殺蟲藥劑的穿透與轉(zhuǎn)運課件

第一節(jié)殺蟲藥劑的穿透與運轉(zhuǎn)

任何一種殺蟲劑要對目標(biāo)昆蟲起作用，首先碰到的第一道障礙就是昆蟲的表皮（包括體壁表皮、消化道表皮，以及氣管表皮）。而殺蟲劑究竟是如何穿透昆蟲表皮和各種細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)而進(jìn)入昆蟲體內(nèi)，并到達(dá)作用部位的？這是昆蟲毒理學(xué)所要解決的首要問題之一。實驗表明影響穿透與分布的因素很多，最重要的是兩個方面：殺蟲劑的理化特性；昆蟲自身的特異性尤其昆蟲的取食行為學(xué)以及體壁結(jié)構(gòu)的特點。一、引言

在田間條件下農(nóng)藥的穿透更多地受到生物行為學(xué)與生理學(xué)的影響?！稗r(nóng)藥穿透生物學(xué)”即研究農(nóng)藥的穿透與傳導(dǎo)與生物行為學(xué)或生理學(xué)關(guān)系的理論。比如殺蟲劑在田間條件下究竟以何種模式進(jìn)入昆蟲體內(nèi)；為什么向下傳導(dǎo)的農(nóng)藥主要出現(xiàn)在除草劑中？毒力為什么與藥效并不總是呈正相關(guān)？農(nóng)藥穿透生物學(xué)

近年來研究殺蟲劑對昆蟲表皮的穿透與分布又受到了重視，主要是由于兩方面的原因：①在研究害蟲抗藥性機理的工作中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有許多害蟲對殺蟲劑抗性的增強與昆蟲表皮對殺蟲劑的穿透性降低有關(guān)，并在家蠅中找到抗穿透的“Pen”基因。②隨著昆蟲生長發(fā)育抑制劑—苯甲?；交孱悾˙enzoylphenlUreas）的發(fā)展，昆蟲表皮生理以及表皮穿透等問題也得到進(jìn)一步的研究。

三、膜滲透的一般原理被動轉(zhuǎn)運(passivetransport)主動轉(zhuǎn)運(activetransport)胞吐(exocytosis)、胞納(endocytosis)

1.被動轉(zhuǎn)運（passivetransport）

順著濃度差（concentrationgradient）或電位差（potentialgradient,二者合稱電化學(xué)梯度）產(chǎn)生的凈流動叫被動轉(zhuǎn)運。

(1)單純擴散（simplediffusion）：物質(zhì)的分子或離子順著電化學(xué)梯度通過細(xì)胞膜的方式稱為單純擴散。

(2)易化擴散（facilitated

diffusion）：一些不溶于脂質(zhì)或溶解度很小的物質(zhì)，在膜結(jié)構(gòu)中的一些特殊蛋白質(zhì)的“幫助”下從膜的高濃度一側(cè)擴散到低濃度一側(cè)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運方式稱為易化擴散。

①以載體為中介的易化擴散（carrier

mediated

diffusion）：葡萄糖、氨基酸②由通道中介的易化擴散（channelmediateddiffusion）：如Na＋、K＋和Ca2+等離子通道（ionchannel）(2)協(xié)助擴散（facilitated

diffusion）2.主動轉(zhuǎn)運（activetransport）

細(xì)胞膜通過本身的耗能過程，逆電-化學(xué)梯度將物質(zhì)分子或離子從膜的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運的過程。離子泵：其中由ATP直接供能的稱為原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(primaryactivetransport)；而由ATP間接供能的稱為繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運。

(1)原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(primaryactivetransport)

鈉-鉀泵或稱鈉泵(sodiumpump),將細(xì)胞內(nèi)的Na＋逆著濃度差移出細(xì)胞外，同時將細(xì)胞外的K＋逆濃度差攝入細(xì)胞內(nèi)，以保持細(xì)胞內(nèi)高K＋和細(xì)胞外高Na＋的不均勻離子分布。

（2）繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(secondaryactivetransport)

繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運或協(xié)同轉(zhuǎn)運是指利用鈉-鉀泵的高勢能貯備所進(jìn)行的逆濃度梯度的主動轉(zhuǎn)運過程，通?？煞Q為協(xié)同轉(zhuǎn)運或聯(lián)合轉(zhuǎn)運。其驅(qū)動力并不直接來自ATP分解，而是來自另一物質(zhì)原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運所形成的離子濃度而進(jìn)行的逆差轉(zhuǎn)運。例如在小腸和腎小管中的葡萄糖和氨基酸的逆濃度梯度轉(zhuǎn)運即屬于協(xié)同轉(zhuǎn)運。

基本步驟：1.細(xì)胞基底側(cè)膜上鈉泵活動→細(xì)胞內(nèi)[Na+]↓，低于腸腔內(nèi)容物，形成細(xì)胞管腔膜兩側(cè)的Na+濃度梯度（細(xì)胞內(nèi)低于腸腔內(nèi)容物(食糜)；2.腸腔內(nèi)的Na+和葡萄糖與管腔膜上的轉(zhuǎn)運體結(jié)合,順Na+的濃度梯度將Na+和葡萄糖同時移入細(xì)胞內(nèi)。3.細(xì)胞內(nèi)葡萄糖濃度↑,經(jīng)基底膜上葡萄糖載體蛋白順葡萄糖濃度梯度移出細(xì)胞而進(jìn)入組織液(被吸收)。3.胞吐（Exocytosis）與胞納(endocytosis)式轉(zhuǎn)運

某些大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊的轉(zhuǎn)運，可通過膜的結(jié)構(gòu)與功能變化如變形和破裂等，使之進(jìn)出細(xì)胞。兩者均需消耗能量，所以也屬主動轉(zhuǎn)運。

（1）胞吐：也叫出胞，是指某些大分子物質(zhì)團(tuán)塊從細(xì)胞內(nèi)排出的過程。如腺體細(xì)胞中分泌物的排出，神經(jīng)軸突末梢釋放遞質(zhì)等。

（2）胞納（吞噬作用）是指細(xì)胞外較大的固體顆粒物質(zhì)如細(xì)菌、病毒、異物、血漿中脂蛋白及大分子營養(yǎng)物質(zhì)等進(jìn)入細(xì)胞的過程，也叫入胞。

液體或極小的顆粒物質(zhì)

細(xì)菌Phagocytosis四、通過體壁的穿透1.表皮性質(zhì)與穿透

表皮層中起阻隔作用的主要是蠟質(zhì)層。（1）表皮上具附屬毛（2）上表皮的蠟質(zhì)層厚度（3）外表皮的骨化程度；半翅目、鞘翅目

(4)表皮在體軀的不同部位的厚度不同

護(hù)臘層：類脂及鞣化蛋白臘層：蠟質(zhì)（防水）

多元酚層:脂蛋白和多元酚角質(zhì)精層：鞣化脂蛋白、類脂外表皮:(硬)鞣化蛋白、幾丁質(zhì)內(nèi)表皮:(厚)幾丁質(zhì)、蛋白質(zhì)真皮細(xì)胞（膜結(jié)構(gòu)）：單層細(xì)胞底膜：中性粘多糖（血細(xì)胞分泌）表皮孔道：有利穿透體壁上的外長物:毛、刺、鱗片

原表皮表皮油相上表皮昆蟲體壁的一般結(jié)構(gòu)

水相油/水分配系數(shù)？殺蟲藥劑的理化性質(zhì)與穿透（1）藥劑的穿透與其親脂性有關(guān)，如脂肪酸和煙堿；（2）藥劑的穿透與其解離程度或離子化程度成反比，如煙堿和亞砷酸鈉；（3）表面張力與穿透性也有一定的關(guān)系；（4）皮細(xì)胞膜或底膜、微氣管膜對殺蟲劑轉(zhuǎn)運的影響四、通過體壁的穿透

殺蟲劑施于昆蟲時，一般首先與昆蟲表皮的護(hù)蠟層接觸，由于上表皮是親脂性的，對極性化合物有較強的抵抗作用，故在許多情況下，觸殺效果好的殺蟲劑大部分是在非極性化合物中被發(fā)現(xiàn)。Olson和O`Brien（1963）發(fā)現(xiàn)在親脂性與表皮的穿透速率之間存在著反相關(guān)。他們認(rèn)為殺蟲劑使上表皮的蠟質(zhì)變成飽和，而要穿透進(jìn)入蟲體，殺蟲劑還必須分布進(jìn)入極性較大的內(nèi)表皮，當(dāng)極性較大的殺蟲劑點滴進(jìn)入上表皮蠟層后，其穿透速率較快。藥劑油水分配系數(shù)對穿透的影響表1-1殺蟲劑點滴美洲蜚蠊時分配系數(shù)與吸收間的關(guān)系殺蟲劑分配系數(shù)（橄欖油-水）穿透中時間（分鐘）DDT3161584狄氏劑64320對氧磷4.0655樂果0.3427

實際上藥劑穿透速率與親脂性呈現(xiàn)較復(fù)雜的關(guān)系。C.F.威爾金遜認(rèn)為殺蟲劑的穿透方程可以用下述方程描述。就是說在K和p兩者之間是真正的拋物線關(guān)系，對于穿透速率最適宜時都有一個p值。因此在最值的任何一邊上的p值，在K和p兩者之間，有一個明顯的直線關(guān)系，而所作圖的斜率可以是正的或負(fù)的。藥劑油水分配系數(shù)對穿透的影響藥劑油水分配系數(shù)與穿透率的關(guān)系

在某些情況下油劑可以改變表皮的性質(zhì)，因而改變了殺蟲劑的穿透性。（1）使殺蟲劑增加附著在昆蟲體上的機會；（2）破壞上表皮蠟質(zhì)層或攜帶殺蟲劑穿透表皮；（3）分裂體壁內(nèi)部脂質(zhì)-蛋白質(zhì)有機體。油的沸點越低，黏度越小，穿透力越大，因此輕油大于重油大于潤滑油，礦物油大于植物油和動物油。所以，平常用的油劑都用煤油、柴油等。3.輔助劑對穿透的影響

——油攜帶劑

一般也能間接地增加藥劑的穿透。濕潤劑可很好地黏著在昆蟲表皮上，增加了穿透的面積和機會，同時還能溶解上表皮的蠟質(zhì)層和破壞表皮的幾丁-蛋白質(zhì)層。最有效的去污劑和濕潤劑應(yīng)具備：（1）足夠的脂溶性，以便使殺蟲劑穿透上表皮的蠟質(zhì)層；（2）具有一定的水溶性，從而使殺蟲劑能穿透內(nèi)表皮；3.輔助劑對穿透的影響——去污劑和濕潤劑4不具脂溶性物質(zhì)的穿透

砷素劑、氟素劑等礦物質(zhì)農(nóng)藥，其穿透可能是由于表皮的吸收作用，但僅是推測而已。此外水溶性化合物如何穿透昆蟲體壁也是值得深入探討的問題。

四、通過體壁的穿透

卵殼的結(jié)構(gòu)與一般昆蟲表皮的構(gòu)造不同，故很多觸殺劑對卵無效。外卵殼：蛋白質(zhì)和脂肪組成內(nèi)卵殼：蛋白質(zhì)組成，可分為很多小層。卵黃膜：構(gòu)造與昆蟲表皮很相似胚胎：卵孔：1-70個，是受精時精子進(jìn)入的通道。有保護(hù)物覆蓋藥劑不易透過。小孔：有/無與外界進(jìn)行氣體交換。五、卵殼的穿透卵殼卵的構(gòu)造

殺卵劑的作用并不完全決定于對卵殼的穿透，不能穿透的也可殺卵。一般殺卵劑的作用包括：（1）一些藥劑使昆蟲的卵殼變厚，使胚胎在其中不能出來而死亡如石硫合劑的殺卵作用；（2）在卵殼外或內(nèi)將胚胎包圍使其不能呼吸而窒息死亡如油劑的作用；（3）藥劑穿透卵殼對胚胎起毒殺作用如滅幼脲等。（4）影響核酸代謝表現(xiàn)為不育作用，多通過作用于成蟲的生殖系統(tǒng)起作用，如噻嗪酮等。五、卵殼的穿透

被動擴散主動運輸通過水孔通過水孔的穿透實際上是親水化合物、小分子量化合物被動擴散。（一）穿透消化道六、通過消化道的穿透影響穿透速率因素：

①藥劑種類；②藥劑油／水分配系數(shù)；③消化道生理特性：pH決定殺蟲劑的解離性。如堿性砷酸鈣在中腸容易解離故無法穿透中腸；④消化道酶：活化（增毒），降解（減毒）

進(jìn)入腸壁（油相）進(jìn)入血腔（水相）（二）穿透消化道六、通過消化道的穿透藥物解離度對穿透消化道的影響： 生物膜允許分子型化合物擴散通過，如果離子化部分不能通過水孔，那么其穿過消化道膜將取決于胃液的pH值。藥物的解離特性以pKa表示：即藥物在50％解離時的溶液pH值。每種化合物的pKa值是一定的。

弱酸性藥物：

HAH＋

＋A－

Ka=H＋A－/HA pKa=pH-logA－/HA

pH-pKa=logA－/HA 10pH-pKa=A－/HA

當(dāng)pH=pKa時，HA＝A－在pH值低的環(huán)境中解離度小。易透過膜。

弱堿性藥物：

BH＋

H＋

＋B

Ka=H＋B/BH

pKa=pH-logB/BH＋=pH+logBH＋

/BpKa-pH=logBH＋

/B 10pKa

-pH=BH＋

/B=解離型/非解離型

當(dāng)pH=pKa時，B＝BH＋在pH值高的環(huán)境中解離度小。易透過膜。

神經(jīng)系統(tǒng)是殺蟲藥劑的主要靶標(biāo)。1高等動物血腦屏障（bioodbrainbarrier,BBB）存在于血液與腦細(xì)胞外空隙之間，圍繞腦細(xì)胞的某些毛細(xì)血管內(nèi)表皮細(xì)胞內(nèi)；在血液與脊髓之間，處于脈絡(luò)叢中。三個屏障都允許脂溶性物質(zhì)的通過，但穿透率不同。七、對神經(jīng)膜的穿透

可能在膠質(zhì)細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞附近區(qū)域。類似生物膜的結(jié)構(gòu)，非離子部分可以穿過，電解質(zhì)的離子部分被阻擋在血-腦屏障的外面。殺蟲劑的電離常數(shù)及溶液的pH等因素也影響穿過血-腦屏障。如果能控制處理溶液的pH，減低電離度，可以增加殺蟲劑對血-腦屏障的穿透，從而增加對昆蟲的毒力。

2昆蟲的血腦屏障

七、對神經(jīng)膜的穿透

昆蟲的血腦屏障和哺乳動物的在性質(zhì)上是一致的，都是阻隔大分子及極性分子的進(jìn)入，差別在于昆蟲的血腦屏障層對某些化合物的隔離作用更為有效；另一個重要差別在于哺乳動物的血腦屏障并不能保護(hù)其周圍神經(jīng)系統(tǒng)。如胺吸磷（離子化合物），由于昆蟲的膽堿能突觸全部集中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，胺吸磷不能越過屏障，因此，對昆蟲的毒力很低。在哺乳動物中，外周神經(jīng)系統(tǒng)有膽堿能突觸，但沒有膜屏障保護(hù)，所以胺吸磷對哺乳動物毒性很大。Fick擴散定律:

該定律表明，擴散是一個一級反應(yīng)。即在任何時間的穿透速率與該時間在體表上殺蟲藥劑的量成正比.

-dc/dt=KC

﹡C：在體表上殺蟲藥劑的殘留量，K是穿透的速率常數(shù)。

八、穿透動力學(xué)由上式可進(jìn)一步推出：

用穿透的劑量對數(shù)與穿透時間作圖可得到一條直線。C0是藥劑的應(yīng)用劑量，e是自然對數(shù)DDT對大鼠皮膚的穿透，樂果、和對硫磷穿透進(jìn)入美洲蜚蠊的情況，完全符合這種規(guī)律。

但殺蟲劑的穿透并不僅僅是以這種簡單的方式進(jìn)行的，在許多情況下，還存在著穿透的雙相型或更復(fù)雜的形式。比如，擬除蟲菊酯穿透進(jìn)入辣根猿葉甲(Phaedoncockledriae)，666異構(gòu)體進(jìn)入美洲蜚蠊，馬拉硫磷和狄氏劑進(jìn)入鼠體（圖1-3），所獲得的穿透曲線形式明顯地取決于代謝因素，它影響了殺蟲劑在體壁內(nèi)層的消失速率。因此，殺蟲劑從體壁外層向內(nèi)層的轉(zhuǎn)移是很快的，而到達(dá)內(nèi)層后則擴散速率逐漸趨于穩(wěn)定。

a.除蟲菊酯進(jìn)入辣根猿葉甲；(b)666異構(gòu)體進(jìn)入美洲蜚蠊；

(c)馬拉硫磷和（d）狄氏劑穿透雌大鼠表皮

一般認(rèn)為主要通過血淋巴轉(zhuǎn)運，但也有學(xué)者認(rèn)為通過血淋巴轉(zhuǎn)運是次要的。1通過血淋巴的轉(zhuǎn)運一般認(rèn)為，殺蟲劑與血漿蛋白結(jié)合，并被帶到其他器官，主要是清蛋白。九、殺蟲劑通過不同途徑的轉(zhuǎn)運2通過昆蟲表皮中的側(cè)向轉(zhuǎn)運Greolt認(rèn)為血淋巴在殺蟲劑的轉(zhuǎn)運過程中是次要的，而主要是在表皮中進(jìn)行側(cè)向運轉(zhuǎn)，即沿表皮的臘層進(jìn)入氣管系統(tǒng)，然后由微氣管到達(dá)作用部位。（1）血淋巴中所含有的殺蟲劑所能產(chǎn)生的殺蟲效果很小。Spiller（1955）和Colhoun（1960）用聯(lián)體昆蟲進(jìn)行了實驗，結(jié)果表明處理昆蟲的血液對另一頭相聯(lián)的昆蟲無毒性。九、殺蟲劑通過不同途徑的轉(zhuǎn)運（2）放射性自顯影實驗：Greolt用14C-狄氏劑處理沙漠蝗幼蟲腹部表皮的放射性自顯影圖譜顯示，狄氏劑在整個蝗蟲表皮展布開來，而處理家蠅幼蟲，則顯示藥劑積累在氣管系統(tǒng)。九、殺蟲劑通過不同途徑的轉(zhuǎn)運2通過昆蟲表皮中的側(cè)向轉(zhuǎn)運（3）膽堿酯酶活性的組織化學(xué)測定揭示:殺蟲劑在蟲體內(nèi)運轉(zhuǎn)過程中，神經(jīng)系統(tǒng)沒有