The interaction between organophosphorus insecticides and esterases in homogenates of organophosphate susceptible and resistant houseflies

Housefly homogenates contain different esterases, which compete for added organophosphates. Among these the cholinesterase and an ali-esterase rank first. If small amounts of organophosphate are added, the final result of the competition depends on the amounts of the esterases present and their reaction rates. The bimolecular rate constants (Table I) show that the ali-esterase is a powerful competitor of the cholinesterase for DDVP, paraoxon and diazoxon. Accordingly it was found that removal of the ali-esterase by denaturation (AD-treatment) strongly enhances the inhibition of the cholinesterase by these three compounds (Tables II, III and IV; Figs 1, 2 and 3), but not by tetram and QAT.In homogenates of organophosphate resistant flies, which as previously shown contain much less ali-esterase, cholinesterase inhibition was generally much stronger than in susceptible homogenates (Table IV: Figs 1, 2 and 3). It seemed difficult to reconcile these findings with previous observations showing that low ali-esterase activity and resistance are closely connected. Further studies, however, showed that resistant flies contain a modified ali-esterase which has the capacity of degrading the organophosphates (P=O compounds) to which resistance has developed. The change of the ali-esterase (in susceptible flies) into a phosphatase (the modified enzyme in resistant flies) is due to a single gene mutation, which in the two resistant strains investigated is also responsible for the resistance. In each of these two strains the phosphatase shows a very high affinity for its substrates-paraoxon and diazoxon.

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Zusammenfassung Wenn einem Stubenfliegen-Homogenisat Phosphorsäure-Ester zugesetzt werden, dann werden mehrere Esterasen in wechselseitiger Konkurrenz mit diesen Substanzen zu reagieren versuchen. Die wichtigsten sind die Cholinesterase und eine Aliesterase, die zur Hydrolyse des Methyl- und Phenylbutyrats und mehrerer anderen Ester befähigt ist. Nach Zusatz geringer Mengen von Phosphorsäure-Ester wird das Endergebnis dieses Wettbewerbes von den Quantitäten der Esterasen und ihren Reaktionsgeschwindigkeiten abhängig sein.Tabelle I zeigt die bimolekularen Geschwindigkeitskonstanten für die Reaktionen zwischen der Cholinesterase und der Aliesterase und den fünf untersuchten Estern: DDVP, Paraoxon, Diazoxon, Tetram und QAT (die quaternären Phosphonothiolat-Analoge von Tetram). Aus diesen Daten wird geschlossen, daß die Aliesterase ein wichtiger Konkurrent der Cholinesterase für DDVP, Paraoxon und Diazoxon darstellt. Dementsprechend wurde gefunden, daß ach Beseitigung der Aliesterase mittels einer Denaturierung (AD-Verfahren) die Hemmung der Cholinesterase durch diese drei Substanzen bedeutend höher ist (Tabelle II, III und IV; Fig. 1, 2 und 3), nicht aber jene durch Tetram und QAT.In Homogenisaten von Phosphorester-resistenten Fliegen, die — wie früher gezeigt wurde — viel weniger Aliesterase enthalten, war die Hemmung der Cholinesterase meistens viel stärker als in empfindlichen Homogenisaten (Tabelle IV; Fig. 1, 2 und 3). Es erschien schwer, diese Befunde mit dem früheren in Einklang zu bringen, daß niedrige Aliesterase-Aktivität und Resistenz eng verbunden seien. Weitere Versuche aber zeigten, daß resistente Fliegen eine modifizierte Aliesterase enthalten, die keine oder eine nur geringe Aktivität gegenüber Methyl- und Phanylbutyrat aufweist, aber die Fähigkeit besitzt, die Phosphorsäure-Ester, gegen welche Resistenz besteht, abzubauen. Die Substrat-Spezifizität und Aktivität wiesen eine deutliche Korrelation mit der Art und Höhe der Resistenz auf.Die Umwandlung der Aliesterase (in empfindlichen Fliegen) in eine Phosphatase (das modifizierte Enzym in resistenten Fliegen) wird durch eine einzige Gen-Mutation verursacht. Diese ist in den zwei untersuchten Stämmen auch für die Resistenz verantwortlich.Die Phosphatasen haben eine hohe Affinität für ihre Substrate, Paraoxon und Diazoxon. Die Abbau-Geschwindigkeit in vitro (0.01–0.04 g/St/Fliege) ist aber niedrig im Vergleich mit den gefundenen LD₅₀-Werten. Da ihre Bedeutung für den Mechanismus der Resistenz feststeht, muß entweder angenommen werden, daß der Abbau in vivo schneller verläuft oder daß strukturelle Faktoren in der lebenden Fliege einen wichtigen Einfluß ausüben.Weitere Betrachtungen ermöglichten die Berechnung der wahrscheinlichen Aliesterase- und Phosphatase-Konzentration und der Umsatzzahlen für Diazoxon in Homogenisaten.