Kuliah 2 Toksikologi

18 September 2016

Ringkasan kuliah ke-2 Toksikologi serangga.  Buku pengangan bahan ajar adalah Toxicology of Insecticides karangan Fumio Matsumura.

###

Racun yang diaplikasikan akan menuju sasaran di dalam tubuh serangga.  Bagan untuk menjelaskan hal tersebut adalah:

Toksikan

.

.

.

Penghalang

.

.

.

target

Racun sebelum mengenai target akan melewati penghalang berupa kutikula dan penghalang enzimatis.  Kutikula  serangga terdiri dari 5 lapisan:

1. Epikutikula
2. Eksokutikula
3. Mesokutikula
4. Endokutikula
5. Membran

Sehingga proses insektisida menembus kutikula merupakan peristiwa rumit dan kompleks.

Penghalang insektisida lainnya saat memasuki tubuh serangga  adalah penghalang enzimatis.  Enzim yang berperan adalah MFO mixed function oxidase.  MFO merupakan keluarga enzim oksidase yang bekerja mengoksidasi 2 substrat berbeda secara bersamaan.  Fatty acyl-CoA jenuh and NADPH dioksidasi oleh molekul oksigen (O2) menghasilkan fatty acyl-CoA tidak jenuh tunggal, NADP+ dan 2 melekul air.

Semakin tinggi konsentrasi insektisida semakin besar kematian terjadi.  Hubungan antara konsentrasi dan tingkat kematian digambarkan dalam analisis probit.

grafik analisis probit

Semakin sering serangga di bombardir dengan insektisida, maka target menjadi tidak sensitif.  Individu yang tidak berhasil mti ini akan berkembang biak sehingga menghasilkan keturunan resisten.

Insektisida akan berhadapan dengan kutikula yang bersifat non polar.  Tentunya insektisida akan menyingkir tidak dapat masuk ke dalam kulit serangga tersebut.  Untuk mengatasinya peneliti menambahkan adjuvan/pelarut/surfaktan sehingga insektisida menjadi bersifat non polar sehingga mampu menembus kutikula.  Bahan adjuvan apa yang ditambahkan oleh perusahaan insektisida menjadi rahasia dagang mereka.  Bahan adjuvan hanya dibeberkan komposisinya kepada komisi pestisida RI ketika mereka mendaftarkan diri.

Ketika insektisida berhasil melakukan penetrasi atau absorbsi ke dalam kutikula, hal yang akan terjadi dijelaskan dengan bagan sbb

bagan alir perjalanan insektisida di dalam tubuh serangga

• Ada kemungkinan setelah senyawa insektisida masuk ke dalam kutikula serangga, senyawa kimia tersebut diikat sehingga menjadi komponen tidak aktif.  Contoh kasus yang sudah terjadi sebelumnya adalah insektisida DDT (dikloro dipenil triklorida).  Insektisida ini sudah  dilarang peredarannya karena berbahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungan.  Senyawa yang masuk ke dalam tubuh serangga diikat menjadi tidak aktif, kemudian tersimpan dalam jaringan lemak.  Melalui jaring-jaring makanan, DDT ini terakumulasi dalam tubuh manusia.  Sebagai mahluk di puncak piramida makanan, konsentrasi DDT dalam tubuh manusia atau hewan besar lain akan paling tinggi.  DDT karena diikat oleh lemak menjadi tidak efektif untuk membunuh serangga.
• Ada kalanya, insektisida yang berhasil diikat dalam serangga, ikatan senyawanya menjadi putus, kemudian bersama metabolisme tubuh akan dikeluarkan bersama feses.  Tentu saja kasus ini menjadikan insektisida tidak efektif membunuh serangga.

Alat yang digunakan untuk mengukur tingkat degradasi insektisida hingga sampai target sasaran menggunakan bahan radioaktif C13.  Jika jumlah komponen insektisid di bagian sasaran sedikit bisa jadi senyawa insektisida banyak yang diikat menjadi bahan tidak aktif.

Untuk meningkatkan keefektifan insektisida hingga banyak yang sampai di organ sasaran, digunakan bahan piperonil butoksida.

bagan alur perjalanan insektisida dalam tubuh serangga

Penjelasan dari bagan alur perjalanan insektisida dalam tubuh serangga.

• Saat senyawa kimia insektisida berhasil masuk ke dalam tubuh serangga, maka ada kemungkinan senyawa insektisida tersebut akan dilakukan metabolisme.  Bagi peneliti lingkungan, metabolisme insektisida menjadi senyawa kurang toksik sehingga saat senyawa kimia tersebut kembali ke lingkungan menjadi komponen tidak membahayakan bagi mahluk hidup lain dan lingkungan.
• Bagi perusahaan pestisida tentu bertolak belakang, metabolisme yang terjadi dalam tubuh serangga diharapkan menjadi lebih toksis sehingga berhasil membunuh serangga.
• Setalah senyawa kimia bereaksi dengan makromolekul sasaran, maka serangga akan mengalami kematian.  Umumnya insektisida yang beredar di parasan adalah jenis racun syaraf, sehingga makromolekul sasan insektisida adalah komponen syaraf.
• Diharapkan toksik efek insektisida tidak ada.  Insektisida yang digunakan tidak menyebabkan perubahan genetik baik pada serangga maupun pada organisme lain, tidak karsinogenik atau penyebab kanker, tidak teratogenik atau membuat kecacatan pada bayi.

Metabolisme menjadi lebih toksik

Insektisida dengan bahan aktif paration dapat dimodifikasi oleh  serangga sehingga menjadi bahan metabolit toksik.

 Bagian R dari senyawa paration dapat diganti sehingga paration menjadi lebih toksik.

perjalanan insektisida

Keterangan:

Konfigurasi stereokimia adalah pengaturan polaritas senyawa.  Polaritas insektisida dapat ditingkatkan dengan bantuan software konfigurasi stereokimia ini sehingga senyawa insektisida tepat berikatan dengan tingkat polaritas coline esterase.

Konfigurasi yang tidak tepat dapat menyebabkan insektisida menjadi kurang aktif.

Tiap bagian kutikula mempunyai laju penetrasi yang berbeda.  Senyawa insektisida perlu ditambahkan bahan adjuvan/surfaktan sehingga banyak yang masuk ke dalam tubuh serangga.  Sejauh mana senyawa insektisida tersebar di dalam tubuh serangga dapat diketahui keberadaannya dengan radioaktif C13.

Bahan aktif insektisida yang beredar di pasaran dunia tidak banyak jenisnya, hanya:

1. Piretroid
2. Carbamat
3. Organofosfat
4. Nikotinoid

Racun atau senyawa kimia insektisida dimetabolisme mulai masuk, proses transporttasi sampai di organ target (site of action).  Racun tidak masuk ke tubuh dengan satu jalan linier.  Sangat memungkinkan akan terjadi banyak jalur metabolisme dan cara kerja tergantung pada organ, tingkat dosis, kehadiran toksin lain.


Tiap pintu masuk di tubuh serangga akan terjadi perbedaan laju penetrasi sehingga menyebabkan perbedaan pola metabolisme.


Secara umum, sistem respirasi merupakan jalan masuk (route of entryi) yang paling cepat, sedangkan kulit atau kutikula merupkan jalan yang paling lambat untuk ditembus senyawa kimia insektisida.


Uji toksisitas
Pada uji toksisitas pada serangga, insektisida diberikan topikal atau injeksi di daerah thoraks.  Alasannya daerah tersebut daerah yang paling dekat dengan pusat syaraf.

Ada insektisida yang bekerja dengan cepat mematikan serangga, ada pula yang bekerja lambat.  Kecepatan mematikan tersebut tergantung jenis insektisida yang digunakan.  Insektisida racun syaraf akan cepat bekerja sedangkan insektisida  racun ganti kulit akan lambat bekerja.  Jika serangga belum ganti kulit maka tidak akan mati.

Karakteristik serangga: 

• ada serangga yang mempunyai kulit kuat seperti famili Oryctes sp.
• ada serangga yang kerja enzimatiknya kuat, sehingga insektisida yang diaplikan pada serangga tersebut kurang aktif.  Jika dilihat keadaan kulit barangkali lemah mudah robek.

Koefisien Partisi

• Koefisien kelarutan
• Salah satu parameter yang mempengaruhi penetrasi adalah kelarutan lemak relatif dari potensial racun.  Racun yang mudah larut dalam lemak akan semakin mudah masuk ke dalam tubuh serangga
• Kelarutan lemak diukur sebagai koefisien partisi, merupakan ukuran partisi senyawa antara fase air dan lemak
• Nilai koefisien partisi tinggi menunjukkan kelarutan lemak yang lebih besar
• Pengukuran tingkat kelarutan lemak digunakan oktanol
• Semakin tinggi partisi semakin mudah masuk ke dalam lemak

Mechanism of Entry

DDT merupakan senyawa non polar yang dalam air akan menggumpal.  DDT pasif terbawa dalam air.

Transport pasif

Senyawa dalam bentuk terionisasi tidak bergerak cepat karena ada interaksi racun + lemak + protein.

Kulit serangga permukaan atas bersifat non polar sedangkan lapisan bawah bersifat polar.  Insektisida tidak dapat masuk ke dalam lapisan non polar.  Agar dapat masuk insektisida perlu ditambah dengan bahan adjuvan/surfaktan.  Peristiwa ini merupakan transport pasif.

Senyawa hidrofobik (takut air) bersifat non polar, yang terdiri dari rantai atom C.  Senyawa hidrofilik (suka air) bersifat polar, yang terdiri dari molekul -OH atau ikatan C= O.  Semakin banyak kandungan O pada suatu senyawa maka akan bersifat semakin polar

Filtrasi
Terjadi pada molekul dengan BM (berat massa) rendah dengan ukuran kurang dari 100 Dalton.  Senyawa dengan BM besar jarang terjadi peristiwa filtrasi

Transport khusus
Pada serangga terjadi di bagian gastro intestinal track atau saluran pencernaan.  Transport khusus terdiri atas aktif transport yang membutuhkan energi dan facilitated transport yang tidak membutuhkan energi.

Endositosis
Material cair dan padat ditransport secara khusus yang memungkinkan dapat melintasi membran.

Formulasi 
Merupakan cara agar insektisida dapat masuk ke point of entry

Laju Penetrasi
Untuk sistem pelarut

K=A (C) / d
K = konstanta difusi
A = area terukur
C = Consentraso
d = ketebalan membran

Rumus dapat diperluas dengan 

J= Km Cv Dm/ d

J = laju absorpsi per unit area
Km = Koefisien partisi
Cv =  konsentrasi
Dm =
d = 

Karbofuran
Pestisida yang sifat kelarutan dalam air tinggi, terbawa dalam aliran floen

##
Point view penting toksikologi

Racun masuk akan menghadapi penghalang, berupa fisik (kutikula), kimia (fisiologi, enzimatis), kemudian saat sampai di target sasaran menjadi tidak sensitif.  Sifat ini akan diturunkan ke keturunan serangga hingga menjadi populasi yang resisten baik secara morfologi, fisiologi, biokimia dan tingkah laku

-------------