线粒体复合体Ⅰ呼吸抑制剂的研究.docx

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线粒体复合体Ⅰ呼吸抑制剂的研究

线粒体复合体Ⅰ呼吸抑制剂的研究

张帅;曾鑫年;骆悦

【摘要】线粒体复合体Ⅰ呼吸抑制剂不仅在医药上有着重要的研究价值,在农药方面也有着特殊的意义.这类药剂的作用机制比较特殊,害虫不易产生抗性,是一类非常有前途的杀虫药剂.从植物,微生物等生物体中发现了许多线粒体复合体Ⅰ呼吸抑制剂,如鱼藤酮、粉蝶霉素A、辣椒碱,番荔枝内酯、myxalamid等,它们可以作为农药的先导化合物进行药物合成.根据不同的作用方式,线粒体复合体Ⅰ呼吸抑制剂可分3种类型,分别以粉蝶霉素A、鱼藤酮、辣椒碱为代表.

【期刊名称】《植物保护》

【年（卷）,期】2004（030）006

【总页数】4页（P11-14）

【关键词】农药学;线粒体复合体Ⅰ,呼吸抑制剂;作用机制

【作者】张帅;曾鑫年;骆悦

【作者单位】华南农业大学昆虫毒理实验室,广州,510642;华南农业大学昆虫毒理实验室,广州,510642;华南农业大学昆虫毒理实验室,广州,510642

【正文语种】中文

【中图分类】农业科学

植物保护第30卷第6期（2004）PLANTPROTECTIONV01.30No．6（2004）11‘线粒体复合体I呼吸抑制剂的研究张帅，曾鑫年”，骆悦（华南农业大学昆虫毒理实验室，广州510642）摘要线粒体复合体I呼吸抑制剂不仅在医药上有着重要的研究价值，在农药方面也有着特殊的意义。

这类药剂的作用机制比较特殊，害虫不易产生抗性，是一类非常有前途的杀虫药剂。

从植物，微生物等生物体中发现了许多线粒体复合体I呼吸抑制剂，如鱼藤酮、粉蝶霉素A、辣椒碱，番荔枝内酯、myxalamid等，它们可以作为农药的先导化合物进行药物合成。

根据不同的作用方式，线粒体复合体I呼吸抑制剂可分3种类型，分别以粉蝶霉素A.鱼藤酮、辣椒碱为代表。

关键词农药学；线粒体复合体I，呼吸抑制剂；作用机制，中图分类号S476.8AstudyonthenaturaJrespiratoryinhibitorsofmitochondrialcomplexIZHANGShuai,ZENGXin-nian,LUOYue（Laboratory矽InsectToxicology,SouthChinaAgriculluralUnicvrsity,Guangz:

hou510642,China）AbstractTherespiratoryinhibitorsofmitochondriafcomplexInotonlyhaveimportantsignificanceinmedicalstudy,butalsohavevaluablefunctioninpesticides.Becauseofitsspecificmechanismofaction,thistypeofpesticideshasnotcausedresistanceininsects.Theycanbepromisinginsecticidesinthefuture.secondarymetabolitesfrommicrobialandplantsourcesknowntoactoncomplexIexhibitbiologicalactivityagainstagriculturalinsectpests,suchastheclassi-calrotenone,piericidinA,capsaicin,annonaceousacetogeninsandmyxalamid.Theyactasleadcompoundstosynthesfzethenovelinsecticidesintheindustry.Theseinhibitorsareclassifiedaccordingtothreefundamentaltypesofaction,repre-sentedbypiericidinA,rotenoneandcapsaicin,respectively.Keywordspesticidescience;mitochondrialcomplexI;respiratoryinhibitors;mechanjSmofaction;线粒体是～种卵形的细胞器。

线粒体内有两层膜（外膜和有许多皱褶的内膜），内膜把线粒体分为内外膜间隙和基质两部分。

呼吸链由一系列酶和辅酶按一定顺序排列组成，是位于线粒体内膜上的电子和H+传递体系，将氧化（脱氢）与磷酸化（制造ATP）偶联起来的场所。

电子从NADH转移到02的过程，由3个蛋白质复合体构成，分别是NADH-Q还原酶（ComplexI）、细胞色素还原酶（Com-plexⅢ）和细胞色素氧化酶（ComplexⅣ）。

线粒体复合体I是由至少34条多肽链形成的～个酶（880kd），NADH的电子也经由此进入呼吸链。

呼吸传递链中电子的转移，会被特定的抑制剂所阻断，从植物、细菌等生物体中提取出来的天然线粒体复合体I抑制剂可以非常有效的阻断电子的传递。

传统杀虫剂大多干扰害虫的神经系统或其生理收稿日期：

2004-05-18基金项目：

广东省自然科学基金（32253）*通讯作者过程，多次使用后害虫易蔗生抗药性，而作用在线粒位复合体I上的农药杀虫作用机理不同于一般的化学杀虫剂，因此是一种非常有前途的杀虫药剂。

天然源线粒体复合体I抑制剂虽都作用在线粒体复合体I上，但具体的结合位点并不完全一致。

根据酶动力学研究，这些线粒体复合体I抑制剂大致可分为3类：

（1）以粉蝶霉素A，rolliniastatin-2为代表；

（2）以鱼藤酮为代表；（3）以辣椒碱，myxothiazol为代表，见图1。

1I类抑制剂I类抑制剂在进入线粒体复合体I的疏水性位点时直接与底物Q发生拮抗作用，分子结构以在环状头部和疏水性尾链上都有一个羟基，两者直接最理想的间隔是10—12个碳原子为特征…。

第30卷第6期（2004）PLANTPROTECTIONV01.30No．6（2004）11‘张帅，曾鑫年”，骆悦线粒体复合体I呼吸抑制剂不仅在医药上有着重要的研究价值，在农药方面也有着特殊的意义。

这类药剂的作用机制比较特殊，害虫不易产生抗性，是一类非常有前途的杀虫药剂。

从植物，微生物等生物体中发现了许多线粒体复合体I呼吸抑制剂，如鱼藤酮、粉蝶霉素A、辣椒碱，番荔枝内酯、myxalamid等，它们可以作为农药的先导化合物进行药物合成。

根据不同的作用方式，线粒体复合体I呼吸抑制剂可分3种类型，分别以粉蝶霉素A.鱼藤酮、辣椒碱为代表。

S476.8studyonthenaturaJrespiratoryinhibitorsofmitochondrialcomplexIZHANGShuai,ZENGXin-nian,LUO（Laboratory矽InsectToxicology,SouthChinaAgriculluralUnicvrsity,Guangz:

hourespiratoryinhibitorsofmitochondriafcomplexIonlyhaveimportantsignificanceinmedicalstudy,butalsohavevaluablefunctioninpesticides.Becauseofitsspecificmechanismofaction,thistypeofpesticideshasnotTheycanbepromisinginsecticidesinthefuture.secondarymetabolitesfrommicrobialandplantsourcesknowntoactoncomplexIexhibitbiologicalactivityagainstagriculturalinsectpests,suchastheclassi-calrotenone,piericidinA,capsaicin,annonaceousacetogeninsandmyxalamid.Theyactasleadcompoundstosynthesfzethenovelinsecticidesintheindustry.Theseinhibitorsareclassifiedaccordingtothreefundamentaltypesofaction,repre-sentedbypiericidinA,rotenoneandcapsaicin,respectively.Keywordspesticidescience;mitochondrialcomplexI;mechanjSmofaction;外膜和有许多皱褶的内膜），内膜把线粒体分为内外膜间隙和基质两部分。

呼吸链由一系列酶和辅酶按一定顺序排列组成，是位于线粒体内膜上的电子和H+ATP）偶联起来的场所。

电子从NADH转移到02的过程，由3个蛋白质复合体构成，分别是NADH-Q还原酶（ComplexI）、细胞色素还原酶（Com-plexⅢ）和细胞色素氧化酶（ComplexⅣ）。

线粒体复合体I是由至少34条多肽链形成的～个酶（880kd），NADH呼吸传递链中电子的转移，会被特定的抑制剂所阻断，从植物、细菌等生物体中提取出来的天然线粒体复合体I抑制剂可以非常有效的阻断电子的传递。

收稿日期：

2004-05-18*通讯作者过程，多次使用后害虫易蔗生抗药性，而作用在线粒位复合体I上的农药杀虫作用机理不同于一般的化学杀虫剂，因此是一种非常有前途的杀虫药剂。

天然源线粒体复合体I抑制剂虽都作用在线粒体复合体I上，但具体的结合位点并不完全一致。

根据酶动力学研究，这些线粒体复合体I抑制剂大致可分为3类：

（1）以粉蝶霉素A，rolliniastatin-2为代表；

（2）以鱼藤酮为代表；（3）以辣椒碱，myxothiazol为代表，见图1。

1I类抑制剂I类抑制剂在进入线粒体复合体I的疏水性位点时直接与底物Q发生拮抗作用，分子结构以在环状头部和疏水性尾链上都有一个羟基，两者直接最理想的间隔是10—12个碳原子为特征…。

·1

2．植物保护PLANTPROTECTIONVol.30No．6（2004）1.1粉蝶霉素A（piericidinsA）粉蝶霉素是由链霉菌（streptomyces）生产的，其中的粉蝶霉素A是一种对线粒体复合体I非常有效的抑制剂。

粉蝶霉素A结构在1965首先由Takahashi等提出，又在1977年得到修改‘2]。

粉蝶霉素A在线粒体复合体I上有特殊的作用位点，对牛心线粒体的r50是0.03～0.06nmol/mg。

用C14粉蝶霉素A研究发现线粒体复合体I在膜上有两个与抑制剂结合的位点，其中一个位点抑制依靠能量的RET比抑制NADH氧化酶更有效，鱼藤酮却对抑制NADH氧化酶更有效。

粉蝶霉素A与复合体I的结合不会被鱼藤酮和异Me0Me0鱼藤酮戊巴比妥钠取代，但是番荔枝内酯rolliniastatin-2与粉蝶霉素A在结合位点是相互排斥的。

粉蝶霉素A的长烷基链对化合物的活性并不重要，因为对于其它有活性的粉蝶霉素，它们的烷基链从C-5到C-13都是不同的，但是这条烷基链可以提高整个分子的疏水性。

C-3上的甲基和C-2和C-3之间的双键对于粉蝶霉素A的活性是很重要的[3]这一结构被有效的合成抑制剂ubi-cidins完全保留。

粉蝶霉素A吡啶环上的自由羟基，类似于辅酶Q上的苯醌环，对粉蝶霉素A的活性是非常重要的，如果羟基甲基化会降低抑制能力500～600倍[4]CH3／、，、、／、n√—≤≥√≤＼（_／、、／、／＼（O_YS_r~_0rolliniastatin-271sh4r~~~~AOH\,OHNHmyxalamid图13类线粒体复合体I呼吸抑制剂的化学结构式1.2rolliniastatin-2rolliniastatin-2是从番荔枝科植物中分离得到的一种具有很强抗肿瘤活性的番荔枝内酯化合物。

番荔枝内酯与以往所发现的各类天然产物的结构类型有较大的区别，其基本化学结构为由35～37个碳原子构成化合物骨架，分子中含有0～3个四氢呋喃环（tetrahydrofuran，THF），末端有一个a，8-不饱和y-内酯环和两条连接这些部分的疏水性碳链，在碳链上还常带有羟基、酮基、乙酰氧基等。

这类化合物分子中通常有5个以上手性碳原子，立体结构比较复杂，多为蜡状物。

番荔枝内酯化合物大多在抗肿瘤、杀虫、杀螨、抗菌、除草、拒食、抗疟、防止寄生等方面都有显著的生物活性。

7-内酯环和THF环虽是天然番荔枝内酯普遍的共同特征，但单独不能抑制线粒体复合体I，即使以不同比例直接连接两个环，也不能表达出抑制效果，只有当它们被碳链连接才能有抑制作用。

由于y-内酯环和THF环间的距离对番荔枝内酯强活性至关重要，所以碳链是比y一内酯环和THF环更重要的构效因子。

研究发现如果番荔枝内酯碳链的碳原子数少于13，会导致化合物抑制能力的降低，但是当碳链的碳原子个数比13大时，抑制能力碱椒辣∽∥m肿·12．Vol.30No．6（2004）粉蝶霉素是由链霉菌（streptomyces）生产的，其中的粉蝶霉素A是一种对线粒体复合体I非常有效的抑制剂。

粉蝶霉素A结构在1965首先由Takahashi等提出，又在1977年得到修改‘2]用位点，对牛心线粒体的r50是0.03～0.06nmol/mg。

用C14粉蝶霉素A研究发现线粒体复合体I在膜上有两个与抑制剂结合的位点，其中一个位点抑制依靠能量的RET比抑制NADH氧化酶更有效，鱼藤酮却对抑制NADH氧化酶更有效。

粉蝶霉素A与复合体I的结合不会被鱼藤酮和异戊巴比妥钠取代，但是番荔枝内酯rolliniastatin-2与粉蝶霉素A在结合位点是相互排斥的。

粉蝶霉素A的长烷基链对化合物的活性并不重要，因为对于其它有活性的粉蝶霉素，它们的烷基链从C-5到C-13都是不同的，但是这条烷基C-2和C-3之间的双键对于粉蝶霉素A的活性类似于辅酶Q上的苯醌环，对粉蝶霉素A的活性是非常重要的，如果羟基甲基化会降低抑制能力500～600倍[4]—≤≥√＼_／、、／、／＼（_YS_r~_0rolliniastatin-271sh4r~~~~OH\,OHNmyxalamid图13类线粒体复合体I呼吸抑制剂的化学结构式rolliniastatin-2是从番荔枝科植物中分离得到的一种具有很强抗肿瘤活性的番荔枝内酯化合物。

番荔枝内酯与以往所发现的各类天然产物的结构类型有较大的区别，其基本化学结构为由35～37个碳原子构成化合物骨架，分子中含有0～3个四氢呋喃环（tetrahydrofuran，THF），末端有一个a，8-不饱和y-在碳链上还常带有羟基、酮基、乙酰氧基等。

这类化合物分子中通常有5个以上手性碳原子，立体结构比较复杂，多为蜡状物。

番荔枝内酯化合物7-内酯环和THF环虽是天然番荔枝内酯普遍的共同特征，但单独不能抑制线粒体复合体I，即使以不同比例直接连接两个环，也不能表达出抑制效果，只有当它们被碳链连接才能有抑制作用。

由于y-环间的距离对番荔枝内酯强活性至关重要，所以碳链是比y一内酯环和THF环更重要的构效因子。

研究发现如果番荔枝内酯碳链的碳原子数少于13，会导致化合物抑制能力的降低，碱椒辣∽∥m肿PLANTPROTECTIONV01.30No．6（2004）·1

3．同样会越来越低，且碳链的增加比缩短对化合物抑制能力的影响更大[5]番荔枝内酯若有两个羟基在THF环的侧面，在碳链上再加一个羟基，会提高化合物的抑制能力；但是若再增加一个羟基，抑制能力会急剧降低[6]。

THF-环上的羟基乙酰化，会明显降低化合物的抑制能力07-2Ⅱ类抑制剂Ⅱ类抑制剂对线粒体复合体I内的稳定的senuqulnone媒介发生拮抗作用，分子结构以头部要有氢键接受体，在尾链上没有羟基为特征…2.1鱼藤酮（rotenone）鱼藤酮是早期人们从鱼藤属植物中提取分离出来的一种有杀虫活性的物质，是3大传统植物性杀虫剂之一它主要存在于豆科植物中，特别是在鱼藤属和灰叶属等植物中‘8]鱼藤酮是一种作用于电子传递链上的呼吸抑制剂。

主要作用于NADH脱氢酶与辅酶Q之间的某一成份上，而且偏向于辅酶Q这一边，使害虫细胞的电子传递链受到抑制，从而降低生物体内的ATP水平，最终使害虫得不到能量供应，行动迟缓，麻痹而缓慢死亡。

鱼藤酮对烟蚜、小地老虎、烟盲蝽、烟蓟马等多种害虫有强力触杀作用。

鱼藤酮的分子结构是6a（3，12a（3，-4’，5’一四氢一2，3-二甲氧基-5'13-异丙烯基一呋喃（3’，2’，8，9）-6氢-rotoxen-12-酮。

鱼藤酮晶体存在两种不同的晶体结构单元，鱼藤酮结构中5’、6a、12a位的3个碳原子具有手性，其中6a和12a位的两个碳原子的结构关系到B/C环的连接结构[9]。

运用合成的鱼藤酮立体异构物（5’a-epirotenone和5’口-epirotenone），发现以B，C环共面的5’口-epirotenone比天然的鱼藤酮对哺乳动物线粒体复合体I的抑制能力低100倍左右[10，l1]可见B、C环互相折叠对鱼藤酮的活性是非常必要的。

化合物rotenol因为环C开环使整个分子结构变得不稳定，抑制能力比天然的鱼藤酮低大约200倍[12]这也证明了互相折叠的B，C环对鱼藤酮活性的重要性。

Ueno等发现A环上不同取代基对鱼藤酮活性的影响。

天然的化学结构2，3-二甲氧基明显对鱼藤酮的活性表达是最好的，但用1，3-二甲氧基、2，3-二甲基取代，鱼藤酮也没有丢失活性。

用乙氧基取代两个甲氧基中的任何一个，抑制能力依然保持不变，说明A环的结合域有足够的空间容纳比甲氧基更大的基团[12]缺乏C环上的12-C-O的鱼藤酮衍生物，对牛心线粒体复合体I的抑制能力保持不变，但抑制方式有点不同于天然的鱼藤酮。

抑制剂异戊巴比妥钠，粉蝶霉素A可以取代鱼藤酮在线粒体复合体I上的结合位点。

人类线粒体中的ND1或ND4病原变异体会稍微改变复合体I与苯醌的相互作用，和对鱼藤酮的敏感性。

这暗示亚基ND1或ND4可能与鱼藤酮的结合位点有关[13]3Ⅲ类抑制剂Ⅲ类抑制剂对对苯二酚产物的形成和释放发生拮抗作用，分子结构一般有一个羟基或氨基在头部为特征…但是这类抑制剂作用的结合位点对抑制剂的化学结构识别很不严格，也可以接受鱼藤酮这样的底物。

3.1辣椒碱（capsaicins）辣椒碱是一种天然的植物碱，是香草精类vanil-loids中最有代表性的物质，从红辣椒的成熟果实中提取得到的有效成份，主要用于镇痛、止痒，其镇痛作用与吗啡等同，但较吗啡作用持久。

辣椒碱对线粒体的毒性源于它对复合体I的抑制作用。

同其它天然抑制剂相比，辣椒碱是一种较弱的抑制剂（150大约在rnnol/mg）[14]，但在抑制复合体I中显示出了少有的同底物辅酶Q竞争性抑制的特性。

Yagi研究发现辣椒碱抑制NADH-Q氧化还原酶的活性与呼吸链上能量偶联部位有关，有能量偶联部位的NADH氧化还原酶（NDH-1）比没有能量偶联部位的NADH-Q氧化还原酶（NDH-2）对辣椒碱抑制作用更为敏感[15]因此辣椒碱比鱼藤酮、粉蝶霉素A更能较好的抑制NDH-1。

Chudapongse和Janthsaoot发现甲基化的辣椒碱对哺乳动物线粒体复合体I的抑制力比天然的辣椒碱要高出几倍，暗示苯酚上的羟基对辣椒碱活性不是很重要[16]。

Shimomura等发现有10N12个碳原子的酰基辣椒碱衍生物的活性比天然的辣椒碱要高出许多，暗示酰基的疏水性对辣椒碱表现活性很重要[17]如果用苯醚取代酰基部分的烷基链，辣椒碱的活性会提高很多。

苯环上甲氧基的数目和取代方式的变化，氨基的甲基化都没有明显影响辣椒碱对牛心线粒体复合体I的抑制能力[18]。

3.2myxalamid,myxothiazol和stigmatellin从微生物中筛选有生物活性的物质，作为农药的先导化合物进行药物合成，成为近年来的发展趋势。

粘细菌属土壤中的一种革兰氏阴性蛋白细菌V01.30No．6（2004）13在THF环的侧面，在碳链上再加一个羟基，会提THF-环上的羟基乙酰化，2Ⅱ类抑制剂鱼藤酮是早期人们从鱼藤属植物中提取分离出来的一种有杀虫活性的物质，是3大传统植物性杀虫剂之一电子传递链上的呼吸抑制剂。

主要作用于NADH脱氢酶与辅酶Q之间的某一成份上，而且偏向于辅酶这一边，使害虫细胞的电子传递链受到抑制，从而降低生物体内的ATP水平，最终使害虫得不到能量供应，行动迟缓，麻痹而缓慢死亡。

鱼藤酮对烟蚜、小地老虎、烟盲蝽、烟蓟马等多种害虫有强力触杀作用。

’5一四氢2二甲氧基-5'13-异丙烯基一呋喃（389）-6氢-r