นิยามและความหมายคำศัพท์ที่เกี่ยวข้อง

    กลไกออกฤทธิ์ (Mode of Action ตัวย่อ MoA)

    กลไกออกฤทธิ์ หมายถึง วิธีการหลักที่สารเคมีหรือสารพิษจากสารสกัดใดๆ ตลอดจนสารที่ได้จากจุลินทรีย์ เข้าไปรบกวนกระบวนการทางชีวเคมีหรือสรีรวิทยาที่สำคัญต่อการดำรงชีวิตของแมลง จนทำให้แมลงตายหรือหยุดการเจริญเติบโต ซึ่งการรบกวนนั้นเกิดจากสารเข้าไปจับกับโปรตีนชนิดต่างๆ โดยการจับจะมีความจำเพาะต่อชนิดของโปรตีนและตำแหน่งบนโปรตีน (Binding site หรือ Action site) แล้วมีผลรบกวนหรือขัดขวาง (Blockers) ปรับการทำงาน (Modulators) แข่งขันหรือแย่งจับโปรตีนกับสารกระตุ้นตามธรรมชาติที่อยู่ในแมลง (Competitive modulators) และกระตุ้นการทำงาน (Activators หรือ Agonists)

    ความจำเพาะต่อชนิดของโปรตีนและตำแหน่งบนโปรตีนของสารแต่ละชนิดเป็นที่มาของการแบ่งกลุ่มสารกำจัดศัตรูพืช ทั้งแมลง ไรและสัตว์ศัตรูพืช (ใช้แบ่งกลุ่มร่วมกัน เป็น สารกำจัดแมลง - Insecticides หรือสารกำจัดไร - Acaricides) โรคพืชที่เกิดจากเชื้อแบคทีเรีย เชื้อราและเชื้อสาเหตุอื่นๆ (สารป้องกันกำจัดโรคพืช - Fungicides) และสารกำจัดวัชพืช (Herbicides)

    โปรตีนที่สารกำจัดแมลงเข้าไปจับ เรียกว่า "โปรตีนเป้าหมาย (Target site) ซึ่งอยู่ในระบบสรีรวิทยาของแมลงและแบ่งออกได้เป็น 5 ระบบ ได้แก่

    1. ระบบประสาทและกล้ามเนื้อ (Nervous and Muscle system)

    2. ระบบย่อยอาหารหรือทางเดินอาหาร (Digestive system - midgut)

    3. ระบบหายใจระดับเซลล์ (Cellular respiration)

    4. ระบบการเจริญเติบโตและพัฒนา (Growth regulation)

    5. การสังเคราะห์โปรตีน (Protein synthesis)

ภาพจำลองโปรตีนเป้าหมายของสารกำจัดแมลง ส่วนมากโปรตีนเหล่านี้อยู่ที่เยื้อหุ้มเซลล์หรือเยื้อหุ้มอวัยวะระดับเซลล์

    โปรตีนที่เป็นเป้าหมาย (Target site): โปรตีนที่เป็นเป้าหมายของสารกำจัดแมลง เช่น

    1. ช่องเปิด-ปิดด้วยลิแกนด์ (Ligand gated channel) เป็นโปรตีนที่แทรกตัวอยู่ในเยื้อหุ้มเซลล์หรือเยื้อหุ้มอวัยวะระดับ เป็นช่องทางให้ไอออนของธาตุไหลเข้าสู่ภายในเซลล์ การเปิดช่องจะมีตัวกระตุ้น (Agonists) เข้ามาจับแล้วกระตุ้นให้ช่องเปิด ปกติจะเปิดเพียงเสี้ยววินาทีและตัวกระตุ้นจะถูกสลายไป ช่องโปรตีนนี้ได้แก่

      - ช่องกาบาคลอไรด์ (GABA-gated Chloride channel ตัวย่อ GABA-Cl)

      - ช่องกลูตาเมตคลอไรด์ (Glutamate-gated Chloride channel ตัวย่อ Glu-Cl)

    2. ช่องเปิด-ปิดด้วยความต่างศักย์ไฟฟ้า (Voltage-gated channel) เป็นโปรตีนที่แทรกตัวอยู่ในเยื้อหุ้มเซลล์หรือเยื้อหุ้มอวัยวะระดับ เป็นช่องทางให้ไอออนของธาตุไหลเข้าสู่ภายในเซลล์ การเปิด-ปิดของช่องอาศัยความต่างศักย์ของไฟฟ้า ช่องโปรตีนนี้ได้แก่

      - ช่องโซเดียมไอออน (Sodium channel หรือ Voltage-dependent sodium channel ตัวย่อ Na⁺ Channel)

      - ช่องแคลเซียม-โพแทสเซียมปั้ม (Calcium-activated potassium channel ตัวย่อ KCa2)

    3. โปรตีนตัวพา หรือโปรตีนขนส่ง (Carrier protein) เป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่นำสารบางอย่างเข้าสู่ภายในเซลล์ เช่น นำสารสื่อประสาทอะซิทิลโคลีนเข้าไปเก็บในถุงเก็บเวสิเคิล (Vesicular acetylcholine) ช่องโปรตีนนี้ได้แก่

      - โปรตีนขนส่งเวสิเคิลอะซิทิลโคลีน (Vesicular acetylcholine transporter ตัวย่อ VAChT)

    4. โปรตีนตัวรับ (Receptor protein) เป็นโปรตีนที่แทรกตัวอยู่ในเยื้อหุ้มเช่นกัน โดยมีบทบาทหลายด้าน เช่น เป็นช่องทางผ่านของไอออน การจดจำระหว่างเซลล์ การยึดเกาะของเซลล์ การส่งสัญญาณเข้าสู่เซลล์ การตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน เป็นต้น ช่องโปรตีนนี้ได้แก่

      - ตัวรับนิโคตินิกอะซิทิลโคลีน (Nicotinic acetylcholine receptor ต่อย่อ nAChR) 

      - ตัวรับฮอร์โมนจูเวไนล์ (Juvenile hormone receptor ตัวย่อ JHR)

      - ตัวรับทีอาร์พีวี (Transient Receptor Potential Vanilloid ตัวย่อ TRPV)

      - ตัวรับแคดฮีรีน (Cadherin protein receptor ตัวย่อ CPR)

      - ตัวรับเอคไดโซน (Ecdysone receptor ตัวย่อ EcR)

      - ตัวรับออคโตพามีน (Octopamine receptor ตัวย่อ OcR)

      - ตัวรับไรยาโนดีน (Ryanodine receptor ตัวย่อ RyR)

    5. เอนไซม์ (Enzyme) เป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเคมี (Catalysis) ต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตให้เกิดขึ้น ช่วยลดพลังงานกระตุ้นปฏิกิริยาเคมี จึงทำให้ปฏิกิริยาก็จะเกิดขึ้นได้ง่ายและเร็วขึ้น เอนไซม์ที่เป็นเป้าหมายของสารกำจัดแมลงนี้ ได้แก่

      - เอนไซม์อะซิทิลโคลีนเอสเทอเรส (acetylcholinesterase ตัวย่อ AChE) 

      - เอนไซม์ไคติน ซินเทส 1 (Chitin Synthase 1 ตัวย่อ CHS1)

      - เอนไซม์เอทีพี ซินเทส (ATP synthase)

      - คอมเพล็กซ์วัน หรือเอ็นเอดีเอช ดีไฮโดรจีเนส หรือยูบิควิโนน ออกซิโดรีดักเทส หรือเอ็นเอดีเอช-คิว ออกซิโดรีดักเทส หรือ เอ็นเอดีเอช-คิว รีดักเทส สามารถเรียกได้หลายชื่อ แต่เรียกรวมๆ และเป็นที่นิยมคือ คอมเพล็กซ์วัน (Complex I)

      - คอมเพล็กซ์ทู หรือซักซิเนต ดีไฮโดรจีเนส ที่นิยมเรียกคือ คอมเพล็กซ์ทู (Complex II)

      - คอมเพล็กซ์ทรี หรือกลุ่มโปรตีนไซโตโครมบีซีวัน ที่นิยมเรียกคือ คอมเพล็กซ์ทรี (Complex III) ตำแหน่งจับของสารกำจัดแมลงกลุ่ม 20 จะจับคอมเพล็กซทรี ตำแหน่งคิวโอไซด์ (Qo site) ซึ่งยื่นออกมานอกเยื้อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย ส่วนสารกำจัดแมลง กลุ่ม 34 จับที่ตำแหน่งคิวไอไซด์ (Qi site) อยู่ภายในเยื้อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย

      - คอมเพล็กซ์โฟร์ หรือไซโตโครม ซี ออกซิเดส ที่นิยมเรียกคือ คอมเพล็กซ์โฟร์ (Complex IV)

      - เอนไซม์อะซิทิล-โคเอ คาร์บอกซิเลส (acetyl-CoA carboxylase)

ภาพ: การเป็นพิษของสารกำจัดแมลง

    การเป็นพิษของสารกำจัดแมลง

    1. ระบบประสาทและกล้ามเนื้อ (Nervous and Muscle system): ระบบประสาทมีผลโดยตรงต่อการทำงานของกล้ามเนื้อ ดังนั้น ความเป็นพิษของสารกำจัดแมลงจึงทำให้การทำงานของกล้ามเนื้อผิดปกติ การสั่งงานของระบบประสาทเป็นการส่งกระแสประสาท (Nerve impulse) คล้ายกระแสไฟฟ้าเป็นละลอกคลื่น โดยปกติแล้วกระแสประสาทเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะต้องถูกยับยั้งเพื่อลดกระแสประสาทไม่เช่นนั้นกล้ามเนื้อจะหดตัวตลอดเวลา

    การเป็นพิษจะส่งผลต่อแมลง 2 ด้าน คือ กระตุ้นส่งกระแสประสาทมากเกินไปหรือตลอดเวลา เรียกภาวะนี้ว่า Hyperexcitation ซึ่งนำไปสู่การหดเกร็งของกล้ามเนื้อ เป็นตะคริว ชักกระตุกและเป็นอัมพาต (Paralysis) และยับยั้งกระแสประสาทมากเกินไปหรือต่อเนื่อง เรียกภาวะนี้ว่า Hyperpolarization ซึ่งนำไปสู่ภาวะกล้ามเนื้ออ่อนปวกเปียก การเคลื่อนไหวผิดปกติและเป็นอัมพาตอ่อนแรง (Flaccid Paralysis) ดังภาพสรุปด้านบน

    2. ระบบย่อยอาหารหรือทางเดินอาหาร (Digestive system - midgut): เกิดขึ้นที่ระบบทางด้านอาหารส่วนกลางของแมลง โดยสารกำจัดแมลงทำให้เกิดภาวะเยื้อบุผนังทางเดินอาหารเกิดแผลทะลุ ของเหลวและเลือด (Hemolymph) ไหลเข้าสู่ทางเดินอาหาร และเกิดการติดเชื้อในกระแสเลือดเนื่องจากเชื้อแบคทีเรียในทางเดินอาหารไหลเข้าสู่กระแสเลือด ทำให้แมลงป่วยและลาโลกไป

    3. ระบบหายใจระดับเซลล์ (Cellular respiration): การหายใจระดับเซลล์เป็นการสร้างพลังงานในรูป ATP ซึ่งให้พลังงานแก่เซลล์และทำให้แมลงทำกิจกรรมต่างๆ ได้ การเป็นพิษของสารกำจัดแมลงเกิดขึ้นจากการไปยับยั้งกระบวนการสร้างพลัง จึงทำให้แมลงขาดพลังงาน อ่อนเพลีย ปวดเมื่อย ไร้เรี่ยวแรง และลาโลก

    4. ระบบการเจริญเติบโตและพัฒนา (Growth regulation): ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการสร้างผนังลำต้นที่เป็นเปลือกในขณะลอกคราบ แมลงเป็นสัตว์ข้อปล้องเมื่อจะเจริญวัยเติบโตขึ้นจะมีการลอกคราบและสร้างผนังลำตัวใหม่ ซึ่งมีไคตินเป็นองค์ประกอบหลัก การพิษของสารกำจัดแมลงเกิดขึ้นเนื่องจากการยับยั้งการสร้างไคติน จึงทำให้แมลงลอกคราบไม่สำเร็จ ผนังลำตัวอ่อนนิ่ม บาง หรือเปราะ ทำให้ร่างกายสูญเสียน้ำ หรือพิการและลาโลก

    5. การสังเคราะห์โปรตีน (Protein synthesis): สารกำจัดแมลงจะเข้าไปกดหรือลดการสังเคราะห์โปรตีนของแมลง ซึ่งโปรตีนมีบทบาทต่อการเจริญเติบโตและการดำรงชีวิต การลดการสังเคราะห์โปรตีนจึงทำให้การเจริญเติบโตและการดำรงชีวิตผิดปกติไป แมลงขาดโปรตีน ซึ่งความเป็นพิษนี้มักเกิดขึ้นและเป็นไปอย่างช้า ๆ ใช้เวลานานกว่าที่แมลงจะลาโลก

ภาพ: กลไกออกฤทธิ์ต่อระบบประสาทและกล้ามเนื้อ

ภาพ: กลไกออกฤทธิ์ต่อระบบทางเดินอาหารส่วนกลาง

ภาพ: กลไกออกฤทธิ์ต่อระบบการหายใจระดับเซลล์

ภาพ: กลไกออกฤทธิ์ต่อระบบการเจริญเติบโต โดยเกี่ยวข้องกับการลอกคราบของแมลง

    คำศัพท์เกี่ยวกับกลไกออกฤทธิ์

    เป็นคำศัพท์ที่ระบุในกลุ่มกลไกการออกฤทธิ์ มีดังนี้

    1. Blockers: สารกำจัดแมลงจะมีผลขัดขวางหรือปิดกันช่องโปรตีนโดยสมบูรณ์ จนไอออนไม่สามารถไหลผ่านเข้าไปได้

    2. Modulators: สารกำจัดแมลงมีผลปรับการทำงาของช่องโปรตีน อาจเป็นการเปิดช่องนานกว่าปกติ หรือเปิดช่องซ้ำๆ ต่อเนื่อง

    3. Agonists: สารกำจัดแมลงเข้าไปทำหน้าที่กระตุ้นการทำงานของโปรตีนตัวรับหรือช่องโปรตีนโดยสมบูรณ์แทนทีสารกระตุ้นทางธรรมชาติ

    4. Competitive modulators: สารกำจัดแมลงเข้าไปแข่งหรือแย่งจับโปรตีนเป้าหมายกับสารที่เป็นตัวกระตุ้น เช่น สารสื่อประสาทอะซิทิลโคลีน แล้วปรับการทำงานของช่อง (Modulators)

    5. Disruptors หรือ Disruption: สารกำจัดแมลงเข้าไป "ก่อกวน ขัดขวาง" หรือ "ทำลาย" โปรตีนภายในตัวแมลง

    6. Inhibitors: สารกำจัดแมลงเข้าไปยับยั้งการทำงานของโปรตีน ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นเอนไซม์ จึงทำให้เอนไซม์ไม่สามารถทำงานได้ตามปกติและบางครั้งอาจมีผลทำให้เอนไซม์เสื่อมสภาพไม่สามารถกลับมาทำงานได้อีก

    7. Suppressors: กดหรือลดการทำงานของโปรตีน ทำให้การทำงานลดลง มักเป็นไปอย่างช้า ๆ

ภาพแสดงตัวอย่างคำศัพท์ Modulators, Competitive, Blockers และ แอลโลสเตอริก (Allosteric)

แอลโลสเตอริก มีความหมายว่า สารกำจัดแมลงเข้าจับกับโปรตีนเป้าหมายในตำแหน่งที่ไม่ใช่ตำแหน่งกระตุ้นการทำงานของโปรตีน ซึ่งการจับที่ตำแหน่งกระตุ้นของโปรตีนจะเป็นการจับแบบ ออร์โธสเตอริก (Orthosteric)