杀虫药剂的穿透与转运农药毒理学教学.pptVIP

第一章 杀虫药剂的穿透与运转 杀虫剂的穿透问题是昆虫毒理学所要解决的首要问题 昆虫体壁表皮可以有效地保留杀虫剂，所以昆虫表皮 是阻止杀虫剂穿透的有力屏障。 大量的实验表明，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，尤其是体壁结构的特点。 一、 引 言 第一节 杀虫剂对昆虫表皮的穿透及运转 1 杀虫剂进入昆虫体内的途径：口腔、体壁、气门 .胃毒作用 杀虫剂 .内吸作用 .触杀作用 .熏蒸作用 口器食道 消化道 (中肠) 内 吸 杀虫剂 拒 食 (感化器) 植物吸收 杀虫剂体壁（节间膜 、触角、足、 翅） 杀虫剂气门气管微气管 血腔 血液 循环 贮存在组织 中(脂溶性) 作用 部位 代谢 后 肠 马氏管 排出 呕吐 刺吸式 咀嚼式 2 二 、昆虫体壁的一般结构 （一）体壁的功能 昆虫体壁是体躯和附肢的外壳，由外胚层发育而来。 (1)起外骨骼的作用，承担着肌肉着生的地方，维持体形； (2)保护性屏障作用，免受外来微生物和其他物质的侵 入，并且保持体内的水份不外散和外部的水份不进入。 (3)昆虫的体色、保护色是通过体壁来形成的。 (4)各种感觉器官均由体壁特化而来。 (5)由皮细胞特化成各种腺体。 (6)信息素常由皮细胞特化的细胞来散发。 3 （一）穿透体 壁 护腊层：类脂、腊质及鞣化蛋白 油相 上表皮 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 油/水分配系数 外表皮:(硬)鞣化蛋白 水相 内表皮:(厚)几丁质、蛋白质 (一定的水溶性) 真皮细胞（膜结构）：单层细胞 底膜：中性粘多糖。将皮细胞与血腔分开 表皮孔道 有利穿透 体壁上的外长物:毛、刺、鳞片 药剂： 一定的脂溶性和一定的水溶性 分配系数是指一种溶 质在油相及水相中溶 解度的比值。油/水分 配系数小，表示溶质 的亲水性强 。 二 、昆虫体壁的一般结构 原表皮 表皮 (较强的脂溶性) 4 三 、膜渗透的一般原理 5 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) 6 1. 被动转运（passive transport） 顺着浓度差（梯度，concentration gradient）或电位差（梯度，potential gradient, 二者合称电化学梯度）产生净流动叫被动转运。 (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） ：一些不溶于脂质的，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。 7 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）：位于膜上的由蛋白 组成的跨膜充水小孔。 (2)易化扩散（facilitated diffusion） 8 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 摄人细胞内，以保持细胞内高K和细胞外高 Na的 不均匀离子分布。 9 （2）继发性主动转运(secondary active transport) 继发性主动转运是指利用钠-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。 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。 10 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。 （2）胞纳： 是指细胞外某些物质团块，例如细 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。 11 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）一般的药剂具有一定的穿透性，但水与强酸不 能通过； （2）表皮上具附属毛的影响穿透； （3）上表皮的蜡质层厚度；蚧 （4）外表皮的骨化程度；半翅目、鞘翅目 12 1 表皮性质与穿透 （5）表皮在虫体躯的不同部位的厚度不同，与其他 构造的联结不同，穿透性与穿透部位有关。 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； 表皮上的特殊构造：孔道、皮腺管、化感器、节间 膜 。 总之，表皮的性质、构造及所在部位均影响穿透。 四、通过体壁的穿透 13 2 杀虫药剂的理化性质与穿透 （1）药剂的穿透性与脂溶性成比例。脂溶性越 大，穿透性越强，主要指穿透腊质的情况。 如脂肪酸、烟碱 四、 通过体壁的穿透 14 2 杀虫药剂的理化性质与穿透 （2）穿透性不完全决定于脂溶性，在透过上表皮 后，还需要一定的水溶性才能透过内表皮。分配系数 四、 通过体壁的穿透 15 2 杀虫药剂的理化性质与穿透 （3）药剂的穿透与物质的解离程度或离子化程 度成反比。 如烟碱、新烟碱、亚砷酸钠 四、 通过体壁的穿透 16 2 杀虫药剂的理化性质与穿透 （4）表面张力与穿透性也有一定的关系。 四、 通过体壁的穿透 17 2 杀虫药剂的理化性质与穿透 （5）穿透性与药剂对昆虫表皮的亲和力（主要是蛋 白质和几丁质）有极大的关系。亲和力越大，穿透性越 强。 穿透性强的杀虫剂，扩散； 亲水性的杀虫剂，载体，构型变化，把结合物转移 进入膜内。 杀虫剂透过膜内靠被动的扩散作用。 四、 通过体壁的穿透 18 3 辅助剂对穿透的影响 制剂的溶剂和各种助剂也是影响穿透的因素。 四、通过体壁的穿透 有机溶剂的作用： 增加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。 19 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。 矿物油携带者具有3种效应： （1）使杀虫剂增加附着在昆虫体上的机会； （2）通过溶解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。 当然，油的穿透性与沸点及黏度有关。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 20 另外，去污剂和湿润剂一般也能间接地增加药剂 的穿透。湿润剂可很好的黏着在昆虫表皮上，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）具有穿透角质精层的能力等。如洗衣粉等。 3 辅助剂对穿透的影响 21 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。 粉剂摩擦破坏了昆虫上表皮的腊质层，使昆虫体 内水分损失而造成死亡。 四、通过体壁的穿透 22 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。 卵壳 外卵壳：蛋白质质和脂肪组组成 内卵壳：蛋白质组质组 成，可分为为很多小层层。 卵黄膜：构造与昆虫表皮很相似 胚胎 卵孔：一到几个，是受精时时精子进进入的通道。有 保护护物覆盖药剂药剂 不易透过过。 小孔：有/无 五 、卵壳的穿透 23 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。实际上是不育作用。 五 、卵壳的穿透 24 蝗虫的消化系统 六、通过消化道的穿透 25 前后肠：来源于外胚层，结构与体壁表皮相似 中 肠：来源于内胚层， 结构与体壁表皮不同 消化吸收的主要场所 杀虫剂穿透昆虫中肠肠道壁细胞与体壁皮细胞一样，即要 通过细胞质膜。 被动扩散（高浓度 低浓度） 主动运输 通过水孔：亲水化合物，小分子量化合物被动扩散 消化道 （一）穿透消化道 六、通过消化道的穿透 26 影响穿透率因素： 药剂种类； 鱼藤酮 药剂油水分配系数； 消化道生理特性：pH解离穿透，分子型易穿 透， 离子型不易穿透； 碱性砷酸钙 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 27 神经系统是杀虫药剂的主要靶标。 1 血脑屏障（biood brain barrier,BBB）及其保护 作用 存在于血液与脑细胞外空隙之间，但不在表面， 它限制了某些化合物进入到神经细胞外的液体内；也 存在与围绕细胞的毛血管的某些毛血管内表皮细胞内 ；在血液与脊髓之间，似乎也存在，处于脉络丛中。 这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 28 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。 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，差别在于对某些化 合物，昆虫的血脑屏障层更为有效，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，抑制乙酰胆碱酯酶。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。 2 昆虫的血脑屏障 七、对神经膜的穿透 29 Fick扩散定律 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，杀虫药剂的量，K是穿透的速率常数 。由上式可进一步推出： C=C0e-Kt C0是药剂的使用剂量，e 是自然对数。用穿透的 剂量对数与穿透时间做图即可得到1条直线。如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。 八、穿透动力学 30 但是，有的药剂的穿透成双相型式，或更复杂 ，如拟除虫菊酯穿透进入辣根猿叶甲，六六六进入 美洲蜚蠊等。这些穿透曲线表明，杀虫剂从体壁外 层向内层的转移是很快的，但到达内层后则扩散速 率逐渐趋于稳定。 药剂不同，昆虫不同，其穿透曲线都会有差异 。 31 32 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 33 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）杀虫剂通过体壁进入虫体内的量很少 （2）血淋巴中所含有的杀虫剂所能产生的杀虫效果很小 （3）血淋巴携带杀虫剂运转的作用很小 另外，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。 34 （4）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 搌布开来，而处理家蝇幼虫，则显示药剂积累在气 管系统。 35 胆碱酯酶活 性的组织化学： 神经系统没有参 与杀虫剂在虫体 内运转作用。经 气管组织进入虫 体内是唯一的选 择。Greolt提出 了杀虫剂进入虫 体的几种可能的 途径（图）： 2 通过昆虫表皮中的侧向转运 36 其他实验： 狄氏剂点滴于沙漠蝗腹部的外侧，2天后出现击倒， 而等量药剂点滴在胸气门，则6小时就可引起击倒。 放射自显影实验也表明，点滴马拉硫磷于蜚蠊的跗 节后，但在气管组织内记录到的放射性最强。 电镜:昆虫的神经系统内分布有丰富的微器官。 故，Greolt认为，杀虫剂是通过昆虫表皮内的侧向 扩散再经过气管系统而进入虫体内部器官组织。 2 通过昆虫表皮中的侧向转运 九、杀虫剂通过不同途径的转运 37 （5）杀虫剂的运转只能在活体部位进行，运转机制 必然与体壁的真皮细胞层以及气管和消化道内的上 皮层有关。 据以上实验，Greolt认为，“关于杀虫剂进行穿 透的唯一动力是物理化学的作用”这一论点，应予以 修正并解释为：毒剂在表皮的穿透动向主要是侧向扩 散，这是通过消耗代谢能的作用过程而加以控制的。 其依据为，缺氧和低温对于14C-狄氏剂和14C-敌虫畏转 移的影响。若把家蝇置于0的空气中或者室温下无氧 的氮气中，这样就可以阻止杀虫剂从腹部的点滴部位 移动到胸部，而用乙醚麻醉的家蝇却不受此影响，这 说明昆虫的活动能力与药剂在虫体内的转运无关，但 在死亡的家蝇体内，杀虫剂的运转则受到限制。 38 由此，他提出杀虫剂的运转只能在活体部位进行， 运转机制必然与体壁的真皮细胞层以及气管和消化道内 的上皮层有关。 他认为杀虫剂在昆虫表皮内的穿透有两种动向：药 剂首先从接触部位进入体壁表皮，再借助扩散作用进入 到真皮细胞层；另外借助于主动过程做侧向转移。而侧 向转移的药剂也可能自由地返回体壁表皮（图），这种 现象可解释为什么施放一些吸收剂（例如蜡）在昆虫的 表皮上，就能阻止杀虫剂的侧向移动现象。 （5）杀虫剂的运转只能在活体部位进行，运转机制 必然与体壁的真皮细胞层以及气管和消化道内的上 皮层有关。 39 杀虫剂的侧向移动主要在内表皮和真皮细胞层 的分界表面进行。 总之，Greolt认为，杀虫剂穿透进入原表皮后 ，一般不再穿过真皮细胞层，而是靠扩散作用以及真皮 细胞顶膜的流动性，做侧向移动，并通过气管系统而转 移到其他作用部位。 40 实际上，杀虫剂在昆虫体内的分布情况非常复 杂，涉及到很多因素，如杀虫剂的理化性质、昆虫的 生理生化特点等，但最主要是代谢的影响。 十 、杀虫剂在昆虫体内的分布 41 3H-738(3H-JHA-738)。家蚕：脂肪体（60% ）、 体壁及性器官内，血淋巴中仅占3%-4%。 14C氰戊菊酯。棉铃虫幼虫：消化道、马氏管内 最高，而脂肪体、体壁等组织内较少。 14C敌百虫。荔枝蝽体：头部、前胸背板等处最 高，而脂肪体、消化道内的分布相对较少。 十 、杀虫剂在昆虫体内的分布 42 要使一个杀虫剂发挥最大的毒力，要求 （1）对表皮迅速的穿透而极少保留； （2）很快被血淋巴液输送，并很快达到靶标部位； （3）尽量减少进入脂肪体及其他器官，减少被保留、代 谢及排出； （4）对于神经系