常见杀虫剂作用机理

常见杀虫剂的作用机制 近年来，杀虫作用机理的研究有了很大发展，已进入到分子毒理学水平，这对新杀虫剂类型的研制以及高度生理选择性药剂的发现，都很有帮助。 杀虫剂的作用机制：高效、低毒、低残留是现代优良杀虫剂的重要条件，利用高等动物与昆虫间生理上的差别，是研制低毒药剂的重要途径。近年来，杀虫作用机理的研究有了很大发展，已进入到分子毒理学水平，这对新杀虫剂类型的研制以及高度生理选择性药剂的发现，都很有帮助。目前大量使用的杀虫剂，例如，有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类杀虫剂等都是神经毒剂，非神经毒剂不占主要地位。从全部杀虫剂的作用机制看，大致可分为两大类： 第一类为神经系统毒剂，包括①对突触后膜作用，如烟碱、杀螟丹、杀虫脒；②对刺激传导化学物质分解酶作用，包括抑制胆碱酯酶，如有机磷、氨基甲酸酯杀虫剂，抑制单胺氧化酶，如杀虫脲；③作用于神经纤维膜（包括膜的Na+、K＋活化，抑制ATP分解酶） 第二类为干扰代谢毒剂，包括①破坏能量代谢，如鱼藤酮、氰氢酸、磷化氢等；②抑制几丁质合成，如取代苯基脲类；③抑制激素代谢，如保幼激素类似物等；④抑制毒物代谢酶系，如多功能氧化酶增效醚等3,4-亚甲二氧苯基类化合物(MDP)，水解酶三磷甲苯磷酸酯（TOCP）和正丙基对氧磷等、转移酶如杀螨醇等。 （一）神经系统毒剂 1．神经构造和生理 神经系统是由无数个神经元（neuron）构成，神经元是一个细胞单位，从这里伸出若干个树枝状突起(dendrite）以及长的轴突（axon）或神经纤维（neoefiher)，神经元之间的连接部位称突触（synapse)，中枢神经(centralnervoussystem）也是由复杂的神经突触连接，神经纤维和肌肉或功能器官间的连接点，称为神经肌肉联接部（neuromuscularjunction）。这也是一种神经突触，由末梢神经的感觉细胞，经由中枢神经和运动神经达到组织器官，以构成反射弧。昆虫的神经可分为三类，即感觉神经元、联系神经元和运动神经元，无自主神经系统。 神经元的膜为二层磷脂分子间夹有蛋白质或胆固醇类复杂物质构成，突触前神经元和后神经元之间，神经元和肌肉之间不连接，有20—50nm的间距。无脊椎动物的神经纤维均为无髓神经，脊椎动物则有髓和无髓都有。有髓神经上有很厚的神经髓鞘，并每隔1—2mm就分节断开。 神经元和肌肉细胞膜，膜内膜外带有相反电荷，内负外正；这种电位差称为膜电位（membranepotential)，通常其值在-50—100mV。细胞由于刺激而兴奋时，膜电位就瞬间向相反方向变动而产生动作电位（actionpotential)，即所谓“冲动”。这个过程极快，通常只有l—10毫秒。与此动作电位相反的静止期，称为静止电位（restingpotential）。已知这种膜电位是细胞内外离子浓度梯度受膜的离子渗透选择性限制而产生的。一般情况下K+浓度在细胞内高，细胞外低；Na＋则相反，在静止时，膜可以允许K＋透过，而Na+卡则不易透过，由于选择渗透性的原因，K＋在细胞内外浓度梯度的不同就产生了膜的静止电位。如果受到刺激，神经膜对Na＋的渗透性就急剧升高，但很快下降，K＋的渗透性又开始上升。动作电位上升，主要是由于Na＋渗入而引起，动作电位下降，主要是由于K＋流出引起。为了使膜电位恢复到原来状态，离子泵开始发挥作用，其能量由ATP供给。 2．神经细胞的兴奋传导 从外界来的刺激，不管是机械的、化学的，还是光的，树枝突起接受后，细胞膜即发生脱极化作用(depolarization)，与此同时引起膜的渗透性改变，膜内外K＋、Na＋的改变，使膜内外的电位差发生变化。由脱极化作用产生的动作电位，像电波一样沿轴突传导以达到相应器官。 当刺激在某一点发生时，该部位由于脱极化作用变为活性区，Na＋突然大量进入膜内，K＋流出膜外，膜的该部位内侧电荷暂时成为内正外负（此时也称为钠平衡电位）。由此形成由正到负的局部电流回路，瞬间之后，钠由Na＋泵从膜内排出，K＋自膜外进人，这一瞬间K＋进入膜内稍多，使比原浓度稍大，膜电位有少量降低，这就是正后电位的来源。然后K＋又从膜内向外排出电位开始上升，此时产生了后负电位。因为神经轴突周围包着胶质细胞，其孔隙很容易通过K＋的扩散，而且容量很大，所以负后电位在几个毫秒间即使电位恢复至原来的静止电位。电位的波动幅度一般在-80—40mV，大的刺激仅仅是频率的增加。冲动一但通过后，该部位即变为不感应的区域，时间可以继续数毫秒。因此，冲动不能逆方向传导，永远沿一定方向前进。 3．突触处冲动的传导 冲动（或兴奋）通过轴突后，向另一轴突传导，此时传导与上述不同，须经过突触传导。突触处的传导主要是化学传导物质起作用。传导物质包含在突触小胞体内，由前膜放出，后膜上的感受器（receptor）接受，引起轴突膜的脱极化作用，冲动即可向前传导。 化学传导物质完成任务后立即被分解，在昆虫的神经中（主要是中枢神经）的传导物质主要是乙酰胆碱，神经和肌肉连接处为其他化学传导物质，可能是一种一元胺化合物。突触处冲动的通过也很快，一般只要l—5毫秒。 根据以上所述，神经系统冲动的传导主要有两种方式，即轴突上的传导和突触处的传导。滴滴涕、六六六以及环戊二烯类有机氯剂、拟除虫菊酯类主要是对前者的抑制；有机磷、氨基甲酸酯类杀虫剂主要是对后者的抑制。 4．有机磷杀虫剂的作用机理 神经系统内的乙酰胆碱酯酶（AChE）或胆碱酯酶（ChE）和有机磷杀虫剂发生磷酸化反应，形成共价键的“磷酰化酶”是有机磷杀虫剂的主要作用机制。从水解胆碱酯类底物的专化比来看，至少可分为两大类：（1）乙酰胆碱酯酶（AChE）对乙酰胆碱的亲和力和水解能力比其他任何胆碱酯类都强，而且存在许多同功酶。(2）胆碱酯酶（ChE）或称非专化性胆碱酯酶，与乙酰胆碱酯酶不同的是它不会被过高的底物浓度所抑制，而乙酰胆碱酯酶在适当的底物浓度，例如，在4—7ml/L的乙酰胆碱溶液中活性最强，超过此浓度活性反而降低。此外，胆碱酯酶对丁酰胆碱的亲和力和水解能力大于乙酰胆碱酯酶。 无脊椎动物（包括昆虫、螨类等）和脊椎动物的神经组织内，都含有高浓度的乙酰胆碱酯酶，人和哺乳动物的血红细胞中也含有（AChE），但大多数动物的血浆中含有胆碱酯酶（ChE）。有些动物和人的血浆中还含有不同量的脂肪酯酶（可以水解直链酯的酶）。此外，还有一些其他酶，例如，存在于胰腺中的胰蛋白酶和糜蛋白酶，也可以被一些有机磷化合物抑制。也有一些有机磷化合物可被一些酶水解，使其失去毒性，因此，一种药剂进入昆虫或高等动物体内，可以产生不同的毒性效果，各种作用交织在一起，情况比较复杂。乙酰胆碱酯酶的活性和作用部位最早研究电鳗的乙酰胆碱酯酶（AChE)，到1967年才得到了该酶结晶，分子量很大；许多实验证明，AChE表面有两个活性部位，一为阴离子部位（anionicsite)，一为酯解部位（estexaticsite）。前者又称结合部位，后者又称催化部位。前者的作用是为了更好的和底物结合，发挥专化性的结合作用（hinding），后者主要是对底物进行水解的催化作用。 5．氛基甲酸酯杀虫剂的作用机理 氨基甲酸酯的作用也是抑制胆碱酯酶，与有机磷杀虫剂的作用十分类似，但也有所不同。与有机磷类杀虫剂不同，全部反应是可逆的，称为可逆性抑制反应。由于这个反应与胆碱酯酶分解乙酰胆碱十分类似，所以又叫竞争性抑制剂。也就是说氨基甲酸酯可作为胆碱酯酶的底物与乙酰胆碱竞争，如果在反应中，加入乙酸胆碱使浓度提高（10-4—10-3）则反应向左进行；所以作为整个反应过程，始终是进行着竞争胜的可逆反应。由于各种不同的氨基甲酸酯化学结构的不同，即连接的X基不同，最后的水解速率也不同。如果水解太快，或整个分子与胆碱酯酶的亲和力不强，都不能表现较高的毒效。试验证明，氨基上连接甲基的氨基甲酸酯水解的速度最慢（但比有机磷快），所以许多实用化的品种多是这类结构。 6．有机氯杀虫剂的作用机理 有机氯杀虫剂的主要品种为滴滴涕、六六六以及环戊二烯类杀虫剂，这类杀虫剂自20世纪70年代以来，包括我国在内的许多国家都采取了禁用 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 或限制使用，使这类药剂的用量逐渐减少，对这类药剂的毒理，研究的时间虽然很长，研究的学者也很多，但是作用机理至今并未彻底清楚。负后电位的增大是对神经产生作用最有力的证明，这种现象很多研究者都得到了证实。所以进一步解释负后电位的增大是解释滴滴涕作用机理的关键之一 7．拟除虫菊酯杀虫剂的作用机理 许多试验证明，拟除虫菊酯类杀虫剂主要作用于神经突触和神经纤维。对丙烯菊酯（allethrin）神经电生理学的研究表明，主要是作用于神经突触的末梢，引起反复兴奋，促进了神经突触和肌肉间的传导。由于神经末端很细小，所以一般都采用巨大神经纤维细胞内电极法或膜电位法来进行研究。试验证明，拟除虫菊酯可引起膜电位的异常，主要是对膜的离子渗透性产生了影响。迄今为止，拟除虫菊酯推测的作用点大约有9个部位之多，但一般都认为主要作用点是电位性钠离子通道。根据钠离子流入以及通道膜结合试验研究，证明拟除虫菊酯存在时，可推迟钠离子通道的关闭。和滴滴涕几乎在同一部位起作用，发挥生理活性。拟除虫菊酯中毒的昆虫，除神经系统的传导受到干扰和阻断外，许多研究发现还引起一些组织器官发生病变。例如神经细胞病变，肌肉组织病变，甚至其他一些如失水，泌尿等不正常生理生化现象。也有研究证明与滴滴涕一样，溴氰菊酯可引起神经系统产生酪胺毒素，不过这些现象大多产生于中毒后期。因此，一般认为这些病变不是这类药的初级作用，可能是神经系统受到干扰或破坏以后的次级反应，促使昆虫死亡，所有这些都是造成昆虫死亡的因素。 Narahashi(l982）将拟除虫菊酯分为两个类型，即Ⅰ型和Ⅱ型；后者一般含有a-CN基而前者不含。两种类型分别对神经作用引起不同反应，前者诱发突触前纤维反复兴奋，扰乱突触功能，例如，丙烯菊酯、胺菊酯、氯菊酯等。后者使感觉神经元脱极化，然后在突触前纤维末端脱极化，扰乱突触机能引起过度兴奋、运动失调、麻痹、死亡，例如，氰戊菊酯、氯氰菊酯、溴氰菊酯等。 8．沙蚕毒素杀虫剂的作用机理 这类杀虫剂是沙蚕毒素（nereistoxin）的类似物，以杀螟丹、杀虫双为代表。沙蚕毒素具有神经毒性是很早就知道的，因为很早就发现蝇和蚂蚁接触沙蚕尸体时会发生麻痹现象。经过研究，沙蚕毒素对脊椎动物的作用部位是胆碱能突触。在昆虫中，突触集中的神经节对沙蚕毒素和杀螟丹有突出的亲和作用，所以一般认为在昆虫体内的作用部位在神经节。对胆碱能突触的作用方式可归纳如下：①沙蚕毒素在烟碱样胆碱能突触部位作用于突触后膜，与乙酰胆碱竞争；占领受体使受体失活，影响了离子通道，从而降低突触后膜对ACh的敏感性，最后降低了终板电位（EPP)，使不能引起动作电位，去极化现象不再产生，突触传递被阻断；②作用于突触前膜上的受体，抑制ACh的释放。沙蚕毒素无论是阻断受体还是抑制释放，结果都是抑制突触的传递，这与其他类型杀虫剂不同；③对胆碱酯酶抑制作用的研究表明，沙蚕毒素及其类似物，也是一个微弱的、竞争胜的、可逆的胆碱酯酶抑制剂。但由于其作用较弱，在低剂量时可能不是主要作用；④对毒蕈碱样胆碱能突触的作用与烟碱样胆碱能突触相反前者是竞争性阻断作用，后者则是兴奋作用，产生去极化而阻断。这两种相反的作用可能在不同剂量水平时分别表现出来，并不矛盾。此外，沙蚕毒素还刺激温血动物的毒蕈碱受体也就是刺激消化管和子宫的运动，促进泪腺和唾液腺的分泌，并使瞳孔缩小。因此，沙蚕毒素本身不宜作为杀虫剂使用。经过对化学结构和活性关系的研究，明确了沙蚕毒素的化学结构中，双硫结构是毒作用的关键，因而开发出了杀螟丹、杀虫双等优良杀虫剂。在昆虫体内杀螟丹和杀虫双被转变成沙蚕毒素而起作用。 （二）干扰代谢毒剂 1．干扰能量代谢 昆虫的能量代谢主要是呼吸作用，一般是通过气门、气管进行气体交换，吸进氧气排出二氧化碳昆虫细胞内的呼吸代谢，首先是糖、脂肪和蛋白质大部分转变为乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环，通过电子转移及偶联进行氧化磷酸化作用，将营养中的能量转变为具有高能量的腺苷三磷酸（ATP）。ATP分解放出化学能作为昆虫生命活动的能量来源。 砷素杀虫剂、氟乙酰胺、鱼藤酮、熏蒸剂磷化氢、氰酸氢、二硝基酚类杀虫剂以及有机锡杀虫剂等的作用机制，都是进入能量代谢中的三羧酸循环，影响电子传递系统和氧化磷酸化作用，致使昆虫死亡。不过，具体的作用点有所不同，从本质上看昆虫和高等动物的呼吸作用差别是很小的。因此，上述这些杀虫剂一般选择性差，对高等动物的毒性较大。 砷素杀虫剂包括三价砷的亚砷酸和五价砷的砷酸化合物，这类药剂在历史上起过作用，目前已很少应用。砷素剂的作用机制主要是抑制能量代谢中含-SH基的酶，例如，三价砷是丙酮酸去氢酶及α-酮戊二酸去氢酶的抑制剂，作用部位主要是结合在二硫辛酸乙酰转移酶上形成复合体，使酮酸去氢酶系失去作用。 鱼藤酮是豆科植物毛鱼藤（Derriselliptica）根中含有的杀虫活性物质，20世纪50年代以前是主要的植物性杀虫剂之一目前用量已极少。它是一个线粒体呼吸作用的抑制剂，作用于电子传递系统，影响到ATP产生。作用点在NADH去氢酶与辅酶Q之间，使呼吸链被切断。 氰氢酸是一种气体熏蒸杀虫剂。它作用于呼吸链的电子传递系统，作用点是抑制细胞色素C。另一种熏蒸剂磷化氢，经试验证实作用点也是在电子传递系统末端的细胞色素C，从而影响了呼吸作用。但是应该指出，氰氢酸或磷化氢都不是专一的细胞色素氧化酶抑制剂，还有多种酶可以被其抑制，但对细胞色素氧化酶最为敏感。此外，也有一些有机磷杀虫剂，例如，杀螟硫磷等也能抑制线粒体的氧化磷酸化作用，所以也是能量代谢的抑制剂；根据报道滴滴涕也对氧化磷酸化有抑制作用，但不是它们的主要作用。 2．干扰几丁质合成 在研究除草剂敌草腈（dichlobenil）的过程中，发现苯基苯甲酸酰脲类化合物有杀虫活性。以后研制出了伏虫脲（diflubenzuron）等一系列高活性化合物。它们的作用机制主要是抑制昆虫的几丁质合成，因此也叫几丁质合成抑制剂。这类药剂主要是胃毒剂，只对具咀嚼口器的害虫有效，所以是高度选择性杀虫剂。当幼虫吃下伏虫脲后，影响正常蜕皮的进行，幼虫不能蜕皮而死亡，老熟幼虫不能蜕皮化蛹，或变成畸形蛹，或羽化后成为畸形成虫。从组织学的观察结果来看，内表皮形成过程受到抑制，致使不能脱皮而导致死亡。昆虫的表皮是由几丁质和蛋白质形成的，伏虫脲抑制了几丁质前驱物尿苷二磷酸乙酰氨基葡糖（UDP-acetylglucosamine）向几丁质转化。从而抑制了几丁质的生物合成，使新表皮变薄，不能硬化。此外，这类药剂还可对昆虫体产生多方面的作用，例如、破坏激素调节、影响细胞膜的通透性和各种酶的活性等，但不是主要作用。 3．抑制激素代谢 早在1956年，Williams从天蚕雄虫腹部提取分离到保幼激素化合物（JH）以来，激素类似化合物作为杀虫药剂得到了很大发展。目前不只是昆虫激素类物质，一般对昆虫有生理活性，能干扰生理机能的化合物，都有可能被开发利用，这类药剂可统称为昆虫生长调节剂（Insectgrowthregulator简称IGR）。由于它们的作用机制与一般杀虫剂不同，所以也是特异性杀虫剂的重要组成之一。 这类化合物包括保幼激素、抗保幼激素、蜕皮激素等，与昆虫性外激素不同，为昆虫的内激素，它们的最大特点是有很高的选择胜，并且活性很高。因此，对人、畜、野生生物和自然环境都没有不良影响。以下主要对保幼激素、抗保幼激素的作用机理进行简要介绍。蜕皮激素及其类似物因亲水性大，难于通过昆虫表皮蜡质层，使用的剂量很高，所以很难实用化。 保幼激素的作用机制主要有二：一为抑制变态，一为抑制胚胎发育。当完全变态昆虫处于末龄幼虫时，正常情况下体内保幼激素的分泌减少以至消失，蜕皮后变成蛹。如果在末龄幼虫时给以保幼激素类似物则会产生超龄幼虫，或介于幼虫和蛹之间的畸形虫，因而无法正常生活而导致死亡。完全变态的昆虫，经常是蛹形成阶段对这类药剂最敏感。抑制胚胎发育的机制很难和抑制变态分开，刚产下的卵或产卵前的雌成虫接触药剂，则抑制胚发育过程中的胚分化期，结果卵不能孵化。在幼虫后期或变态时期接触药剂则引起形态异常。这种现象产生的主要原因，是由于施加的保幼激素类似物，干扰了咽侧体正常分泌保幼激素的工作，使昆虫的变态激素失调。除以上主要作用外，也有报道JH类似物还有对雌虫的不育作用，施药于雄虫，虽与正常雌虫交尾也不育；由于昆虫滞育是受内激素调节的，因此，也有打破滞育的作用。 Bowers等（1965）是抗保幼激素物质的最早发现者，他们在研究植物生理活性物质时，从熊耳草(Aqeratumhoustonianum）中发现两种抗保幼激素化合物，定名为早熟素Ⅰ和Ⅱ。 用上述化合物处理长蝽的若虫，就能促进大龄若虫向成虫转变物质的形成，越过一些龄期而出现早熟状态。早熟素Ⅰ比早熟素Ⅱ的活性大10倍。对许多昆虫来说，早熟的雌成虫，卵巢的发育不良，无法产卵。对正常的雌虫给药，卵的成熟也受到抑制。早熟素的作用主要是影响咽侧体的机能，抑制JH的生物合成，所以早熟素的影响可通过给以JH类似物而得到恢复。在较高浓度下还可以有杀卵作用，但是上述化合物对完全变态的昆虫无效。