«Новичок» и все-все-все

Дело об отравлении Сергея Скрипаля и его дочери вылилось в широкомасштабный конфликт — пол-Европы высылает российских дипломатов, Россия высылает иностранных в ответ. Британские эксперты заявляют, что при покушении использовалось нервно-паралитическое отравляющее вещество под названием «новичок». Оно относится к классу фосфорорганических — об этом говорит помимо прочего то, что в памятках, которые распространяют британские власти, в качестве антидота к яду предлагается использовать атропин, а в качестве признаков отравления приводится симптоматика поражения именно фосфорорганическими ядами. Формула вещества, от которого пострадали Скрипали, не опубликована, при этом «новичками» называют около десятка разных соединений, состав которых был раскрыт 10 лет назад в книге химика Виля Мирзаянова. Редакция N + 1 попыталась выяснить, что мы знаем о фосфорорганике и «новичках», а также попросила экспертов рассказать об их свойствах и возможностях синтеза.

Нервная химия

Чтобы понять принципы работы фосфорорганики, совершим краткий экскурс в биохимию нервной системы. Для передачи нервного возбуждения через «контакт» между двумя нейронами (или окончаниями нейрона и рецепторной клеткой) необходимы вещества-нейромедиаторы. Один из таких медиаторов — ацетилхолин, который образуется в нервных клетках и накапливается в окончаниях их отростков в пузырьках диаметром около 50 нанометров.

Под действием нервного возбуждения молекулы ацетилхолина переходят в синаптическую щель — пространство шириною 20–50 нанометров между окончанием нервного волокна и иннервируемой клеткой. На другой стороне щели расположены холинорецепторы, способные взаимодействовать с ацетилхолином. Воздействие медиатора на холинорецептор приводит к временному изменению проницаемости мембраны для ионов натрия, которые проникают внутрь клетки и запускают выполнение «приказа».

Молекулы ацетилхолина, выполнившие свою задачу, должны быть немедленно выключены, иначе холинорецепторы «застрянут» в одном состоянии. Это делает фермент ацетилхолинэстераза, которая гидролизует ацетилхолин. Каталитическая активность холинэстеразы выше, чем практически у всех остальных ферментов. Она способна расщепить более 20 тысяч молекул ацетилхолина примерно за секунду. Такой мощный каталитический эффект обеспечивают определенные участки в молекуле фермента — активные центры.

Для выключения одной молекулы ацетилхолина нужна совместная работа двух элементов активного центра — эстеразного, где инструментом является гидроксильная группа, и отрицательно заряженного анионного центра. Анионная часть притягивает к себе часть молекулы ацетилхолина с атомом азота, которая имеет положительный заряд, и «держит» ее, а эстеразная в это время «отрезает» ее эфирный хвост с помощью взаимодействия с гидроксильной группой. Возникает ацетилированная холинэстераза, однако этот комплекс очень непрочный и быстро разрушается в результате самопроизвольного гидролиза. В результате образуются молекулы холина и уксусной кислоты, которые служат сырьем для производства ацетилхолина, а холинэстераза с этого момента возвращается в исходное состояние и готова повторить цикл.

Блокируем центр

Фосфорорганические яды «выключают» ацетилхолинэстеразу, блокируя таким образом передачу нервных импульсов. В основном они представляют собой сложные эфиры фосфорной кислоты, и именно фосфор образует прочную химическую связь с кислородом в эстеразном центре и делает нормальную работу ацетилхолинэстеразы невозможной. Нарушение работы нервной системы вызывает целую серию симптомов — от сужения зрачков, конвульсий, слезотечения и нервного возбуждения до нарушения сердечного ритма, обморока, комы, паралича дыхательной мускулатуры. В год по всему миру регистрируются до 3 миллионов случаев отравления фосфорорганикой, около 250 тысяч человек погибает. В 80 процентах случаев отравления происходят из-за неосторожного обращения с фосфорорганическими пестицидами.

Первое фосфорорганическое вещество, способное блокировать ацетилхолинэстеразу, — тетраэтилпирофосфат — синтезировал в 1854 году Филипп Клермон. Это вещество использовалось в качестве инсектицида. И сегодня главная роль фосфорорганики — борьба с насекомыми, причем особенно популярна в этом качестве она стала после того, как в 1970-е годы в большинстве развитых стран были запрещены хлорорганические пестициды, в том числе печально знаменитый ДДТ. Сейчас только в США зарегистрировано около 25 тысяч торговых марок инсектицидов на базе фосфорорганических соединений. Всем известные дихлофос и карбофос — тоже из этого ряда. Предпринимались попытки применять фосфорорганические вещества в качестве лекарств, для лечения симптомов деменции, болезни Паркинсона, но сейчас ни одно из таких средств не используется.

Бум фосфорорганики начался в 1930-е годы. Группа под руководством Герхарда Шрадера, работавшая в концерне I. G. Farbenindustrie, в 1934 году получила задание разработать новый пестицид. Выполняя эту задачу, Шрадер и его коллеги в последующие десятилетия синтезировали сотни соединений, включая пестицид тиофос, а также несколько фосфорорганических веществ, которые оказались слишком токсичными для пестицидов, в том числе табун (экспериментируя с ним, Шрадер сам получил тяжелое отравление).

Табун привлек внимание германских военных, и уже в их интересах группа Шрадера во время войны синтезировала зарин и зоман. Они стали первыми боевыми нервно-паралитическими веществами, получив обозначение «G-газы», где G означало «German». С 1942 по 1945 год в Германии было произведено 12 тысяч тонн только одного табуна. Но в бою он и его собратья были применены на сорок лет позже, во время ирано-иракской войны, а в середине 1990-х годов приверженцы «Аум Синрике» использовали их при террористической атаке в Токийском метро — тогда погибло около десяти человек, не менее пяти тысяч человек получили сильное отравление.

После войны все запасы боевых газов и документация лаборатории Шрадера попала в руки союзников, в результате чего, например, американские компании смогли разработать множество новых пестицидов. Сам «отец нервно-паралитических газов» после войны был на некоторое время интернирован американцами, но затем получил свободу и устроился работать в германской компании «Байер», где в 1952 году синтезировал коммерчески успешный пестицид Systox, и получил за работу в этой области почетную медаль Бауэра — от Общества немецких химиков.

Примерно тогда же, в середине 1950-х годов, британские химики совершили настоящую революцию в сфере разработки фосфорорганических отравляющих веществ — они синтезировали класс качественно новых веществ, которые в американской номенклатуре получили обозначение «V-агенты» или «V-газы» («V» означает «venomous» или, по другой версии, «victory»). Самый известный из них — VX — был создан в 1952 году.

V-газы были примерно в 10 раз токсичнее, чем зарин, поскольку значительно «прочнее» блокировали работу ацетилхолинэстеразы. Фосфорорганические отравляющие вещества «поколения G» никак не затрагивали работу анионной части активного центра холинэстеразы. Создатели V-газов добавили к фосфорной группе часть, идентичную «голове» ацетилхолина, построенной вокруг атома азота. Эта часть имеет положительный заряд и притягивается к анионной части центра так же, как это происходит в случае ацетилхолина. В результате одна молекула ОВ способна заблокировать сразу обе части активного центра фермента, образуя значительно более прочную связь с ним.

Явление «новичка»

Следующий этап этой истории начинается в сентябре 1992 года, когда в газете «Московские новости» появилась статья «Отравленная политика», в которой два доктора химических наук, Виль Мирзаянов и Лев Федоров, заявили, что в советском НИИ органической химии и технологии разработано новое отравляющее вещество (ОВ), значительно превосходящее VX по токсичности.

Мирзаянов и Федоров утверждали, что полевые испытания нового ОВ были проведены в первом квартале 1992 года — уже после того, как президент Ельцин заявил о приверженности России соглашению с США о непроизводстве и уничтожении химического оружия, подписанному в 1990 году Горбачевым и Бушем-старшим.

После выхода этой статьи Мирзаянов был арестован, обвинен в разглашении государственной тайны, а затем оправдан за отсутствием состава преступления. Пока шло следствие и суд, некоторые из его коллег рассказали о подробностях программы. В частности, Владимир Углев, проработавший 15 лет в филиале ГСНИИОХТ в Саратовской области, в феврале 1993 года рассказал в интервью журналу «Новое время», что за этот срок там были синтезированы более сотни веществ, относящихся к классу «новичков». Однако лишь пять из них прошли полное обследование, в том числе полевые испытания на полигоне в Шиханах. По их итогам стало ясно, что новые ОВ в 5-8 раз токсичнее VX, утверждал Углев. Примерно в то же время, в июле 1993 года, скончалась первая жертва «новичка» — инженер ГСНИИОХТа Андрей Железняков, который получил тяжелое отравление из-за повреждения трубки спектрометра и утечки ОВ в лаборатории.

Никто из участников тех событий тогда не рассказал, что же это за новое фосфорорганическое отравляющее вещество, пока уехавший в США Мирзаянов не выпустил в 2008 году книгу, в которой описал историю своей работы в ГСНИИОХТе и привел формулы около десятка разработанных там веществ.

Практически все, что мы знаем сегодня о «новичках», известно из этой книги, хотя коллеги Мирзаянова вспоминают, что сам он непосредственно разработкой новых соединений не занимался — его задачей было контролировать состав воздуха, который попадает в атмосферу из вентиляции.

Итак, Мирзаянов утверждает, что с 1971 по 1973 год старший научный сотрудник Петр Кирпичев и его ассистенты из филиала ГСНИИОХТ в Шиханах разработали новый класс отравляющих веществ, который позже получил название «Новичок», и все задачи, связанные с ним, получили это же кодовое обозначение. Первоначально было синтезировано вещество А-230, оно же вещество-84 или ((N-2-диэтиламино)-метилацетамидидо)-метилфторфосфат. Затем было создано А-232 ((N-2-диэтиламино)-метилацетамидидо)-метоксифторфосфат, которое имело ту же токсичность, что и советский аналог VX — вещество-33, однако было значительно более летучим и, кроме того, способно выдерживать низкие температуры. Именно на базе А-232 была запущена программа создания бинарного оружия, получившая обозначение «Новичок-5».

Химик отмечает, что важным преимуществом этого класса веществ было то, что он не попал в список соединений, подпадающих под контроль Организации по запрещению химического оружия (ОЗХО). В список не включались вещества и прекурсоры из класса фосфатов, в которых к атому фосфора присоединена метоксигруппа CH₃-O-, поскольку большинство сельскохозяйственных фосфорорганических химикатов имели этот радикал, а известные фосфорорганические отравляющие вещества имели метильную группу CH₃-. Поскольку А-232 и А-234 были фосфатами, они были идеальными веществами, чтобы скрыть их от внимания инспекторов ОЗХО, пишет Мирзаянов.

Как они работают?

Главным преимуществом «новичков» по сравнению с V-газами является их способность воздействовать на другие ферменты помимо ацетилхолинэстеразы, считает химик из университета Калифорнии в Сан-Диего Зоран Радич, который моделировал свойства вещества с индексом A-232, основываясь на формуле из книги Мирзаянова. В интервью журналу Science Радич сказал, что это вещество похоже по структуре на табун и зоман. Компьютерное моделирование действия A-232 показало, что, как и другие фосфорорганические отравляющие вещества, оно связывается с активным центром ацетилхолинэстеразы.

Но, отметил ученый, у А-232 есть структурные особенности, которые отсутствуют у традиционных нервно-паралитических газов: наличие группы -NH₃⁺. Это плохая новость в двух отношениях. Во-первых, это затрудняет подбор правильного антидота. Всем жертвам нервно-паралитических ядов дают атропин, который блокирует ацетилхолиновые рецепторы. Им также дают оксимы, соединения, которые могут отцепить молекулу отравляющего вещества от активного центра ацетилхолинэстеразы прежде, чем оно «состарится», то есть атом фосфора в молекуле яда необратимо свяжется с ферментом.

Эффективность оксима зависит от структуры нервно-паралитического яда и того, как именно оно садится на активный центр. Особая конфигурация связи между A-232 и ацетилхолинэстеразой может сделать бесполезными оксимы, которые сегодня одобрены для использования в Европе и США, говорит Радич. Хотя экспериментальные оксимы, замечает он, могут быть более эффективными.

Вторая проблема, по словам Радича, состоит в том, что алкиламиновая группа -N(С₂H₅)₂ в составе A-232 может поражать и другие ферменты в добавление к ацетилхолинэстеразе — и это может спровоцировать целый спектр тяжелых симптомов, которые возникнут спустя месяцы или годы после воздействия. Даже зарин и некоторые фосфорорганические пестициды, которые лишены структурных странностей A-232, могут вызывать нейротоксический синдром, с такими симптомами, как ночные кошмары, забывчивость, мышечная слабость, депрессия.

Еще две смерти, которые приписывают «новичку» — убийство главы «Росбизнесбанка» Ивана Кивелиди и его секретаря Зары Исмаиловой в 1995 году. Они были отравлены неким веществом, нанесенным на телефонную трубку. Это вещество, по данным следствия, было передано злоумышленникам одним из сотрудников закрытой лаборатории в Саратовской области, и его формула вместе с другими материалами уголовного дела была опубликована «Новой газетой».

Зоран Радич по просьбе N + 1 прокомментировал свойства вещества из дела Кивелиди, опираясь на приведенную формулу. По его мнению, оно значительно «слабее» «новичков». По его словам, формула в «Новой» больше похожа по структуре на нервно-паралитический газ табун, чем на вещества из книги Мирзаянова. Единственное отличие состоит в том, что вместо замещающей группы -CN, как у табуна, прикреплена группа -O-CH₂-CH₂-N(CH₃)₂.

«Из-за этого различия вещество ингибирует фермент ацетилхолинэстеразу медленнее и имеет меньшую токсичность, чем табун или VX. Кроме того, оно, вероятно, имеет более низкое парциальное давление паров, чем табун, и поэтому может быть приготовлено в твердой форме, как и вещества из книги Мирзаянова. Но эта формула, видимо, значительно медленнее приводит к острому токсическому эффекту, чем вещества Мирзаянова. Оно не похоже на эффективное боевое отравляющее вещество», — сказал Радич.

По его словам, структуры ацетилхолинэстеразы, которые ингибирует это вещество, идентичны тем, что ингибирует табун, поэтому отравленные этим веществом должны пользоваться тем же антидотом, который эффективен при отравлении табуном.

В целом, главное различие между веществами Мирзаянова и формулой из «Новой» состоит в том, что соединения Мирзаянова значительно быстрее провоцируют острое отравление и действуют в меньших количествах, а также более стабильны и дольше сохраняются. Классические антидоты против фосфорорганических веществ будут более эффективны против вещества из уголовного дела Кивелиди, чем против веществ Мирзаянова, объяснил Радич.

Авторы?

Расследование случаев отравлений, подобных случаю в Солсбери, непростая задача — действующего вещества требуются миллиграммы, оно может быстро улетучиться, разложиться на составляющие. Британские химики пока заявляют, что это точно «новичок», но о каком конкретно веществе из этого семейства идет речь, неясно — его формула до сих пор не опубликована. Кроме того, официально не сообщалось, удалось ли ученым установить происхождение вещества. По данным Times, которую цитирует РБК, речь идет об исследовательской базе в городе Шиханы в Саратовской области, но этот вывод можно сделать и из книги Мирзаянова — именно там находился филиал ГСНИИОХТ, где разрабатывались «новички».

«Определить вещество можно с помощью высокоэффективной газожидкостной хроматографии (ВЭГЖХ). Сначала нужно определить продукты распада, они очень характерны, анализ крови показывает если не метаболиты яда, то как себя повел организм — так можно понять тип яда. Потом нужно сделать смывы с поверхностей рядом с местом, дальше по отработанным методикам подбираются элюенты (растворители) для ВЭГЖХ, устанавливается тип яда. По массе молекул, ИК-спектрам и прочим методам исследования вещества можно сказать с уверенностью 95 процентов, какой был яд», — объясняет N + 1 Максим Андреев, сотрудник одной из лабораторий Института элементоорганических соединений имени Несмеянова.

По его словам, чтобы определить происхождение вещества, необходимо обнаружить примеси, позволяющие определить метод его синтеза и исходные компоненты, и уже на основании этих данных делать выводы, где именно его могли произвести. «Но поскольку яда нужно очень мало, то и примесей от синтеза будет, пропорционально, еще меньше, поэтому шансы их найти сильно уменьшаются», — говорит ученый.

Синтез веществ из книги Мирзаянова — достаточно сложная процедура, отмечает Андреев, и синтезировать их незаметно в городской квартире не получится — в процессе возникает множество токсичных отходов. Кроме того, для контроля реакций нужна установка ядерно-магнитного резонанса, аргоново-вакуумная установка, автоклав и многое другое.

Мы не знаем, каким именно веществом были отравлены Сергей и Юлия Скрипаль, не знаем, соответствует или нет его формула какому-то из соединений, приведенных Мирзаяновым, но теперь мы живем в мире, где боевые отравляющие вещества могут применяться прямо на улице посреди города. Возможно, стоит носить с собой атропин.

Сергей Кузнецов, Александр Дубов