传统杀虫剂在防控害虫、保障粮食安全等方面发挥着十分重要的作用。但是,由于人们对杀虫剂的不合理使用以及其自身所固有的缺陷,也带来害虫抗药性、食品安全、非靶标生物毒性、环境污染、对人畜不安全等一系列问题。因此,寻找高效低毒、环境友好、绿色安全的新型杀虫剂成为农药创制与研发的热点之一。模拟肽学是近十几年来出现的新的研究热点,尤其是在医药领域,模拟肽学已经作为一项重要的新药创制手段,目前已有大量的肽模拟药物如HIV抑制剂、抗菌剂、抗肿瘤药物、抗病毒药物等通过该方法开发成功。本课题组前期首次将该方法应用于新农药的创制中,并成功发现数个昆虫生长调节剂的先导化合物。模拟肽学已成为医药、农药创制与开发的重要手段之一。昆虫激肽(Insect Kinins,IKs)是一类C末端均为Phe1-Xaa2-Yaa3-Trp4-Gly5-NH2保守五肽序列的活性短肽,其中Xaa可以是His,Asn,Phe,Ser或Tyr;Yaa可以是Pro,Ser或Ala。生物活性研究表明,昆虫激肽及其类似物能够促进昆虫马氏管扭动及原尿分泌、调节血淋巴量以及水盐平衡、引起昆虫马氏管跨膜电位去极化、促进后肠收缩等。此外,还发现它们能调节昆虫体内蛋白水解酶、脂肪酶等消化酶的释放、抑制幼虫增长、引起蚜虫拒食并死亡等。IKs具有活性高、安全性好、环境友好等优点,因此被认为是一类潜在的新型害虫控制剂先导。但是,IKs具有肽类化合物普遍存在的易被酶代谢、药代动力学差等缺陷,限制了其在农业上的直接应用。为了发现结构新颖、高效低毒、环境友好的新型生态杀虫剂先导,探索杀虫剂创制的新思路,本论文选取昆虫激肽及其类似物为研究对象,借鉴国内外学者已取得的相关研究成果,运用模拟肽学的思路和方法进行新型生态杀虫剂的创制发现,期望通过设计、合成、生物活性及构效关系研究,发现高活性先导化合物,为进一步发现潜在的生态杀虫剂提供理论指导和数据支持,本论文取得了以下创新性成果:1.天然的昆虫激肽结构复杂,不适合直接作为新型农药创制的先导化合物,本论文选择具有拒食和杀蚜活性的六肽昆虫激肽类似物Aib-Phe-Phe-Aib-Trp-Gly-NH2为一级先导化合物,通过对N端酶解位点片段Aib-Phe中的Aib基团进行取代修饰,采用固相多肽合成方法合成了第I系列共10个昆虫激肽类似物并进行了杀蚜活性评价,通过构效关系研究首次发现:使用羧酸替换该片段的Aib基团对于类似物的活性不利,而去掉Aib基团对于类似物I-10的生物活性反而有利,其杀虫活性略优于先导,这进一步证实了昆虫激肽C端核心五肽是发挥其生物活性的关键功能区,核心五肽类似物I-10:Phe-Phe-Aib-Trp-Gly-NH2是进一步进行新型杀虫剂创制的理想先导化合物。2.为了进一步研究N端酶解位点片段Aib-Phe的Phe位点对于生物活性的影响,在二级先导化合物I-10的基础上,通过采用H、不同碳链长度的苯基羧酸、天然产物肉桂酸及其其取代苯基衍生物替换N端Phe,设计并合成了两类共21个第II系列昆虫激肽模拟物,并进行了杀虫活性评价,其中化合物II-B-1杀蚜活性优于二级先导,与商品化药剂吡蚜酮相当:初步研究了核心五肽模拟物的构效关系,并结合Nachman等人提出的昆虫激肽受体与配体相互作用模型,进一步探讨了昆虫激肽受体对于配体类似物的结构要求及进一步结构优化的方向。该研究为下一步设计更多高活性的昆虫激肽类似物提供了理论指导。3.为了获得活性更优的化合物并探索结构与活性之间的关系,论文在Ⅰ、Ⅱ系列化合物及其构效关系研究的基础上,以前期发现的高活性模拟物Ⅱ-B-1为三级先导,将可修饰部分分为三部分,采用模拟肽学中常用的骨架结构修饰及关键氨基酸位点的修饰,进行了如下三个方面的研究:Ⅰ.为了探索引入E-杂(萘)环基丙烯酸对类似物活性的影响,对Ⅱ-B-1肉桂酸的苯基用杂(萘)环(A部分)进行了取代修饰并进行了生物活性测试及构效关系研究。结果表明:肉桂酸中的苯环被杂(萘)环替换后,化合物的杀蚜活性均有所下降,说明苯环在类似物配体与受体相互作用过程中起着非常重要的作用,属于保守基团。Ⅱ.在核心五肽类似物Ⅱ-B-1中,Aib3位于另一个酶解位点片段Aib-Trp中,同时该位点对于肽链的空间走向起着重要的作用,转角构象的折角通常位于该位点。因此,对于该位点的修饰不仅可能会发现活性更优异的化合物,还可以通过引入线性及空间位阻、走向限定的(非)天然氨基酸,研究昆虫激肽类似物可能的活性构象。据此,论文分别采用H、线性及空间位阻、走向限定的(非)天然氨基酸对Aib3进行了取代修饰并进行了生物活性测试及构效关系研究。结果表明:类似物Ⅳ-3、Ⅳ-5、Ⅳ-6、Ⅳ-9和Ⅳ-10杀虫活性均优于三级先导Ⅱ-B-1,且优于商品化药剂吡蚜酮。推测Aib3引入线性或空间走向限定的非天然氨基酸后,可能既提高了类似物的抗酶解能力,又形成了能与受体更好结合的构象。Ⅲ.为了探讨C端Gly5位点对类似物生物活性的影响以及从C端进行类似物结构简化的可能性,论文采用氨基酸取代的方法,设计合成了 10个Gly5位点修饰Ⅱ-B-1类似物,并测试了生物活性。结果显示:该系列化合物的杀蚜活性普遍低于三级先导,其中,活性相对较好的类似物V-9的活性略低于先导,Inp(哌啶-4-甲酸,piperidine-4-carboxylic acid)可能是较好的Gly5模拟子。这表明该位点具有一定的保守性,但结构简单、易于修饰,在将来的非肽化改造中可以考虑从该位点入手。4.为了研究类似物的杀虫活性与构象的关系,本文选取有代表性的类似物,采用核磁共振和分子动力学技术,研究了它们在溶液中的构象。通过分析它们在溶液中的构象,并结合杀虫活性研究构象与活性间的关系。初步研究结果表明:论文所合成的高活性化合物均具有类似β-转角、Phe2侧链苯环和Trp4侧链吲哚环均位于肽链骨架的同侧且相邻的构象特征。5.我们采用中科院上海有机化学研究所计算化学课题组开发的毒性、活性预测系统(Prediction System of Carcinogenic Toxicity Version 1.0,Prediction System for Mutagenic Toxicity Version 1.0 and CISOC-LOGP Version 1.0)对化合物进行了 Log P值的计算和急性毒性、致癌毒性、致突变毒性及活性预测,为化合物的成药性研究及生物活性筛选提供一定的理论指导。毒性预测结果显示:大部分类似物无明显毒性,只有少数含硝基、卤素原子、芳杂环的类似物表现出预测毒性;活性预测结果显示:该类化合物还可能是一类潜在的作物生长促进剂和杀菌剂。具有抑菌活性的肽类化合物的研究报道非常多,这类肽被总称为抗菌肽,已有研究者提出可以将昆虫源抗菌肽应用于农业病原菌的防治。据此,本论文对所合成的化合物进行了初步离体抑菌活性的测试。结果显示:化合物对辣椒疫霉病菌、水稻纹枯病菌、水稻恶苗病菌、玉米小斑病菌、辣椒炭疽病菌、水稻稻瘟病菌、油菜菌核病菌、小麦全蚀病菌、番茄灰霉病菌、番茄早疫病菌、黄瓜靶斑病菌和玉米丝黑穗病菌均具有一定的离体抑制活性,特别是对辣椒疫霉病菌、油菜菌核病菌、水稻稻瘟病菌、玉米丝黑穗病菌,部分化合物的离体抑菌活性优于商品化药剂苯醚甲环唑。论文首次发现昆虫激肽类似物具有较好的离体抗菌活性,是一类潜在的昆虫源抗菌肽,值得进一步研究。综上所述,论文以昆虫激肽为研究对象,设计、合成了五个系列全新结构的模拟肽类似物,并进行了杀虫活性和离体抑菌活性的测试,探讨了结构与生物活性之间的关系。论文阐述了运用模拟肽学创制新型生态杀虫剂的思路和方法,发现了 9个杀蚜活性优于先导化合物的候选化合物,同时首次发现昆虫激肽类似物具有优异的离体抑菌活性,是一类潜在的昆虫源抗菌肽。论文的研究成果对新型杀虫剂和杀菌剂的创制工作具有重要的理论和实际意义。