核與化學(xué)損傷/神經(jīng)性毒劑的中毒機(jī)理
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神經(jīng)性毒劑對(duì)機(jī)體的作用主要有三個(gè)面：一是選擇性抑制膽堿酯酶活性，使乙酰膽堿（Ach）在體內(nèi)蓄積，引起膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂；二是毒劑作用于膽堿能受體；三是毒劑對(duì)非膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)的作用。
一、對(duì)膽堿酯酶的抑制作用
膽堿酯酶根據(jù)其水解基質(zhì)的專一性和速度不同分真性膽堿酯酶和假性膽堿酯酶，前者又稱乙酰膽堿酯酶（AchE），后者包括丁酰膽堿酯酶（BuchE）和丙酰膽堿酯酶（PrchE）。
真性膽堿酯酶與膽堿能神經(jīng)的生理功能極為密切。它主要存在于神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)肌肉接頭、紅細(xì)胞及電魚(yú)的電器官等部位。其生理功能是，當(dāng)神經(jīng)沖動(dòng)到達(dá)膽堿能神經(jīng)末梢時(shí)，突觸小泡內(nèi)的Ach外排至突觸間隙，作用于突觸后膜的膽堿能受體，引起下一級(jí)神經(jīng)元或效應(yīng)器的激發(fā)。在正常生理?xiàng)l件下，Ach完成傳遞沖動(dòng)作用后，隨即被突觸后膜上的AchE在數(shù)毫秒內(nèi)水解，生成乙酸和膽堿。此一水解過(guò)程分兩步進(jìn)行：即與Ach形成乙酰酶，然后乙酰酶脫神經(jīng)系統(tǒng)正常功能的重要條件，當(dāng)AchE活性受到抑制時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致一系列的神經(jīng)功能紊亂。
（一）神經(jīng)性毒劑對(duì)AchE的抑制機(jī)理
神經(jīng)性毒劑特別是V類毒劑，對(duì)AchE的抑制作用與酶催化水解Ach的過(guò)程非常相似，神經(jīng)性毒劑分子中含有親電子的正磷原子（Pδ+），它與Ach分子中的正碳原子（Cδ+）同樣具有親電子性質(zhì)。但神經(jīng)性毒劑的親電子能力此Ach強(qiáng)，這是因?yàn)槎緞┓肿又?，P＝O和P-F鍵上的O、F原子相對(duì)電負(fù)性比P原子大得多（相對(duì)電負(fù)性P＝2.1，O＝3.5，F(xiàn)＝4.0，C&S＝2.5）。因此，相對(duì)電負(fù)性大的O、F原子吸收電子成為負(fù)極，使P成為低電子密度的正極，即P原子帶有較多的正電荷和更強(qiáng)的親電子能力。所以神經(jīng)性毒劑對(duì)AchE有更大的親和力和抑制力。
神經(jīng)性毒劑抑制AchE的過(guò)程如圖12-2所示，G類毒劑的離開(kāi)基團(tuán)是短鏈的酸性基團(tuán)F或－CN，無(wú)膽堿類似結(jié)構(gòu)。因此，G類毒劑與AchE的結(jié)合不涉及負(fù)性部位。由毒劑分子中親電子的正磷原子與被活化的絲氨酸羥基氧原子以共價(jià)鍵相結(jié)合，同時(shí)酯解部位的酸基提供一個(gè)質(zhì)子（H+）給離開(kāi)基團(tuán)－F或－CN，并使之脫落，從而形成穩(wěn)定的膦酰酶（phosphorylated enzyme），此一過(guò)程稱酶的膦
圖12-2 神經(jīng)性毒劑與AchE作用示意圖
V類毒劑抑制AchE的過(guò)程與酶對(duì)Ach的作用非常相似。V類毒劑的離開(kāi)的基團(tuán)近似于Ach中的膽堿部分，依靠疏水性吸附和（或）靜電引力與負(fù)性部位結(jié)合，毒劑的磷堿基協(xié)同作用下，P-S鍵斷裂，Pδ+與絲氨酸Oδ+形成共價(jià)鍵，產(chǎn)生穩(wěn)定的膦酰酶（圖12-2B）。
G類和V類神經(jīng)毒與AchE結(jié)合形成的膦酰酶非常穩(wěn)定，一般無(wú)自發(fā)水解作用。故稱此類毒劑為不可逆性膽堿酯酶抑制劑。
另一類藥物，如氨基甲酸酯類化合物的新斯的明、吡啶斯的明、毒扁豆堿等為可逆性膽堿酯酶抑制劑，分子結(jié)構(gòu)中均含一氨基甲?；?/a>和一季銨氮（毒扁豆堿為叔胺）。與酶作用時(shí)，首先氨基甲酸酯中的季銨氮陽(yáng)離子頭定位于酶的負(fù)性部位，氨基甲?；鶆t與酯解部位中的絲氨酸羥基氧結(jié)合，酯鍵斷裂后形成氨基甲酰酶（carbamylated enzyme）。此一過(guò)程稱酶的氨基甲?；╟arbamylation）。酶氨基甲酰化后即阻止乙?；傅男纬?，因此它也能使AchE失去水解Ach的能力，從而呈現(xiàn)一定的毒性作用。不過(guò)氨基甲酰酶可以自發(fā)水解，脫去氨基甲?；?，酶即自行恢復(fù)。因此，當(dāng)體內(nèi)一部分AchE氨基甲?；?，酶即被“保護(hù)”起來(lái)，從而避免神經(jīng)性毒劑對(duì)它的攻擊。這就是氨基甲酸酯類藥物用著酶保護(hù)劑的基本原理。
綜上所述，膦酰酶、氨基甲酰酶和乙酰酶三種?；缸詣?dòng)恢復(fù)酶活性的速度完全不同。膦酰酶是?；钢凶詣?dòng)恢復(fù)活性最慢的一種，氨基甲酰酶次之，乙酰酶最快。這三種?；缸园l(fā)半活性恢復(fù)期（t1/2）分別為：數(shù)小時(shí)至數(shù)天；數(shù)分鐘；數(shù)毫秒。
由此可見(jiàn)，神經(jīng)性毒劑嚴(yán)重中毒時(shí)，依靠酶活性的自動(dòng)恢復(fù)很難解救嚴(yán)重中毒的病人。
（二）膦酰酶的轉(zhuǎn)歸
神經(jīng)性毒劑與AchE形成的膦酰酶并非是完全不可逆的，也不是反應(yīng)的終止。隨著時(shí)間和條件的改變，膦酰酶可以繼續(xù)發(fā)生質(zhì)和量的變化。這些變化有：酶活性的自動(dòng)恢復(fù)；酶老化和在重活化的劑的作用下發(fā)生重活化（圖12-3）。
圖12-3 膦酰酶的轉(zhuǎn)歸
1．自動(dòng)恢復(fù)酶活性：酶活性的自動(dòng)恢復(fù)是由弱親核試劑水分子的陰離子OH-與膦酰酶中膦?；腜δ+發(fā)生親核反應(yīng)，使酶與膦酰基間的共價(jià)鍵斷裂，從而使膦酰基從酶分子上水解下來(lái)（圖12-3a）。根據(jù)毒劑結(jié)構(gòu)不同，各種神經(jīng)性毒劑與酶形成的膦酰酶，其自動(dòng)恢復(fù)速率有很大差別。有的恢復(fù)較快（如VX），有的恢復(fù)較慢（如GB），有的幾乎不能恢復(fù)（如GD）。
2．膦酰酶老化：膦酰酶經(jīng)一定時(shí)間后，烷氧基上的烷基（R'）發(fā)生脫落，即脫落烷基反應(yīng)（deakylation）。脫落R'后的膦酰酶就失去了重活化的能力。中毒酶從能被重活化的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴荒鼙恢鼗罨臓顟B(tài)，這一過(guò)程叫酶“老化”（aging）。老化的實(shí)質(zhì)是中毒酶負(fù)性部位帶質(zhì)子的酸（H+）和膦酰氧形成氨鍵，促使烷氧鍵（R'－O）斷裂，于是烷基（R'）脫落（圖12-3b）。
不同中毒酶的老化速度取決于毒劑的種類。梭曼中毒酶老化速度最快，而且?guī)缀鯚o(wú)自動(dòng)恢復(fù)現(xiàn)象；VX中毒酶不僅自動(dòng)恢復(fù)快，老化也很慢（表12-4），這主要與毒劑的烷氧基結(jié)構(gòu)有關(guān)（烷氧基的α及β碳原子無(wú)取代基，不易老化，如VX中毒酶；被甲基取代后則易老化，如沙林中毒酶；甲基數(shù)愈多，老化愈快，如梭曼中毒酶）。
表12-4 神經(jīng)性毒劑中毒酶的自動(dòng)恢復(fù)和老化速度*
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毒劑種類 |
24h自動(dòng)恢復(fù)（％） |
半老化期（h） |
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VX |
～70 |
60 |
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塔崩 |
－ |
31 |
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沙林 |
4 |
12 |
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梭曼 |
0 |
＜0.04 |
*酶原：人紅細(xì)胞，25℃，pH7.1～7.3
老化酶一經(jīng)形成，非但不能自行水解，自動(dòng)恢復(fù)酶活性，而且也失去酶重活化劑對(duì)其重活化的作用。老化酶不能重活化，原因之一是烷基（R'）脫落后，老化酶的P原子正電性降低，與帶負(fù)電的肟基（＝NO-）親和力也隨之降低；此外，老化酶帶負(fù)電的羥基氧（
）與帶負(fù)電的肟基具有相互排斥作用，進(jìn)一步影響肟基與P原子的結(jié)合。
梭曼的烷氧基較大，能遮蓋酶的負(fù)性部位，造成空間障礙。在使用酶重活化劑時(shí)，碩大的烷氧基能阻礙重活化劑與酶的負(fù)性部位結(jié)合，這也是梭曼中毒酶難以重活化和重活化劑對(duì)梭曼中毒療效較差的原因之一。
3．膦酰酶重活化：應(yīng)用重活化的劑使膦酰基從酶的結(jié)合部脫落下來(lái)，恢復(fù)酶活性已得到實(shí)際應(yīng)用。目前常用的重活化劑多為肟類化合物（oximes），如氯磷定、雙復(fù)磷、甲磺磷定、雙磷定等。其分子結(jié)構(gòu)中均含有肟基和季銨氮，它們能大大加速脫膦?；磻?yīng)的速度，加速酶的活性恢復(fù)（圖12-3c、圖12-4）。反應(yīng)原理是：
圖12-4 氯磷定對(duì)中毒酶重活化示意圖
（1）首先，肟類藥物（如氯磷定）分子中季銨氮借靜電引力結(jié)合在酶的負(fù)性部位，從而使整個(gè)分子固定在最有利于向Pδ+原子攻擊的位置圖（12-4a）。
（2）氯磷定與毒劑殘基形成中間復(fù)合物圖（12-4b）。
（3）負(fù)性肟基（＝NO-）對(duì)中毒酶的Pδ+原子進(jìn)行親核性攻擊，形成膦酰肟并離開(kāi)酶的活性表面，于是酶恢復(fù)為原來(lái)狀態(tài)。（圖12-4c）。
應(yīng)當(dāng)知道，同一種重活化劑對(duì)不同中毒酶的重活化作用強(qiáng)度不同的，不同的重活化劑對(duì)同一中毒酶重活化作用的相對(duì)強(qiáng)度也不一樣。例如氯磷定對(duì)沙林中毒酶的重活化率高于對(duì)塔崩中毒酶的重活化率；雙復(fù)磷對(duì)塔崩中毒酶的重活化效果優(yōu)于氯磷定。
綜上所述，神經(jīng)性毒劑能使AchE失去水解Ach的能力。在突觸部位，AchE的抑制，引起突觸后Ach的蓄積和對(duì)受體的持續(xù)作用是導(dǎo)致膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂的重要原因。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床中毒病人中均已證明有機(jī)磷毒劑中毒時(shí)，血液和腦組織中Ach含量均有升高，而且AchE抑制程度、Ach含量增加與中毒劑量有著平行關(guān)系。重活化劑可使酶的活性重新恢復(fù)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要注意不同中毒酶的老化速度和對(duì)不同毒劑中毒采用不同的重活化劑，參見(jiàn)表12-5。
表12-5 幾種肟類重活化劑的抗毒效果比效
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重活化劑 |
塔崩 |
梭曼 |
沙林 |
VX |
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2-PAM－CL |
0 |
0 |
＋ |
＋ |
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TMB－4 |
++ |
－ |
++ |
++ |
|
LüH－6 |
＋ |
－ |
++ |
++ |
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HI－6 |
0 |
＋ |
++ |
+++ |
注：－ 相反作用；0 無(wú)效；＋ 效果好；++ 效果很好；+++ 效果極好
塔崩是目前唯一確證在戰(zhàn)爭(zhēng)中大規(guī)模使用的神經(jīng)性毒劑，其抑制酶的能力弱于沙林、梭曼和VX。塔崩中毒酶無(wú)自動(dòng)重活化作用，老化速度比沙林、梭曼等中毒酶慢得多，故老化在塔崩中毒救治過(guò)程中不占重要地位。雙吡啶肟類藥物中僅4位肟基的化合物對(duì)其抑制的酶有一定的重活化作用，其中以TMB-4重活化作用最強(qiáng)，LüH-6次，研制的三種4位肟基的H系藥物均較弱；單吡啶肟類中，僅2位肟基的芐基單吡啶醛肟對(duì)塔崩中毒酶有較強(qiáng)的重活化作用，PAM類的重活化作用均較弱（羅春元博士論文，1993）。
二、對(duì)膽鹼能受體的作用
（一）通過(guò)Ach對(duì)受體的間接作用
1．膽堿能受體：早先，蛙心灌注實(shí)驗(yàn)證明Ach是一種神經(jīng)介質(zhì)，它在體內(nèi)與受體結(jié)合產(chǎn)生作用。已有幾種方法可以分離這種受體，并證明它們是位于細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)。經(jīng)分離測(cè)得溶解狀態(tài)的膽堿能受體蛋白質(zhì)分子量為42000，它由數(shù)個(gè)亞單位構(gòu)成，但對(duì)這些亞單位結(jié)構(gòu)類型還有不同的看法，因此受體有不同的分子量。經(jīng)推算，骨骼肌的單條纖維上平均有4.7×107個(gè)受體，每個(gè)運(yùn)動(dòng)終板上平均有3×106～3×107個(gè)受體。根據(jù)放射性箭毒結(jié)合受體的位點(diǎn)數(shù)目，推算受體的全部表面積還不到終板表面積的1％。當(dāng)一個(gè)生理效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)，僅是其中的一小部分受體發(fā)生興奮。實(shí)驗(yàn)證明，阻斷50％的膽堿能受體不會(huì)影響生理功能，阻斷70％時(shí)，功能才會(huì)受到明顯影響。
乙酰膽堿受體分兩類，即毒蕈堿樣乙酰膽堿受體（M－AchR，簡(jiǎn)稱M受體）和煙堿樣乙酰膽堿受體（N-AchR，簡(jiǎn)稱N受體）。
（1）毒蕈堿樣乙酰膽堿受體：該受體能為Ach所興奮，也能為毒蕈堿所激動(dòng)。類似作用激動(dòng)劑有毛果蕓香堿、檳榔堿、氧化震顫素等。M受體主要分布在外周副交感節(jié)后纖維所支配的平滑肌和腺體包括汗腺上；在中樞則主要分布于大腦皮層錐體細(xì)胞。其典型特點(diǎn)是可被阿托品及其同類化合物東莨菪堿、樟柳堿及二苯羥乙酸－3-喹嚀環(huán)酯所阻斷。
（2）煙堿樣乙酰膽堿受體：也能被Ach所興奮，同樣也可被低濃度煙堿所激動(dòng)（高濃度被阻斷）。N受體主要分布在骨骼肌的神經(jīng)肌肉接頭、植物神經(jīng)節(jié)和腎上腺髓質(zhì)等突觸后膜上。在中樞主要分布于脊髓閏紹氏細(xì)胞。據(jù)此可分為神經(jīng)節(jié)型（N1－AchR）和神經(jīng)肌肉接頭型（N2－AchR）兩種亞型。故其阻斷劑或拮抗劑分神經(jīng)節(jié)和神經(jīng)肌肉接頭兩類：前者有美加明、五烴季銨、六烴季銨；后者有十烴季銨、d-筒箭毒、a－銀環(huán)蛇毒、眼鏡蛇毒等。
在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，M和N兩種受體均存在，甚至同一細(xì)胞上有兩種受體，而以一種占優(yōu)勢(shì)。大腦皮層錐體細(xì)胞則以M受體為主，脊髓閏紹氏細(xì)胞則以N受體為主。丘腦的神經(jīng)元?jiǎng)t為混合型。
2．乙酰膽堿與受體的結(jié)合方式：膽堿能受體的分子構(gòu)圖（topography）與AchE有相似之處，但又不完全相同。如M受體有兩個(gè)活性中心（負(fù)性部位、親酯部位）和疏水區(qū)。當(dāng)Ach與受體接近時(shí)發(fā)生①Ach的季銨氮與受體分子的負(fù)性部位以靜電引力和范德華引力相互結(jié)合；②受體上帶部分正電荷（δ+）的基團(tuán)以氫鍵方式與Ach的醚氧結(jié)合；③另一帶正電荷基團(tuán)與Ach羰基氧相互作用；④親酯部位附近的疏水區(qū)與Ach的甲基以范德華引力相吸引（圖12-5）。
圖12-5 Ach通過(guò)靜電、偶極和疏水性相互作用與受體結(jié)合
除上述三個(gè)部位外，可能還有一個(gè)未定部位，它主要與M抗膽堿藥物的羥基結(jié)合。還有人認(rèn)為M受體的親酯部位有兩個(gè)帶電荷相反的基團(tuán)，一是帶部分負(fù)電荷的基團(tuán)，另一是帶部分正電荷的基團(tuán)。
N受體的活性中心也由三個(gè)部位組成，第一是負(fù)性部位，這是最主要的，帶有完整的負(fù)電荷，它與煙堿樣物質(zhì)或Ach的陽(yáng)離子頭結(jié)合；其次是帶部分負(fù)電荷的親酯部位，主要與Ach的酯基部位結(jié)合（靜電吸引），第三是輔助陰離子部位，此部位不與Ach發(fā)生作用，但能與雙季銨類化合物的第二個(gè)季銨陽(yáng)離子頭以離子鍵方式結(jié)合。
Ach與受體結(jié)合后，引起受體分子立體構(gòu)型改變，進(jìn)而激起細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化和細(xì)胞膜對(duì)Na+、K+等離子通透性改變，從而引起一系列生理效應(yīng)。
（二）毒劑對(duì)受體的直接作用
神經(jīng)性毒劑抑制酶活性，Ach在突觸處積聚并作用于膽堿能受體，引起一系列神經(jīng)功能紊亂，這是毒劑的間接作用，是導(dǎo)致中毒的主要原因。但也發(fā)現(xiàn)許多與此相矛盾的現(xiàn)象：如酶活性抑制程度與臨床表現(xiàn)并非完全一致；事先用酶抑制劑將某些離體器官的AchE活性完全抑制，然后再次或重復(fù)應(yīng)用毒劑，仍能引起毒性效應(yīng)。還有，中毒動(dòng)物毒性癥狀消失與酶活性恢復(fù)不成平行關(guān)系等。這些事實(shí)說(shuō)明，毒劑除對(duì)AchE有抑制作用外，可能對(duì)受體還有直接作用。如梭曼、VX、沙林、塔崩與大鼠心肌M2受體有很高的親和力，它們結(jié)合在M2受體Ach結(jié)合部位上能夠抑制［3H］CD（一種與M2受體有很高親和力的化合物）與M2受體的結(jié)合；二苯羥乙酸－3-喹嚀環(huán)酯（QNB）作為配體，能與M受體產(chǎn)生物異性結(jié)合，大鼠梭曼中毒后，皮層、海馬M受體與［3H］QNB結(jié)合數(shù)則明顯減少，從而表明梭曼也能與M受體直接結(jié)合。此外，VX與N受體的直接結(jié)合，國(guó)內(nèi)也有報(bào)道。神經(jīng)性毒劑對(duì)周圍神經(jīng)節(jié)和神經(jīng)肌肉接頭也有影響，而且也是通過(guò)對(duì)受體的直接作用產(chǎn)生的?？墒巧窠?jīng)性毒劑對(duì)受體的直接作用所需劑量比抑制酶活性的劑量要大得多。因此，它在毒理作用中的實(shí)際意義如何，尚難斷定。不過(guò)，受體在毒劑中毒發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中在某些方面可能起重要作用。如毒劑引起的中樞神經(jīng)性呼吸麻痹、血壓下降、心律失常等與毒劑直接作用于呼吸中樞和相關(guān)受體有一定關(guān)系。此外，受體對(duì)中毒后重要器官功能的自動(dòng)恢復(fù)也起著重要作用，這是因?yàn)槭荏w在中毒過(guò)程中產(chǎn)生了脫敏效應(yīng)和受體數(shù)目減少有關(guān)。
三、對(duì)非膽堿能系統(tǒng)的作用
在接近LD50劑量時(shí)，神經(jīng)性毒劑能影響中樞非膽堿能系統(tǒng)的活動(dòng)。如神經(jīng)性毒劑中毒引起的中樞性驚厥和小腦環(huán)－磷酯鳥(niǎo)苷（cGMP）濃度的迅速升高，阿托品對(duì)之無(wú)效，而安定則可使驚厥消失以及cGMP濃度下降。γ-氨基丁酸（GABA）是一種與驚厥發(fā)生有關(guān)的重要物質(zhì)，對(duì)中樞神經(jīng)元普遍的抑制效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明梭曼引起的驚厥，原因是它能干擾GABA能受體對(duì)GABA的親和力和利用率，而安定等苯并二氮雜卓類化合物則能增強(qiáng)受體對(duì)GABA的親和力和利用率，故有抗驚作用。
此外，還觀察到塔崩、沙林和梭曼還作用于腺苷酸環(huán)化酶和磷酸二酯酶導(dǎo)致腦內(nèi)環(huán)—磷酸腺苷（cAMP）和cGMP含量的改變。
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