Никотиновые рецепторы ацетилхолина – мишени действия инсектицидов и антигельминтных средств

Авторы: Калинникова Татьяна Борисовна, Егорова Анастасия Васильевна, Гайнутдинов Тимур Маратович, Гайнутдинов Марат Хамитович

.

Рубрика: Сельскохозяйственные науки

Страницы: 83-88

Объём: 0,42

Опубликовано в: «Наука без границ» № 6(34), июнь 2019

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Никотиновые рецепторы ацетилхолина - мишени действия инсектицидов и антигельминтных средств / Т.Б. Калинникова, А.В. Егорова, Т.М. Гайнутдинов, М.Х. Гайнутдинов // Наука без границ. 2019. № 6(34). С. 83-88.

Аннотация: В работе рассмотрены современные представления о токсическом действии инсектицидов и антигельминтных средств на организмы паразитических беспозвоночных через н-холинорецепторы. Также приведены результаты исследований избирательности токсического действия этих пестицидов, обусловленной эволюцией н-холинорецепторов.

На протяжении ряда десятилетий одним из основных подходов борьбы с паразитическими насекомыми и червями в сельском хозяйстве, ветеринарии и медицине остается использование пестицидов и лекарств, вызывающих гиперактивацию никотиновых рецепторов ацетилхолина (н-холинорецепторов) в организмах беспозвоночных-паразитов [1-3]. В связи с важнейшей ролью н-холинорецепторов в регуляции многих функций организмов не только паразитических беспозвоночных, но и организмов человека и всех без исключения свободноживущих организмов животных, позвоночных и беспозвоночных, при использовании пестицидов, вызывающих гиперактивацию н-холинорецепторов, возникает целый ряд проблем. Эти проблемы, актуальность которых в настоящее время не вызывает сомнений, в основном сводятся к следующему. Во-первых, действие пестицидов и ветеринарных средств на н-холинорецепторы паразитических беспозвоночных должно быть избирательно токсичным и не оказывать влияния на н-холинорецепторы в организмах человека, сельскохозяйственных животных и свободноживущих позвоночных и беспозвоночных в окружающей среде [1-2]. Во-вторых, при долговременном использовании пестицидов и ветеринарных средств у организмов паразитических беспозвоночных вырабатывается резистентность к их токсическому действию и возникает необходимость смены препаратов [3-4]. В этой работе рассмотрены результаты современных исследований, имеющих отношение к первой из этих проблем – избирательности гиперактивации н-холинорецепторов паразитических беспозвоночных пестицидами и ветеринарными средствами.

Эволюция н-холинорецепторов

Основой избирательности токсического действия современных инсектицидов и нематоцидов-агонистов н-холинорецепторов на организмы беспозвоночных и организмы человека и животных, которые не являются мишенями действия пестицидов и антигельминтных средств, используемых в ветеринарии, являются фармакологические различия н-холинорецепторов в организмах человека, позвоночных и беспозвоночных, которые появились в ходе эволюции Metazoa. Универсальность молекулярной организации н-холинорецепторов заключается в том, что все они являются пентаметрическими ионными каналами, состоящими из пяти белковых субъединиц [1-2]. Считается, что α-субъединицы принимают участие в связывании ацетилхолина и других агонистов н-холинорецепторов, а другие субъединицы участвуют в формировании ионных каналов в мембранах нейронов и локомоторных мышц [1-2]. В то же время гомометрические н-холинорецепторы состоят из пяти одинаковых α-субъединиц в отличие от гетерометрических н-холинорецепторов [1-2, 5].

В современных исследованиях н-холинорецепторов основная проблема заключается в множественности генов субъединиц. Так, в организме человека экспрессируется 17 генов этих субъединиц, а в простом организме свободноживущей почвенной нематоды Caenorhabditis elegans количество этих генов еще больше – 29 [1]. Соответственно, в организме человека или животного потенциально существует огромное количество вариантов из пяти субъединиц, которые могут быть н-холинорецепторами в нейронах и мышцах. В настоящее время сравнительно немногие н-холинорецепторы идентифицированы, так как одним из основных и дорогостоящих методов их идентификации остается эктопическая экспрессия генов-кандидатов в ооцитах шпорцевой лягушки с последующим фармакологическим анализом характеристик рецептора методами электрофизиологии [1-2, 5]. В то же время известно, что у н-холинорецепторов качественно различаются как чувствительность к агонистам и антагонистам, так и характеристики ионных каналов, формируемых н-холинорецепторами. В большинстве случаев это неселективные ионные каналы для катионов (K+, Na+ и Ca2+), но известны и н-холинорецепторы, являющиеся селективными ионными каналами для ионов Ca2+ [1-2]. Хотя общепринятым является представление о том, что н-холинорецепторы осуществляют возбуждающее действие ацетилхолина на нейроны и мышцы в результате деполяризации мембран [1-2], известны и н-холинорецепторы, связывание с которыми ацетилхолина ингибирует процессы возбуждения, так как эти н-холинорецепторы являются каналами для ионов Clˉ [6-7]. Прямым доказательством того, что в ходе эволюции произошли качественные изменения молекулярной организации н-холинорецепторов, является избирательное токсическое действие современных инсектицидов (неоникотиноидов и сульфоксиминов) на организмы паразитических насекомых [1-2, 8] и нематоцидов на организмы паразитических нематод [1] без проявления токсического действия на организмы человека и млекопитающих. В отдельных случаях идентифицированы н-холинорецепторы, специфичные для беспозвоночных. Например, обнаружен н-холинорецептор, специфичный для нематод, который является мишенью действия нового класса нематоцидов – производных амино-ацетонитрила [1].

Несмотря на использование в сельском хозяйстве достаточно эффективных инсектицидов (неоникотиноиды) и антигельминтных средств (левамизол и др.) с избирательным токсическим действием на н-холинорецепторы соответственно паразитических насекомых и паразитических нематод [1-2], в настоящее время существует потребность в создании новых поколений инсектицидов и нематоцидов. В основном эта необходимость обусловлена тем, что при длительном применении инсектицида или антигельминтного средства почти неизбежно возникает резистентность к его токсическому действию в популяциях беспозвоночных-паразитов [3]. В этом случае, как показывают результаты современных исследований, агонисты н-холинорецепторов насекомых и нематод могут быть заменены агонистами других н-холинорецепторов в организмах насекомых или нематод [1, 8].

Токсическое действие пестицидов, мишенью действия которых являются н-холинорецепторы, на организмы свободноживущих животных

Н-холинорецепторы паразитических беспозвоночных являются мишенью токсического действия не только инсектицидов и нематоцидов с селективным действием на эти рецепторы, но и ингибиторов ацетилхолинэстеразы. Ингибиторы ацетилхолинэстеразы вызывают аномальное повышение уровня эндогенного ацетилхолина, следствием которого является гиперактивация н-холинорецепторов [9]. В настоящее время ингибиторы ацетилхолинэстеразы не используются в ветеринарии [1], но продолжают достаточно широко использоваться для борьбы с паразитическими насекомыми и нематодами в растениеводстве. В производстве инсектицидов доля ингибиторов ацетилхолинэстеразы постоянно снижается за счет увеличения производства неоникотиноидов и других инсектицидов, мишенью действия которых является нервная система паразитических насекомых. Напротив, для борьбы с паразитическими нематодами селективные агонисты н-холинорецепторов широко используются в ветеринарии, а в растениеводстве по-прежнему продолжается использование фосфорорганических и карбаматных ингибиторов ацетилхолинэстеразы. Результаты многочисленных исследований токсичности ингибиторов ацетилхолинэстеразы и инсектицидов, обладающих избирательным действием на н-холинорецепторы паразитических насекомых, на организмы на организмы Metazoa, не являющиеся мишенями действия этих пестицидов, обобщены в ряде исследований [10-13] и приведены в таблице.

Результаты токсикологических исследований (см. табл.) [10-13] свидетельствуют о том, что в ходе эволюции появились большие различия фармакологической чувствительности н-холинорецепторов не только между млекопитающими и насекомыми, но и между насекомыми и ракообразными.

Таблица

Токсичность инсектицидов для организмов, не являющихся мишенями их действия (источники экспериментальных данных [10–13])

Группы организмов/

Дозы пестицидов

Класс инсектицидов

Ингибиторы ацетилхолинэстеразы

Агонисты никотиновых рецепторов ацетилхолина

(неоникотино-

иды, спиносад)

(9 веществ)

Антагонисты никотиновых рецепторов ацетилхолина

(дитиолы)

(4 вещества)

Карбаматные

(28 веществ)

Фосфороргани-

ческие

(62 вещества)

Водные организмы

Cladocera,мкг/л

Крупные ракообразные, мкг/л

Водные насекомые, мкг/л

Рыбы, мг/л

Амфибии, мг/л

88.5

 

385.7

 

259.1

 

4.9

17.0

11.5

 

55.3

 

65.4

 

2.5

5.3

30441.0

 

4137

 

6.0

 

60.8

162.8

11466.0

 

 

 

1.9

0.5

Наземные организмы

Пчелы, мкг/особь

Кольчатые черви, мг/кг почвы

Птицы, мг/кг массы тела

Млекопитающие, мг/кг массы тела

0.71

 

76

 

 

49

 

98

0.58

 

131

 

 

33

 

99

0.13

 

54

 

 

659

 

868

17.5

 

 

 

26

 

409

В таблице приведены средние ЛД50 при пероральном введении (для пчел, птиц и млекопитающих) или ЛК50 (для кольчатых червей и водных организмов), рассчитанные для всех исследованных веществ, относящихся к данному классу пестицидов.

 

При наличии высокой чувствительности организма к токсическому действию неоникотиноидов и инсектицидов-антагонистов н-холинорецепторов у пчел и водных насекомых чувствительность к этим веществам у Cladocera и крупных ракообразных на несколько порядков ниже. В то же время у птиц при сравнительно низкой чувствительности к токсическому действию агонистов н-холинорецепторов насекомых (неоникотиноиды) выявляется высокая, по сравнению с млекопитающими, токсичность антагонистов н-холинорецепторов насекомых (дитиолы) (см. табл.). У рыб и особенно у амфибий чувствительность к токсическому действию антагонистов н-холинорецепторов на порядок выше чувствительности к действию неоникотиноидов (см. табл.). При этом у пчел, напротив, токсичность неоникотиноидов на два порядка выше, чем токсичность антагонистов н-холинорецепторов (см. табл.). Чувствительность к токсическому действию неоникотиноидов на три порядка ниже у нематод, чем у насекомых [14]. Следовательно, и между н-холинорецепторами насекомых и нематод существуют большие различия в их фармакологической чувствительности [10-13].

В последнее десятилетие чрезвычайно актуальным стал вопрос о негативном влиянии при их использовании для борьбы с паразитическими насекомыми на популяции пчел и других насекомых-опылителей [15-16]. В связи с предполагаемой или реальной опасностью использования в сельском хозяйстве инсектицидов-неоникотиноидов для пчел в декабре 2013 года в Европейском Союзе был введен двухгодичный мониторинг на использование трех инсектицидов-неоникотиноидов (имидаклоприда, клотианидина и тиаметоксана) [17]. Поэтому действие неоникотиноидов на пчел интенсивно исследуется [15]. В связи с тем, что мишенью действия неоникотиноидов являются н-холинорецепторы насекомых-паразитов, не вызывает сомнений, что они могут быть токсичными и для пчел, и это показано в целом ряде лабораторных исследований [15]. В то же время в обзорной статье Н. Каррека и Ф. Ратниекса, опубликованной в 2014 году, целесообразность запрета на использование неоникотиноидов для защиты пчел ставится под сомнение [16].

Дело в том, что токсичность неоникотиноидов для пчел легко выявляется в лабораторных экспериментах [15], но исследования пчел, проводившиеся в реальных полевых условиях в течение ряда лет, не выявили достоверного негативного влияния неоникотиноидов в условиях их использования на колонии пчел [16].

Заключение

В ходе эволюции Metazoa появились глубокие различия как молекулярной организации, так и фармакологической чувствительности н-холинорецепторов в организмах человека и животных, как позвоночных, так и беспозвоночных. Эти различия являются основой использования современных инсектицидов и нематоцидов с избирательным действием на организмы паразитических беспозвоночных. В то же время в растениеводстве продолжается достаточно широкое использование в качестве нематоцидов и инсектицидов не агонистов н-холинорецепторов, а ингибиторов ацетилхолинэстеразы, фосфорорганических и карбаматных. Поэтому существует настоятельная необходимость создания нематоцидов-агонистов н-холинорецепторов с достаточной эффективностью и рентабельностью для борьбы с паразитическими нематодами, для которых организмами-хозяевами являются сельскохозяйственные растения.

Список литературы

1. Satelle D.B. Invertebrate nicotinic acetylcholine receptors – targets for chemicals and drugs important in agriculture, veterinary medicine and human health // J. Pestic. Sci., 2009, vol. 34, pp. 233–240.

2. Tomizawa M., Casida J.E. Selective toxicity of neonicotinoids attributable to specificity of insect and mammalian nicotinic receptors // Annu. Rev. Entomol, 2003, vol. 48. pp. 339–364.

3. Bass C., Denholm I., Williamson M.S., Nauen R. The global status of insect resistance to neonicotinoid insecticides // Pestic. Biochem. Physiol, 2015, vol. 121, pp. 78–87.

4. Sparks T.C., Nauen R. IRAC: Mode of action classification and insecticide resistance management // Pestic. Biochem. Physiol, 2015, vol. 121, pp. 122–128.

5. Lansdell S.J., Collins T., Goodchild J., Millar N.S. The Drosophila nicotinic acetylcholine receptor subunits Dα5 and Dα7 form functional homomeric and heteromeric ion channels // BMC Neurosci, 2012, vol. 13, e73.

6. Pereira L., Kratsios P., Serrano-Saiz E., Sheftel H., Mayo A.E., Hall D.H., White J.G., LeBoeuf B., Garcia L.R., Alon U., Hobert O. A cellular and regulatory map of the cholinergic nervous system of C. elegans // eLIFE, 2015, vol. 4, e12432.

7. van Nierop P., Bertrand S., Munno D.W., Gouwenberg Y., van Minnen J., Spafford J.D., Syed N.I., Bertrand D., Smit A.B. Identification and functional expression of a family of nicotinic acetylcholine receptor subunits in the central nervous system of the mollusc Lymnaea stagnalis // J. Biol. Chem, 2006, vol. 281, pp. 1680–1691.

8. Sparks T.C., Watson G.B., Loso M.R., Geng C., Babcock J.M., Thomas J.D. // Pestic. Biochem. Physiol, 2013, vol. 107, pp. 1–7.

9. Baron R.L. A carbamate insecticide: a case study of aldicarb // Environ. Health Perspect, 1994, vol. 102, pp. 23–27.

10. Tomlin C.D.S. (ed.) The pesticide manual: a world compendium. 15th ed. – Alton, Hampshire: BCPC, 2009. – 1457 p.

11. Mineau P., Baril A., Collins B.T., Duffe J., Joerman G., Luttik R. Pesticide acute toxicity reference values for birds // Rev. Environ. Contam. Toxicol, 2001, vol. 170, pp. 13–74.

12. Sánchez-Bayo F. Comparative acute toxicity of organic pollutants and reference values for crustaceans. I. Branchiopoda, Copepoda and Ostracoda // Environ. Pollut, 2006, vol. 139, pp. 385–420.

13. Sánchez-Bayo F. Insecticides mode of action in relation to their toxicity to non-target organisms // J. Environ. Analytic Toxicol, 2011, S4, e002.

14. Kudelska M.M., Holden-Dye L., O'Connor V., Doyle D.A. Concentration-dependent effects of acute and chronic neonicotinoid exposure on the behavior and development of the nematode Caenorhabditis elegans // Pest Manag. Sci, 2017, vol. 73, pp. 1345–1351.

15. Blackquière T., Smagghe G., van Gestel C.A.M., Mommaerts V. Neonicotinoids in bees: a review on concentrations, side-effects and risk assessment // Ecotoxicol, 2012, vol. 21, pp. 973–992.

16. Carreck N.L., Ratnieks F.L.W. The dose makes the poison: have "field realistic" rates of exposure of bees to neonicotinoid insecticides been overestimated in laboratory studies? // J. Apicultural Res, 2014, vol. 53, pp. 607–614.

17. Comission implementing regulation No 485/2013 of 24 May 2013 amending Implementing Regulation (EU) No 540/2011, as regards the condition of approval of the active substances clothianidin, thiamethoxam and imidacloprid, and prohibiting the use and he sale of seeds treated with plant protection products containing those active substances // Official J. EU, 2013, vol. L139, pp. 12–26.

 

Материал поступил в редакцию 27.05.2019

© Калинникова Т.Б., Егорова А.В., Гайнутдинов Т.М., Гайнутдинов М.Х., 2019