线粒体复合体Ⅰ呼吸抑制剂的研究.docx

1、线粒体复合体呼吸抑制剂的研究线粒体复合体呼吸抑制剂的研究张帅;曾鑫年;骆悦【摘 要】线粒体复合体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】

2、农药学;线粒体复合体,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

3、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S476.8 A studyonthe naturaJrespiratoryinhibitorsof m

4、itochondrialcomplexI ZHANGShuai,ZENGXin-nian,LUO Yue (Laboratory矽 InsectToxicology,SouthChinaAgriculluralUnicvrsity,Guangz:hou 510642,Ch ina) Abstract The respiratoryinhibitorsof mitochondriafcomplexI not only haveimportantsignificancein medicalstudy, but alsohave valuablefunctionin pesticides.Becau

5、seof itsspecificmechanismof action,this typeof pesticides has not caused resistance in insects. Theycanbe promising insecticidesin the future. secondarymetabolites frommicrobial andplant sourcesknowntoactoncomplexI exhibitbiologicalactivity againstagriculturalinsect pests,such asthe classi- calroten

6、one, piericidinA,capsaicin,annonaceousacetogeninsand myxalamid.Theyactaslead compoundstosynthesfze the novel insecticidesin the industry.Theseinhibitorsareclassifiedaccording tothree fundamentaltypesof action,repre- sented by piericidinA,rotenoneandcapsaicin,respectively. Keywordspesticidescience;mi

7、tochondrial complexI; respiratory inhibitors; 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-plex )和细胞色素氧化酶 (

8、Complex )。 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。

9、 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

10、(2004) PLANT PROTECTION V01.30No 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 、

11、辣椒碱为代表。S 476.8 studyonthe naturaJrespiratoryinhibitorsof mitochondrialcomplexI ZHANG Shuai, ZENG Xin-nian, LUO (Laboratory矽 InsectToxicology,SouthChinaAgriculluralUnicvrsity,Guangz:hou respiratoryinhibitorsof mitochondriafcomplexI only haveimportantsignificancein medicalstudy, but alsohave valuablef

12、unctionin pesticides.Becauseof itsspecificmechanismof action,this typeof pesticides has not They can be promising insecticidesin the future. secondarymetabolites frommicrobial andplant sourcesknowntoactoncomplexI exhibitbiologicalactivity againstagriculturalinsect pests,such asthe classi- calrotenon

13、e, piericidinA,capsaicin,annonaceousacetogeninsand myxalamid.Theyactaslead compoundstosynthesfze the novel insecticidesin the industry.Theseinhibitorsareclassifiedaccording tothree fundamentaltypesof action,repre- sented by piericidinA,rotenoneandcapsaicin,respectively. Key words pesticidescience; m

14、itochondrial complexI; 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- plex )和细胞色素氧化酶 (Complex )。 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

15、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

16、 表 ； (3) 以 辣 椒 碱 ， myxothiazol 为代表 ， 见图 1 。 1 I 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。 12 植物保护 PLANTPROTECTIONVol.30No 6(2004) 1.1粉蝶霉素 A(piericidins A)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 1

17、965 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Me0 Me0鱼藤酮戊巴 比妥钠取代 ， 但是番荔枝内酯 rolliniastatin-2 与粉蝶霉素

18、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500600 倍4 CH3、，、n （ _ 、 ( O _YS_r_0ro

19、lliniastatin-2 71sh4rAOH ,OHNHmyxalamid图 13 类线粒体复合体 I 呼吸抑制剂的化学结构式 1.2 rolliniastatin -2 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-内酯环和两条连接这些部分的疏水性碳链 ，在碳链上

20、 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

21、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

22、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

23、力 500600 倍4_、( _YS_r_0rolliniastatin-2 71sh4r OH ,O H N myxalamid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

24、。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)13 同样会越来

25、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0 7- 2 类抑制剂 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 ，

26、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 -513- 异丙烯基

27、 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

28、 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

29、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 3 类抑制剂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 （

30、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 （ ND

31、H-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

32、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 。 3.2 myxalamid,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 ， 2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 -513- 异丙烯基 一 呋喃 (389) -6氢 - r