知乎日報:氰化物為什麼毒性那麼大?

  説到氰化物的毒理性,就不得不提 ATP。知道 ATP 的重要性,才能理解氰化物的劇毒作用


 

  ATP 幾乎是生物組織細胞唯一可直接利用的能源,可以説是機體內部的能量貨幣,有這些能量貨幣,細胞才能進行各種各樣的代謝活動,生物體的生存才得以維持。(ATP 的合成場所:細胞質基質、線粒體、葉綠體。在接下來的敍述中,只講真核細胞的 ATP 的產生。)

  而説到 ATP 的產生,就必須要説 Hans Krebs 的三羧酸循環了,也稱 Krebs cycle,Hans Krebs 是 1953 年的諾貝爾獎醫學和生理獎得主,主要的成就是發現三羧酸循環,它是三大營養素(糖類、脂類、氨基酸)的最終代謝通路,又是糖類、脂類、氨基酸代謝聯繫的樞紐。

  説的更直白一點,人體吃到的所有食物,無外乎糖類、脂類、蛋白質類、維生素、水和各種礦物質,而能像汽油驅動發動機一樣驅動機體的供能物質就是糖、脂、氨基酸,這些東西就是人體活動需要的汽油。但糖、脂、氨基酸並不能直接被細胞利用,他們需要進一步轉化成 ATP,這樣細胞才能直接利用。

  細胞中的 ATP 就像是巧克力工廠裏生產的巧克力塊一樣,不停地產生也不停的消耗,原料就是糖、脂、氨基酸。產生 ATP 的工廠在細胞質和線粒體之中,細胞質就像是一個小型的手工作坊,而線粒體就像是一個全自動化的超級工廠,兩者都能產生。對於沒有線粒體的紅細胞、以及缺氧運動中的組織中,主要是以細胞質中產生的 ATP。但機體不可能靠小作坊為主來維持自己的代謝,主要還是以線粒體這個大工廠來提供驅動機體的能量。在線粒體中進行的 ATP 生產過程主要是氧化磷酸化過程。機體攝食的三大營養物質最終都將進入在三羧酸循環中,源源不斷地產生 NADH 和 FADH,這兩種物質中的質子最終經過線粒體內膜上的電子鏈的傳遞,最終將電子傳遞給 O2,而在電子傳遞過程中形成的能量將 H+ 排入線粒體膜間隙,形成膜內外的 H+ 濃度差以及 PH 濃度差,膜間隙的 H+ 濃度差使得 H+ 順濃度梯度經線粒體 ATP 合酶進入線粒體基質釋放出能量,使 ADP 結合磷酸基團形成高能磷酸鍵,也即產生 ATP。

  在線粒體上的電子傳遞鏈主要組成包括:黃素蛋白、鐵硫蛋白、細胞色素、泛醌,除泛醌外,其他組分都是蛋白質。它們在膜表面形成四個複合體,稱為複合體Ⅰ(NADH 脱氫酶複合體),複合體Ⅱ(琥珀酸脱氫酶複合體),複合體Ⅲ(細胞色素還原酶複合體),複合體Ⅳ(細胞色素氧化酶複合體)。NADH 依次經過複合物Ⅰ、輔酶 Q、複合體Ⅲ、細胞色素 C、複合體Ⅳ最終把電子傳遞給氧氣,並將質子排到線粒體膜間隙最終經線粒體 ATP 合酶生成 ATP。FADH2 經複合體Ⅱ、輔酶 Q、複合體Ⅲ、細胞色素 C、複合體Ⅳ最終把電子傳遞給氧氣,並將質子排到線粒體膜間隙最終經線粒體 ATP 合酶生成 ATP。

  所以為什麼氰化物毒性那麼大呢?

  那是因為,氰化物進入人體後析出氰離子,進而可以與線粒體上的細胞色素 c 氧化酶(複合體 IV)上的三價鐵結合,阻止氧化鐵還原,妨礙細胞最後一步的正常呼吸,造成細胞組織缺氧狀態,組織細胞無法利用氧來繼續生產 ATP,以維持機體的正常活動,導致機體陷入內窒息狀態。

  所以可以看到,只要是能阻止上述電子鏈正常傳遞的,都是劇毒藥物,例如魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素可以阻斷電子從 NADH 到輔酶 Q 的傳遞。抗黴素 A,抑制從細胞色素 b 到 c1 的傳遞。氰化物、疊氮化物、CO、H2S 等,阻斷由細胞色素 aa3 到氧的傳遞。

幾用來包,Bio-geek,非自♂由基,數學圖像狂魔

  最主要的原因是氰根有相當強的配位性沒有錯,但最大的干擾不是來自於和血紅蛋白中的鐵結合(當然有一定作用),最大的干擾來自於細胞色素 C。細胞色素 C 是一個在真核生物界高度保守的蛋白,還記得高中課本上比較不同物種親緣關係的數據嗎?那就是用細胞色素 C 的變異程度和分支來計算的。一般來説,在演化中高度保守的成分通常具有極其重要的生理功能,因為一旦這樣的結構發生改變,這個個體就無法存活。

  把鐵抽走的確改變了酶的功能,但不是改變了核心結構,而是……把幹瓷器活的金剛鑽抽走了……

  氰化物的毒性的確是阻斷細胞對氧的利用,但不是通過阻止氧傳播發生的,而是阻止電子傳遞鏈把電子傳遞到氧氣。就好比碳水化合物是三峽水庫(電子庫),氧氣則是大閘下面空空的水道,有氧呼吸就是開閘放水,利用水能發電(ATP),順便拿點水出去用(還原氫),氰化物的作用不是堵塞了大閘,而是把大閘裏的發電機組搬走了……

  這也就是為什麼氰化物對植物甚至酵母都有毒的原因。氰化物污染,真的可以做到寸草不生。

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  氰化鈉堆浸提金術是什麼,有什麼危害或者影響?

成楚暘,專欄“化學札記”已開通,歡迎關注

  wiki 詞條:Gold cyanidation

  根據 wiki 每年生產的氰化物有 13%都用於金的提取,這是一種工業上廣泛使用的技術,使用已經超過一百年了。

  基本化學原理是

  用氰化物把金從礦物裏浸取出來生產水溶性的[Au(CN)2]- 離子再用還原的方法將金提取出來。

  氰化物劇毒,雖然氰化物可以在後處理中快速降解,但是一旦泄露還是會對環境有傷害。

  目前這種方法在金礦提煉中還是佔絕對地位,但是學術界和工業界也在尋找替代方法。鄙組兩年前發了一篇文章,造成了很大的關注 Selective isolation of gold facilitated by second-sphere coordination with α-cyclodextrin : Nature Communications : Nature Publishing Group (open access, 可免費下載)

  偶然發現 alfa- 環糊精(一種環狀的多糖, 由六個葡萄糖結構首尾相連形成)可以選擇性的和[AuBr4]- 形成沉澱析出,發展瞭如下的金的浸取技術:

  相比氰化物要綠色不少,目前已經開始在一個金礦試驗了。

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