毒理学 神经性与失能性毒剂Word下载.docx
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CN
沙林
GB
甲氟膦酸异丙酯
CH3
（CH3）2CH
F
梭曼
GD
甲氟膦酸特已酯
（CH3）3C-H-CH3
维埃克斯
VX
S-（2-异丙胺乙基）-
甲基硫赶膦酸乙酯
S-CH2CH2N（iC3H7）2
二、理化性质
（一）物理性质
G类毒剂的纯品为无色水样液体，工业品呈淡黄或黄棕色，有水果香味；
VX为无色、无味、油状液体，工业品呈微黄至棕黄色，有硫醇味。
有关物理参数见表10-2。
表10-2神经性毒剂主要物理性质
沸点（℃）
凝固点（℃）
蒸气比重*
挥发度（mg/L,20℃）
脂溶性
水溶性
220
-48
5.63
0.321
强
约10％（15℃）
151.5
-54
4.83
13.2
较强
与水及多种溶剂互溶
167.7
-70
6.33
2.647
约1％（0℃）
300以上分解
-39
9.20
0.01
很强
1％～5％（25℃）
*以空气比重为1，表中各值为与空气比重的比值
四种毒剂蒸气分别比空气重约5～9倍；
其中挥发度以沙林最大,VX最小。
前者很易形成战斗浓度，后者在野战条件下靠自然蒸发不易达到伤害浓度。
四种毒剂凝固点均较低，冬季施放不会影响使用效果。
除沙林可与水任意互溶外，其余三种的比重＞1，水溶性差。
施放后落入水中多沉入水底，能长期染毒水源。
（二）化学性质
毒剂纯品在常温下均较稳定，工业品因含杂质，稳定性受到影响，塔崩、沙林和梭曼在150℃以上会明显分解（沙林弹在爆炸时瞬间分解可达30％）。
1、水解反应G或V类毒剂在水中均可缓慢水解,水解产物无毒。
如沙林的水解产物则为甲膦酸异丙酯和HF，VX的水解产物是甲膦酸乙酯和二异丙胺乙硫醇。
反应如下：
水解速度依次为GA＞GB＞GD＞VX。
例如温度为20℃时，GA水溶液（2.2g/L），经24～25小时则完全水解；
GB（0.1g/L）72小时水解39.2%;
GD（0.1g/L）温度16-18℃时完全水解需76天。
VX最慢，25℃水解速度仅及GB的1/5000。
加热或加碱可加速毒剂水解。
如单纯用煮沸法即可消除G类毒剂，加热V类毒剂虽可使水解加速,但不完全。
对VX染毒的服装或其它物品采用煮沸法消毒时,加碱可促使VX水解作用完全。
酸也加速G类毒剂水解，VX为碱性物质，加酸成盐后水解则更难。
2、与碱反应G类毒剂与碱作用生成无毒产物，反应迅速（足量NaOH，一般3～5分钟反应即可完成）。
因此,可用NaOH和氨水等对G类毒剂进行消毒。
如空气中的G类毒剂可用氨水进行喷洒消毒。
碱也可以破坏V类毒剂，但作用较慢，常温下需数小时，消毒效果不佳。
实际工作中常用加碱、水洗法消除神经性毒剂的污染,有些物品遭V类毒剂污染,若耐热也可加
碱煮热法消毒，然后水洗。
3、与氧化氯化剂反应VX能被二氯胺、次氯酸盐、三合二、二氯三聚异氰酸钠等氧化氯化剂氧化，生成无毒的甲膦酸乙酯和二异丙胺基乙磺酸，可用于消毒。
三、生物活性
化学结构直接决定毒物理化性质和生物活性。
神经性毒剂与Ach（Ach）的结构相似，均有一个亲电中心，Ach的亲电中心为乙酰基中的羰基正碳原子（Cδ+），而神经性毒剂的亲电中心为膦酰基中的正磷原子（Pδ+）；
而V类神经性毒剂与Ach的结构中均有一个相似的阳离子端。
由于二者结构的相似性,决定它们具有相似的生物活性,如与AchE、AchE受体（AchR）的作用。
由上述可知，神经性毒剂分子中含有亲电子的Pδ+，它与Ach分子中的正碳原子Cδ+同样具有亲电子性质，但神经性毒剂的亲电子能力比Ach强。
因为，在毒剂分子中，P=O和P-F键上的O、F原子相对电负性（吸电子性）比P原子大得多（相对电负性P=2.1，O=3.5，F=4.0，C&
S=2.5）。
因此，相对电负性大的O、F原子吸引电子成为负极，使P成为低电子密度的正极，使P原子带有较多的正电荷和更强的亲电子能力。
所以神经性毒剂对AchE有更大的亲和力和抑制力，除与AchE、AchR的作用外,还可以与非胆碱能神经系统作用。
同时神经性毒剂除P-X键这个主活性位外，还有R'
-O键次活性位。
神经性毒剂的化学结构含有多活性中心决定其有广泛生物活性。
第二节神经性毒剂的毒理
神经性毒剂对机体的毒理作用主要为有三个方面：
一是选择性抑制AchE活性，使Ach在体内蓄积，引起胆碱能神经系统功能紊乱，是神经性毒剂中毒的主要作用机理，此神经性毒剂对胆硷能受体的作用是通过AchE对受体的间接作用。
二是毒剂直接作用于胆碱能受体。
Ach受体分两类，即毒蕈碱样Ach受体（M-AchR，简称M受体）和烟碱样Ach受体（N-AchR，简称N受体）。
实验证明，阻断50％的胆碱能受体不会影响生理功能，阻断70％时，功能才会受到明显影响。
三是毒剂对非胆碱能神经系统的作用。
接近LD50剂量时，神经性毒剂能影响中枢非胆碱能系统的活动。
如神经性毒剂中毒引起的中枢性惊厥和小脑环磷酸鸟苷（cGMP）浓度的迅速升高，阿托品对之无效，而安定则可使惊厥消失以及cGMP浓度下降。
r-氨基丁酸（GABA）是一种与抑制惊厥发生有关的重要物质，对中枢神经元有普遍的效应。
实验表明梭曼引起的惊厥，原因是它能干扰GABA能受体对GABA的亲和力和利用率，而安定等苯并二氮杂艹卓类化合物则能增强受体对GABA的亲和力和利用率，故有抗惊作用。
此外，还观察到塔崩、沙林和梭曼作用于腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶导致脑内环磷酸腺苷（cAMP）和cGMP含量的改变。
一、中毒机理
（一）AchE的正常生理功能
1、分类与分布
胆碱酯酶（ChE）根据其水解基质的专一性和速度不同分真性AchE和假性AchE，前者又称AchE，后者包括丁酰胆碱酯酶（BuchE）和丙酰胆碱酯酶（PrchE）。
真性AchE与胆碱能神经的生理功能极为密切，它主要存在于神经细胞突触、神经肌肉接头、红细胞等部位。
AchE在细胞膜上的分布可区分为细胞浆内酶（膜内酶）和细胞膜外表面酶（膜外酶），只有位于细胞（突触）膜外表面的AchE才能接触神经末梢释放的Ach和又接近Ach作用的受体，故这些部位的AchE也称功能性AchE。
而位于细胞浆内的AchE是合成后尚未运送到膜外面的膜内酶，故也称为贮存AchE。
假性AchE主要分布在神经胶质细胞、血浆、肝、肺和心肌等部位，其生理作用至今尚不清楚。
2、AchE的活性中性
AchE是一种糖蛋白，分子量为23-26万道尔顿。
它的活性部位（活性中心）包括相距0.5nm的两个部位，即负性部位（阴离子部位）和酯解部位。
活性部位只占酶蛋白分子的一部分。
负性部位可能是天门冬氨酸或谷氨酸侧链的羧基阴离子（COO-），并被一个疏水区包围着；
酯解部位以丝氨酸的羟基为中性，附近还有一个碱基和一个酸基，分别是组氨酸的咪唑基和酪氨酸的羟基。
在负性部位和酯解部位附近还各有疏水区，疏水区是由氨基酸的碳氢侧链构成，它具有亲脂性，排斥亲水性基团（如图10-1,10-2）。
Ach（Ach）V类神经性毒剂
图10-1V类神经性毒剂和Ach（Ach）与AchE作用示意图
3、AchE催化作用原理
AchE的生理功能是，当神经冲动到达胆碱能神经末梢时，突触小泡内的Ach外排至突触间隙，作用于突触后膜的胆碱能受体，引起下一级神经元或效应器的激发。
在正常生理条件下,Ach完成传递冲动作用后，随即被突触后膜的AchE在数毫秒内水解，生成乙酸和胆碱。
其水解过程分两步进行：
当Ach靠近AchE的活性表面时,Ach的三甲铵阳离子（带正电）与AchE的负性部位（带负电）靠静电引力形成离子键而结合，使Ach固定在最有利与酯解部位水解Ach的位置，使之与Ach反应机率提高；
AchE对Ach水解的催化过程主要在酯解部位进行，在酯解部位酸基和碱基协助下，Ach的乙酰基上的碳原子与AchE丝氨酸的氧原子形成共价键结合，同时酯键断裂，乙酰基与AchE结合形成乙酰酶。
然后乙酰酶脱乙酰基，使酶恢复原有活性。
乙酰AchE的活性状态是维持神经系统正常功能的重要条件，当AchE活性受到抑制时，就会导致一系列的神经功能紊乱（如图10-1）。
（二）毒剂对AchE的抑制作用
由于神经性毒剂与Ach结构相似，所以其与AchE的作用原理和Ach与AchE的结合方式基本相似。
当神经性毒剂靠近AchE的活性表面时，依靠亲脂性（疏水性）吸附或静电引力与AchE的疏水区或负性部位结合，使神经性毒剂固定在最有利与酯解部位发生作用的位置。
同样，在酯解部位的酸基和碱基协助下，神经性毒剂的膦酰基上的磷原子与AchE丝氨酸的氧原子形成共价键结合,同时酯键断裂,膦酰基与AchE结合形成稳定的膦酰酶（phosphorylatedenzyme），这一过程称酶的膦酰化（phosphorylation）。
如图10-1、10-2所示。
G类毒剂的离开基团是短链的酸性基团F或CN,无胆碱类似结构。
因此，G类毒剂与AchE的结合不涉及负性部位，主要靠疏水性固定在AchE上，由毒剂分子中亲电子较强的正磷原子与被活化的丝氨酸羟基氧原子以共价键相结合；
而V类毒剂抑制AchE的过程与酶对Ach的作用非常相似，V类毒剂的离开的基团近似于Ach中的胆碱部分，依靠疏水性吸附或静电引力与负性部位结合，在羧基和碱基的协同作用下，P-S键断裂，Pδ+与丝氨酸Oδ-形成共价键，产生稳定的膦酰酶（图10-1、10-2）。
虽然神经性毒剂和Ach与AchE的结合方式基本相似，但机体正常代谢中生成的乙酰化酶能在极短的时间内自动脱乙酰基而使酶活化，恢复AchE的正常生理功能；
而神经性毒剂引起的膦酰酶的脱膦酰基反应速度极慢，难于恢复为活性酶，因此,将膦酰化酶又称中毒酶。
G类和V类神经毒与AchE结合形成的膦酰酶非常稳定，一般无自发水解作用，故称此类毒剂为不可逆性AchE抑制剂。
另一类药物，如氨基甲酸酯类化合物的新斯的明、吡啶斯的明、毒扁豆碱等为可逆性AchE抑制剂，分子结构中均含一氨基甲酰基和一季铵氮（毒扁豆碱为叔胺）。
与酶作用时，首先氨基甲酸酯中的季铵氮阳离子端定位于酶的负性部位，氨基甲酰基则与酯解部位中的丝氨酸羟基氧结合，酯键断裂后形成氨基甲酰酶（carbamylatedenzyme）。
此一过程称酶的氨基甲酰化（carbamylation）。
酶氨基甲酰化后即阻止乙酰化酶的形成，因此它也能使AchE失去水解Ach的能力，从而呈现一定的毒性作用。
不过氨基甲酰酶可以自发水解，脱去氨基甲酰基，酶活性即自行恢复。
当体内一部分AchE氨基甲酰化后，酶即被“保护”起来，从而避免神经性毒剂对它的抑制作用。
这就是氨基甲酸酯类药物用作酶保护剂（预防药）的基本原理。
综上所述，三种酰化酶（膦酰酶、氨基甲酰酶和乙酰酶）自动恢复酶活性的速度有很大不同。
膦酰酶是酰化酶中自动恢复活性最慢的一种，氨基甲酰酶次之，乙酰酶最快。
这三种酰化酶自发恢复活性半恢复期（t1/2）分别为：
数小时至数天；
数分钟；
数毫秒。
而老化酶则不能水解。
这也就形成了毒性较强的有机磷化合物用作，氨基甲酸酯类化合物防护剂的机理，而乙酰酶则为Ach正常生理代谢的神经递质。
（三）中毒酶（膦酰酶）的转归
神经性毒剂与AchE形成的膦酰酶并不是反应的终止，会随着时间和条件的改变而发生转归。
自然转归有自动活化反应和老化反应：
整个膦酰基脱落，ChE自动恢复酶活性，称自动活化反应；
膦酰基的部分基团（R'
）脱落，ChE失去酶活性，称老化。
当上述两个转归尚未发生时，如果应用适当的药物促进膦酰基脱落而重新恢复为自由酶，称为重活化反应，这种药物称为重活化剂或复能剂（如图10-1,图10-2）。
（乙酰化酶）（氨甲酰酶）（膦酰化酶）（老化酶）
t1/2数毫秒数分钟数小时至数天不能恢复
图10-2G类神经性毒剂与AchE作用示意图图10-3氯磷定对中毒酶重活化示意图
1、自动活化酶活性的自动恢复是由弱亲核试剂水分子的阴离子OH-与膦酰酶中膦酰基的Pδ+发生亲核反应，使酶与膦酰基间的共价键断裂，从而使膦酰基从酶分子上水解下来。
根据结构不同，各种神经性毒剂与AchE形成的膦酰酶，其自动恢复速率有很大差别。
有的恢复较快（如VX），有的恢复较慢（如GB），有的几乎不能恢复（如GD）。
2、老化膦酰酶经一定时间作用后，烷氧基上的烷基（R'
）就会脱落,即脱落烷基反应（deakylation）。
脱落R'
后的膦酰酶就失去了重活化的能力。
中毒酶从能被重活化的状态转变为不能被重活化的状态，这一过程称酶“老化”（aging）。
“老化“的实质是中毒酶负性部位带质子的酸（H+）和膦酰氧形成氢键，促使烷氧键（R'
-O）产生断裂,于是烷基（R'
）脱落。
不同中毒酶的老化速度取决于毒剂的种类。
梭曼中毒酶老化速度最快，而且几乎无自动恢复现象；
VX中毒酶不仅自动恢复快，老化也较慢，这主要与毒剂的烷氧基结构有关：
烷氧基的α及β碳原子没有取代基，不易老化，如VX中毒酶；
被甲基取代后易老化，如沙林中毒酶；
甲基数愈多，老化愈快，如梭曼中毒酶。
老化酶一经形成，非但不能自行水解和自动恢复酶活性，而且也失去酶重活化剂对其重活化作用。
老化酶不能重活化，原因之一就是烷基（R'
）脱落后，老化酶上的P原子正电性降低，与带负电的肟基（=NO-）亲和力也随之降低；
此外，老化酶带负电的羟基氧与带负电的肟基具有相互排斥作用，进一步影响肟基与P原子的结合。
梭曼的烷氧基较大，能遮盖酶的负性部位，造成空间障碍。
在使用酶重活化剂时，硕大的烷氧基能阻碍重活化剂与酶的负性部位结合，这也是梭曼中毒酶难以重活化和重活化剂对梭曼中毒疗效较差的原因之一。
3、重活化应用重活化剂使膦酰基从酶的结合部脱落下来，恢复酶活性已得到实际应用。
目前常用的重活化剂多为肟类化合物（oximes），如氯磷定、双复磷、甲磺磷定、双磷定等。
其分子结构中均含有肟基和季铵氮，它们能大大加速脱膦酰基反应的速度，加速酶的活性恢复。
反应原理如下：
（1）首先，肟类药物（如氯磷定）分子中季铵氮阳离子端靠静电引力作用结合在酶的负性部位，从而使整个分子固定在最有利于向Pδ+原子攻击的位置。
（2）亲核试剂（肟类重活化剂如氯磷定）与毒剂残基形成中间复合物。
（3）肟类重活化剂的负性肟基（=NO-）对膦酰酶（中毒酶）的Pδ+原子发生亲核性取代反应，形成膦酰肟并使膦酰基离开酶的活性部位，于是酶恢复原来状态。
同一种重活化剂对不同中毒酶的重活化作用强度不同，不同的重活化剂对同一中毒酶重活化作用的相对强度也不一样。
例如，氯磷定对沙林中毒酶的重活化率高于对塔崩中毒酶的重活化率；
双复磷对塔崩中毒酶的重活化效果优于氯磷定。
综上所述，神经性毒剂能使AchE失去水解Ach的能力。
在突触部位，AchE的抑制，引起突触后Ach的蓄积和对受体的持续作用是导致胆碱能神经系统功能紊乱的重要原因。
重活化剂可使酶的活性重新恢复，但在实际应用时,对不同毒剂中毒应采用不同的重活化剂进行治疗。
二、毒理作用
神经性毒剂的生物学作用主要是抑制神经系统内的AchE，造成Ach大量蓄积，间接用于受体，此外还有对受体的直接作用等。
M受体主要分布在外周副交感节后纤维所支配的平滑肌和腺体包括汗腺上，在中枢则主要分布于大脑皮层锥体细胞，其典型特点是可被阿托品及其同类化合物东莨菪碱、樟柳碱及二苯羟乙酸-3-喹咛环酯所阻断；
N受体主要分布在骨骼肌的神经肌肉接头、植物神经节和肾上腺髓质等突触后膜上，在中枢主要分布于脊髓闰绍氏细胞。
N受体可分为神经节型（N1-AchR）和神经肌肉接头型（N2-AchR）两种亚型，故阻断剂或拮抗剂被分为神经节和神经肌肉接头两类：
前者有美加明、五烃季铵、六烃季铵；
后者有十烃季铵、d-筒箭毒、a-银环蛇毒、眼镜蛇毒等。
中枢神经系统均存在M和N两种受体，由于中枢神经的M受体和N受体的分布、功能及两者的相互关系尚不完全清楚，故Ach作用于中枢神经系统症状称为中枢症状。
因此，就其对受体的作用可分为毒蕈碱样作用（M样作用）、烟碱样作用（N样作用）和中枢作用（表10-3）。
神经性毒剂急性中毒的死亡主要有以下三种原因：
即呼吸中枢抑制、呼吸肌麻痹等引起的呼吸衰竭；
心收缩力减弱，心率减慢引起的循环衰竭；
以及中枢性惊厥。
其关键是呼吸衰竭造成窒息死亡。
表10-3神经性毒剂毒理作用及中毒症状和体征
毒理作用
作用部位
症状和体征
中枢作用
中枢神经系统
（先兴奋后抑制）
紧张不安、情绪激动、头痛头晕、疲倦思睡、记忆障碍、精神抑郁、运动失调、全身无力、惊厥昏迷、反射消失、呼吸抑制
毒蕈碱样作用
（M样作用）
副交感神经
腺体（分泌增加）：
唾液腺、泪腺、鼻、
支气管、胃肠道腺体
平滑肌（收缩）：
瞳孔括约肌
睫状肌
支气管
胃肠道
膀胱逼尿肌
膀胱括约肌（松弛）
心血管（迷走兴奋）
交感神经
汗腺
流涎、流泪、流涕、支气管分泌物增多、肺内干、湿啰音、咯痰
瞳孔缩小
眼痛、视力模糊
胸紧、胸痛、咳嗽、气急、呼吸困难
恶心呕吐、腹痛腹泻、大便失禁
尿频
小便失禁
心动徐缓、血压下降
出汗
烟碱样作用
（N样作用）
交感神经节肾上腺髓质（兴奋）
神经肌肉接头
（先兴奋、后抑制）
皮肤苍白、心动过速、血压升高
肌颤、肌无力、肌麻痹、肌束收缩、呼吸肌肉麻痹、呼吸困难
（一）中枢神经系统功能紊乱
神经性毒剂是脂溶性很强的化合物，极易透过血脑屏障，AchE被抑制时，蓄积的Ach作用于M、N受体，能兴奋大脑许多部位,大脑高频发电，脑电图出现癫痫波，同时出现惊厥、强直性或阵挛性抽搐。
较长时期的惊厥可破坏大脑各部位功能的平衡和协调。
活存动物可观察到因脑损伤引起的行为改变。
惊厥时，大脑神经细胞处于高度兴奋状态，脑细胞和全身肌肉要消耗大量能量、妨碍呼吸动作、加重脑组织缺血和缺氧、增加呼吸和循环负担，进而转为抑制,很快出现昏迷或神志不清。
呼吸中枢和循环中枢抑制神经性毒剂由椎动脉注入，到达延脑、桥脑部位，可引起吸气中枢电位发放短暂增加,呼吸加深加快，随后吸气中枢很快转为抑制，吸气节律紊乱、减慢以至消失。
吸气中枢节律性发放冲动需有一定的血压水平，当血压降至6.665～7.999kPa（50～60mmHg）以下时，呼吸中枢停止活动。
吸气中枢完全抑制时，如用人工呼吸维持生命，中枢冲动会恢复发放，可恢复肺通气。
因此对严重中毒者维持呼吸循环功能十分重要。
阿托品类抗胆碱能药物能有效地拮抗神经性毒剂引起的呼吸中枢抑制,表明呼吸中枢有M-AchR存在；
神经性毒剂对循环中枢的作用较为次要。
接触微量梭曼，引起血压和心率明显下降，再由椎动脉注入美加明（N拮抗剂），心率很快恢复，但血压不回升；
注入阿托品，血压明显恢复。
表明梭曼对延脑心血管中枢既有M样作用，又有N样作用，且可分别被M和N拮抗剂所拮抗，从而证明延脑心血管中枢有M和N受体存在。
大脑皮层和皮层下结构含有大量M受体（约90%M受体，10%N受体），因此神经性毒剂的上述兴奋作用能被中枢作用较强的抗胆碱能药物-苯那辛或东莨菪碱所拮抗，而阿托品拮抗作用较差。
此外，实验表明安定类药物能明显控制癫痫波和惊厥。
（二）呼吸衰竭
呼吸衰竭是神经性毒剂急性中毒死亡的主要原因，因此，抢救中毒伤员时，及时给予正压人工呼吸或防止呼吸衰竭是能否抢救成功的关键。
1、抑制呼吸中枢
毒剂对呼吸中枢的作用机制既有间接作用，也有直接作用。
毒剂抑制AchE而使蓄积的Ach激动M受体或毒剂直接作用于M受体，结果使呼吸中枢停止发放节律性的冲动，产生呼吸中枢麻痹，失去节律性的有效收缩，呼吸停止,呼吸中枢的N受体处于次要的地位。
呼吸中枢对神经性毒剂比较敏感。
小剂量兴奋呼吸中枢，大剂量引起呼吸衰竭，因而呼吸衰竭造成的缺氧和窒息是神经性毒剂急性中毒死亡的主要原因。
中枢抗胆碱药和阿托品可较好地拮抗神经性毒剂中毒所致的呼吸中枢抑制。
2、呼吸肌麻痹
神经性毒剂可使神经肌肉接头传导阻滞、肌肉收缩无力和麻痹。
原因是早期Ach引起AchR持久性去极化，后期引起AchR敏感性降低。
呼吸肌麻痹，先由膈肌开始至有肋间外肌。
及时使用肟类重活化剂恢复AchE活性，即可解除毒剂引起的肌麻痹。
神经肌肉接头的突触前或突触后都有N受体，竞争性N受体拮抗药如，箭毒类药物等也有部分拮抗神经性毒剂在接头的作用，因为此类药物剂量稍大也可阻断N受体而导致传导阻滞，故临床应用价值不太大。
此外，循环功能的维持、机体供氧的充足，可提高膈肌对毒剂的耐受量，并易于使麻痹的膈肌重新恢复。
3、气体交换受阻
蓄积的
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