Nejdůležitější skupinou moderních chemických zbraní tvoří tzv. Nervově paralytické bojové látky ( anglicky "Nerve agent", populárně též "nervové plyny"). Tyto látky tvoří páteř toho co by mělo v případné chemické válce vlastně zabijet a ostatní bojové látky (např. Yperit, lewivis, CS) se uvažují pouze v doprovodné roli. Vzhledem k tomu, do jaké hloubky jsou zde na foru popsány techniké principy např. leteckých motorů, napadlo mě, že bych mohl podbně popsat něco čemu rozumím, a chemické zbraně mi tu chyběly. Článek je zaměřen především na chemické a biochemické principy nervověparalytických látek s cílem pochopit včem jejich účinek spočívá z čehož si pak může člověk udělat obrázek o mnohých aspektech jejich použití. Budu vděčný pokud mne někdo doplní v aspektu který jsem příliž nerozvijel a sám o něm moc nevím - tj. praktické skušenosti a vojenské doktrýny. Z mého pohledu je zásadní věc, kterou na mnohých článcích na PALBĚ oceňuji schopnost vystihnout jak zbraň funguje (o co jde v jejím inženýrském řešení), právě to jsem se tedy snažil v tomto článku popsat u nervových jedů.
Pzn. Velka cast textu mluvi k obrazkum, proto pro dobre chapni je casto treba se na dany obrazek divat pri cteni.
Cĺl útoku: Nervy
Všechny nervově paralytické jedy působí na oběť tím že nevratně blokují (vlastně zničí) enzym Acetylcholinesterázu a tím způsobí svalové křeče obvykle vedoucí k zadušení.
Proto dříve než začneme mluvit nervově paralytických zbraních jako takových patřilo by se objasnit co ta Acetylcholinesteráza vlastně je.
Acetylcholin je jeden ze základních neurotransmiterů zodpovědných za šíření nervových vzruchů přez synaptickou štěrbinu. Zatímco nervový vzruch se jednotlivými neurony šíří jako elektrický proud vedený ionty (především draslíku), na rozhraní dvou neuronú (synaptická štěrbina) je zprostředkováván tak, že zdrojový neuron uvolní neurotransmiter (v tomto případě acetylcholin) a druhý neuron jej registruje receptory v buněčné stěně, do kterých molekula acetylcholinu přesně „zapadne“ - je tedy velice selektivní. Ponechme diskuzi zda je toto evoluční řešení nejefektivnější, v každém případě umožňuje, aby jinak elektrické nervové signály byly ovlivňovány koncentracemi různých chemických látek (např. hormonů, drog), které blokací receptorů, případě odbouráváním/produkcí neurotransmiterů regulují citlivost nervových buněk na signály různého druhu. Právě acetylcholin má přitom zásadní úlohu v šíření signálů řídících svalstvo.
Aby tento proces fungoval je třeba acetylcholin po uvolnění odbourávat, aby se nehromadil v synaptické štěrbině a neudržoval svalový tonus ještě dlouho po vydání signálu ke kontrakci. K tomu účelu slouží enzym acetylcholin(-de-)esteráza. Tento enzym acetylcholin hydrolizuje (deesterifikuje) na cholin (modře) a ocet (zeleně) na které již receptory citlivé nejsou. Jedna molekula enzymu typicky rozštěpí asi 25000 molekul acetylcholinu za sekundu. Uvědomíme li si, že množství acetylcholinu v těle jsou srovnatelné s účinými dávkami drog pak je jasné, že acetylcholinesterazy v těle mnoho (potřeba) není. Enzym se za běžných podmínek nespotřebovává, proto jej také tělo vyrábí jen pomalu.
Jak to funguje
Běžná funkce enzymu
Acetylcholinesteráza jakožto enzym je protein trojrozměrně zkroucený tak, aby do něj substrát (acetylcholin) pro nějž je určen ideálně zapadl a to jednak geometricky a jednak z hlediska rozložení elektrostatického náboje a slabých mezimolekulárních sil. To ilustruje (a) kde cholin je obklopen částí enzymu. Aktivní centrum enzymu je -OH skupina a „vyčnívající“ dusík. Předáním vodíku z -OH na N za vzniku -O(-) a NH(+) probíhá snadno za běžné teploty. O(-) pak kontakuje acetyl acetylcholinu za vzniku aktivovaného meziproduktu s třemi kyslíky vázanými na jeden uhlík (b). Tento komplex se snadno hydrolyzuje vodou (HOH) na (c). Meziprodukt se potm opět rozpadá na ocet a cholin. Enzym se vrací do původního stavu (d).
Záludnost organofosfátu
Organofosfáty, které jsou velice podobné acetylcholinu „zapadnou“ také velmi dobře do rekačního centra, a kyselina fosforečná od níž jsou odvozeny se v mnohém chová jako karboxilová kyseliny (tedy i octová). Krok (a)->(b) proběhne analogicky jako u acetylcholinu.
Pak se ovšem projeví záludnost fosfátu. Vzhledem k tomu že se jedná o trojsytný ester může se odštěpit jiná skupina než cholin. Obvzláště agresivní nervové agenty mají speciálně k tomu určenou „hlavu“ tvořenou např. kyano (-CN) nebo fluoro (-F) skupinou které z aktivovaného centra odstoupí ochotněji než alkoholy (jímž je cholín). Na (c) je vidět odštěpený fluoridový iont zatímco fosfátové centrum se rekonstruovalo, ale zůstalo vázané (!!!!). Poté co je hydrolýza dokončena deprotonací dusíku a vznikem fluorodíku, už není moc cesta zpět. Výsledné produkty jsou velmi stabilní a kovalentně vázané.
Konstrucke nervoveho jedu
V principu jde tedy o to
I. Vyrobit molekulu takovou tak aby selektivně "zapadla" právně do acetylcholinesterázy
II. Která se pak s vysokou pravěpodobností nevratně naváže a tím zničí aktivní centrum acetylcholinesterázy
Na následujícím příkladu ilustruju některé nejznámější nervově paralytické organofosfáty rozčleněné na části s odpovídající funkcí. Uvádím zároveň názornější vzorec, a zároveň optimalizované 3D struktury ve vakuu z kterých lze získat alespoň letmý dojem o tom jak podobně mohou molekuly gemetricky „zapadnout“ do enzymu.
a)Část napodobující acetylcholin by měla být rozvětvený uhlovodík částečně kladně nabitý – v acetylcholin je totiž kvarterní amoniová báze s kladným nábojem na centrálním dusíku. Ideální by asi bylo použít přímo kvartérní amoniovou bázi. Ta je ovšem stabilní pouze jako sůl, což by znemožnilo efektivní bojové použití (komplikuje procházení kůží, rozpustnost, rozprašování).
b)Odštěpitelná skupina jiná než cholin by měla odstupovat snadněji. Velmi výhodné je odstoupení fluorovodíku nebo kyanovodíku. Přesto u nejúčinějších látek z řady „V“ je volen ethanol který odstupuje jen trochu snadněji než cholin. Je třeba si uvědomit, že zde jde vždy o kompromis. Skupina nesmí hydrolyzovat příliž snadno - jinak by se agent rozpadl dříve než by enzym potkal, a bylo by snadné se proti němu chemicky bránit (např. rouškou s mydlovou vodou). Dále zřejmě jistou roli hraje chemická podobnost. Je možné, že kyanoskupina nebo floroskupina nějak narušujě „zapadnutí“ molekuly do enzymu. Těžko soudit bez výpočetního molekulárního modelu.
c)Fosfát jakožto hlavní reakční a funkční centrum. Je dobré si uvědomit že tato část je relativně podobná karboxylové skupině acetátu.
Jedovatost
Samotné acetylcholinesterázy je v těle velice malé množství. V případě že by byla každá molekula nervového jedu schopna nalézt svou molekulu enzymu a zničit ji, byly by smrtelné dávky nervového jedu řádovně nižší. Problém představuje například to, že tyto látky nejsou zcela stabilní a jejich rozklad může být katalizován mnoha jinými faktory než acetylcholinesterázou (Kyseliny, zásady, voda jako taková, ionty kovů, jiné enzymy). Selektivní vazba na acetylcholine esterázu není zcela selektivní.
Diffuze těchto látek tělní tkání také není zvlášť snadná (i když fakt že tkáněmi a kůží procházejí sám o sobě je děsivý). Efekty se proto nejsnadněji projeví na exponovaných místech (slzení, tečení z nosu, slintání, následně respirační problémy)
Smrt nejčastěji nastává zadušení, přestože dramatické fiziologické účinky snižující bojový výkon vojáka (narušení vidění, křeče, dočasné ochrnutí) nastávají mnohem dříve nejsou vyloženě smrtelné. Při aplikaci umělého dýchání (problém není v narušení plic, ale sevření dýchacích svalů a blokaci dýchacích cest) trubicí zavedenou do plic je možné přežít i několikanásobek udavaných smrtelných dávek (odvykle se uvádí smrtelné dávky tákající se zadušení). V takovém případě pak při měkolikanásobně vyžší dávce oběť umírá na křeče srdce a tepen.
Přirozená obnova acetylcholine esterázy v těle je velice pomalá - z tohoto hlediska trvá rekonvalescence několik týdnů, během nichž je oběť přecitlivělá na podráždění prdukující acetylcholin, látky podporují jeho produkci (např. nikotin) a pochopitelně další dávky organofosfátu
Léčba a ochrana
Akutní léčba zasažených spočívá (mimo zmíněné umělé dýchání) v snížení produkce acetylcholinu a snižení citlivosti na něj. K tomu účelu slouží např. kombinace atropinu (blokuje receptory acetylcholinu a tim snižuje citlivost na něj) a diazepanu (snižuje uvolňování acetylcholinu). Polopaticky řečeno protilátky vedou k uvolnění/uklidnění napnutých svalů a podrážděných nervů. Dobře ilustruje např. to že bojové organofosfáty zužují zornice, zatímco atropin (použivany běžně při vyšetření očí) je rozšiřuje.
Střednědobě je možné acetylcholinesterázu regenerovat pomocí látek jako paralidoxin které svou oximovou skupinou na sebe převazují organofosfát.
Novější ruské nervové jedy (viz. Noviciky) jsou navrženy tak, aby tuto regeneraci překazily.
Pro odmoření zasaženého prostoru je možné organofosfáty jak bylo řečeno rozložit, ovykle hydrolyzou za použití silných zásad (sodný louh) částečnou oxidací pomocí chlorinu (savo) a peroxidu vodíku. Ve vlhkém prostředí organofosfáty samovolně postupně hydrolyzují na relativně neškodné látky.
Aspekt aplikace
Na tomto místě je dobré si uvědomit, že o bojovém užití nervově paralytických látek nerozhoduje pouze jejich samotná jedovatost, ale také efektivita jejich aplikace.
Především - nejdná se v žádném případě o „bojové plyny“. Jsou to obvykle viskózní kapaliny s relativně vysokými teplotami varu se sklonem k amorfnosti (jako med nebo máslo).
Samy o sobě nejsou příliš těkavé (viz. Volatility a vapour pressure), a aplykují se většinou v roztoku v organickém rozpouštědle, přičemž často nejsou ani dobře rozpustné. Tento roztok snižuje jejich viskozitu což usnadňujě rozprášení a jemný aerosol. Při použití v leteckých pumách nebo dělostřeleckých granátech je k tomu použita malá nálož.
Povšiměme si, že modernější VX je mnohem méně těkavý než nejstarší Tabun. Naopak sarin, představuje jakýsi „minimalistický“ nervovy agent a díky tomu je výrazně nejtěkavější a vhodný i k méně sofistikovanému použití (viz. Tokijské metro). V jiných aplikacích je naopak těkavost nežádoucí – preferuje se dlouhodobé usazování na oděvu a dalších předmětech (podobně jako u insekticidů). Z tohoto hlediska je možné tyto látky „ladit“ různými postraními uhlovodíkovými řetězci.
Podobné platí o schopnosti procházet kůží a biologickými membránami. Velké a elektricky polarizované molekuly prochází membránami špatně. Vzhledem k tomu, že k maximálnímu účinku je potřeba intenzivní koncentrace v krátkém čase může být schopnost rychle proniknout kůží a membránami důležitější než samotná jedovatost.
Analogie známá u drog: Morfin se váže na endorfinové receptory několikanásobně lépe než heroin. Přesto je cena heorinu (zřejmě odpovídající účinku) podstaně vyžší, a složitá rafinace (acetylace) morfinu na heroin podněcuje u mafinanu a narkomanu zajem o organickou chemii. Je to dáno právě tím že heroin je méně polární a snáze difunduje přez mozkovou tkáň.
Při praktickém nasazení nervových agentů v boji se proto počítalo s tím, že k usnadnění jejich pronikání kůží, sliznicemi a tkáněmi bude aplikováno současně i větší množství zplyskyřujících (ala Lewisite, „Hořtičný plyn“) a/nebo dráždivých (CS, bromaceton, nebo jiný „slzný plyn“). U posledně jemnovaných je vyhoda také v tom, že do značné míry mohou sloužit i jako rozpouštědlo.
Nervovy agent = zfušovaný insekticid
Myslím, že zajímavé a užitečné je zmínit se o podobnosti (bojových) nervových agentů a některých úspěšných insekticidů.
Ve skutečnosti byly první bojové organofosfáty nevydařenými pokusy o insekticid. Resp. Ne až tak nevydařenými – patří stále mezi nejúčinější, jen z pochopitelných dúvodů nejsou komerčně úspšné. Jejich insekticidní účinek je naprosto stejný jako jejich účinek na lidi (a další živočichy s nervovou soustavou) – zničení nervových drah postavených na acetylcholinu provázených svalovými křečemi (neuvolnitelný svalový tonus). Z vlastní zkušenosti můžu říct, že pri hubení hmyzu přípravkem „Diffusil“ si ze skroucených končetin člověk udělá představu jak by to asi vypadalo kdyby na něj někdo rozprášil sarin.
V čem je tedy ten rozdíl. Proč třeba ten diffusill nezabijí lidi?
Metabolické dráhy i struktura acetylcholinesterasy je odlišná u hmyzu a savců v mnoha ohledech. Mezi ty nejvýraznější ovšem patří to, že hmyz je vybaven enzymem který je schopen hydrolyzovat thiofosfáty (S=) na normální fosfáty, zatímco savčí metabolizmus to neumí. To se hmyzu stává osudným. Tyto hydrolyzované produkty jsou pak víceméně plnohodnotným nervovým agentem.
Proto jsou také na organofosfatových insekticidech varování aby se nepoužívaly např. ve vodě kde k tomu snadno dochází. Vzhledem k tomu, že organofosfáty postupně hydrolyzují až na neúčiné produkty (jako kdyselina fosforačná, je i v kokakole) je spíše otázkou reakčních podmínek, potažmo relativních reakčních časů jestli se může naakumulovat nějaká nebezpečná koncetrace skutečného („správně“ hydrolizovaného) nervového agentu, nebo se stačí odbourávat rychleji.
Viz. Onen Diffusil, obsahuje ne příliž nebezpečný Malathion, který se hydroluzuje na (zabiják) Malaoxon.
Na následujícím obrázku jsou příklady dvou komerčně užívaných organofosfátových insekticidů
