您好,欢迎来到化拓教育网。
搜索
您的当前位置:首页驱蚊原理的化学解读

驱蚊原理的化学解读

来源:化拓教育网
2O16年第37卷第23期 化学教育(http /www.hxjy.org) 瓣 缌 驱蚊原理的化学解读 周 瑶 (1_北京师范大学化学学院王明召 , ’尔深圳 518028 北京 100875;2.深圳外陶语学校摘要 介绍了蚊子的嗅觉系统、气味分子与气味结合蛋白和嗅觉受体蛋白作用的原理,并扼 萼介绍常用驱避剂DEET驱蚊啄理的一种假说以及蚊虫驱避剂的发展前景。 关键词 蚊子嗅觉系统 气味分子 气味结台蛋白 嗅觉受体蛋白DEET DOI:l0.1388 l/j.1003—3807hxjy.2014100059 吸血蚊子不仪 咬骚扰人类. H传播疟疾、 等 ,常称为气味分子。 蚊子的触角与下颚须上有很多形态各异的微小 嗅觉感应器(简称嗅器),它们组成蚊子的嗅觉系 统。图1左图所示为蚊子触角的电镜扫描图,可看 到上面布满嗅器 ,中图为毛状嗅器的一般结 登革热、黄热病等多种疾病.严重威胁着人类的健 康及生活。使用驱避剂驱赶蚊子,是解决蚊子传播 疾病问题的一种有效手段。女u果要研制 高效的驱 避剂,必须深入_r解蚊子的嗅觉系统。 l 蚊子的嗅觉系统有什么特点 雌蚊叮咬人类足为 吸食新鲜血液来繁衍后 代。它们通过嗅觉系统感受人体释放的一些小分子 米搜矗吸血奇主,这些小分子包括人呼出的1一辛 烯-3一醇、二氧化碳.以及人汗液 t,的I 哥L酸、氨 构 j。这些嗅器表皮有很多小孔,气味分子通过这 些孑L洞进入嗅器 ,如图I右图所示。进入嗅器 后,气味分子与嗅觉神经树突表面的嗅觉受体蛋白 (()dorant Receptor,()R)结合,受体蛋白被激活 许进行信号传导,进而影响蚊子的行为。 Fig.1 Olfactory sensilla on n ̄squito antenna(1eft】,the general structure of all trichoid olfactor)sensilltml (middle)and the prlK'eSS of odorant molecule approaching dendritic membrane(right) 图l 蚊子触角上的嗅器(左)、毛状嗅器的一般结构{中)以及气昧小分子抵达树突膜的过程(右) 嗅器的嗅觉神经树突处于淋巴液这一水溶液 L1J,Il[I_『气味小分子大多是疏水性的.因此气味小分 子从气孑L进入嗅器后并不能自动到达树突。它必须 免与淋巴液中高浓度的气味结合蛋白(Odorant Binding Protein,()BP)结合,形成呵溶于淋巴液 的()BP一气味分子复合体,然后在复合体中被OBP 运送到树突膜表面.才能与膜上的跨膜嗅觉受体蛋 白()R结合。通常,淋巴液的pH为6.5。而树突 膜 的淋巴液pH突降至4.5。因此,当该复合 体靠近膜上的()R时.其结构发生变化 】,()BP 与气味小分子的结合变弱。气味小分子转而与()I 结合,复合体解体。()R结合气味小分子后,产生 信号传导,引起相应的行为过程发qi。接着,气味 分子降解酶(()dorant Degrading Enzyme.()I)E) 迅速地将该气味小分子降解掉,受体蛋白()R再继 续捕获新到达的气味分子ll1_。以 过程示于图1的 右图。 2 气味结合蛋白OBP是如何运输气味分子的 *【竭家级精 诮资源共 课建设项目.国家级精 课程建没项II.北京『f『精品课程建¨丈项}{,北京师范大学教学建设‘j改革项目 **通信联系人.I rnail:wang nIZO@t}m1.edu.Cl1 化学教育(http://www.hxiy.org) 2Q[6年第37卷第23期 气味结合蛋白OBP具有运输气味分子的重要 作用,它是如何运输气味分子的?具体过程仍在探 腔是不同的,所以它们能特异地结合一种或一类气 味分子。 表1 OBP二聚体中疏水性氨基酸残基的疏水性基团R Table l Hydrophobic group R of hydrophobic amino acid residues in()BI’dimer 索之中.在此介绍一种较常见的解释。通常,气味 结合蛋白OBP的三维结构含有6段n螺旋(在图2 中编号a1一a6),a螺旋之间通过无规结构连接起 来,分子呈团状。()BP结合气味分子时主要以二 聚体的形式存在,2个单体可以相同,也可以不 同。图2表示2个相同()BP单体形成的二聚体【 J, 这2个单体的a螺旋分别编号a1~n6和a1 a6 。 在二聚体结构中.蛋白链上疏水性氨基酸残基中的 疏水性基团(见表1)形成一个疏水性空腔,在图 氨基酸 I R 氨基酸  IR I H2 H 2中用网格部分来表示。网格中.中间2个用球棍 表示的分子是DEET。两侧用球棍表示的分子是 PEG(五聚乙二醇)。该空腔与外界相通。疏水性 苯丙氨酸(Phe) 甲硫氨酸(Met) cH2 S cH3 气味分子可进入空腔.并通过范德华力和氢键与 OBP二聚体结合。呆在空腔中.这就形成了()BP一 气味分子复合体。不同OBP二聚体中的疏水性空 , l I CH, I H —cH3 亮氦酸(Leu) I ‘ HC——CH 异亮氨酸(1ie) l CH2 I CH1 l CH 丙氨酸(Ala) N cH3 l 缬氨酸(Va1) HC——CH3 I CH  lC● —●Dn H — Fig.2 AgamOBP dimer binding with nu)lecules of PEG and DEET O — o C H 这种OBP一气味分子复合体运动到嗅觉神经树 突膜附近时,较强的酸性引起疏水空腔发生结构变 化。如图3所示,OBP的a3和a4之间有3个组氨 图2结合有小分子PEG和DEET的OB! 二聚体(冈比亚按蚊) 酸残基His,在较强酸性条件下,每个His的咪唑 互 , His ltis- 树突膜 L—_——_-—・———v,嗅觉受体蛋白二聚体 Hg-3 ttlydrophobic cavity of OBP dimer changed structure and released odorant mo|ecule when approached dendriic n姗lt ne 图3 OBP=聚体疏水空腔在树突膜附近发生结构变化并释放出气昧小分子 环会结合1个质子,形成阳离子His (见图3右 上角)。这使肽链之间的静电排斥力增大,肽链的 立体结构发生变化.()BP一气味分子复合体的稳定 性降低。同时,OBP蛋白链羧基端头附近的几个 2016年第37卷第23期 化学教 育(http: /wWw.hxjy.org) 氨基酸残基上的羧基也被质子化,形成一段新的a 通道,神经元树突外的2种阳离子Na 和ca 町 经通道进入膜内,这使膜电势变为“内正外负”的 螺旋(图中编号为a7)。由于螺旋a7是疏水性的, 它可以进入蛋白分子的疏水性空腔,并将气味小分 状态,因此产生信号传导。第2种称为代谢型途 径,即图4的下部箭头所表示的一系列过程。 子挤出。树突膜上的嗅觉受体蛋白OR感受到游离 出来的气味小分子,将其捕获,这引发信号传导, 最终影响蚊子的行为ll1 】。 ()r22a与气味分子的结合可能激活与()r22a偶联的 某种( 蛋白。G蛋白又激活2种酶.致使以下2 个水解过程迅速发生:(1)激活腺苷酸环化酶 (AC),发生如图5上部所示过程.ATP脱去】个 3嗅觉受体蛋白OR又是如何感受气味分 子的 通常,蚊子的嗅觉受体蛋白()R也是通过形成 二聚体来感受气味分子的。不过,这种二聚体是由 焦磷酸,生成3 ,5 环化腺苷酸(cAMP)。 (2) 激活磷酸酯酶C(PI ),发生图5下部所示过程. 2种()R形成的,一种属于传统气味受体蛋白()R, 另一种是()r83b家族受体蛋白。这2种嗅觉受体 蛋白都含有7段a螺旋,并且都跨越嗅觉神经元的 树突膜,如图4_l8 门所示(图中的Or22a代表一种 传统气味受体蛋白)。来到膜外的气味分子先由 ()r22a蛋白感受,然后触发()r83b蛋白发生响应。 Or83b蛋白具有阳离子的通道,它响应时会打开通 道,引起阳离子跨膜移动,使膜电势发生变化,结 果产生信号传导。 Or22a与气味分子的结合激发通道蛋白Or83b 膜上的磷脂酰肌醇(4。5)二磷酸(PIP!)水解, 释放出l,4,5一三磷酸肌醇(IP )和甘油二酯 (DAG)。可能2个过程的产物cAMP、IP;、DA(; 能打开()r83b的某些离子通道,使Ca 和Na 进 入细胞内,产生信号传导 】。以上2种途径产生的 信号传人细胞体,再由神经元轴突传递,最终传至 中枢神经系统,从而影响蚊子的行为。 o O /0 .1O H H /O H 发生了什么变化,致使信号传导产生?这也还在探 索之中,目前认为可能包含了2种变化途径【 。】。 第1种称为离子型途径,即图4的上部弯箭头所示 途径。非兴奋状态时,神经元树突内的阳离子K 会穿过膜向外扩散.这使得膜内的电势比膜外的 低,即膜电势处于“内负外正”的状态。当Or22a 在膜的外侧接受气味分子后,触发Or83b打开离子 + Fig.4 Possible pathway of receptor proteins activating the ion channels 图4受体蛋白激活离子通道的可能途径 NII, 0 O N II 011 I IOt{ 『 j。 oH,,P\0 })\0—7、0 。、7, 、N OH卜— 。 一u 』 ACo ~ "ol HO 焦磷酸 OH,0" o ̄ZO- R1/ R1/l "凡/N ̄OH + 。蕺O H O H ≮I~ ,+ IP3 DAG Fig.5 Enzynmtie hydrolysis of ATP and PIP2 图5 ATP和PIP2的酶催化水解反应 4常用驱避剂DEET为什么可以驱蚊 人类一直在寻找可以减少或防止蚊子传播疾病 的方法。中国人早在1000多年前就用燃烧艾篙、 菊科类植物的办法来驱赶蚊虫,利用的是某些挥发 化学教育(http://www.hxiy.org) 2016年第37卷第23期 性分子的蚊虫驱避性质。科学家发现二醇、氮杂环 己烷、酰胺等化合物具有良好的驱避效果【 】,20 世纪30年代初发展起合成驱避剂。1946年美国农 信号传导至大脑后,导致与气味分子相反的行为结 果,即蚊子是躲避而不是趋近。 I 『】H ̄=l  f1H n 业局从2万多种有潜力的驱蚊化合物中,筛选出驱 蚊效果最好的1个酰胺化合物——驱避剂DEET (N,N~二乙基一间一甲苯酰胺,常称避蚊胺,结构 见图6),1956年制成商品进入美国市场。至今, 避蚊胺是世界上使用最多的蚊虫驱避剂。 LO :__J — FIg.7 Electrophysiological response of mosquito olfactory receptor neuron(ORN)to odorant molecule and DEET 图7 嗅觉神经元对气味分子和DEET的电生理响应 5蚊虫驱避剂怎么发展 多年的使用实践证明,DEET的驱蚊效果非常 好,但研究发现它存在一定的毒副作用。例如,使 Fig・6 DEE"l 用不当存在潜在的毒性问题,由DEET引起的毒 图6避蚊胺DEET 副作用包含皮炎、过敏反应、神经和心血管副作用 等【“]。鉴于此,有些国家和地区已经禁止使用。 各国都在努力研发更好的驱避剂,并提出了多种策 DEET为什么可以驱蚊?其原理至今不明。人 们提出了一些假说,这些假说需要更多的实验来验 证。在此介绍其中的一种。 2008年,Syed通过实验发现 ],载有气味小 分子l一辛烯一3一醇的滤纸与载有DEET的滤纸放在 同一个容器中时,1一辛烯~3一醇释放出的量比没有 DEET时减少很多,导致蚊子神经反应能力下降, 这可使人误认为是DEET屏蔽了蚊子的嗅觉系统。 为了防止这一问题,他们将载有l一辛烯一3一醇的滤 纸和载有DEET的滤纸分别放在2个注射器,再 用空气流同时引出刺激蚊子,利用单感器记录技 略。研究发现,分子具有驱蚊活性必须具有含氧官 能团,且驱蚊活性高的分子中往往带有环状结构和 羰基结构,DEET的结构就是一个典型。有学者尝 试保留DEET骨架结构,对其进行修饰,来开发 新的酰胺类化合物。例如用苄基(见图8中虚线框 内部分)取代DEET的间甲基苯基,得到的DE— PA(N,N一二乙基苯乙酰胺)驱蚊效果与DEET 相当,并且具有安全性l_1 。近年来,香气宜人的 酯类化合物因带有羰基结构,对皮肤刺激小,逐渐 成为研究热点。酯类驱避剂的一个例子是图8所示 的3一(N一正丁基一N一乙酰基)胺基丙酸乙酯 术,将微小电极插入触角的单个感器内,记录蚊子 触角上神经元的响应,获得脉冲电位。容器中只放 有载有气味分子1一辛烯一3一醇的滤纸时,蚊子神经 元有响应(见图7左图的密集波动信号)。将载有 l一辛烯一3一醇的滤纸和载有DEET的滤纸分别放在2 个容器中。再用气流同时引入时,神经元响应并没 (IR3535),它具有对皮肤和粘膜无毒副作用、无 皮肤渗透性等优点,但驱蚊效果比DEET略输一 筹u l。IR3535已经上市。 一 ; 人 L…一 有被抑制(见图7中图)。而单独的DEET,在实 验中也产生了神经元响应(见图7右图)。根据他 们的实验结果以及后来的一些实验结果,人们对 DEET驱蚊的原理提出了一种假说,认为一些蚊子 天生具有能感知避蚊胺DEET的嗅觉神经元,天 生不喜欢DEET的气味,且对DEET的敏感性高 于对人体散发气味分子的敏感性,因此蚊虫会优先 识别DEET然后主动避开,这可能是DEET的驱 1/\\ \/、\/N\// o\// I IolR3535 DEPA Fig.8 Two llew mosquito repellents 图8 2种较新的蚊虫驱避剂 除了合成研究以外,人们也在尝试从植物中提 取高效驱避剂。例如,2005年,Rajkumar发现一 种茄属植物Solanum trilobatum的叶子提取物对按 蚊有很好的驱避活性,且活性随浓度的增大而增 强J 】。又如,同年Tuetun发现芹菜的己烷提取物 与香草醛的混合物,对常见蚊虫的驱避活性与DE— ET相当甚至更好l_l引。天然驱避剂的优点是低毒, 蚊原理。DEET刺激嗅觉神经元的方式类似于气味 分子。在与嗅觉神经元作用时,它也通过范德华力 和氢键与()BP二聚体结合,并由OBP运输至受体 蛋白,产生神经元的信号传导。但是,可能接受它 的受体蛋白与气味分子受体蛋白不同,因此产生的 对皮肤刺激小,缺点是高效性和持久性普遍低于合 2016年第37卷第23期 化学教育(http://www.hxjy.org) Life Sci.,2012,69(2):283—297 ・ 5 ・ 成驱避剂。 总体上看,蚊虫驱避剂领域有很多问题需要解 决,尤其是对其与蚊子嗅觉系统的作用机理研究还 很薄弱。人们要开发出既有更高驱避活性又安全无 毒的蚊虫驱避剂,还有很长的路要走。 参[1][2] [7]Lautenschlager C,Leal W S,Clardy J.Biochem.Biophys. Ras.Commun.,2005,335(4):1O44—1050 cher D,Sch ̄ifer R,Bauernfeind R,et a1.Nature, [8] Wi2008,452(7190):1OO7—1011 [9] Krieger J,Breer}L Science,1999,286(5440):72O一723 [103 Paluch G,Bartholomay L,Coats J.Pest Manag.Sci., 2010,66(9):925—935 考文献 [113 Ditzen M,Pellegrin0 M,V0ssha11 L B Science,2008, 319(5871):1838—1842 Lupi E,Hatz C,Sclagenhauf P.Travel Med.Infect. Dis.,2013,6(11):374—41l syed z,Leal w S.Pr0c.Nat1.Acad.Sci.,2008,105 (36):13598—13603 yanasundaram M,Mathew N.J.Med.Entomo1., [12] Kal2006,43(3):518—525 [3] Sanchez—Gracia A,Vieira F G,Rozas J.Heredity,2009, 】O3(3).208—2】6 [13] Costantini C,Badolo A,Llboudo-Sanogo E.Trans.R. Soc.Trop.Med.Hyg.,2004,98(U):644—652 [4] 徐炜.环境昆虫学报,2009,31(2):175—180 [53 Horst R,Damberger F,Luginbtihl P,et a1.Proc.Nat1. Acad.Sci.,2001,98(25):14374—14379 [143 Rajkumar S,Jebanesan八(15):1—3 J.Insect.Sci.,2005,5 [15] Tuetun B,Choochote W,Kan]anapothi D,et a1.Trop. Med Int.Health,2005,10(11):1190一l198 I-6]Tsitsanou K E,Thireou T,Drakou C E,et a1.Cel1.Mo1. Interpretation of Mosquito Repellenee from Perspective of Chemistry ZHOU Yao ’ WANG Ming—Zhao (1.College of Chemistry,Beijing Normal University,Beijing 100875,China; 2.Shenzhen Foreign Languages School,Shenzhen 518028,China) Abstract This paper introduced the mosquito olfactory system focusing on the interaction mechanism of odorant with odorant binding protein(OBP)and odorant receptor(OR),and brief— ly introduced a hypothesis about the principle of repelling mosquito by commonly used repellent DEET and the development of mosquito repellents. Keywords mosquito olfactory system;odorant molecules;odorant binding protein;odorant receptor;DEET 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- huatuo9.cn 版权所有 赣ICP备2023008801号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务