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氰化物的致命之吻

大自然中的許多植物都含有氰化物,像雜草、參天巨木和日常的水果及糧食作物,如杏仁或樹薯等。氰化物會抑制粒線體內膜上細胞色素氧化酶的活性,降低細胞的呼吸作用,造成虛弱、頭昏及呼吸急促,甚至奄奄一息的症狀。
 
 
 
知名影集〈百戰天龍〉(MacGyver)是一部寓教於樂且具科普教育精神的節目,除了劇情生動曲折之外,故事中的靈魂人物馬蓋先善用科學知識並就地取材,因而能在關鍵時刻突破困境,化險為夷。例如以相片沖洗店的定影液充當氰化鉀中毒的解毒救命仙丹那一幕,雖然情節有點匪夷所思,令人一頭霧水,深藏背後的科學原理卻是引人入勝!

為什麼中毒了還喝這種看起來顏色怪異、味道嗆鼻的液體?難道是以毒攻毒,不藥而癒嗎?

氰化物的性質

氰化氫、氰化鈉及氰化鉀是氰化物中最常見的種類,常用於電鍍、冶金、塑膠製造、船舶燻蒸等。氰化鈉及氰化鉀都是固態離子化合物,氰化氫本身則是氣體,聞起來有杏仁味。氣態的氰化氫容易經由鼻腔吸入肺部,溶於血液中並分布至全身組織,因此氰化氫比起其他的固態離子化合物更能導致快速中毒。

對氰化氫分子而言,氮原子的電負度比碳原子大,而電負度的大小與拉電子的能力成正向關係,因此氮容易吸引碳的電子,而碳再吸引氫的電子,造成碳與氫原子之間的電荷分布不均,氫原子幾乎成為裸露的質子而形成氫離子。因此,高極性的氰化氫分子能與極性質子溶劑形成氫鍵,氰化氫因而可溶於水及乙醇,並微溶於乙醚。它在氣體或液體狀態下都無色,在空氣中燃燒則有藍色火燄。

當氰化氫溶於水時稱為「氫氰酸」,氫氰酸或氰化物在體內解離產生的氰根離子 CN(又稱為氫氰酸根),會結合粒線體內膜上的細胞色素氧化酶,抑制細胞的呼吸作用,造成虛弱、頭痛、眼花、頭昏及呼吸急促,甚至奄奄一息的症狀。因此氰化物的毒性實際上是由氰根離子掌控,而不是整個分子在發揮作用。

但人類賴以為生的水果及糧食作物為什麼也會產生氰化物呢?如果氰化物纏住了細胞色素氧化酶就會有致命的危險,是否有防範及解毒的方法呢?細胞色素氧化酶所扮演的角色及其重要性究竟是什麼?在詳細探討這些問題前,必須進一步了解細胞裡產生能量的機制。

能量的生產線

以化學的觀點看,生命因為獲得能量而得以存在,而能量的產生須間接靠電子的供應,電子需要由燃料分子的氧化代謝而來。也因為氧分子對電子有極強的親和力,促使脂肪酸、胺基酸及醣類在體內燃燒(氧化)後,把蘊藏其中的電子藉由粒線體內膜的電子傳遞鏈導向氧分子而產生水。在電子傳遞過程中所伴隨而生的動力,會用來推動腺核苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)的合成,這種高能量分子是肌肉收縮、離子主動運輸、酵素催化及細胞內訊息傳遞的動力來源。

然而能量的產生有賴於電子有效的傳遞,唯有電子能順利傳遞給氧分子而產生水(氧化過程)時,才能利用磷酸根合成 ATP 能量分子(磷酸化過程),這兩種偶合過程稱為「氧化磷酸化反應」。其中含有血基質(heme)a 和 a3 兩種細胞色素,和其他幾個蛋白質所組成的細胞色素氧化酶,是電子傳遞鏈的最後電子攜帶者,負責把電子傳給氧分子。

在運送電子時,血基質上的鐵原子會在還原態的二價鐵(FeII)和氧化態的三價鐵(FeIII)之間轉換。氫氰酸或氰化物在體內解離產生的氰根離子,會專一性地和細胞色素 a3 結構內的 FeIII 反應,進而阻斷細胞色素氧化酶內 FeIII 與 FeII 之間的轉換。這時氧氣的利用率大幅下降,細胞內逐漸轉成無氧代謝狀態。也因為組織細胞無法使用氧氣,靜脈血液會和動脈血一樣呈現鮮紅色,同時產生乳酸中毒、肌肉麻痺、神智不清等現象。

在許多醫學專欄與毒藥物報導中,常把氰酸與氫氰酸混為一談,然而兩者性質有很大的差別,中文譯名的差異是根據分子式的不同而來。氫氰酸分子式是 HCN,解離產生氰根離子 CN(又稱為氫氰酸根);氰酸的分子式是 HOCN,是一種含氧酸,解離產生氰酸根離子 OCN。氰酸根離子本身多了一個具有阻隔效應的氧原子,這個氧原子減弱了氰酸根離子對細胞色素 a3 結構內 FeIII 的親和力,間接降低了氰酸的毒性。因此氰酸並非氰化物,它的毒性也比不上氫氰酸。

氰道夫

雖然我們常不自覺地暴露在氰化物環境中,如空氣汙染、香煙煙霧、日常飲食等,但低劑量的氰化物幾乎不會累積在人體內。這是因為在肝臟及腎臟的粒線體中含有解毒酵素—硫氰酸酶,可以把氰根離子 CN 轉換成硫代氰酸根(SCN)而易於隨尿液排出體外。硫代氰酸根離子的毒性較弱,原因如同上述的氰酸根離子,就是因為多了一個具有阻隔效應的硫原子。事實上由硫氰酸酶所進行的排毒療法,還得有硫代硫酸根(S2O32-)離子的幫助才能發揮功效。

硫代氰酸根離子的生成,是藉由硫氰酸酶把硫代硫酸根的硫原子轉移到氰根離子,這個過程的速率決定步驟在於硫代硫酸根的硫-硫鍵的斷裂。然而在體內硫代硫酸根離子的數量非常有限,只有少數的硫氰酸酶能派上用場。

後勤部隊

在動物體內當硫原子供應不足時,可由體內的一種胺基酸衍生物代替硫代硫酸根,把硫原子傳給氰根離子以生成硫代氰酸根離子,使得我們即使接觸到低劑量的氫氰酸也能存活。一旦接觸到高劑量的氫氰酸而中毒時,唯有供給大量的硫代硫酸根離子,才能使人體內硫氰酸酶展現出絕佳的解毒活性。

在沖洗相片的過程中,定影液裡的成分能洗去未感光的溴化銀,正是因為它含有硫代硫酸鈉。然而若是不幸遭到氰化物之吻,並且在你身前身後既無醫院也無藥局的狀況下,模仿影集中的解毒方法,大口喝下定影液當救命仙丹,不但不會起死回生,而且還會痛不欲生,進而遺憾終生。怎麼會這樣呢?

因為定影液裡的硫代硫酸鈉一旦進入胃內,很不巧就遇上了剋星-胃酸,胃酸立即把硫代硫酸鈉轉換為氣態二氧化硫與固態硫沉澱,這時二氧化硫又再次與食道或口腔黏膜表面的水分子反應形成亞硫酸,進而灼傷食道與口腔。不僅如此,二氧化硫也會慢慢由口中冒出,產生一陣陣如硫磺般的撲鼻臭味。

硫代硫酸鈉在胃部容易全數淪陷,不但無法解毒,還會加深痛苦指數。因此,必須藉由靜脈注射方式,讓硫代硫酸鈉進入血液循環,才能到達受傷害的細胞,否則硫氰酸酶即使再神通廣大也是英雄無用武之地。然而硫代硫酸根離子的作用時間相當緩慢,氫氰酸或氰化物的作用卻非常迅速,約幾分鐘時間就會產生毒性反應。因此在氰化物的肆虐下,採用亞硝酸化合物(例如亞硝酸戊酯或亞硝酸鈉)和硫代硫酸鈉的組合才是有效的治療藥劑。

命運的敢死隊

亞硝酸戊酯或亞硝酸鈉的作用,是把帶有還原態 FeII 的血紅素氧化成 FeIII 的變性血紅素,而變性血紅素對氰根離子有極強的吸附力,因此能與同樣是氧化態 FeIII 的細胞色素 a3 競爭氰根離子。當體內有足夠的變性血紅素就能充當先鋒部隊,和流竄在不同組織中的氰根離子結合,並轉變成毒性較低的氰變性血紅素,使細胞色素 a3 被氰根離子抓住的機會大為降低。

使用亞硝酸化合物等於是先犧牲部分血紅素,以搶救細胞色素 a3 來維持電子傳遞鏈的通路流暢,也就能在最短的時間內初步阻止細胞缺氧,維持正常的呼吸和新陳代謝。然而在氰變性血紅素的結構中,FeIII 與氰根離子兩者間鍵結的力量相當強,這個複合體本身也是一個相當強的氧化劑,容易對組織產生氧化性傷害。因此解毒的第二步驟是輔以靜脈注射硫代硫酸鈉,藉由肝臟的硫氰酸酶把氰變性血紅素所攜帶的氰根離子,轉變成水溶性且易於從身體排除的硫代氰酸根。

但氰化物中毒的處理並非如此一成不變,例如在火災現場,易燃物因大量燃燒而釋放出一氧化碳與氰化氫氣體,其中一氧化碳不僅可與含還原態 FeII 的細胞色素 a3 結合,且它與血紅素的親和力相當強,使得兩者間的吸附相當緊密。換言之,一氧化碳占據血紅素與氧氣結合的位置,因而排擠了組織對氧氣的利用。

因此在火場中氫氰酸中毒的情形下,身體早已處在缺氧的狀態,若再使用亞硝酸化合物,生成更多攜帶氧氣能力不佳的變性血紅素,無異使缺氧的狀態更加嚴重,甚至可能致死。這時可選用安全性高且作用迅速的維生素 B12-羥鈷胺,其結構上的氫氧根會被氰根離子取代而產生氰鈷胺。氰鈷胺會造成暫時性的皮膚變紅及尿液變色,但它本身無毒,結構相當穩定且易於排除。

植物體中的氫氰酸

更年性果實如香蕉、蘋果、酪梨、番茄等,在後熟階段大量形成乙烯時,也產生二氧化碳與氫氰酸,而氫氰酸同樣對植物的細胞色素氧化酶活性構成威脅。為了應付這危機,植物能把氫氰酸代謝為 20 種胺基酸之一的天門冬醯胺,因而能解除被氫氰酸毒害的命運。這樣的機制也說明了植物在形成大量乙烯時,可輕鬆地把氫氰酸移除掉。

但做為人類食物的植物組織,卻能以不同胺基酸形成不同種類的含氰化合物。植物體中含氰化合物的基本結構,絕大多數都是與醣基結合形成氰醣苷的形式,當氫氰酸以這種結合態形式存在時,就不會對植物體本身及人類產生毒性。

雖然植物組織中同時有氰醣苷水解酵素— β-葡萄糖苷酶,但這酵素在完整的細胞液泡中,與氰醣苷在細胞內部空間上有所隔離。當植物組織遭受加工、蟲咬、碾碎等機械性破壞時,這種隔離瞬間崩解,氰醣苷先與 β-葡萄糖苷酶接觸後脫掉醣基,再由另一種酵素繼續作用而釋放氫氰酸。

氰醣苷的產生是因為植物無法把所有的胺基酸轉變成蛋白質時,會逐漸以代謝的中間產物存在。因此在酵素的推波助瀾下,氰醣苷含量的多寡關係到氫氰酸的釋放量。若能有效而完全去除或破壞氰醣苷,甚至抑制 β-葡萄糖苷酶的活性以避免釋出氫氰酸,也就能確保植物性食品的安全性。

例如存在於樹薯、皇帝豆與苜蓿的亞麻氰醣苷,以及櫻桃、苦杏仁、桃、梨、梅子等薔薇科植物的苦杏仁氰醣苷,兩者對熱十分穩定,即使經烹煮也毫髮無傷。尤其是做為熱量來源的樹薯,除了簡易的煮沸、烘烤、曬乾以抑制 β-葡萄糖苷酶外,還必須經由磨碎及漂水的過程把尚未水解的亞麻氰醣苷溶出,才能確保食品的安全性。梅子中高濃度的氰醣苷必須藉由醃漬過程中跟隨汁液流出組織,才能降低氫氰酸的釋放量及毒性。

動物體內的氫氰酸

氫氰酸也能在馬陸身上的分泌物中找到。長的像蚯蚓的馬陸,體形呈圓筒狀,以腐木、落葉、青苔或動物的屍體為食,受到騷擾時會分泌含有氫氰酸的刺激性臭味液體。這一類毒素能驅趕許多昆蟲,藉以躲避天敵。

這種防禦敵人的武器雖使眾生避之唯恐不及,卻嚇不跑黑狐猴,相反地,黑狐猴對這種毒素可謂深愛有加。在馬達加斯加島上的黑狐猴為了得到這類毒素,所採取的策略並非把馬陸吃掉,而是喜歡輕咬馬陸。馬陸一受到驚嚇會分泌出氫氰酸,黑狐猴順勢把它塗抹在自己的毛皮上,以防止蚊蟲叮咬。

氫氰酸的醫療用途

苦杏仁的毒性比甜杏仁高,因為它含有較多的苦杏仁氰醣苷,經由體內酵素作用會產生高濃度的氫氰酸,容易抑制延髓呼吸中樞而致死。然而只要能降低劑量,苦杏仁也有正面的藥理作用。

例如中醫用苦杏仁做為止咳化痰的藥物,正是利用微量的氫氰酸能鎮靜呼吸中樞而起鎮咳作用。雖然氫氰酸因抑制細胞呼吸作用而被視為十惡不赦的傢伙,但在保健功效上卻有不可忽略的地位。

誌謝

感謝臺灣大學醫學院解剖學暨細胞生物學研究所黃文勤先生及臺灣大學化學系陳佳翰先生對本文內容的詳加審閱與圖表製作的修正。

深度閱讀
  1. Suchard, J.R., K.L. Wallace and R.D. Gerkin (1998) Acute cyanide toxicity caused by apricot kernel ingestion. Ann. Emerg. Med., 32(6), 742-744.
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