杀虫药剂的穿透与转运.ppt

第一节 杀虫药剂的穿透与运转,任何一种杀虫剂要对目标昆虫起作用，首先碰到的第一道障碍就是昆虫的表皮（包括体壁表皮、消化道表皮，以及气管表皮）。而杀虫剂究竟是如何穿透昆虫表皮和各种细胞膜结构而进入昆虫体内，并到达作用部位的？这是昆虫毒理学所要解决的首要问题之一。 实验表明影响穿透与分布的因素很多，最重要的是两个方面：杀虫剂的理化特性；昆虫自身的特异性尤其昆虫的取食行为学以及体壁结构的特点。,一、 引言,在田间条件下农药的穿透更多地受到生物行为学与生理学的影响。“农药穿透生物学”即研究农药的穿透与传导与生物行为学或生理学关系的理论。比如杀虫剂在田间条件下究竟以何种模式进入昆虫体内；为什么向下传导的农药主要出现在除草剂中？毒力为什么与药效并不总是呈正相关？,农药穿透生物学,近年来研究杀虫剂对昆虫表皮的穿透与分布又 受到了重视，主要是由于两方面的原因： 在研究害虫抗药性机理的工作中，科学家们发现有许多害虫对杀虫剂抗性的增强与昆虫表皮对杀虫剂的穿透性降低有关，并在家蝇中找到抗穿透的“Pen”基因。 随着昆虫生长发育抑制剂苯甲酰基苯基脲类（Benzoylphenl Ureas）的发展，昆虫表皮生理以及表皮穿透等问题也得到进一步的研究。,二、杀虫剂进入昆虫体内的途径,作用部位,.胃毒作用,.内吸作用,.触杀作用,.熏蒸作用,三 、膜渗透的一般原理,被动转运(passive transport) 主动转运(active transport) 胞吐(exocytosis)、胞纳(endocytosis),1. 被动转运（passive transport） 顺着浓度差（concentration gradient）或电位差（potential gradient, 二者合称电化学梯度）产生的净流动叫被动转运。 (1)单纯扩散（simple diffusion）：物质的分子或离子顺着电化学梯度通过细胞膜的方式称为单纯扩散。 (2)易化扩散（facilitated diffusion）：一些不溶于脂质或溶解度很小的物质，在膜结构中的一些特殊蛋白质的“帮助”下从膜的高浓度一侧扩散到低浓度一侧的物质转运方式称为易化扩散。,以载体为中介的易化扩散（carrier mediated diffusion）： 葡萄糖、氨基酸 由通道中介的易化扩散（channel mediated diffusion）： 如Na、 K和Ca2+等离子通道（ion channel）,(2)协助扩散（facilitated diffusion）,2. 主动转运（active transport） 细胞膜通过本身的耗能过程，逆电-化学梯度将物质分子或离子从膜的低浓度一侧向高浓度一侧转运的过程。 离子泵：其中由ATP直接供能的称为原发性主动转运(primary active transport)；而由ATP间接供能的称为继发性主动转运。 (1)原发性主动转运(primary active transport) 钠-钾泵或称钠泵(sodium pump),将细胞内的Na逆着浓度差移出细胞外，同时将细胞外的K逆浓度差摄入细胞内，以保持细胞内高K和细胞外高 Na的不均匀离子分布。,（2）继发性主动转运(secondary active transport) 继发性主动转运或协同转运是指利用钠-钾泵的高势能贮备所进行的逆浓度梯度的主动转运过程，通常可称为协同转运或联合转运。其驱动力并不直接来自ATP分解，而是来自另一物质原发性主动转运所形成的离子浓度而进行的逆差转运。 例如在小肠和肾小管中的葡萄糖和氨基酸的逆浓度梯度转运即属于协同转运。,肾小管上皮细胞对GS的转运,基侧膜 钠泵活动 Na+浓度势能差 管腔膜 Na+、GS 同向转运体 GS再易化扩散 入血腔,基本步骤： 1.细胞基底侧膜上钠泵活动细胞内Na+，低于肠腔内容物，形成细胞管腔膜两侧的Na+浓度梯度（细胞内低于肠腔内容物(食糜)； 2.肠腔内的Na+和葡萄糖与管腔膜上的转运体结合,顺Na+的浓度梯度将Na+和葡萄糖同时移入细胞内。 3.细胞内葡萄糖浓度,经基底膜上葡萄糖载体蛋白顺葡萄糖浓度梯度移出细胞而进入组织液(被吸收)。,3.胞吐（ Exocytosis）与胞纳(endocytosis)式转运 某些大分子物质或物质团块的转运，可通过膜的结构与功能变化如变形和破裂等，使之进出细胞。两者均需消耗能量，所以也属主动转运。 （1）胞吐：也叫出胞，是指某些大分子物质团块从细胞内排出的过程。 如腺体细胞中分泌物的排出，神经轴突末梢释放递质等。,Exocytosis,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合将物质排出细胞之外。,（2）胞纳（吞噬作用） 是指细胞外较大的固体颗粒物质如细菌、病毒、异物、血浆中脂蛋白及大分子营养物质等进入细胞的过程，也叫入胞。,Phagocytosis,四、通过体壁的穿透,1. 表皮性质与穿透 表皮层中起阻隔作用的主要是蜡质层。 （1）表皮上具附属毛 （2）上表皮的蜡质层厚度 （3）外表皮的骨化程度；半翅目、鞘翅目 (4) 表皮在体躯的不同部位的厚度不同,护腊层：类脂及鞣化蛋白 腊 层：蜡质（防水） 多元酚层 :脂蛋白和多元酚 角质精层：鞣化脂蛋白、类脂 外表皮:(硬)鞣化蛋白、几丁质 内表皮:(厚)几丁质、蛋白质 真皮细胞（膜结构）：单层细胞 底膜：中性粘多糖（血细胞分泌） 表皮孔道：有利穿透 体壁上的外长物:毛、刺、鳞片,原表皮,表皮,油相,上表皮,昆虫体壁的一般结构,水相,油/水分配系数？,头部与胸部的表皮比腹部容易透入: 在头部中，触角及口器是两个易穿透的部位.也有例外如蝴蝶： 翅；足交易透入； 表皮上的特殊构造：孔道、皮腺管、化感器、节间膜也决定了药剂的穿透； 实际上跗节是杀虫剂进入的一个重要通道。 杀虫剂究竟以何种模式进入昆虫取决于药剂的作用方式和昆虫的取食行为学习性。,四、通过体壁的穿透,杀虫药剂的理化性质与穿透 （1）药剂的穿透与其亲脂性有关，如脂肪酸和烟碱； （2）药剂的穿透与其解离程度或离子化程度成反比， 如烟碱和亚砷酸钠； （3）表面张力与穿透性也有一定的关系； （4）皮细胞膜或底膜、微气管膜对杀虫剂转运的影响,四、 通过体壁的穿透,杀虫剂施于昆虫时，一般首先与昆虫表皮的护蜡层接触，由于上表皮是亲脂性的，对极性化合物有较强的抵抗作用，故在许多情况下，触杀效果好的杀虫剂大部分是在非极性化合物中被发现。Olson和OBrien（1963）发现在亲脂性与表皮的穿透速率之间存在着反相关。他们认为杀虫剂使上表皮的蜡质变成饱和，而要穿透进入虫体，杀虫剂还必须分布进入极性较大的内表皮，当极性较大的杀虫剂点滴进入上表皮蜡层后，其穿透速率较快。,药剂油水分配系数对穿透的影响,表1-1 杀虫剂点滴美洲蜚蠊时分配系数与吸收间的关系,张宗炳（1962）用各种脂肪酸对蚊子幼虫的穿透；Treherne(1956、1957)用各种化合物对对兔子皮肤和蝗虫体壁的穿透证明化合物的穿透速率与油水分配系数成正相关。 导致这些实验结果的原因有2个方面的原因：化合物和生物材料的差异；研究方法的差异。,药剂油水分配系数对穿透的影响,实际上药剂穿透速率与亲脂性呈现较复杂的关系。C.F.威尔金逊认为杀虫剂的穿透方程可以用下述方程描述。就是说在K和p两者之间是真正的抛物线关系，对于穿透速率最适宜时都有一个p值。因此在最值的任何一边上的p值，在K和p两者之间，有一个明显的直线关系，而所作图的斜率可以是正的或负的。,药剂油水分配系数对穿透的影响,药剂油水分配系数与穿透率的关系,药剂不管是直接穿透体壁还是通过侧向转运经过微气管膜进入靶标均需一个半透膜的转运过程，因此杀虫剂分子的空间结构、油水分配系数、电负性等参数会综合性地影响其通过体壁的穿透过程。,3.辅助剂对穿透的影响溶剂,四、通过体壁的穿透,增加脂溶性及穿透腊质的能力； 减低表面张力，增加接触面； 溶解及破坏上表皮腊质层，使不具脂溶性的物质也能透过。故一般加入溶剂毒力均有所提高。 如鱼藤水悬浮剂比鱼藤乳油对瓜蝽象的毒力要小一半。,在某些情况下油剂可以改变表皮的性质，因而改变了杀虫剂的穿透性。 （1）使杀虫剂增加附着在昆虫体上的机会； （2）破坏上表皮蜡质层或携带杀虫剂穿透表皮； （3）分裂体壁内部脂质-蛋白质有机体。 油的沸点越低，黏度越小，穿透力越大，因此轻油大于重油大于润滑油，矿物油大于植物油和动物油。所以，平常用的油剂都用煤油、柴油等。,3.辅助剂对穿透的影响 油携带剂,一般也能间接地增加药剂的穿透。湿润剂可很好地黏着在昆虫表皮上，增加了穿透的面积和机会，同时还能溶解上表皮的蜡质层和破坏表皮的几丁-蛋白质层。 最有效的去污剂和湿润剂应具备： （1）足够的脂溶性，以便使杀虫剂穿透上表皮的蜡质层； （2）具有一定的水溶性，从而使杀虫剂能穿透内表皮；,3.辅助剂对穿透的影响去污剂和湿润剂,4 不具脂溶性物质的穿透 砷素剂、氟素剂等矿物质农药，其穿透可能是由于表皮的吸收作用，但仅是推测而已。此外水溶性化合物如何穿透昆虫体壁也是值得深入探讨的问题。,四、通过体壁的穿透,卵壳的结构与一般昆虫表皮的构造不同，故很多触杀剂对卵无效。 外卵壳：蛋白质和脂肪组成 内卵壳：蛋白质组成，可分为很多小层。 卵黄膜：构造与昆虫表皮很相似 胚胎： 卵孔：1-70个，是受精时精子进入的通道。有保 护物覆盖药剂不易透过。 小孔：有/无 与外界进行气体交换。,五 、卵壳的穿透,卵壳,卵的构造,杀卵剂的作用并不完全决定于对卵壳的穿透，不能穿透的也可杀卵。 一般杀卵剂的作用包括： （1）一些药剂使昆虫的卵壳变厚，使胚胎在其中 不能出来而死亡 如石硫合剂的杀卵作用； （2）在卵壳外或内将胚胎包围使其不能呼吸而窒 息死亡 如油剂的作用； （3）药剂穿透卵壳对胚胎起毒杀作用 如灭幼脲等。 （4）影响核酸代谢表现为不育作用，多通过作 用于成虫的生殖系统起作用，如噻嗪酮等。,五 、卵壳的穿透,被动扩散 主动运输 通过水孔 通过水孔的穿透实际上是亲水化合物、小分子量 化合物被动扩散。,（一）穿透消化道,六、通过消化道的穿透,影响穿透速率因素： 药剂种类； 药剂油水分配系数； 消化道生理特性：pH决定杀虫剂的解离性。 如碱性砷酸钙在中肠容易解离故无法穿透中肠； 消化道酶：活化（增毒），降解（减毒）,进入肠壁（油相） 进入血腔（水相）,（二）穿透消化道,六、通过消化道的穿透,药物解离度对穿透消化道的影响： 生物膜允许分子型化合物扩散通过，如果离子化部分不能通过水孔，那么其穿过消化道膜将取决于胃液的pH值。药物的解离特性以pKa表示：即药物在50解离时的溶液pH值。每种化合物的pKa值是一定的。,弱酸性药物： HA H A Ka= H A / HA pKa=pH-log A / HA pH-pKa=logA/ HA 10 pH-pKa= A / HA 当pH= pKa时，HAA 在pH值低的环境中解离度小。易透过膜。,弱碱性药物： BH H B Ka= H B / BH pKa=pH-log B / BH =pH+log BH / B pKa-pH=log BH / B 10 pKa - pH= BH / B = 解离型/ 非解离型 当pH= pKa时，BBH 在pH值高的环境中解离度小。易透过膜。,神经系统是杀虫药剂的主要靶标。 1 高等动物血脑屏障（biood brain barrier,BBB） 存在于血液与脑细胞外空隙之间， 围绕脑细胞的某些毛细血管内表皮细胞内； 在血液与脊髓之间，处于脉络丛中。 三个屏障都允许脂溶性物质的通过，但穿透率不同。,七、对神经膜的穿透,可能在胶质细胞和胶质细胞附近区域。类似生物膜的结构，非离子部分可以穿过，电解质的离子部分被阻挡在血-脑屏障的外面。杀虫剂的电离常数及溶液的pH等因素也影响穿过血-脑屏障。如果能控制处理溶液的pH，减低电离度，可以增加杀虫剂对血-脑屏障的穿透，从而增加对昆虫的毒力。,2 昆虫的血脑屏障,七、对神经膜的穿透,昆虫的血脑屏障和哺乳动物的在性质上是一致的，都是阻隔大分子及极性分子的进入，差别在于昆虫的血脑屏障层对某些化合物的隔离作用更为有效；另一个重要差别在于哺乳动物的血脑屏障并不能保护其周围神经系统。 如胺吸磷（离子化合物），由于昆虫的胆碱能突触全部集中在中枢神经系统，胺吸磷不能越过屏障，因此，对昆虫的毒力很低。在哺乳动物中，外周神经系统有胆碱能突触，但没有膜屏障保护，所以胺吸磷对哺乳动物毒性很大。,Fick扩散定律: 该定律表明，扩散是一个一级反应。即在任何时间的穿透速率与该时间在体表上杀虫药剂的量成正比. -dc/dt=KC C：在体表上杀虫药剂的残留量，K是穿透的速率常数。,八、穿透动力学,由上式可进一步推出： 用穿透的剂量对数与穿透时间作图可得到一条直线。,C0是药剂的应用剂量，e 是自然对数,DDT对大鼠皮肤的穿透，乐果、和对硫磷穿透进入美洲蜚蠊的情况，完全符合这种规律。,但杀虫剂的穿透并不仅仅是以这种简单的方式进行的，在许多情况下，还存在着穿透的双相型或更复杂的形式。比如，拟除虫菊酯穿透进入辣根猿叶甲(Phaedon cockledriae)，666异构体进入美洲蜚蠊，马拉硫磷和狄氏剂进入鼠体（图1-3），所获得的穿透曲线形式明显地取决于代谢因素，它影响了杀虫剂在体壁内层的消失速率。因此，杀虫剂从体壁外层向内层的转移是很快的，而到达内层后则扩散速率逐渐趋于稳定。,a.除虫菊酯进入辣根猿叶甲；(b) 666异构体进入美洲蜚蠊； (c) 马拉硫磷和（d）狄氏剂穿透雌大鼠表皮,一般认为主要通过血淋巴转运，但也有学者认为通过血淋巴转运是次要的。 1 通过血淋巴的转运 一般认为，杀虫剂与血浆蛋白结合，并被带到其他器官，主要是清蛋白。,九、杀虫剂通过不同途径的转运,2 通过昆虫表皮中的侧向转运 Greolt认为血淋巴在杀虫剂的转运过程中是次要的，而主要是在表皮中进行侧向运转，即沿表皮的腊层进入气管系统，然后由微气管到达作用部位。 （1）血淋巴中所含有的杀虫剂所能产生的杀虫效果很小。Spiller（1955）和Colhoun（1960）用联体昆虫进行了实验，结果表明处理昆虫的血液对另一头相联的昆虫无毒性。,九、杀虫剂通过不同途径的转运,（2）放射性自显影实验：Greolt用14C -狄氏剂处理沙漠蝗幼虫腹部表皮的放射性自显影图谱显示，狄氏剂在整个蝗虫表皮展布开来，而处理家蝇幼虫，则显示药剂积累在气管系统。,九、杀虫剂通过不同途径的转运,2 通过昆虫表皮中的侧向转运,（3）胆碱酯酶活性的组织化学测定揭示:杀虫剂在虫体内运转过程中