Alternatywnym, do idei Williamsa, pomysłem na opracowanie skutecz nego insektycydu było znalezienie czynnika, który hamowałby biosyntezę JH przez gruczoł corpora allata. Poszukiwanie takiego czynnika doprowadziło Bo- wersa i współpr. [10] do wyizolowania z rośliny podściółkowej Ageratum hous-
tonianum dwóch pochodnych chromenu: prekocenu I (6) i prekocenu II (7),
(rys. 3) określanych nawet przez odkrywców hormonami antyjuwenilnymi. Połączenia te powodowały przedwczesną metamorfozę larw Oncopeltus fas-
ciatus i Dysdercus cingulatus do niezdolnych do reprodukcji osobników doros
łych.
W trakcie badań nad mechanizmem działania prekocenów stwierdzono, że hamują one biosyntezę JH poprzez wywołanie atrofii corpora allata [11, 12]. Mechanizm działania prekocenów zakłada, że są one w pierwszym etapie utle niane do 3,4-epoksypochodnych [13], które wykazują silne powinowactwo do nukleofili [14] i łatwo łączą się z otaczającymi białkami w corpora allata, powodując ich alkilowanie, a tym samym destrukcję.
Po stwierdzeniu aktywności prekocenów rozpoczęto intensywne prace nad opracowaniem dogodnych metod syntezy zarówno samych prekocenów, jak i ich analogów. Syntezując analogi, modyfikowano głównie pierścień ben zenowy. Otrzymano więc związki zawierające rozmaite grupy alkoksylowe przy prawie wszystkich atomach węgla w pierścieniu [15-23], w tym również ugrupowanie metylenodioksy [17, 24-26], związki typu eterów koronowych (np. struktury 9) [22] i połączenia ze skondensowanym pierścieniem furano- wym (struktura 11) [26]. Liczną grupę stanowią ans logi mające w pierścieniu benzenowym grupy alkoksylowe wraz z innymi, różnymi od alkoksylowych, podstawnikami (np. struktura 10) [16,18,27-32], Otrzymano również połącze nia, w których zmodyfikowany został pierścień heterocykliczny. Zsyntezowano związki zawierające w miejsce tlenu w tym pierścieniu atom siarki (np. struk tura 13) [33-36] lub azotu (np. struktura 12) [22, 37].
Większość z tych analogów poddano badaniom biologicznym na aktyw ność antyjuwenilną. Najbardziej aktywny okazał się 7-etoksy analog (8), który nawet został nazwany prekocenem III. Ustalono również, że prekocen II
6 7 2 C. WAWRZEŃCZYK
14
Rys. 3. Analogi strukturalne prekocenów
jest bardziej aktywny niż prekocen I. Aktywność antyjuwenilną wykazał także analog prekocenu II z otwartym pierścieniem piranowym (14) [37]. Wyniki badań biologicznych nie dawały jednak jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z elementów struktury prekocenów: 3,4-podwójne wiązanie, grupy meto- ksylowe czy pierścień benzenowy są odpowiedzialne za wywołanie efektu przedwczesnej metamorfozy.
Podejmując próbę rozwiązania tego zagadnienia, otrzymano cały szereg analogów strukturalnych prekocenów [38-40] i poddano je testom biologicz nym [41], (tab.). Analogi te w porównaniu ze strukturami prekocenów bądź nie miały podwójnego wiązania 3,4 (18), bądź miały częściowo zredukowany pierś cień benzenowy (17), bądź były pozbawione grup metoksylowych (19) lub miały kombinację tych cech (15, 16, 17). Związki te poddano testom biologicznym
6 7 4 C. WAWRZEŃCZYK
cd. tabeli
* Efektywna daw ka powodująca w 50% powstawanie defektów u osobników dorosłych. ** Dawki powyżej 200 (ig/osobnika nie były aplikowane.
na aktywność antyjuwenilną w stosunku do larw szarańczy (Locusta migrato-
ria) 24 godz. po przeobrażeniu do 4. stadium larwalnego. Testom biologicznym
poddano również analogi zawierające w miejsce 3,4 podwójnego wiązania gru pę karbonylową (19,20,21,24) lub hydroksylową (22). Działanie antyjuwenilne tych analogów określano na zasadzie porównania zmian morfologicznych, ja kie wywoływały u badanych larw i zmian, jakie powodowały prekocen I i pre- kocen II u larw tego samego stadium. Wyniki testów przedstawione są w ta beli.
Jedynymi wysoko aktywnymi połączeniami okazały się prekocen I i pre kocen II, które zaaplikowane larwom 4. stadium indukowały przeobrażenie do dorosłego osobnika. Testowane analogi prekocenów nie powodowały przed wczesnej metamorfozy, a larwy przeobrażały się do normalnego 5. stadium larwalnego. Aktywność ketonów aromatycznych (19,20,21) ujawniła się dopie ro po następnym przeobrażeniu, kiedy to osobniki dorosłe miały zniekształ cone skrzydła i były specyficznie ciemniejsze w porównaniu z owadami kont rolnymi. Pozostałe testowane związki nie wykazały żadnej aktywności w daw kach poniżej 200 ng na osobnika. Analiza otrzymanych wyników pozwala stwierdzić, że usunięcie C3—C4 podwójnego wiązania lub aromatycznego cha rakteru cząsteczki prekocenu prowadzi do zaniku aktywności antyjuwenilnej. Aktywność związków z grupą karbonylową może być spowodowana działa niem ich form enolowych. W formach tych bowiem, podobnie jak w prekoce- nach, istnieje podwójne wiązanie C 3—C4 (rys. 4).
Podsumowując otrzymane wyniki, można stwierdzić, że charakter aro matyczny cząsteczki i obecność podwójnego wiązania C3—C4 w molekule są elementami strukturalnymi decydującymi o tym, że analogi prekoce nów wykazują działanie antyjuwenilne, podczas gdy obecność grup meto- ksylowych w cząsteczce nie jest konieczna do wywołania efektu antyjuwe- nilnego.
675
19, R = H , 20, R = - C H 3, 21, R = - OCH3 Rys. 4. Formy enolowe 4-chromanonów
CZYNNIKI ANTYJUWENILNE INGERUJĄCE W BIOSYNTEZĘ HORMONÓW JUWENILNYCH
Poszukując innych skutecznych, a jednocześnie mniej destrukcyjnych niż prekoceny inhibitorów biosyntezy hormonów juwenilnych, poddano analizie ich cykl biosyntetyczny pod kątem wyznaczenia w tym cyklu miejsc, w których można skutecznie ingerować w biosyntezę JH [42]. Przede wszystkim zwróco no uwagę na struktury przypominające budową związki występujące we wcześ niejszych stadiach biosyntezy izoprenoidów. Inhibitor biosyntezy innych izo- prenoidów, np. cholesterolu, fluoropochodna laktonu kwasu mewalonowego (25) (rys. 5) okazała się czynnikiem hamującym biosyntezę JH u motyli (Lepidoptera) [43]. Ustalono, że pochodna ta działa na zasadzie inhibitora kompetycyjnego reduktazy 3-hydroksy-3-metylo-glutarylo CoA (HMGCoA). Pochodne alkoholu allilowego (26, 27) okazały się rówrież inhibitorami bio syntezy JH u Lepidoptera [44], Połączenia te mogą być traktowane jako „an- tymetabolity” pirofosforanu diametyloallilu występującego w szlaku biosynte- tycznym JH III.
Biosyntezę JH próbowano również inhibować na etapie końcowej epo- ksydacji wiązania C10—Clx w estrach metylowych odpowiednich trienowych kwasów, np. w farnezolanie metylu w biosyntezie JH III. Zmniejszenie aktyw ności odpowiedniej oksydazy osiąga się poprzez dezaktywację cytochromu P-450 [44]. Działanie inhibitora na tym etapie biosyntezy JH wykazał polieter z ugrupowaniem metylenodioxy 28 [42]. Podobny efekt antyjuwenilny w sto sunku do Bombyx mori i Oncopeltus fasciatus wykazały również pochodne imidazolu 29, 30 [45, 46].
Znane są także związki (struktury 31, 32) [42, 47, 48], które zmniejszają stężenie hormonu juwenilnego w organizmie owada poprzez blokowanie recep tora białkowego, którego zadaniem jest ochrona JH przed zbyt wczesną de gradacją enzymatyczną. Brak tej osłony powoduje, że aktywne działanie en zymów hydrolitycznych, w tym głównie niespe :yficznych esteraz, prowadzi do szybkiego spadku stężenia JH, a to pociąga za sobą przyśpieszoną meta morfozę.
6 7 6 C. WAWRZEŃCZYK
26 X = Y = Cl
27 X = CH3; Y = C Fj
28
32
Rys. 5. Czynniki antyjuwenilne zakłócające biosyntezę horm onów juwenilnych
CZYNNIKI ANTYJUW ENILNE
O N IE ZNANYM M ECHANIZM IE DZIAŁANIA
Bardzo interesującą grupę czynników antyjuwenilnych stanowi seria fluo rowych sulfotlenków winylowych (struktura 33, rys. 6) [49]. Są one aktywne, co rzadko się zdarza w tej grupie insektycydów, wobec aż trzech gatunków owadów: Manduca sexta, Heliothis virescens i Spodoptera exigua. Najbardziej aktywne były połączenia, dla których R było pięcio- lub sześciowęglową grupą alkilową lub alkenylową. Mechanizm działania tej grupy połączeń jest na razie
677 R = -(C H 2)4CH3
R = -(C H 2)jCH3 R = -(C H 2)4CH = CH2
35
Rys. 6. Najnowsze czynniki antyjuwenilne
nie znany. W iadomo jedynie, że podane w trzecim stadium na larwy Manduca
sexta redukują znacznie poziom JH I i JH II w czwartym stadium.
Ostatnio ukazała się praca Bowersa i współpr. [50] prezentująca nową grupę czynników antyjuwenilnych — polieterów z jednym lub dwoma pierś cieniami furanowymi w swojej strukturze (struktury 34 i 35, rys. 6). Związki te były aktywne wobec larwy (trzecie stadium) Oncopeltus fasciatus. Podane na owady w trzecim stadium larwalnym powodowały przedwczesną metamorfozę i to przy znacznie mniejszych dawkach niż w wypadku prekocenu II. Mecha nizm działania tych połączeń nie jest jeszcze rozpoznany, ale wydaje się, że jest to działanie ograniczające aktywność gruczołu corpora allata.
PODSUMOWANIE
Odmiennie niż w przypadku juwenoidów, w badaniach nad czynnikami antyjuwenilnymi, jak dotąd, nie udało się wykreować preparatu, który znalazł by praktyczne zastosowanie do ograniczania populacji owadów powodujących szkody w uprawach roślinnych i magazynach żywności. Badania nad prekoce- nami i ich strukturalnymi analogami po początkowej euforii zostały prawie zaniechane po stwierdzeniu, że połączenia te są toksyczne (głównie na wątrobę i nerki) w stosunku do ssaków. Pozostałe prezentowane w tym artykule czyn niki antyjuwenilne wykazują aktywność, ale przy dawkach znacznie przewyż szających dawki, przy których aktywne są juwenoidy, np. metopren. Nie udało się dotąd otrzymać preparatu o działaniu antyjuwenilnym, który byłby aktyw ny w pierwszym lub drugim stadium larwalnym. Otrzymanie związku o działa
678 C WAWRZEŃCZYK
niu antyjuwenilnym, aktywnego przy znacznie niższych dawkach i we wcześ niejszych stadiach rozwojowych, jest w dalszym ciągu celem dla wielu badaczy i firm specjalizujących się w badaniach nad otrzymaniem bezpiecznych ekolo gicznie insektycydów.
PIŚM IEN N IC TW O CYTOW ANE
[1] Rys. 1 pochodzi z artykułu: W. S. B o w e rs, D. M. S o d e r l u n d , Proc. Conf. Regulation o f
Insect Development and Behaviour, red. B. Cymbrowski, F. Sehnal, J. Menn, A. Zabża, Tech
nical University o f Wrocław Press, Wrocław 1981, s. 309. Dziękuję prof. Bowersowi za zgodę na zamieszczenie tego rysunku w niniejszym artykule.
[2] C. M. W illia m s , Nature, 1956, 178, 212.
[3] J. J. M e n n , M. B e ro z a , Insect Juvenile Hormones, Academic Press, New York, London, 1972.
[4] K. S la m a , M. R o m a n u k , F. S o rm , Insect Hormones and Bioanalogues, Springer-Verlag, Wien, New York, 1973.
[5] Proc. Conf.: Endocrinological Frontiers in Physiological Insect Ecology, red. F. Sehnal, A. Zabża, D. L. Denlinger, Technical University of W roclaw Press, Wroclaw 1988. £6] C. A. H e n r ic k , W. E. W illy , G. B. S ta a l, J. Agric. F ood Chem., 1976, 24, 207. [7] C. A. H e n r ic k , G. B. S ta a l, J. B. S id d la l , ibid., 1973, 21, 354.
[8] P. M a s n e r , S. D o r n , W. V o g e l, M. K a li n , O. G r a f t , E. G i i n t h a r t , w [1], s. 809; U. F is h e r , F. S c h n e i d e r , R. Z u r f lu e h , U. S. P atent 1980, 4, 215, 139.
[9] M. H a t a k o s h i , N . A g u i, I. N a k a y a m a , Appl. Ent. Zool., 1986, 21, 351; S. N is h id a , N. M a ts u o , M. H a t a k o s h i , H. K is id a , U. S. P atent, 1988, 4, 751, 225.
[10] W. S. B o w e rs, T. O h ta , J. S. C le e re , P. A. M a r s e l l a , Science, 1976, 193, 542. [11] G. E. P r a t t , W. S. B o w e rs , N ature, 1977, 265, 548.
[12]. M. P. P e n e r , L. O r s h a n , J. D e W ild e , ibid., 1978, 272, 350.
[13] D. M. S o d e r lu n d , A. M e s s e g u e r , W. S. B o w e rs , J. Agric. F ood Chem., 1980, 28, 724. [14] F. C a m p s, A. C o n c h ill o , A. M e s s e g u e r, Tetrahedron, 1987, 43, 3067.
[15] E. L a m a c h a r f i, L. M e n g u y , H. Z a m a r l i k , Synthetic Commun., 1993, 23, 3019. [16] M. T s u k a y a m a , T. S a k a m o to , T. H o r ie , Heterocycles, 1981, 16, 955.
[17] M. J. C o r te s , G. R. H a d d a d , J. H. V a l d e r r a m a , ibid., 1984, 22, 1051. [18] S. A. K u l k a r n i , M. V. p a r a d k a r , Synthetic Commun., 1992, 22, 1555. [19] P. A n a s t a s s i s , P. E. B ro w n , J. Chem. Soc. Perkin T ra n s, 1, 1983, 1431. [20] M. D e ’B e r n a r d i , G. V id a r i, P. V. F in z i, Tetrahedron, 1992, 48, 7331. [21] T. E s z e n y i, T. T im a r , P. S e b o k , Tetrahedron L e tt, 1991, 32, 827. [22] F. C a m p s, J. C o ll, A. M e s s e g u e r, J. M. M o r e to , M . A. P e r i c a s , S. R i c a r t, w [1], s. 347. [23] T. T im a r , J. C. J a s z b e r e n y i , J. Heterocyclic C hem , 1988, 25, 871. [24] G. P a n d e j , A. K r i s h n a , J. Org. C hem , 1988, 53, 2365. [25] G. T. B r o o k s , G . E. P r a t t , R. C. J e n n in g s , N atu re , 1979, 281, 570. [26] G. T. B r o o k s , A. P. O t t r i g e , D. W. M a c e , Pestic. Sci, 1988, 22, 41. [27] T. T im a r, P. S e b o k , T. E s z e n y i, J. C. J a s z b e r e n y i , Heterocycles, 1994, 38, 2719. [28] P. A n a s t a s i a s , P. E. B ro w n , J. Chem. Soc. Perkin T ra n s, 1, 1982, 2013.
[29] P. S e b o k , T. T im a r , J. C. J a s z b e r e n y i , J. J e k o , Acta. Chim. Hungarica, 1989, 126, 471. [30] S. Y. D ik e , J. R. M e r c h a n t , N. Y. S a p r e , Tetrahedron, 1991, 47, 4775.
[31] A. L e w v a i, T. T im a r , Synthetic C om m un, 1990, 20, 641. [32] T. E s z e n y i, T. T im a r , ibid., 1900, 20, 3219.
[33] F. C a m p s , O. C o l o m in a , J. Coll, A. M e s s e g u e r , J. Heterocyclic C hem , 1983, 20, 1115. [34] P. S e b o k , T. T im a r , R. E s z e n y i, T. P a t o n a y , Synthesis, 1994, 837.
[35] C. D. G a b b u t , D. J. H a r tle y , J. D. H e p w o r th , Tetrahedron, 1994, 50, 2507. [36] S. E. C l a y t o n , C. D. G a b b u t, J. D. H e p w o r th , B. M. H e r o n , ibid., 1993, 49, 939. [37] G. M a to lc s y , Y. M. D a r w is h , J. B e la i, L. V a rja s , A. G. F o ra g , Z. Naturfarsch, B. Anorg. Chem., 1980, 35B, 1449. [38] M. A n io ł, P. Ł u s ia k , C. W a w rz e ń c z y k , Heterocycles, 1994, 38, 991. [39] M. A n io ł, C. W a w rz e ń c z y k , ibid., 1994, 38, 2655.
[40] M. A n io ł, Redukcja chromenów i chromanonów metalami w ciekłym amoniaku. Praca doktors ka, Akademia Rolnicza, Wrocław 1996.
[41] M. A n io ł, B. G a b r y ś , C. W a w rz e ń c z y k , Insects. Chemical, physiological and environmen
tal aspects, red. D. Konopińska, Wrocław University Press, 1995, s. 271.
[42] G. B. S ta a l, C. A. H e n r ic k , B. J. B e rg o t, D. C. C erf, J. P. E d w a r d s , S. J. K r a m e r w [1], s. 323.
[43] G. B. Q i s t a d , D. C. C e rf, D. A. S c h o o le y , G. B. S ta h l, Nature, 1987, 289, 176. [44] F. P. G u e n g e r i c h , R. J. W i lla r d , J. P. S h e a ,L . E. R ic h a r d s , T. L. M a c D o n a ld , J. Am.
Chem. Soc., 1984, 106, 6446.
[45] E. K u w a n o , M. E to , Agric. Biol. Chem., 1986, 50, 2919.
[46] E. K u w a n o , T. H is a n o , M. E to , K. S u z u k i, G. C. U n n ith a n , W. S. B ow ers, Pestic. Sci., 1992, 34, 263.
[47] G. B. S ta a l, Ann. Rev. Entomol., 1986, 31, 391.
[48] D. H. S. H o r n , R. H. N e a r n , J. B. S id d a l, G. B. S ta a l, D. C. C e rt, Austr. J. Chem, 1983, 36, 14009.
[49] C. A. H e n r ic k , Insect Chemical Ecology, red. I. Hrdy, Academia, Praha, 1991, 429. [50] W. S. B o w e rs , G. C. U n n i t h a n , J. F u k u s h im a , J. T o d a , T. S u g iy a m a , Pestic. Sci.,
1995, 43, 1.