האורגניים . כימיה וביוכימיה של הרעלים הזרחנים
18
כימיה וביוכימיה של הרעלים הזרחנים-האורגניים
נכתב ע"י ד"ר זאב תא-שמע
מבנה הרעלים הזרחנים-אורגניים )ז"א(
הרעלים הז"א נגזרים מהחומצה הזרחתית ,שרטוט ,1ע"י החלפת מתאימה של קבוצות
ההידרוקסיל ) (OHבקבוצות אורגניות שונות או באטום הפלואור .כבחומצה המקורית ,ארבעת
מתמירי הזרחן ערוכים סביבו במרחב במבנה טטראדרלי הז"א נחלקים לשתי קבוצות :החקלאיים
)אינסקטיצידים( ,והמלחמתיים )"גזי העצבים"{ .בין שתי הקבוצות קיים דמיון בסיסי במבנה
ובמנגנון פעולתם )חסימת האנזים אצטילכולין אסתרזה ,(AChE ,אך בכל זאת נבדלות הקבוצות
האלו זו מזו במספר מאפיינים כימיים חשובים שיפורטו להלן .ההבדלים הכימיים נובעים בעיקר
מנקודת המבט הטוקסיקולוגית השונה של המפתחים :בעוד הז"א החקלאיים פותחו באופן שניתן
יהיה כרגיל להציל את המרססים הבלתי-זהירים )וגם כך מורעלים למוות מדי שנה אלפים רבים
ברחבי העולם( ,הרי במלחמתיים נעשה לצערנו מאמץ בכיוון ההפוך.
כקבוצה ,הז"א החקלאיים פחות מסוכנים מהמלחמתיים בפרט בחשיפה למנות לא גדולות,
ומכמה סיבות )היכולות להיות שונות בכל מקרה ומקרה( :רעילות סגולית נמוכה יותר ,נדיפות
נמוכה ,איטיות פעילותם ,ואפשרות טובה יותר ,לעיתים ,לטיפול בנפגע בעזרת אוקסימים עקב
איטיות תהליך "ההזדקנות" ברעלים אלה .בכל זה נעסוק להלן.
על-אף שנהוג להציג את הז"א כרעלים סינתטיים מעשה ידי אדם )הנגזרת הראשונה שזוהתה
כרעילה ,דיאתאוקסי פוספריל פלואוריד ,פורסמה בגרמניה בשנת ,(1932נעשה צדק לטבע בכך
שנזכיר כי בשנת 1987תוארו בספרות זוג רעלים ז"א המסונתזים מאז ומעולם ע"י זן
מזני .Streptomyces antibioticusמבנהו של אחד מהם ,CGA 134-736מופיע בשרטוט .2
המבנה הכללי של הז"א מתואר בשירטוט .3נוסחאות מפורטות של ז"א שונים מרוכזים בשרטוט
) 4ז"א מלחמתיים( ,ובשרטוט ) 5חקלאיים(.
הקבוצה העוזבת
) ,X ,(leaving groupהינה אותה קבוצה שתעזוב את הזרחן כאניון ,כאשר הוא יותקף נוקלאופילית
ע"י האניון החמצני של האנזים ,כך:
Enzyme-O + R1R2(P=O)-X —> Enzyme-O-(P=O)R1R2 + X
כדי להקל על הקורא ,הקפדנו במידת האפשר למקם בנוסחאות המבנה את הקבוצה-העוזבת
באופן אחיד ,מתחת לאטום הזרחן.
19
כדי לשמש כקבוצה עוזבת חייב איפוא האטום הסמוך לזרחן בקבוצת ה X-להיות מסוגל לשאת
עליו מטען שלילי .עקרונית ,ככל שהאטום נוטה לכך יותר ,כך תעלה מהירות תגובתו של החומר
עם האנזים ,וכן תיגבר אלימותו של הרעל .למעשה אין זה לגמרי נכון ,מאחר וקבוצה הנוטה מאוד
לשאת מטען שלילי תזרז גם את תגובת הרעלן עם המים ,ותגובה אלטרנטיבית זו תפחית את
מידת חסימת האנזים .במקרים קיצוניים )למשל כאשר (X=Clתתרחש התגובה המתחרה
במהירות כזו עד שהחומר יעבור במלואו הידרוליזה במגעו עם נוזלי מערכת הנשימה ועם הדם,
ולא יגיע כל עיקר לסינפסה.
קבוצת Xחייבת איפוא להיות קבוצה עוזבת טובה ,אך לא "טובה מדי" .ניתן לכמת ערך זה -של
הנטיה לשאת מטען שלילי -בעזרת ערכי pKaשל החומצה המצומדת .H-X ,במדד זה הטווח
המתאים ביותר לרעלים ז"א חקלאיים הוא ערכי pKaשבין 6-9בערך .בז"א המלחמתיים מוצאים
גם ערך נמוך יותר ) ,(~4עבור .H-F
ב"גזי העצבים" נמצא ברוב המקרים כי .X=Fהפלואור הינה קבוצה עוזבת כמעט אידאלית
לרעלים אלה :קטנותו של אטום הפלואור מאפשרת הכנת חומרים קלים במשקלם )באופן יחסי(
ובעלי נדיפות משמעותית ,היכולים ליצור ענן גזי הנישא ברוח למרחקים )במיוחד בולט בנדיפותו
הסרין( .בטבון נמצאת קבוצה עוזבת קצרה אחרת :קבוצת הניטריל ) .(C≡Nכדאי להבהיר כי
למרות שקבוצה זו נפלטת מהמולקולה כיוֹן הציאניד הרעיל ,אין הציאניד תורם באופן משמעותי
לרעילות הטבון ,וזאת עקב ההבדל הגדול )ביותר מסדר-גודל( בין רעילויות הטבון והציאניד.
X
ברעלים החקלאיים )ראה נוסחאותיהם בשרטוט (5נמצא לעיתים קרובות כי במסגרת הקבוצה
מחובר אטום חמצן אל הזרחן .מצידו השני יהיה החמצן קשור כרגיל לטבעת ארומטיות
המותמרות בקבוצות מושכות אלקטרונים )דוגמת ניטרו ,כלור וכדומה( או שהטבעת הארומטית
תכיל אטומי חנקן .מודיפיקציות כאלו של הטבעת הבנזנית משפרות את כושר נשיאת המטען
השלילי של הקבוצה.
לעיתים מחליפים קשרים כפולים C=Cאו C=Nמשוכי-אלקטרונים את הטבעת הארומטית.
במקרים אחרים מחובר הזרחן לאטום גופרית הקשור למערכות ארומטיות או אליפטיות )כרגיל
משוכות-אלקטרונים( .בהשואה לחמצן ,אטום הגפרית מיטיב לשאת מטען שלילי ,ועל-כן משפר
את יכולתה של קבוצת ה X-לשמש כקבוצה עוזבת .מבנה יוצא-דופן מוצאים אנו בחומר המענין
,TEPPבו משמשת קבוצה פוספטית )נוספת( כקבוצה עוזבת .רעל אלים זה נאסר לשימוש כבר
בשנות החמישים.
קבוצות עוזבות גדולות מאפיינות את רובם הגדול של הרעלים החקלאיים ,ומעלות את משקלן
המולקולרי .דבר זה גורם לנדיפות הנמוכה המאפיינת את הז"א החקלאיים.
בשתי קבוצות הרעלים נמצא גם דוגמאות לקבוצות-עוזבות דמויות-כולין .במקרים אלה מצטרף
לכושרה של הקבוצה לשמש כקבוצה עוזבת גם אפיניות רבה יותר לאנזים ,וממילא – גוברת
הרעילות .במשפחת גזי העצבים מהוים ה Vx -וקרובו הרוסי )המכונה כרגיל (RVxדוגמאות
טובות .מבין הז”א החקלאיים נזכיר את ה.Amiton-
היינו מצפים כי הקבוצה העוזבת במקרים אלה תהיה זהה לכולין ,אך עיון קל במבנה יגלה כי
הקבוצות-העוזבות האלו נבדלות מכולין בשלושה פרטים:
האטום המחובר לזרחן הינו גופרית )זאת ע"מ לשפר את טיב הקבוצה העוזבת(.
20
החנקן שבהם הינו אמין שלישוני ולא רביעוני כבכולין )מאחר הרביעוניים הינם מלחים שאינם
נוחים לפיזור ,ואינם נדיפים כלל( .אמינים שלישוניים מסוגלים כידוע לקשור אליהם פרוטונים
המצויים בתמיסה להפוך למלחים .דבר זה משפיע הן על מידת מסיסותו של ה Vx -במים )הגבוהה
יותר בסביבה חומצית( ,והן על קלות פיזורו של החומר ברקמות הגוף בתנאים פיזילוגיים ,בהם
הוא מיונן חלקית.
הקבוצות המתמירות את החנקן גדולות במידה ניכרת מקבוצת המתיל הנמצאת בכולין )הדבר
מייצב את מולקולת ה .Vx -אילו היה החנקן מותמר בזוג קבוצות מתיל היה החומר מתקלקל
מעצמו בעמידה(.
ומשהזכרנו פרטים אלה ,מן הראוי לציין כאן שאכן קיים ז"א בעל קצה טרימתיל אמוניום רביעוני,
אך הוא אינו משמש כרעל אלא דוקא כתרופה )לטיפול בגלאוקומה(:
(Et-O)2(P=O)-S-CH2CH2N(CH3)3+ I- , phospholin iodide
במגע עם מים נויטראליים מעטה היא נטייתן של הקבוצות דמויות-הכולין האלה "לעזוב" ,ועל-כן
לא מפתיעה עמידותו הניכרת )והבעייתית( של Vxלמים .עמידות זו ,יחד עם נדיפותו הנמוכה של
החומר ,מאפשרות לו לשרוד על קרקעות ומבנים לאורך שבועות רבים ,וגורמות לו להחשב
לחל"כ המהוה איום סביבתי חמור .יתרה מזאת ,בהידרוליזת ה) Vx-ודומיו( עשויה במידה מסוימת
להנתק מהזרחן קבוצה אחרת ,וניתוק לא-רצוי זה מוביל לתוצר פרוק רעיל ויציב מאוד.
גודלה הניכר ואופיה הכימי של הקבוצה דמוית-הכולין מתבטאים בנדיפות נמוכה מאוד של
החומר בטמפרטורת החדר .עיקר הסכנה בחשיפה נשימתית ל Vx -אינה איפוא בחשיפה לאויר
המכיל אדים של החומר ,כמו בחשיפה לארוסול בו מפוזר החומר כטיפיות או כחלקיקים מוצקים.
כמו כן ,עמידותו הממושכת ,יחד עם כושר חדירה הטוב שלו דרך העור )אף אם באיטיות( ,הופכים
אותו לסכנה חמורה בחשיפה עורית.
קבוצות R1, R2
הקבוצות R1 , R2משפיעות גם הן על פרמטרים שונים של הרעילות )אך בדר"כ לא על עצם
הרעילות( ,כמו :על עוצמתה ,מישכה ,יעילות הטיפול באוקסים ,ונטית האנזים המורעל לעבור
"הזדקנות" ).(aging
האפשרויות כאן רבות ,הן מבחינת האטום המחובר לזרחן ) (S-P, N-P, O-P, C-Pוהן מבחינת גודל
הקבוצות )מתיל ,אתיל ,איזופרופיל ,פניל ,פינקוליל ,ציקלוהקסיל ,וכדומה(.
אך למעט זאת :כמעט בכל מקרה בו קשור הידרוקסיל אל הזרחן ) P-OHדהיינו P-O-בתנאים
פיזיולוגיים( המולקולה אינה טוקסית ,מאחר והמטען השלילי שעל הפוספט ידחה את האניון
הסריני שבאנזים וימנע את ההתקפה הנוקלאופילית על-ידיו) .לכלל זה ידוע יוצא-מן-הכלל כאשר
ֶ
מצוי במולקולה חנקן טעון חיובית(.
ברעלים מלחמתיים שכיחה הקבוצה המתילפוספונטית ,CH3 P=O ,בה מחובר אטום הפחמן
ישירות אל הזרחן .קבוצה זו מדמה את השייר האצטילי ) (CH3 C=Oבאצטילכולין ,ועיקר תרומתה
הוא בהעלאת אפיניות הרעל לאנזים .AChEלפי חוקי הנומנקלטורה הכימית ,תרכובת זרחנית
המכילה קשר אחד בין Pלבין Cמכונה פוספונטית ,בעוד אלה בהם מוקף הזרחן רק באטומים של
חמצן ,גופרית וכדומה ,מכונה פוספטית .בהקשר לרעלים הז"א ,אנו מבדילים איפוא בין רוב גזי
העצבים שהינו "פוספונטי" ,לבין הרוב הגדול של הז"א החקלאיים שהינו "פוספטי".
21
קבוצת P=Oלעומת .P=S
חסימת האנזים יכולה להתרחש רק בעקבות התקפה ע"י האנזים על הקבוצה ה"פוספורילית"
;P=Oחומרים המכילים במבנם קבוצה "תיופוספורילית" ,P=Sאינם יכולים להיתקף ישירות ע"י
האנזים .למרות זאת שכיח מבנה זה מאוד ברעלים חקלאיים .רעילותם של האחרונים נובעת
מחמצונו המטבולי של הקשר P=Sל P=O -המביא לשיפעול הרעל .יש להיזהר מבלבול :אין
להחליף בתודעתנו את הקשר הכפול P=Sעם קשר יחיד לגפרית ;P-S-Rקיומו של זה האחרון
כשלעצמו אינו מהוה כל מכשול בהתקפת האנזים ,וכרגיל אף מעלה את הרעילות )ראה למשל
נוסחת .(Vx
סיבת השימוש ב P=S -היא על-מנת להאט את התפתחות ההרעלה ,במטרה לאפשר טיפול רפואי
במדבירים הנחשפים לרעלים בתאונות עבודה .עם זאת ,לשימוש בפונקציה זו גם חסרון:
הליפופיליות הניכרת של קבוצת ה) P=S -ושל הרעלים החקלאיים המכילים אותה( גורמת
להיווצרות מאגר של הרעל בשומני הגוף )” ,(“depotכך שההרעלה עשויה להתמשך ואף להתעצם
לאורך ימים רבים למרות הרחקת הנפגע מאזור החשיפה .שכיח גם מופע מחזורי-גלי של סימני
ההרעלה ,המתבטא בתקופות רגרסיה אחר שכבר חל שיפור .ברעלים המלחמתיים בעיה זו אינה
חריפה ,וקיימת בעיקר ביחס לסומאן עקב הליפופיליות הגבוהה של המתמיר הפינקולילי שבו,
]שמבנהו .[ (Me)3C-CH(Me)-O
כדאי לציין שחימצון P=Sלקבלת P=Oיכול להתרחש לאיטו גם באיחסון ממושך באקלים חם,
במיוחד בהשפעת האור .במקביל לכך יכול להתרחש גם תהליך משפעל אחר )ללא חימצון( הידוע
גם כשיחלוף ". (P=S)-O-alkyl → (P=O)-S-alkyl :" thiono-thiolo
תהליכים אלה אחראיים לכך שז"א חקלאיים ,המוחזקים במחסנים לאורך זמן ,ובמיוחד בהעדר
תנאים נאותים ,הופכים עם הזמן יותר ויותר רעילים לאנוש .באחת הדוגמאות הבולטות ,שארעה
בפקיסטן בשנות השבעים ,הורעלו קרוב ל 3000 -איש ,ובכללם מספר ניספים ,מריסוס מלתיון,
הנחשב אחד הז"א הבטוחים ביותר בהקשר להרעלת אנוש.
משפט נוסף על הנומנקלטורה הכימית :הופעת הסיומת ) thion(eבשמו של ז"א מצביעה על היותו
בעל קבוצת P=Sבמבנהו .ולהיפך ,הופעת הסיומת ) oxon(eמצביעה על הימצאות קבוצת
P=O
במבנה .אך ישנם חומרים לא-מעטים ששמם לא מסגיר את שיוכם הכימי לכאן או לכאן.
כיראליות
הקבוצה הפוספטית הינה טטראדרלית ,ועל-כן כל-אימת שארבעת מתמירי הזרחן שונים זה מזה,
דהיינו ,R1 ≠R2 ≠X≠Oניתן לבנות את החומר בשתי צורות אננטיומריות ,המהוות תמונות ראי זו
לזו .מצב זה שכיח בז"א המלחמתיים .במקרים אלה אחד האננטיומרים פעיל בהרבה מהאחר )ב-
רצמית של
Vxבסדר גודל ,בסרין בשני סדרי-גודל ,בסומן בשלושה ס"ג( ,כך שבחשיפה לתערובת ֶ
גזי העצבים ,הרעילות נובעת למעשה רק מהאננטיומר הפעיל יותר .גם הטוקסו-קינטיקה של
האננטיומרים עשויה להיות מאוד שונה .סביר להניח כי החל"כים המיועדים לשימוש מלחמתי
22
יכילו את שני האננטיומרים )תערובת רצמאטית( ,מאחר והכנת האננטיומר היותר-פעיל הנקי הינו
תהליך מורכב ויקר.
מטבוליזם
מלבד החימצון הנ"ל ,עוברים הרבה מהרעלים גם שינויים מטבוליים אחרים ,בהרבה מקרים תוך
גרימת דה-טוקסיפיקציה ,כמו למשל בעקבות המטבוליזם הגורם להידרוליזה של הקבוצה
העוזבת .סוגי מטבוליזם שונים יכולים איפוא הן לחזק והן להחליש את הרעילות ,ולעיתים
מתרחשים שני התהליכים זה בצד זה.
נציין את המקרה המיוחד של המלתיון ,שבו משחקים תפקיד חשוב אסתרים קרבוקסיליים
המצויים במבנהו )ראה נוסחה בשרטוט .(5בהיותו ,thionאין המלתיון מסוגל לחסום את
האסתרזה אלא לאחר חימצונו ל ,oxon -כמוסבר לעיל .אצל היונקים מהירות הידרוליזת
האסתרים הקרבוקסיליים כה רבה ,עד שמעל 90%מהחומר עוברים את השינוי והופכים לאניונים
קרבוקסיליים המסולקים מהר מהגוף .רק מעט מחומצן ל .P=O -אצל החרקים ,לעומת זאת ,קצב
ההידרוליזה נמוך במידה כזו עד שכמעט כל החומר עובר חימצון ל P=O -והופך רעיל .כך מושגת
סלקטיביות ניכרת ברעילות ,המתבטאת בכך שהמלתיון רעיל פי 40-50לחרקים מאשר לבעלי דם
חם.
טיהור כימי של ז"א
כשמדובר בניטרול כמויות קטנות )טיהור אישי ,נשק וכדומה( הרחקה פיזיקלית על-ידי ספיחה,
בפרט על הסיליקט המוכר כ") "fullers' earth” -אבקת הכובסים"( ,וע"י שטיפה ,מקובלת מאוד.
לצורך השמדת כמויות גדולות חייבים להשתמש בשיטות ניטרול כימיות ,שעל יעולן ותיחכומן
עובדים כעת במקומות שונים בעולם .לשם טיהור ז"א שהתפזר מקובל ביותר כיום השימוש
במחמצן , Ca(OCl)2הסידן ההיפוכלוריטי.
חומר הניטרול הזה פועל במספר מנגנונים )בנוסף לכושר החימצון הגבוה שלו ,מסוגל החומר גם
לתקוף את הז"א כנוקלאופיל ,כפי שיוסבר בפרק על האוקסימים ,ואף התגובה הבסיסית שלו
תורמת לניטרול( .כדאי לזכור כי חמצון ז"א עשוי להיות במידה מסויימת חרב-פיפיות :ז"א שונים
מכילי גופרית או חנקן )חקלאיים (Vx ,עשויים להגיב בתחילה באופן שרעילותם עולה ,ורק
בהמשך התגובה יהרס הז"א לחלוטין ותעלם הרעילות ,ומכאן שיש להשתמש בעודף ניכר של
המחמצן ,ולאפשר זמן תגובה מספיק.
שיטה מקובלת אחרת היא להפעיל מטהרים מאוד בסיסיים ,כפי המצוי במטהר האמריקאי .DS2
אלה אומנם יעילים מאוד ,אך סכנתם )ונזקיהם האפשריים( מחייבים זהירות בשימוש.
האם ניתן להעלות באש את הז"א? לא מומלץ! אומנם החלק שאכן יישרף יושמד עד להריסה
מלאה ,אולם חלק אחר יתאדה בחום ויינשא על גלי העשן למרחקים .ידועים אסונות שעלו בחיי
אדם כתוצאה משריפות שכאלה .שריפה בטוחה תיתכן רק במתקנים יעודיים ויקרים הבנויים
לכך.
שיטה עדינה ואלגנטית לפרק ז"א עשויה להיות שימוש באנזימים מפרקי ז"א ,הניתנים להפקה
ממקורות מיקרוביאליים .מאמץ ניכר מושקע בפיתוח גישה זו ,אך עד כה אין גישה זו מעשית
בקנה מידה גדול.
23
תגובת הז"א עם האסתרזות
למרות שלכאורה אין דימיון רב בין אצטילכולין לבין הרעלים הז"א שתוארו לעיל ,נקבל זאת
כעובדה שהאסתרזה תוקפת את הקבוצה הפוספטית שבז"א בדומה לתגובתה עם הפונקציה
הקרבוקסילית של .AChאין המדובר רק בכולין-אסתרזות אלא במידה מסוימת גם בסרין-
אסתרזות אחרות כמו למשל באנזים טריפסין .במידה והדמיון שבין הז"א לבין AChעולה )למשל:
בגזי העצבים הפוספונטיים המכילים את קבוצת ) CH3-(P=Oהדומה ל ,CH3-(C=O) -או
בVx-
הכולל במבנהו שייר דמוי-כולין( אפיניות הרעל ל AChE -עוד מתגברת ,כצפוי.
חשוב להבין כי גם ז"א שאינם בנויים בצורה אופטימלית ושהאפיניות שלהם לאנזים
AChE
נמוכה בהרבה מזו של ,AChעדיין בכוחם לחסום את האנזים .זאת מאחר ובהתחרות שבין
הסובסטראט לרעל ,הקישור הקבוע של הז"א להידרוקסיל הסריני )לעומת הקישור קצר-החיים
של (AChיכריע בסופו של דבר את הכף.
כפי שהוסבר לעיל ,התקפת האניון הסריני על קבוצת הפוספוריל ) ,(P=Oתביא לפליטת קבוצת ה-
Xכאניון ולקבלת אסתר פוספטי של האנזים ,שמבנהו מצוין בשרטוט ,6והמכונה "אנזים מזורחן"
).(phosphorylated enzyme
אולם המבנה הכימי של הז"א ,הנראה "מוכר" לשלב הראשון של התגובה ,אינו מזוהה ע"י המנגנון
האנזימטי הפועל בשלב השני .הסבר אפשרי לכך הוא שמולקולת המים שליד His-438התוקפת
כרגיל את האצטיל-אנזים הפלנרי ,אינה ממוקמת נכון לתקיפת המבנה הטטראדרלי של הזרחן.
כתוצאה מכך ההידרוליזה של האסתר הזרחני האנזימטי ,ושיחרור האנזים ,מתרחשים לאט מאוד,
בפרט כאשר החסימה הינה ע"י ז"א פוספונטים )כ 0.05% -לשעה בלבד בעקבות ההרעלה בז"א
סארין( ,כך שמכל בחינה מעשית האנזים מעוכב באופן קבוע.
זה המקום להזכיר ,כי תגובת האסתרזות שבדם עם הז"א ,לא זו בלבד שאינה פוגעת בבריאות
הנחשף ,אלא היא אף מגנה עליו ,מאחר ואותה כמות רעל שנקשרה לאסתרזות שבדם נלכדה שם,
ושוב אינה זמינה לחסימת האנזים החיוני המצוי בסינפסות .הבחנה זו הביאה להצעת דרך חדשה
ְ
לקדם-טיפול :במידה ונזריק לאדם כמות נוספת של AChEאו BChEלפני החשיפה ,ייגבר כושר
הלכידה של הדם ,ועימו עמידות הנפגע לרעל.
אחר שהוכח כי רעיון זה נכון ביסודו – עכברים הוגנו כך כנגד 8חציוני תמותה של ז"א – מתקיים
כעת מחקר בכמה מרכזים בעולם שיעדו הסופי הכנה בשיטות ההנדסה הגנטית של אנזים שייגזר
מהאסתרזה האנושית ,אך ישופר במספר פרטים ,כמו ) (1משך-החיים שלו בדם יהיה ממושך(2) ,
קצב השיפעול העצמי של האנזים החסום יזורז (3) ,תהליך ה"הזדקנות" )על-כך להלן( ייבלם.
המחקר "עתידני" ורחוק מסיומו ,אך לכשיושלם בהצלחה ניתן יהיה להגן במידה כזו של יעילות
שכלל אינה אפשרית כיום.
24
האוקסימים ) :(Oximesשיפעול האנזים המזורחן
מבנה ,ומנגנון השיפעול
המדובר בקבוצת תרופות לטיפול בהרעלת ז"א ,המכילה במבנָה את הפונקציה האוקסימית
)מודגשת( .R1R2C=N-OHקבוצה זו ,האחראית לפעילות המאקטבת ,נתנה לקבוצת התרופות את
שמה.
אסתרים זרחניים נויטראליים מבחינה חשמלית נתקפים די בנקל ע"י נוקלאופילים חמצניים
מתאימים .מנגנון התגובה עובר כרגיל דרך התקפת הפונקציה הפוספורילית ) (P=Oלקבלת מצב
חמש-קואורדינטיבי ,ופליטת קבוצה עוזבת .כדוגמה תשמש תגובת ההידרוליזה הבסיסית הבאה:
(EtO)3P=O + OH → [EtO)3P-O (-OH)] → → (EtO)2P=O(-O ) + EtOH
α- Nucleophiles
מי הם הנוקלאופילים החמצניים המתאימים?
(1כצפוי
-
ריאגנטים
בסיסיים:
ככל
שבסיסיותו של התוקף עולה ,עולה גם
מהירות תגובתו עם האסתר .אולם חומרים
בסיסים מאוד אינם מתקיימים בסביבה
נוקלאופילים שבהם האטום שליד האטום התוקף נושא
אלקטרונים בלתי-קושרים )בעמדה ,(αמכונים
α-
.nucleophilesלמשל :ליד החמצן האוקסימי התוקף את
הזרחן ,מצוי אטום חנקן הנושא זוג אלקטרונים בלתי-קושר
)לא כחלק מהקשר הכפול(.
פיזיולוגית נויטראלית ) ,(pH=7.4עקב סתירה.
הכושר הנוקלאופילי של נוקלאופילים אלה עולה לעיתים
(2נוקלאופילים חמצניים בעלי "אפקט
אלפא" )ראה מסגרת( .אלה מצטיינים בכושר
ההתקפה שלהם על הפונקציה הפוספורילית,
למרות בסיסיותם המתונה .קבוצה זו נותנת
איפוא בידינו חומרים רבי-ערך המסוגלים
לתקוף באופן סגולי רעלים ז"א וכן אנזימים
מזורחנים ,בתנאים פיזיולוגיים.
במידה ניכרת על הצפוי מהם לפי בסיסיותם ,וזאת בדר"כ
כאשר הם מגיבים עם אלקטרופילים הנושאים קשרים
כפולים לחמצן .הקבוצה הפוספורילית ,P=O ,כאלקטרופיל,
מגלה רגישות גבוהה במיוחד להתקפה ע"י נוקלאופילים
חמצניים בעלי אפקט ,αכמו האוקסימים.
על-אף שניתנו הסברים אחדים לתופעה זו ,הסיבות המלאות
לה טרם נחשפו.
במשפחה זו מצויים חומרים רבים בעלי כושר מוכח לתקיפת ז"א ,למשל :הידרוקסילאמין,
H2N-
,OHמי-חמצן ונגזרותיו ,יון ההיפוכלוריט ) Cl-O-זאת בנוסף לכושר החימצוני החזק שלו( .מבין
כל אלה הוכנסו לשוק התרופות האוקסימים בלבד .השיפעול מתבצע ע"י הצורה האניונית של
האוקסים , RC=N-O-מאחר והמטען השלילי מחזק בהרבה את הנוקלאופיליות.
כאשר מותקף רעל ז”א ע"י אוקסים )נכון יותר :על-ידי האניון האוקסימטי( יפלוט הפוספאט את
"הקבוצה העוזבת" .הפוספאט שבאנזים המזורחן יפלוט במקרה זה את האנזים ,כשהוא במצב
זהה לאנזים המקורי .אנו מדברים איפוא על שיפעול האנזים החסום ) ,(reactivationכבתגובה
הבאה:
Enzyme-O-(P=O)R1R2 + Oxime-OH → Enzyme-OH
בשני המקרים נקשר האוקסים לזרחן ,לקבלת תרכובת הידועה כ ,phosphorylated oxime -אשר לה
המבנה הכללי הבא .(R1-)(R2-)(P=O)-O-NH=CH-R :בהמשך נדון בטיבה ובגורלה של תרכובת זו.
25
במסגרת המאמץ המרוכז בשנות החמישים והשישים לפיתוח "האוקסימים" נמצאה אפקטיויות
בולטת למשפחת אוקסימים הבנויים סביב טבעת פירידין רביעונית )נוסחאות :בשרטוט .(7הדבר
נובע משני גורמים:
(1מהטבעת הארומטית הפירידינית ומהמטען החיובי הרביעוני שבה ,התואמים לדרישות האתר
הפעיל של האנזים )השוה מבנה פירידוסטיגמין(.
(2משיפור מיקרי )לא-מכוון( של יכולת האוקסימים לפעול גם במנגנונים פרמקולוגיים אחרים,
בלתי-משפעלים.
מנגנונים משניים אלה נחקרו בעיקר בהולנד ובגרמניה ,אך התמונה המצטיירת עדיין אינה מלאה.
נציין רק כי התברר שלאוקסימים המוצלחים-יותר אפיניות לקולטן הניקוטיני )אותו הם חוסמים
חלקית ,בקישור הפיך( ,ובכך משלימים הם את עבודת האטרופין ברצפטור המוסקריני .כמו כן ,הם
מיעלים במנגנון בלתי-ידוע את מעבר הסיגנל בסינפסה המורעלת .אחת ההוכחות לקיום מננונים
אלטרנטיביים בפרמקולוגית האוקסימים הוא פעילות האנלוג הגרמני ) SAD-128ראה נוסחתו
בשרטוט (6הדומה לטוקסוגונין ,אך החסר כל פונקציה אוקסימית :מתן חומר זה הוריד את
התמותה בחיות מורעלות-סומן ,על-אף שאין הוא גורם שיפעול לאנזים המעוכב.
מנגנונים משניים אלה נחקרו בעיקר בהולנד ובגרמניה ,אך התמונה המצטיירת עדיין אינה מלאה.
נציין רק כי התברר שלאוקסימים המוצלחים-יותר אפיניות לקולטן הניקוטיני )אותו הם חוסמים
חלקית ,בקישור הפיך( ,ובכך משלימים הם את עבודת האטרופין ברצפטור המוסקריני .כמו כן ,הם
מיעלים במנגנון בלתי-ידוע את מעבר הסיגנל בסינפסה המורעלת .אחת ההוכחות לקיום מננונים
אלטרנטיביים בפרמקולוגית האוקסימים הוא פעילות האנלוג הגרמני ) SAD-128ראה נוסחתו
בשרטוט (7הדומה לטוקסוגונין ,אך החסר כל פונקציה אוקסימית :מתן חומר זה הוריד את
התמותה בחיות מורעלות-סומן ,על-אף שאין הוא גורם שיפעול לאנזים המעוכב.
המגבלות שבגינן קשה לממש במלואו את פוטנציאל השפעול
ה"הבטחה הגדולה" שנשא פיתוח האוקסימים – לפיה ניתן לתקן את נזק הז"א במקורו ולהחזיר
עטרת האנזים ליושנה – לא זכתה להתממש במלואה ,ולדבר זה מספר סיבות) :א( אי-היכולת של
האוקסים לשפעל אנזים ש"הזדקן") ,ב( ספקטרום היעילות החלקי של כל אוקסים ואוקסים) ,ג(
מיגבלת מהירות השיפעול) ,ד( החסימה החוזרת הנובעת מהאוקסים המזורחן.
העיסוק המפורט בסעיף )א( יידחה לפרק אחר ,ואילו במיגבלות הנותרות נרחיב כאן.
מי )מבין האוקסימים( כנגד מי? אין אוקסים היעיל כנגד כל ז"א .טבלה ,1הממצעת נתונים
ספרותיים ,נותנת מושג כללי ואיכותי בלבד ביחס לשפעול אנזים שלא עבר "הזדקנות"
).(Aging
האוקסימים הרשומים בטבלה 1הם אלה המוכרים בארצות המערב .במזרח ארופה היו בשימוש
גם מספר אוקסימים נוספים ,ובמחקר נמצאים עוד אחרים.
26
ז"א חקלאיים
נפוצים )(3
)GF (2
Vx
(GD) Soman
)Sarin (GB
(GA) Tabun
)(1
++
+
+++
) +/-גבולי(
++
+/-
)(4
)(4
+++
-
+++
+++
TMB-4
)(Trimedoxime
+++
(5)++/+
+++
-
+++
+++
Toxogonin
+
+++
+++
(6)++
+++
+/-
2PAM
)(Pralidoxime
)(Obidoxime
HI-6
הערות:
) (1זמן מחצית-החיים ל"הזדקנות" החסימה בסומן כ 5 -דקות בלבד .אחר ההזדקנות אין לאף אחד מהאוקסים יכולת
שיפעול.
) (2המידע אודות GFמועט בהרבה ופחות חד-משמעי לעומת האחרים.
) (3במבט כללי .ישנן הרעלות ז"א בודדות שאינן מגיבות לאוקסימים ,הידועה ביותר :הרעלה ב.Dimethoate -
) (4חסרים נתונים מספיקים ,אך ניתן להניח שהתוצאה בכללותה תהיה דומה לזו של הטוקסוגונין.
) (5היעילות היא רק נגד חשיפות די נמוכות .
) (6זו דעת הרוב :קבוצות מדענים אמריקאיות וצרפתיות היו מסתפקות כאן ב . +
טבלה :1ספקטרום היעילות של האוקסימים השימושיים כיום.
הפראלידוקסים ) (2-PAMנמצא בשימוש בארה"ב ,בריטניה ,יפן וצרפת ,הטוקסוגונין בשימוש
בגרמניה ,ברבות מארצות ארופה ,ובישראל .ה TMB-4 -שפותח מראש במערב ובמזרח כאחד,
נותר בשימוש נרחב בישראל בלבד ,ורק כמרכיב במזרק הטא"ב .האוקסים המענין ,HI-6היחידי
ברשימתנו היעיל כנגד הרעלת סומן ב 10-15 -הדקות הסמוכות להרעלה ,נמצא בשימוש רק
בצבאות השוודי והקנדי .בעייתו המרכזית הינה יציבותו המימית הנמוכה ,המחייבת לנפק אותו
בתוך מזרק אוטומטי דו-מדורי יקר מאוד ובעייתי ,בו מוחזק החומר כאבקה יבשה החייבת
להתמוסס במהירות רבה אחר ה"ירי" )הירי מביא לפריצת דיסק הגומי המפריד בין המדורים(.
מידת היעילות של HI-6כנגד סומן אינה לגמרי מוסכמת .מספר מדענים )בעיקר בחר"פ
האמריקאי( סוברים שתוספת היעילות שלו כנגד סומן בהשואה לפרלידוקסים אינה רבה ,ואינה
מצדיקה את ההצטיידות היקרה והבעייתית בחומר.
מגבלה אחרת נובעת מאיטיות השיפעול .באופן פרדוקסאלי עשויים האוקסימים במינון גבוה
להחמיר את ההרעלה מאחר ובריכוז כזה הם נקשרים בעצמם בקישור הפיך לאסתרזה וחוסמים
אותה .בנוסף לכך ,עלולות מנות גבוהות של אוקסימים להיות רעילות לכבד .אנו מגבילים ,איפוא,
את כמות האוקסימים המוזרקת.
המינון המקובל יוצר ריכוזי-שיא של מספר מיליגרמים לליטר ,אשר יורדים תוך מספר שעות קטן
)כ4 -ש'( לרמות גבוליות .הריכוז בשיא הינו קרוב לעשרה מיקרומולר ,ומנקודת המבט של מהירות
התגובה הכימית ריכוז כזה הינו נמוך .מכך נגזר כי תגובת השיפעול שבין האוקסים לבין האנזים
בדמו של הנפגע הינה איטית למדי ,וקצב הספקת האנזים המשוחזר – מוגבל .וכנגד זה ,במידה
וההרעלה חמורה ,סביר שמצוי עדיין במחזור הדם ריכוז ניכר של הרעל )בפרט ברעלים חקלאיים
הנהרסים יותר לאט והנוטים להאגר( ,כך שרעל זה יחזור ויחסום במהירות את אשר שופעל.
בתנאים שכאלה רק מעט אנזים משופעל יימצא בדם בכל רגע נתון.
27
משמעות האמור כאן ,למעשה ,היא שהאוקסימים צפויים להביא תועלת רבה יותר בהרעלות
בינוניות )בהן אין מאגר משמעותי של רעל( לעומת בהרעלות חמורות ,ובהרעלות "גזי עצבים",
הקצרות יחסית ,יותר מאשר בהרעלות חקלאיות ,הממושכות והיוצרות מאגרים .כמו כן יביא
האוקסים תועלת רבה יותר אם יינתן במינונים חוזרים לאורך-זמן או בהזלפה לעומת מתן חד-
פעמי בבולוס.
בעית האוקסים המזורחן )(Phosphorylated oxime
חומרים אלה ,שנוסחתם הכללית תוארה לעיל ,נושאים את כל המרכיבים הכימיים הדרושים
לפיתוח רעילות נמרצת משל עצמם .נדגים זאת עבור תוצר אופייני המתקבל מתגובתו של האנזים
החסום בסרין עם פרלידוקסים ,וכן מתגובת הסרין עצמו עם האוקסים )ראה שרטוט .(8
החלק הזרחני במולקולה זהה לזה המצוי בסרין ,ואילו החלק האוקסימי הינו קבוצה עוזבת
אידאלית ,הן מבחינת ההתאמה לאנזים )הפירידין הטעון ,הזכור לנו כמקנה לפירידוסטיגמין
ולפרלידוקסים אפיניות טובה לאנזים( ,והן מבחינת ערך ה pKa -של האניון האוקסימטי )בסביבת
(8האידאלי לקבוצה-עוזבת .ואכן חומר זה ודומיו הינם מעכבים נמרצים של האסתרזה) .נזכיר כי
אחד הקרבאמטים הרעילים ביותר ,Aldicarb ,נושא קבוצה-עוזבת אוקסימית ,וכן הז"א החקלאי
.(Phoxime
בעיה זו מטרידה הן בעוסקנו בשיפעול האנזים )מאחר ויצירת האוקסים המזורחן משמעותה
יצירה מחודשת של מולקולת רעלן ז"א ,דבר המקטין מאוד את יעילות השיפעול( ,והן ,ובעיקר,
בהקשר לתגובה ההדדית בין הרעל המצוי בדם ובין האוקסים ,תגובה בה תוחלף הקבוצה העוזבת
המקורית בקבוצה האוקסימית :תיאורטית עשוי להיווצר לעיתים רעל חזק יותר מהרעל המקורי!
ובמיוחד כך ברעלים החקלאיים בהם לעיתים הקבוצה העוזבת אינה כל-כך יעילה.
למרבה המזל האוקסימים המזורחנים אינם יציבים ביותר בתמיסה מימית ,וכן מפורקים הם גם
ע"י פוספאטזות .כך ,מוגבל משך יכולת ההרעלה שלהם .זמן מחצית-החיים להריסתם בדם
בתנאים פיזיולוגיים הינו כנראה מספר דקות או פחות )בתלות בעיקר במבנה האוקסים:
האוקסימים בהם ממוקם האוקסים בסמוך לחנקן הפירידיני ,כב ,-2PAM -הרבה פחות יציבים(.
הרס האוקסימים המזורחנים מתרחש הן באמצעות הידרוליזה ליון פוספטי ולאוקסים המקורי
)המסוגל כעת לתקוף ולשפעל עוד מולקולות אנזים חסומות( ,והן באמצעות ביקוע ספונטני בין
החמצן והחנקן ,בו משתחררים אניון פוספאטי ותרכובת משוחלפת )ניטרילית( שאינה מסוגלת
לשוב ולפעול כמשפעל.
ברור שבעית האוקסים המזורחן פוגעת בערך האוקסימים כמשפעלים ,אף שקשה מאוד להכליל
או לכמת את עוצמת הבעיה.
תצפיות כאלו ,אודות ההצלחה המוגבלת של אוקסימים בטיפול בנפגעים קשים בחקלאות,
עומדות ביסוד הגישה של מספר טוקסיקולוגים בעולם שלא להציע טיפול באוקסימים בהרעלות
חקלאיות .זו אינה הגישה המקובלת על רוב עולם הרפואה ,וזו גם אינה הגישה השלטת בארץ.
28
הגנת האנזים ע"י קרבאמטים )השלמה(
נושא קדם-הטיפול כנגד רעלים ז"א ע"י מתן מוקדם של קרבאמט ,בעיקר פירידוסטיגמין ,כשהוא
מלווה בטיפול באטרופין ,נדון בחלקו בפרק העוסק באסתרזות .כאן נשלים את התמונה בכך
שנסביר מדוע אין לפירידו' אותו ערך מיגוני כנגד כל הז"א על-אף שמנגנון ההרעלה של כולם שוה.
ידוע ,למשל ,שהפירידוסטיגמין תורם הרבה למיגון מפני סומן אך כמעט ואינו מועיל כנגד סרין.
בדרך-כלל משפטים כאלה הממעיטים בערך הפירידוסטיגמין מתיחסים לניסויי חיה בהם ניתן
טיפול בתר-חשיפתי שכלל מתן אוקסימים .כפי שראינו הטיפול באוקסימים יכול לשפעל חלק
ניכר מהאנזים החסום בסרין וב ,Vx -ועל-כן שוב אין חשיבות למעט האנזים הפעיל הנתרם ע"י
קדם-הטיפול בפירידו' .במקרה של סומן )וגם (GVהאוקסימים אינם יעילים בשפעול האנזים
החסום ,ועל-כן תרומת הפירידוסטיגמין להשרדות יכולה להיות קריטית ,כפי שאכן הוכח.
אוקסימים וקרבאמטים
האם מגיבים האוקסימים עם קרבאמטים ועם אנזים החסום בשייר קרבאמטי?
כן ,גם הפונקציה הקרבונילית רגישה לנוקלאופילים בעלי אפקט אלפא ,אף כי הרבה פחות
מהפוספורילית .ולעיתים קרובות ניתן לזרז את הסרת הקרבאמט )דה-קרבאמילציה( ע"י
האוקסימים .גם במקרה זה ,בדומה לרעלים הז"א ,קיים חשש מסוים לתוצאה הפוכה ,בדמות
הגברת רעילות הקרבאמטים עקב החלפת קבוצה עוזבת מאיכות בינונית )מבחינת התגובה
האנזימטית( בקבוצה פירידינו-אוקסימית מעולה שתימצא בתוצר התגובה ,ה-
carbamylated
.oxime
האם מקובל להשתמש באוקסימים כטיפול בהרעלת קרבאמטים?
לא .למרות שהוכח שבהרבה מקרים מסוגלים האוקסימים להקל קלינית את מהלך ההרעלה,
מקובל על הרופאים שלא לעשות כך ,וזאת עקב ההחמרה הניכרת שגורמים האוקסימים למורעלי
הרעלן הקרבאמטי הנפוץ .Carbarylסיבות שונות ניתנו להחמרה זו :החל מהאפשרות לייצור רעל
חזק יותר בתגובה ההדדית ,ועד השפעה פרמקוקינטית שיש לאוקסימים לזרוז קצב המטבוליזם
של הקרבריל )המעלה את רעילותו(.
את הויתור על הטיפול באוקסימים כמשפעלים ,יש לשפוט כמובן על רקע ההבדל הקיים בין
הרעלה ז"א לבין הרעלה בקרבאמט .כזכור ,אנו מצפים כי לאחר תום חשיפה לקרבאמט ישתחרר
האנזים מאליו מהחסימה תוך מספר שעות אף ללא סיוע האוקסימים.
תופעת ה) Aging -התישנות ,הזדקנות(
מהות התופעה
השם מתיחס לשינוי כימי החל ב AChE-החסום ברעלים אורגנו-זרחניים )ז"א( עם הזמן,
והמתבטא באפשרות הולכת ופוחתת לשיפעולו ע"י אוקסימים .כבר בשנות החמישים הוברר
שהתהליך קשור בהווצרות מטען שלילי בפונקציה הזרחנית שעל-פני האנזים .התגובה מודגמת
בשרטוט מספר ,9בה הרעל הזרחני המקורי היה סארין .בסכימה זו התעלמנו מגורל השייר
הi-Pr-
29
שניתק ,מאחר וגורלו אינו משפיע על האנזים.
הובחן כי התהליך איטי ברעלים בהם מתמירי הזרחן הם כהלים ראשוניים )מתיל ,אתיל( ,כדוגמת
רעלים חקלאיים או .Vxבמקרים אלה קצב ה"הזדקנות" הוא לא מעל 20%ליממה ,ובדר"כ אף
פחות מזה ,ואין הוא מהוה בעיה קלינית .לעומת זאת התופעה מהירה כאשר המתמיר הינו כוהל
שניוני ,ועוד הרבה יותר כאשר הוא שלישוני או שניוני המכיל מתילים נוספים בסמוך ,כמו שמצוי
בכהל הפינקולילי המשובץ בסומן) .ראה נוסחת הסומן ונוסחת הכהל הפינקולילי בסמוך(.
)כוהל שלישוני ,או שניוני ,או ראשוני ,מתאפיינים במספר אטומי הפחמן
CH3-(P=O)(-F) -O-CH(-CH3)-C(CH3)3
המתמירים את אטום הפחמן נושא ההידרוקסיל :בשלישוני – 3פחמנים סומן
מתמירים פחמן זה , R3C-OH ,בשניוני– ) 2כמו בקבוצה האיזופרופנולית
שבסרין( ,ובראשוני -פחמן אחד או אף פחמן )כמו באתנול ,CH3CH2OH
H-O-CH(-CH3)-C(CH3)3
פינקוליל אלכוהול
או במתנול .( (CH3OH
מבין הז"א הרגילים ,האנזים החסום ע"י סומן הוא זה ה"מזדקן" במהירות הרבה ביותר ,ראה
טבלה .2
למידת חומציותה של תמיסת האנזים השפעה רבה על מהירות ההזדקנות .התהליך המהיר ב-
pH= 6.5 - 7הולך ומואט ככל שעולים ב .pHב pH>8 -התהליך איטי.
טבון
GA
סארין
GB
סומן
7ש'
=½t
2-3ש'
=½t
5דקות
רצוי לזרז
ה aging -יכול
להוות בעיה אם הטיפול
הטיפול באוקסים באוקסים ,לשם
השגת שיפעול
מאוד משתהה
GD
=½t
ה aging -מהוה
בעיה קשה,
מאחר והוא מונע
למעשה שיפעול
Vx
ז"א חקלאיים
אחוזים בודדים
ליום בלבד
משתנה ,אך ככלל
אין הוא מהיר.
אין לתהליך
חשיבות קלינית.
כרגיל אין לתהליך
חשיבות קלינית.
האנזים.a
aגם ל GV -מהירות "הזדקנות" גבוהה מאוד.
טבלה :2משך הזמן הדרוש ,בקירוב ,לתהליך ה"הזדקנות" של AChEהחסום בז"א ,כפי שנמדד
מהקטנת יכולת השיפעול ע"י האוקסימים בתנאים פיזיולוגיים.
מדוע מתרחשת "הזדקנות"?
ראיות שונות מצביעות על כך כי היציבות התרמודינמית של האנזים המזורחן עולה במהלך ה-
.agingהמודל הממוחשב מצביע על היווצרות מספר גשרי מימן חדשים בין חמצני האניון
הפוספטי לבין מימנים בשיירים סמוכים ,ואף בשלד הפפטידי עצמו ,המביאים להתכנסות צפופה-
יותר סביב הפונקציה הפוספטית .קיימות ראיות ספקטראליות להתכנסות זו ,והיציבות הגוברת
משתקפת גם בעלית הטמפרטורה הדרושה לדה-נטורציה .הנטיה הזו תלויה איפוא במבנה האנזים
כולו ,ואכן ידוע כי סרין-אסתרזות אחרות )קרבוקסי-אסתרזות( ופרוטאזות החסומות בסומן,
עוברות "הזדקנות" בקצב שונה )איטי( בהרבה ,אם בכלל.
30
האנזים NTEהעצבי יכול לשמש לנו כדוגמה .חסימתו ע"י תרכובות אורגנו-זרחניות מתאימות,
ובעיקר "התישנותו" ,גורמים לנוירופתיה כרונית כפי שיידון להלן .והנה נמצא שהחסימה ע"י
הסומן ,עוברת במקרה זה "הזדקנות" איטית בלבד ,המשתרעת על-פני שעות רבות ,לעומת מספר
הדקות הדרושות ל"הזדקנות" AChEהחסום בסומן.
אף AChEהחסום-בסומן אינו מסוגל לעבור "הזדקנות" אם נקדים ונחמם את תמיסתו עד לדה-
נטורציה קודם שעברה ההזדקנות ,והדבר ממחיש את חשיבות המבנה השלישוני של החלבון כולו
בתגובה זו.
מדוע תלוי קצב ה"הזדקנות" במידה כה רבה במבנה הרעל וב?pH-
לא ניכנס כאן לפירוט התהליכים הכימיים המתרחשים ,אך נציין כי המהירות תלויה בקיום מסלול
כימי נוח לתהליך ה"הזדקנות" ,מסלול בו אנרגית השיפעול לתהליך תהיה נמוכה .קיים יותר
ממנגנון אפשרי אחד שבאמצעותו יכולה קבוצת Rלהינתק.
בהתחשב במבנה הקונקרטי של קבוצות Rהניתקות ,בהתאם למבנה כל אנזים ואנזים )טבעיים
או מוטנטיים( ,ובהתאם לתנאים ,תיבחר האפשרות הנוחה ביותר לתהליך .כמו כן ,כשם
שה"הזדקנות" מונעת את הראקטיבציה ,כך גם מונעת הראקטיבציה את ה"הזדקנות" .התברר כי
ברמה המולקולרית קצב ה"הזדקנות" של אסתרים שונים ,למשל מתיליים ,אף אם הוא נמוך
בהרבה מאשר באסתרים מסועפים ,אינו כה נמוך ,והעובדה שבמדידותינו אנו רואים שרמת
האנזים "המיושן" עולה רק לאיטה ,נובעת גם מכך שחלק ניכר של האנזים הנושא קבוצת מתיל
עובר עם הזמן שיפעול ספונטני ,המונע ממנו להגיע לשלב ה"הזדקנות".
שיקולים מורכבים כאלה הם הקובעים את קצב ההזדקנות הנמדד.
מדוע אין האוקסימים משפעלים את האנזים ה"מיושן"?
התשובה שכרגיל ניתנת היא שהאניון האוקסימאטי אינו מסוגל לתקוף את האנזים ה"מיושן"
מאחר ומטענו השלילי נדחה מפני המטען השלילי שעל הזרחן .אולם מתברר שדחיה זו כשלעצמה
יכולה אמנם להאיט מאוד את קצב התגובה אך לא למונעה כליל .הסיבה העיקרית נעוצה גם היא
ביציבות התרמודינמית של המצב ה"מיושן" שתוארה לעיל .המולקולה נמצאת ב"בור אנרגטי"
שכדי להוציאה משם יש צורך בהשקעת אנרגיה ,ואת זה לא ניתן להשיג בתנאי התגובה העדינים
בשבמסגרתם פועלים האוקסימים עם האנזימים.
כיצד רכש לו האנזים AChEכושר זה לגרימת ה"הזדקנות"?
על רקע כל האמור ,ברור כי האנזים עצמו הוא זה המפעיל את תהליך ה"הזדקנות" .אך גישה זו
מעלה קושי מסוג אחר :כיצד רכש לו האנזים ,AChEהספציפי והיעיל כל-כך להידרוליזת ,ACh
כושר קטיליטי נוסף ובהקשר כה שונה?
כאן נציג גישה אחת הנותנת הסבר לחלק ניכר מהקשיים.
31
לפי גישה זו ,התהליך המתרחש באנזים חסום בסומן הוא בעצם הפעלה שלא-במקומה של
הכשרים האנזימטיים הקיימים לצורך הידרוליזת .AChהקטליזה החומצית המזרזת כזכור את
שלבה השני של ההידרוליזה ע"י פרוטונַצית האצטיל ,אחראית אף במקרה שלנו לפרוטונצית
הפוספט .מאידך ,טריפטופן ,84המייצב כזכור את החנקן הטעון והמותמר בשלושה מתילים ב-
,AChEעשוי להגיב כך גם עם הקצה עתיר-המתילים ביון הקרבוניום הנגזר מהפינקוליל במסלול
ה"הזדקנות" )ומעודד בכך את עצם התהוות יון הקרבוניום( .הקטליזה מושגת ,איפוא ,ע"י ניצול
מנגנונים הקיימים באנזים ממילא ,לצורך הידרוליזת אצטילכולין.
מספר שאלות ותשובות:
(1האם ה"הזדקנות" בפני עצמה מרעה את מצב החולה?
לא .ההרעלה מקורה בפולס הכולינרגי שאינו ניתן לריסון ע"י האנזים המעוכב ,ובכך לא חל שינוי
בעת ה"הזדקנות" .ההזדקנות מבטלת אומנם את השיפעול הספונטני ,אך שיפעול זה ממילא איטי
בהרעלות הנובעות מרעלים הנוטים ל"הזדקנות" מהירה .הבעיה היא אי-ההענות של האנזים
ה"מיושן" לטיפול )לשיפעול( ע"י האוקסימים.
(2בעת הרעלה ע"י ז"א שאינם "מזדקנים" מהר ,האם ניתן להמליץ על דחית את הטיפול בנפגע
עד להגעה לבי"ח וכדומה?
חלילה! ככלל ,חשוב מאוד להקדים ככל שניתן את הטיפול .הנזק הולך ומחמיר והולך ומתפשט
עם התמשכות הגל הכולינרגי .יחד עם זאת ,במידה והתרחש עיכוב כזה ,יעילות החלק האוקסימי
שבטיפול תישמר לתקופה הרבה יותר ארוכה ברעלים המזדקנים רק לאט.
(3האם ניתן להשפיע פרמקולוגית על מהירות ה"הזדקנות"?
כן ,במידה מסוימת .כדאי לציין כי אטרופין מעכב במעט את קצב הזדקנותו של האנזים החסום,
ככל הנראה כתוצאה מקישור אלוסטרי לאנזים .עם זאת ,מחקרים שכוונו למציאת בלם יעיל
באמת לתהליך ה"הזדקנות" איכזבו עד-כה.
(4מה קורה לקבוצת ה R-הניתקת מהפוספט?
התשובה מסובכת ולא תידון כאן לפרטיה .בצד האפשרות הפשוטה שהקבוצה תופיע ככוהל
R-
,OHמוצאים לעיתים קרובות תוצרים משניים הצפויים מיון הקרבוניום .למשל ,התהוות קשר
כפול ,או )במקרה של סומן( שחלופים הקשורים בתזוזת קבוצת מתיל בתוצר.
אפקטים הנובעים מתגובת ז"א עם אתרים אחרים
ידוע כי ז"א שונים מגיבים גם עם חלבונים נוספים ,חלקם ללא כל משמעות קלינית )רק לאחרונה
פורסם למשל המקום המדויק בו נקשר הז"א סרין לאלבומין( ,חלקם קשורים בעקיפין להרעלה
הכולינרגית )כמו תגובת הז"א עם הקולטנים המוסקריניים והניקוטיניים ,וכן עם האנזים המסנתז
,AChוהידוע כ ,(ChAT -וחלקם בעלי משמעות קלינית השונה כליל מטוקסיקולוגית חסימת
.AChEמבין שלוש אלה הקבוצה המסקרנת יותר ,והמוכרת פחות ,היא האמצעית ,אך עד
שתתבהר שם התמונה נתעלם ממנה .כאן נעסוק בקבוצה השלישית בלבד.
בדרך-כלל האפקטים הפתו-פיזיולוגיים של הז"א יכולים להיות מוסברים היטב בהסתמך על
חסימת AChEבלבד ,אף כשהתופעות הקליניות כשלעצמן נראות בלתי-רלוונטיות כמו התקף
כפיון ,או ירידה בספירת תאי הזרע .אך לא תמיד כך הדבר.
32
ניתן אף לחלק ולומר ,כי ביחס לז"א מלחמתיים קל יותר להתעלם ממנגנוני פגיעה צדדיים
שכאלה ,ואילו ביחס לאינסקטיצידים החקלאיים לעיתים יש לאותם מנגנונים חשיבות .וזאת
למה? -במלחמתיים הושקע מחקר רב שמטרתו להעלות את הרעילות האקוטית ,וזה הושג ע"י
שיפור הולך וגובר של כושר החסימה של הכולין אסתרזות .אולם "ההתמחות" הזו באה במידה
מסויימת על-חשבון יכולות התגובה של הז"א עם חלבונים בעלי מבנה שונה .יתרה מזאת ,המינון
הכל-כך נמוך ,הדרוש לחסימת AChEע"י גזי העצבים ,מביא לכך שהמנה הגורמת לאפקטים
האחרים שווה לכפולות רבות של חציון-התמותה ,ובתנאים אלה קטן הסיכוי שבעה"ח ישרוד
בחיים את הניסוי.
.1חסימת האנזים NTEונוירופתיה מאוחרת
הדוגמה הבולטת ביותר לנזק שאינו נובע מחסימת AChEהיא של התפתחות נוירופתיה מאוחרת
)כעבור שבועיים או יותר מהחשיפה( ,המלווה בספיגה לאחור ) (reterogradeשל האקסונים
הארוכים המוליכים לגפיים ,והמתבטאת קלינית בחולשת שרירים קשה עד לשיתוק ובהפרעות
תחושה .אם הפגיעה אינה קשה מדי התופעות תחלופנה בהדרגה כעבור חודשים רבים ,עם
צמיחת האקסונים החדשים .התסמונת הזו אובחנה בצורת "מגפות" שארעו במספר מקומות
בעולם )ספרד ,ארה"ב ,מרוקו( לאחר חשיפה במזון לתרכובות אורגנו-זרחניות לאו-דוקא
אינסקטיצידיות ,ובראשן ל .TOCP (Tri-o-Cresyl Phosphate) -החומר TOCPמשמש כמרכיב בשמני
סיכה ,אך לצערינו גם כמרכיב אפשרי ב"שמן מאכל" מזויף ,או בזיופי מזון אחרים .התסמונת
כונתה OPIDNאו ,OPIDPלאמור:
Organo-Phosphate-Induced Delayed (Poly)Neuropathy
מבין הז"א החקלאיים ידועים אחדים כמי שגורמים בפועל למחלה זו כמו ;Leptofos, Mipafox
אחרים מסוגלים פוטנציאלית לגרום לה .בכל מקרה יש צורך בחשיפה גבוהה יחסית ,כך שארועי
נוירופתיה חריפים כאלה אינם ארוע שגרתי )דוגמת ההרעלה הרגילה ברעלים אלה השכיחה מאוד
בעולם( .מבין המלחמתיים רק ה) DFP -שכיום אינו נחשב כבר לרעל מלחמתי( יכול לגרום זאת
בתנאים רגילים .גזי העצבים האחרים אינם צפויים לגרום ,OPIDNמהטעמים שהוסברו לעיל.
להמחשה :יש צורך במינון של קרוב ל 100xLD50 -סומן – ומאמצים תרופתיים קיצוניים כדי
להחזיק החיה בחיים – כדי לגרום את התסמונת לתרנגול) .התרנגול ,הרגיש במיוחד לתיסמונת,
משמש כחיית המודל הסטנדרטית(.
33
תנאי מוקדם לתסמונת OPIDNהינו זירחון בשעור גבוה ) (>80%של החומצה האמינית סרין
בחלבון שכּוּנה ,NTEוהמצוי בתאי העצב )וגם בלויקוציטים ,שם נוח למדוד את מידת החסימה(.
ה NTE -קשור למנגנון ההולכה התוך-תאי ,והאטת ההולכה היא האפקט הפיזיולוגי הראשון הניתן
לזיהוי אחר ההרעלה ,כבר כעבור 4ימים .מעבר לכך עדיין לא ידוע הרבה על תפקידו של החלבון.
ישנן ראיות כי יתכן ומדובר במשפחה קטנה של חלבונים ,ששיבוש פעולתו של כל אחד מהם
עשוי לגרום או לתרום לחומרת ולאופי התסמונת .כאנזים ,חלבון ה NTE -הינו סרין-אסתרזה
שהסובסטרט המועדף שלה ) (phenyl valerateכלל אינו נמצא בגופנו ,וקיים ספק אם לפעילות
האנזימטית משמעות פיזיולוגית כלשהיא .הזירחון ,המתמיר את הסרין הנזכר ,מביא לחסימת
הפעילות האנזימטית .לזירחון ה NTE-מתלוה לעיתים קרובות agingמהיר ,המתבטא בהתהוות
מטען שלילי על הפוספאט ,בדומה ל .AChE -אולם הדרישות המבניות הקובעות את קצב התהליך
הזה שונות בשני המקרים ,וכפי שהוזכר לעיל חסימת NTEבז"א סומן מלווה ב"הזדקנות" איטית
דוקא.
מאז שנות השישים מקובל היה כי ה"הזדקנות" היא-היא הגורמת לנזק האקסונלי ולהתפתחות
הנוירופתיה ,ואף הוכח כי פוספורילציה-מוקדמת שאינה מתגלגלת ל"הזדקנות" מגנה על החיות
מפני רעלים גורמי OPIDNשיינתנו אחריה )עקב שמירת ההידרוקסיל האנזימטי מפני
הפוספורילציה המלווה-בהזדקנות( .אך בעשור האחרון הראו כי הנחה זו אינה נכונה לחלוטין ,וכי
גם הזירחון עצמו גורם עקרונית נזק מסוים אלא שכרגיל אין הוא מגיע לסף הקליני ,כל עוד אין
.aging
לא קיים כיום טיפול בתסמונת זו ,למרות שעקרונית ניתן להגן על האנזים קודם החשיפה כפי
שהוסבר לעיל ,ולמרות שמתן אוקסימים המתאימים ל NTE -לפני ה"הזדקנות" המהירה עשויה
היתה להועיל ,אילו היו אוקסימים אלה מצויים בשוק )האוקסימים הרביעוניים שבשימושנו אינם
מתאימים לאנזים זה( .מתן סטרואידים לא מביא ישועה.
.2נזק ריאתי ישיר
כפי שהוזכר בפרק הדן בכימית הקשר P=Sבז"א ,אנו עשויים לפגוש ברעלים החקלאיים את
הקבוצות , C2H5-S-P , CH3-S-Pהן כשייכות למבנם המקורי והן עקב שחלוף "תיונו-תיולו" של
הרעל המקורי .הוכח בחיות שחלק מחומרים אלה )ההיקף לא ברור( עשויים לגרום לבצקת ראתית
מאוחרת )ואף למוות( שאינה נובעת מחסימת , AChEאלא מהרעלה סלקטיבית של פנוימוציטים
מטיפוס ) 1ומעידוד הפרוליפרציה של טיפוס .(2התופעה לא נחקרה עדיין לכל עומקה ,אך ידוע כי
בראה .בעיה זו בדר"כ אינה בעלת
החומרים האלה פעילים רק משעברו אקטיבציה מטבולית ֵ
משמעות קלינית בהרעלות בז"א המקובלים ,למעט בארוע פקיסטן שהוזכר לעיל.
הרעלה חמורה בז"א בעלי ) P=Sתיאונים( עשויה להוביל לפגיעה באברים שונים ככבד וכליה ,עקב
הרעילות העצמית של הפונקציה .P=Sהמטבוליזם של פונקציה זו גורם בגוף להווצרות של
רדיקלים חופשיים ,ולנזק.
34
.3אפשרות לפגיעה גנטית
מזה זמן רב נחשדו ז"א ,בפרט אלה המכילים קבוצות CH3-O-Pכגורמי-אלקילציה ל ,DNA -על
המשמעויות הטרטוגניות והקרצינוגניות הנובעות מכך .זאת ,עקב הכושר האלקילטורי המוכח של
האסתר הזרחני ,כך:
O-(P=O)-R1-R2
-
R3N : + CH3–O-(P=O)-R1-R2 ! R3N-CH3+ +
כמו כן נמצאו ז"א הגורמים לשינויי ליפוף ) (supercoilingב .DNA -למרות ממצאים אלה המסקנה
החוזרת ועולה במחקרים שונים היא שאף שהדבר ייתכן כימית ,לא נמצאה שום עדות לתופעות
קליניות כאלה בחיות ובב"א שנפגעו ,ועל-כן מוגדרים סיכונים כאלה כקטנים מאוד.
אולי כדאי להזכיר בנקודה זו ,כי שינוי בהתבטאות הגן לאצטילכולין אסתרזה ,בעקבות הרעלה
מתמשכת בז"א אכן נתגלה ונחקר במשפחת חקלאית אחת.
O
P
HO
OH
HO
שרטוט :1חומצה זרחתית
O
O
CH3O P
O
O
CH3
שרטוט CGA 134-736 :2רעל ז"א טבעי.
O or S
R2
P
R1
X
שרטוט :3מבנה כללי של הרעלים הזרחנים-
האורגניים.
Approximate
LD50 in mouse
(mg/kg)
Common
Nane
O
O CH2CH3
(CH3)2N P
C N
Tabun
(GA)
Sarin
(GB)
Soman
(GD)
GF
CH3
CH3
CH3
RVX
(Russian VX)
CH3
0.1
650
Freely sol.
3
22000
Freely sol.
0.4
3800
0.1%
0.1
650
1%
0.02 sc
0.001
10
a
a
a
Close to sarin
CH2CH3
O
O CH CH3
P
CH2CH3
S CH2CH2N
CH2CH3
CH3
GV
O
(also (CH3)2N P O CH2CH2-N CH
3
GP11)
F
DFP
CH3
O
O CH CH3
H3C CH O P
F
H3C
250
0.04 iv
O
O CH2 CH3 CH3
P
CH CH3
S CH2CH2-N
CH CH3
CH3
VX
3
250 (mmHg/m )
Approximate
solubility at
0.1 iv
CH3 CH3
O
O CH C CH3
P
CH3
F
O
O
P
F
Approximate
volatility at
0.15 iv
CH3
O
O CH CH3
P
F
CH3
Approximate
vapor pressure
at 250 (mm Hg)
b
3.7
(sc, mice)
0.6
3%.
Freely sol
below 9o ,
or in
acidic
solution
a
b
5000
.Vx- רעילותו קרובה לסומן ונדיפותו מתוארת בין הסומן לb
1.5%
.Vx- אינו שונה הרבה מa
. מבנים כימיים ומספר תכונות של רעלים זרחנים אורגניים מלחמתיים:4 שרטוט
CH3CH2O
Parathione
CH3O
DDVP,
Dichlorvos
CH3CH2O
Chlorpyrifos
S
O
P
O
CH2CH3
CH3CH2O
NO2
Amiton
O
O CH3
P
O-CH=CCl2
S
O
P
O
O
O CH2 CH3
P
CH2CH3
S CH2CH2-N
CH2CH3
S
O CH2CH3
P
O-N=C
CH3CH2O
Phoxime
C= N
S
O
P
O
CH2CH3
N
Cl
CH2CH3
NO2
EPN
Cl
Cl
CH3CH2O
S
O CH3
CH3O P
S-CH-COO-Et
Malathion
S
O
P
O
Diazinon
CH2CH3
N
CH-CH3
N CH3
CH3
CH-COO-Et
O O
CH3CH2-O-P-O-P-O-CH2CH3
TEPP
CH3CH2-O
O-CH2CH3
.אורגניים חקלאיים- מבחר מבנים מייצג של רעלים זרחנים:5 שרטוט
O
Enzyme
O
P
R1
R2
ההידרוקסיל. אנזים מעוכב ע"י רעל ז"א:6 שרטוט
.האחראי לפעילות האנזים "מזורחן" וחסום
HO-N
N-OH
CH
CH
CH=N OH
N
CH3
N
Pralidoxime
(2-PAM)
CH2-CH2-CH2
N
TMB-4
N-OH
OH
HO-N
CH
O
CH
C-NH2
N
CH-CH2-CH2 N
N
CH2-O-CH2
N
Toxogonin
HI-6
(H3C)3C
C(CH3)3
N
CH2-O-CH2
N
SAD-128 (Not an oxime)
. למען הפשטות לא צויינו האניונים. מספר נוסחאות מבנה של אוקסימים:7 שרטוט
O
N+
CH3
CH3 P-O
N=C
H
i-Pr-O
שרטוט :8אוקסים מזורחן ע"י קבוצה שמוצאה מהרעל סרין.
O
O
O
P
H3C
O-enzyme
שרטוט :9ה"הזדקנות" באנזים חסום בסרין.
CH(CH3)2
O
P
O-enzyme
H3C
40
לקריאה נוספת
AChE
מעכבי
.1
B. Ballantyne and T.C. Marrs. Clinical and Experimental Toxicology of Organophosphates and
Carbamates. Butterworth-Heinemann, Oxford, 1992.
.2
S.M. Somani. Chemical Warfare Agents. Chapters 4-7. Academic Press. USA, 1992.
. מעכבי כולינאסתראזות – היבטים רפואיים ומבניים של מנגנון פעולתם, שורק ועמיתים.ח
.1992 אוגוסט,100-105 ,123 ,הרפואה
.3
H. Soreq and H Zakut, Human Cholinesterases and Anticholinesterases. Academic Press, London,
1993.
.4
N.B. Munro et al, Toxcity of Organophosphoate Chemical Warfare Agents GA, GB, and Vx:
Implications for Public Protection. Environmental Health Perceptives, 102, 18-38, 1994
.5
Palmer Taylor. Anticholinesterse agents. Chapter 8 in Goodman and Gilman's The Pharmacological
Basis of Therapeutics, 9'th Edn, McGraw-Hill, 1996.
אוקסימים
.1
C. Bismuth et al, Efficacy, Toxicity and Clinical Use of Oximes, Chapter 52 in. Clinical and
Experimental Toxicology of Organophosphates and Carbamates, B. Ballantyne and T.C. Marrs
Editors,. Butterworth-Heinemann, Oxford, pp 555-577, (1992).
.2
משפעלים הגורעים או התורמים לפעילות- מנגנונים בלתי: בצל השיפעול,שמע- תא.ז
.(1996) , ענף רפואת אב"כ/ מקרפ"ר.האוקסימים
.3
488-491 ,127 הרפואה כרך.( – סקירה ביקורתיתObidoxime) טוקסוגונין, הוד. פינקלשטיין וי..י
.(1994)
41
""הזדקנות
.1
A. Shhafferman et al. Aging of Phosphylated Acetylcholinesterase: Catalytic Processes Mediated by
Aromatic and Polar Residues of the Active Center. Biochem J. 318, 833-840 (1996).
.2
A. Shhafferman et al. Aging of Somanyl- acetylcholinesterase Adducts: Facts and Models. Biochem J.
324, 996-998 (1996)
NTE
עיכוב
.1
M. Lotti, The Pathogenesis of Organophosphate Polyneuropathy. Critical Rev. in Toxicol., 21, 465487 (1992).
.2
M.B. Abou-Donia, The Cytoskeleton as a Target for Organophosphorus esters -induced delayed
Neurotoxicity (OPIDN). Chem-Biol Interactions, 87, 383-393 (1993).
.3
S.Y. Wu and J.E. Casida, Subacute Neurotoxicity Induced in Mice by Potent Organophosphorus NTE
inhibitors. Toxicol. Appl. Pharmacol., 139,195-202 (1996).
מנגנוני רעילות שונים של ז"א
.1
L.S. Sultanos, Mammalian Toxicology of Organophosphorus Pesticides. J. Toxicol. Environ. Health,
43, 271-289 (1994).
© Copyright 2024