着重要作用。细胞结合片段由C端的保守区和中间的可变区组成，主要结构是-片层，负责毒素与靶标昆虫受体的结合，从而决定了毒素的选择性。中肠酶液的组成直接影响到-内毒素的降解活化, 对-内毒素作用的专一性起着重要作用,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,12,毒蛋白的活化过程,毒素的活化,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,13,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,毒素与受体蛋白的结合 毒素被活化以后，毒
8、素首先是通过结构域与上皮细胞膜上的受体蛋白发生专一性结合。结合分为两步，第一步即初始结合( Initial Binding)，结合上的毒素可以再次与受体发生解离，故又称可逆性结合(Reversible Binding)；初始结合之后，毒素进一步与膜受体蛋白发生紧密结合或直接插入细胞膜,此时的毒素与受体难以发生解离,故为不可逆性结合( Irreversible Binding,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,14,插入及孔洞或离子通道的形成 活化的毒素与刷状缘膜上的受体结合后，结构域插入膜内，形成孔洞或离子通道，导致膜完整性的破坏，引起离子渗漏，水随之进入细胞，细胞因膨胀而解体、死亡,3
9、杀虫晶体蛋白的作用机理,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,15,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,16,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,结构域在杀虫蛋白中的作用 Cry蛋白的结构域是由6-7个两亲的 -螺旋围绕着一个疏水的中心螺旋 形成的。定点突变结果表明, 结构域 可能是通过自身的带正电荷残基与带负电荷的膜表面接触的。对于结构域在膜上形成穿孔的机制，认为是结构域II在完成毒素-受体识别后，结构域受毒素-受体结合的诱导要发生重大构象变化，周围的两亲-螺旋向外翻，由-4螺旋与-5螺旋构成的“轴”突出，4个毒素分子的-5螺旋相互靠近形成孔道的内壁，而4个-4螺旋则形成孔道的外壁，孔道穿透整个磷
10、脂双层，细胞外的水大量内流，导致细胞胀裂,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,17,5螺旋,图2 Bt杀虫毒蛋白作用的伞型模型与形成孔道原理示意图,H2O,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,18,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,结构域由3个-折叠片层组成，主要进行毒素与受体蛋白的特异性识别。在每个片层的顶端各有一个突环。毒素与受体的作用主要是通过这些突环与受体蛋白识别、并进一步不可逆结合的。突环上氨基酸组成和残基的带电性、侧链大小及疏水性等对毒素与受体的专一性结合都有影响，删除突环或改变突环上残基的性质都会导致毒素与受体结合能力的严重丧失,结构域II -片层上的突环,结构域在毒素-受体结合中
11、的作用,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,19,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,结构域在毒素-受体结合中的作用 结构域是由两组反平行的-折叠片层组成的三明治结构。 通过交换不同毒素的 结构域发现,该结构域对毒 素的杀虫专一性有一定影响。 结构域也参与了毒素 与受体的结合,结构域与受体结合及离子通道活性的调节有关,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,20,不同品系的Bt由于产生的Cry蛋白类型不同，不仅杀虫谱不同，而且很可能拥有不同的作用方式。总之，Bt内毒素在进入昆虫中肠后，先是在碱性条件下溶解，然后被活化为小分子多肽,再与中肠内膜上的刷缘状膜小泡（BBMV）中特异受体结合，毒素分子插入质膜
12、形成一个微孔，阳离子和小分子渗入，这些微孔因渗透肿胀而变大，最终细胞破裂。昆虫中肠上皮细胞死亡，肠壁受损，肠道内容物进入血淋巴，直接造成血淋巴pH值上升可使昆虫麻痹死亡；毒性肽进入血淋巴可使昆虫患毒血症死亡；活细胞或孢子进入血腔可使昆虫患败血症死亡,3 杀虫晶体蛋白的作用机理,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,21,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,22,二氢沉香呋喃类化合物：苦皮藤素、等可致粘虫：中肠柱状细胞的微绒毛排列不整齐，大量脱落；基膜内褶空间变大，排列紊乱；细胞质密度降低；内质网极度扩张 ，囊泡化，核糖体脱落；线粒体嵴模糊不清楚，双层膜不完整。推测其机理为：此类化合物与昆虫中
13、肠细胞膜及内膜结合，膜系统结构发生改变，水分和各种离子的通透性随之改变，引起细胞肿胀、失水、瓦解，最终死亡。推测其机理为：此类化合物与昆虫中肠细胞膜及内膜结合，膜系统结构发生改变，水分和各种离子的通透性随之改变，引起细胞肿胀、失水、瓦解，最终死亡,二、其他消化毒剂,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,23,饥饿对照,处 理,正常对照,脱氧鬼臼毒素对菜青虫组织结构的影响,浑浊溃烂状,肠道内无食物残渣，呈黄色透明,鬼臼毒素类化合物,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,24,CK,12h,24h,72h,48h,36h,组织学观察结果,中肠围食膜逐渐消融，几乎完全消失,消化毒剂的作用机理 农药毒
14、理学 教学,25,对照试虫中肠,饥饿试虫中肠,处理试虫中肠,CK中肠完好,厚度较均匀，细胞间隙小，而处理中肠肠壁细胞逐渐变得浑浊不连续，且中肠细胞松散，细胞间隙拉大，中肠肠壁细胞间的气泡明显增多。这可能是由于脱氧鬼臼毒素作用于试虫的肠壁细胞，肠壁细胞被破坏，肠壁细胞外液得以内渗，导致肠壁细胞肿胀,组织学观察结果,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,26,组织学观察结果,消化毒剂的作用机理 农药毒理学 教学,27,丁布：可阻碍欧洲玉米螟幼虫和亚洲玉米螟幼虫的发育，使得幼虫体重降低，发育迟缓，蛹重降低，并出现畸形蛹等，并对亚洲玉米螟幼虫具有较强的拒食作用。丁布是一种消化抑制剂，可抑制胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的活性而影响食物的消化，进而影响昆虫的生长发育。丁布作用于玉米螟的中肠细胞，使肠壁细胞再生细胞大量分裂，打破了固有的分裂周期，造成局部肿瘤，进而细胞消融。急剧增长的肿瘤细胞消耗大量的能量，而且受损的肠壁细胞不再具备分泌消化酶进行消化和吸收营养物质的功能，因而造成幼虫缺乏营养而死亡
