氰化物的致命之吻

氰化物的性质

氰化氢、氰化钠及氰化钾是氰化物中最常见的种类,常用于电镀、冶金、塑胶製造、船舶燻蒸等。氰化钠及氰化钾都是固态离子化合物,氰化氢本身则是气体,闻起来有杏仁味。气态的氰化氢容易经由鼻腔吸入肺部,溶于血液中并分布至全身组织,因此氰化氢比起其他的固态离子化合物更能导致快速中毒。

对氰化氢分子而言,氮原子的电负度比碳原子大,而电负度的大小与拉电子的能力成正向关係,因此氮容易吸引碳的电子,而碳再吸引氢的电子,造成碳与氢原子之间的电荷分布不均,氢原子几乎成为裸露的质子而形成氢离子。因此,高极性的氰化氢分子能与极性质子溶剂形成氢键,氰化氢因而可溶于水及乙醇,并微溶于乙醚。它在气体或液体状态下都无色,在空气中燃烧则有蓝色火燄。

当氰化氢溶于水时称为「氢氰酸」,氢氰酸或氰化物在体内解离产生的氰根离子 CN-(又称为氢氰酸根),会结合粒线体内膜上的细胞色素氧化酶,抑制细胞的呼吸作用,造成虚弱、头痛、眼花、头昏及呼吸急促,甚至奄奄一息的症状。因此氰化物的毒性实际上是由氰根离子掌控,而不是整个分子在发挥作用。

但人类赖以为生的水果及粮食作物为什麽也会产生氰化物呢?如果氰化物缠住了细胞色素氧化酶就会有致命的危险,是否有防范及解毒的方法呢?细胞色素氧化酶所扮演的角色及其重要性究竟是什麽?在详细探讨这些问题前,必须进一步了解细胞裡产生能量的机制。

能量的生产线

以化学的观点看,生命因为获得能量而得以存在,而能量的产生须间接靠电子的供应,电子需要由燃料分子的氧化代谢而来。也因为氧分子对电子有极强的亲和力,促使脂肪酸、胺基酸及醣类在体内燃烧(氧化)后,把蕴藏其中的电子藉由粒线体内膜的电子传递链导向氧分子而产生水。在电子传递过程中所伴随而生的动力,会用来推动腺核苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)的合成,这种高能量分子是肌肉收缩、离子主动运输、酵素催化及细胞内讯息传递的动力来源。

然而能量的产生有赖于电子有效的传递,唯有电子能顺利传递给氧分子而产生水(氧化过程)时,才能利用磷酸根合成 ATP 能量分子(磷酸化过程),这两种偶合过程称为「氧化磷酸化反应」。其中含有血基质(heme)a 和 a3 两种细胞色素,和其他几个蛋白质所组成的细胞色素氧化酶,是电子传递链的最后电子携带者,负责把电子传给氧分子。

在运送电子时,血基质上的铁原子会在还原态的二价铁(FeII)和氧化态的三价铁(FeIII)之间转换。氢氰酸或氰化物在体内解离产生的氰根离子,会专一性地和细胞色素 a3 结构内的 FeIII 反应,进而阻断细胞色素氧化酶内 FeIII 与 FeII 之间的转换。这时氧气的利用率大幅下降,细胞内逐渐转成无氧代谢状态。也因为组织细胞无法使用氧气,静脉血液会和动脉血一样呈现鲜红色,同时产生乳酸中毒、肌肉麻痺、神智不清等现象。

在许多医学专栏与毒药物报导中,常把氰酸与氢氰酸溷为一谈,然而两者性质有很大的差别,中文译名的差异是根据分子式的不同而来。氢氰酸分子式是 HCN,解离产生氰根离子 CN-(又称为氢氰酸根);氰酸的分子式是 HOCN,是一种含氧酸,解离产生氰酸根离子 OCN-。氰酸根离子本身多了一个具有阻隔效应的氧原子,这个氧原子减弱了氰酸根离子对细胞色素 a3 结构内 FeIII 的亲和力,间接降低了氰酸的毒性。因此氰酸并非氰化物,它的毒性也比不上氢氰酸。

氰道夫

虽然我们常不自觉地暴露在氰化物环境中,如空气污染、香烟烟雾、日常饮食等,但低剂量的氰化物几乎不会累积在人体内。这是因为在肝脏及肾脏的粒线体中含有解毒酵素—硫氰酸酶,可以把氰根离子 CN- 转换成硫代氰酸根(SCN-)而易于随尿液排出体外。硫代氰酸根离子的毒性较弱,原因如同上述的氰酸根离子,就是因为多了一个具有阻隔效应的硫原子。事实上由硫氰酸酶所进行的排毒疗法,还得有硫代硫酸根(S2O32-)离子的帮助才能发挥功效。

硫代氰酸根离子的生成,是藉由硫氰酸酶把硫代硫酸根的硫原子转移到氰根离子,这个过程的速率决定步骤在于硫代硫酸根的硫-硫键的断裂。然而在体内硫代硫酸根离子的数量非常有限,只有少数的硫氰酸酶能派上用场。

后勤部队

在动物体内当硫原子供应不足时,可由体内的一种胺基酸衍生物代替硫代硫酸根,把硫原子传给氰根离子以生成硫代氰酸根离子,使得我们即使接触到低剂量的氢氰酸也能存活。一旦接触到高剂量的氢氰酸而中毒时,唯有供给大量的硫代硫酸根离子,才能使人体内硫氰酸酶展现出绝佳的解毒活性。

在冲洗相片的过程中,定影液裡的成分能洗去未感光的溴化银,正是因为它含有硫代硫酸钠。然而若是不幸遭到氰化物之吻,并且在你身前身后既无医院也无药局的状况下,模彷影集中的解毒方法,大口喝下定影液当救命仙丹,不但不会起死回生,而且还会痛不欲生,进而遗憾终生。怎麽会这样呢?

因为定影液裡的硫代硫酸钠一旦进入胃内,很不巧就遇上了剋星-胃酸,胃酸立即把硫代硫酸钠转换为气态二氧化硫与固态硫沉淀,这时二氧化硫又再次与食道或口腔黏膜表面的水分子反应形成亚硫酸,进而灼伤食道与口腔。不仅如此,二氧化硫也会慢慢由口中冒出,产生一阵阵如硫磺般的扑鼻臭味。

硫代硫酸钠在胃部容易全数沦陷,不但无法解毒,还会加深痛苦指数。因此,必须藉由静脉注射方式,让硫代硫酸钠进入血液循环,才能到达受伤害的细胞,否则硫氰酸酶即使再神通广大也是英雄无用武之地。然而硫代硫酸根离子的作用时间相当缓慢,氢氰酸或氰化物的作用却非常迅速,约几分钟时间就会产生毒性反应。因此在氰化物的肆虐下,採用亚硝酸化合物(例如亚硝酸戊酯或亚硝酸钠)和硫代硫酸钠的组合才是有效的治疗药剂。

命运的敢死队

亚硝酸戊酯或亚硝酸钠的作用,是把带有还原态 FeII 的血红素氧化成 FeIII 的变性血红素,而变性血红素对氰根离子有极强的吸附力,因此能与同样是氧化态 FeIII 的细胞色素 a3 竞争氰根离子。当体内有足够的变性血红素就能充当先锋部队,和流窜在不同组织中的氰根离子结合,并转变成毒性较低的氰变性血红素,使细胞色素 a3 被氰根离子抓住的机会大为降低。

使用亚硝酸化合物等于是先牺牲部分血红素,以抢救细胞色素 a3 来维持电子传递链的通路流畅,也就能在最短的时间内初步阻止细胞缺氧,维持正常的呼吸和新陈代谢。然而在氰变性血红素的结构中,FeIII 与氰根离子两者间键结的力量相当强,这个複合体本身也是一个相当强的氧化剂,容易对组织产生氧化性伤害。因此解毒的第二步骤是辅以静脉注射硫代硫酸钠,藉由肝脏的硫氰酸酶把氰变性血红素所携带的氰根离子,转变成水溶性且易于从身体排除的硫代氰酸根。

但氰化物中毒的处理并非如此一成不变,例如在火灾现场,易燃物因大量燃烧而释放出一氧化碳与氰化氢气体,其中一氧化碳不仅可与含还原态 FeII 的细胞色素 a3 结合,且它与血红素的亲和力相当强,使得两者间的吸附相当紧密。换言之,一氧化碳占据血红素与氧气结合的位置,因而排挤了组织对氧气的利用。

因此在火场中氢氰酸中毒的情形下,身体早已处在缺氧的状态,若再使用亚硝酸化合物,生成更多携带氧气能力不佳的变性血红素,无异使缺氧的状态更加严重,甚至可能致死。这时可选用安全性高且作用迅速的维生素 B12-羟钴胺,其结构上的氢氧根会被氰根离子取代而产生氰钴胺。氰钴胺会造成暂时性的皮肤变红及尿液变色,但它本身无毒,结构相当稳定且易于排除。

植物体中的氢氰酸

更年性果实如香蕉、苹果、酪梨、番茄等,在后熟阶段大量形成乙烯时,也产生二氧化碳与氢氰酸,而氢氰酸同样对植物的细胞色素氧化酶活性构成威胁。为了应付这危机,植物能把氢氰酸代谢为 20 种胺基酸之一的天门冬醯胺,因而能解除被氢氰酸毒害的命运。这样的机制也说明了植物在形成大量乙烯时,可轻鬆地把氢氰酸移除掉。

但做为人类食物的植物组织,却能以不同胺基酸形成不同种类的含氰化合物。植物体中含氰化合物的基本结构,绝大多数都是与醣基结合形成氰醣苷的形式,当氢氰酸以这种结合态形式存在时,就不会对植物体本身及人类产生毒性。

虽然植物组织中同时有氰醣苷水解酵素— β-葡萄糖苷酶,但这酵素在完整的细胞液泡中,与氰醣苷在细胞内部空间上有所隔离。当植物组织遭受加工、虫咬、碾碎等机械性破坏时,这种隔离瞬间崩解,氰醣苷先与 β-葡萄糖苷酶接触后脱掉醣基,再由另一种酵素继续作用而释放氢氰酸。

氰醣苷的产生是因为植物无法把所有的胺基酸转变成蛋白质时,会逐渐以代谢的中间产物存在。因此在酵素的推波助澜下,氰醣苷含量的多寡关係到氢氰酸的释放量。若能有效而完全去除或破坏氰醣苷,甚至抑制 β-葡萄糖苷酶的活性以避免释出氢氰酸,也就能确保植物性食品的安全性。

例如存在于树薯、皇帝豆与苜蓿的亚麻氰醣苷,以及樱桃、苦杏仁、桃、梨、梅子等蔷薇科植物的苦杏仁氰醣苷,两者对热十分稳定,即使经烹煮也毫髮无伤。尤其是做为热量来源的树薯,除了简易的煮沸、烘烤、晒乾以抑制 β-葡萄糖苷酶外,还必须经由磨碎及漂水的过程把尚未水解的亚麻氰醣苷溶出,才能确保食品的安全性。梅子中高浓度的氰醣苷必须藉由醃渍过程中跟随汁液流出组织,才能降低氢氰酸的释放量及毒性。

动物体内的氢氰酸

氢氰酸也能在马陆身上的分泌物中找到。长的像蚯蚓的马陆,体形呈圆筒状,以腐木、落叶、青苔或动物的尸体为食,受到骚扰时会分泌含有氢氰酸的刺激性臭味液体。这一类毒素能驱赶许多昆虫,藉以躲避天敌。

这种防御敌人的武器虽使众生避之唯恐不及,却吓不跑黑狐猴,相反地,黑狐猴对这种毒素可谓深爱有加。在马达加斯加岛上的黑狐猴为了得到这类毒素,所採取的策略并非把马陆吃掉,而是喜欢轻咬马陆。马陆一受到惊吓会分泌出氢氰酸,黑狐猴顺势把它涂抹在自己的毛皮上,以防止蚊虫叮咬。

氢氰酸的医疗用途

苦杏仁的毒性比甜杏仁高,因为它含有较多的苦杏仁氰醣苷,经由体内酵素作用会产生高浓度的氢氰酸,容易抑制延髓呼吸中枢而致死。然而只要能降低剂量,苦杏仁也有正面的药理作用。

例如中医用苦杏仁做为止咳化痰的药物,正是利用微量的氢氰酸能镇静呼吸中枢而起镇咳作用。虽然氢氰酸因抑制细胞呼吸作用而被视为十恶不赦的傢伙,但在保健功效上却有不可忽略的地位。

志谢

感谢台湾大学医学院解剖学暨细胞生物学研究所黄文勤先生及台湾大学化学系陈佳翰先生对本文内容的详加审阅与图表製作的修正。

深度阅读
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简介 罗曼语区是瑞士最小,人口也最少的语区,
人类科技文明发展的主要目的,是为了降低人类生存的风险与不确定性。弔诡的是,风险却与科技文明相倚相生。也就是说,为了解决某一个问题而发展出来的新科技,常常又创造出新的问题与新的风险。