神经性毒剂是一类剧毒的致死性毒剂，在体内选择性地侵害神经系统。它主要作用于胆碱酯酶(ChE)和胆碱能受体(ChR)，而它本身又受相应的酶系统的催化分解。神经性毒剂对胆碱酯酶产生强烈的抑制，在试管内抑制50%酶活力所需的克分子浓度的负对数(pI50)可达8～9。

ChE是一类具有不同专一性的水解酶，在适宜条件下，它们能催化胆碱酯类的水解，其反应速度比水解其它酯类快，并可被低浓度(<10μM)依色林所抑制。ChE可以分为两个亚类：①真性胆碱酯酶，系统命名为乙酰胆碱乙酰水解酶(acetylcholine acetylhydrolase，EC3.1.1.7)。曾用名乙酰胆碱酯酶，特异性胆碱酯酶;曾用符号有AChE、E-ChE及ChE-I。②假性胆碱酯酶，系统命名为酰基胆碱酰基水解酶(acylcholine acylhydrolase，EC3.1.1.8)。曾用名丁酰胆碱酯酶，非特异性胆碱酯酶;曾用符号有BuChE、S-ChE及ChE-II。

两种亚类的ChE可用其对底物作用的专一性加以鉴别：①催化速度。在AChE，乙酰胆碱>丙酰胆碱>丁酰胆碱;而BuChE则相反。②专一性底物。AChE能专一地催化β-甲基乙酰胆碱(acetyl-β-methylcholine)的水解反应，而BuChE则不能;除啮齿类外，BuChE能专一地催化苯甲酰胆碱的水解反应，而AChE却不能。③过量底物抑制效应。底物过量时，能对AChE产生抑制的有乙酰胆碱、硫代乙酰胆碱、丁酰胆碱、丙酰胆碱及β-甲基乙酰胆碱;能对BuChE产生抑制的有苯甲酰胆碱及乙酰水杨酰胆碱。

ChE在动物界广泛存在，两类胆碱酯酶 (AChE和BuChE)的分布无论在种属上或个体的各种组织中，都有明显的差异。AChE与胆碱能神经的生理功能有极密切联系，主要存在于神经细胞(特别是尾状核)、神经肌肉接头、红细胞及鱼类的发电器官等部位; 而BuChE主要分布在胶质细胞、血浆、肝脏及肠粘膜。神经系统中AChE的亚细胞分布主要在突触膜上。

ChE的生理功能是催化乙酰胆碱的水解，乙酰胆碱(简称ACh) 分子式为(CH₃)₃⁺NCH₂CH₂OCOCH₃是胆碱能神经传递的化学介质。它在胆碱o-乙酰基转移酶(choline O-acetyltransferase，EC2.3.1.6)的催化下，以高能键化合物乙酰辅酶A(简称Ac-CoA)作为乙酰基供体，以胆碱为受体分子，使胆碱乙酰化，在神经细胞胞浆中合成ACh，储存于突触小泡内。当神经冲动到达胆碱能神经末梢时，突触小泡的内含物乙酰胆碱以量子方式外排至突触间隙，作用于突触后膜的胆碱能受体，引起下一级神经元或效应器的激发。ACh的失活主要靠AChE的催化水解。在生理条件下，ACh完成传递作用后，随即被分布在突触膜上的ChE在数毫秒内迅速地水解，转变成乙酸和生理作用很弱的胆碱，从而维持了正常的神经功能。因此，AChE的活性状态是维持神经系统正常功能的重要条件。ChE被神经性毒剂抑制后，由于AChE不能催化正常神经冲动时突触释放的ACh的水解，于是ACh大量地积累在受体和效应器周围，引起胆碱能系统强烈地持续地兴奋，产生惊厥、呼吸肌痉挛及副交感神经亢进等一系列症状，最后呼吸麻痹而死亡。

神经性毒剂对ChE的抑制是通过膦酰化作用而产生的。神经性毒剂带有部分正电荷的磷原子具有亲电子性，与ChE活性区域丝氨酸的羟基氧原子发生共价键结合，失去离开基团X，生成膦酰化的酶，使ChE失去分解ACh的能力。其化学反应示意如下：

神经性毒剂 　　　胆碱酯酶 　　　膦酰化酶　　　离开基团

神经性毒剂与ChE的作用机理和乙酰胆碱非常相似，它们都生成络合物及酰化酶等中间产物，不同的是酰化酶解离速度差别很大。AChE分解乙酰胆碱的周转数可达10⁵，而神经性毒剂膦酰化AChE的去酰基反应速度却十分缓慢，甚至象梭曼那样接近于零，因此神经性毒剂也称作“致死性底物”。

一个活力中心只结合一个膦酰残基，不同的神经性毒剂在等克分子浓度时对AChE表现出不同的抑制程度，是毒剂与AChE亲和力、络合物可逆性质及酰化酶转化速度等多方面因素所造成的综合结果。在体内更会受到毒剂分布及代谢等因素的影响。

膦酰化酶的形成并不是反应的终结，它还可以向两个方向继续转化。一个方向是整个膦酰残基脱落，使ChE活性得到恢复，称为自动活化;另一方向是膦酰残基的部分基团脱落即老化反应。膦酰化酶继续转化的多向性是就其群体而言的，对某一个膦酰化酶分子来说，则只有一种转化的可能。群体中哪个分子走向老化，哪个分子走向自动活化，则具有统计学性质。在理想的体系中，所有膦酰化酶分子的机会是均等的。这里或然率在起作用。去膦酰基反应(自动活化)及脱烷基反应(老化)是两个同时相对独立发展的过程，不同的膦酰化酶两个过程发展的速度相差悬殊。一种膦酰化酶朝哪个方向转化，主要取决于膦酰残基上烷氧基团的结构，即膦酰化酶的内部因素，而体系中的环境只是变化的条件，是第二位的因素。发生频率高的反应是转化的主要方向(优势方向)，发生频率低的反应是次要方向(劣势方向)。如梭曼膦酰化酶，去酰化反应的劣势可达到零，而脱烷基反应的优势可达100%。

膦酰化酶随着时间的进程，由一种可以被亲核试剂重活化的状态转变成不能被重活化的状态的现象叫老化。老化的实质是膦酰化酶分子上膦酰残基的脱烷基反应。它是一种单分子裂解反应，即烷氧基团C—O键的断裂，没有水分子参加。一个膦酰化酶分子脱烷基反应的结局是一个不能再被重活化的老化酶(甲膦酰胆碱酯酶)及一个碳鎓离子的生成。碳鎓离子又会发生分子重排。

神经性毒剂的化学结构对老化影响很大。神经性毒剂都是烷氧基甲膦酸酯，它与ChE作用时失去离开基团形成烷氧基甲膦酰化酶，因此毒剂结构对老化过程的影响，实际上是其烷氧基团的影响。神经性毒剂膦酰化乙酰胆碱酯酶的老化速度，以烷氧基团α-碳原子上取代基数目表示时，顺序为1>2>0，以取代基种类表示时，顺序为甲基>乙基≥正丙基>H; β-碳原子上以取代基数目表示时，顺序为3>2>1>0，以取代基种类表示时，顺序为甲基>乙基>正丙基>H。α取代比β取代效力高，α及β两个位置同时以甲基取代，则表现出显著的协同效应。梭曼烷氧基团有一个α取代甲基和三个β取代甲基，是产生老化的最佳结构。梭曼膦酰化人红细胞AChE在25℃，pH7.2条件下的老化半值期<2.4min;沙林膦酰化酶半值期为12h;而乙氧基甲膦酰化酶由于没有α取代基，老化很慢，半值期达60h(Berry等，1966)。这就是VX抑制的AChE很容易重活化，沙林抑制的AChE也容易重活化，而梭曼抑制的AChE很难重活化的原因。

神经性毒剂也可依其离开基团的不同，分成G类[CH₃(RO)P(O)F]和V类[CH₃(RO)P(O)SC₂H₄NR₂′]两大类。它们在体内一部分作用于ChE及ChR，一部分则在体内代谢掉。G类毒剂受组织中广泛存在的G类毒剂水解酶的催化，加水分解成毒性作用很弱的有机酸;V类毒剂则不受其影响，而是受肝脏中V类毒剂氧化酶的作用，在辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ的参予下，氧化成无毒产物。G类毒剂水解酶比V类毒剂氧化酶含量多，活性高，分布广，血浆中含量较多，因此在皮肤染毒时，逐渐穿透皮肤进入血浆的G类毒剂可以被G类毒剂水解酶较快地分解掉，而V类毒剂则不能。这也就是为什么V类毒剂具有更高的皮肤吸收毒性的原因之一。也正是由于有丰富的G类毒剂水解酶的广泛存在，所以VX的动物毒性比沙林和梭曼高一个数量级，而两者在试管内pI₅₀值的差别要小得多。G类和V类及其同系物之间，只是离开基团不同，所以形成的膦酰化ChE以及由此而引起的一系列继发反应都是相同的。

神经性毒剂还可以作用于胆碱能受体(ChR)发挥直接的毒理效应。ChR是不同于ChE的另一种蛋白质，ChR依其药理学性质可以分为三大类; 即烟碱受体 (N-ChR)、毒蕈碱受体 (M-ChR) 及混合型受体 (MN-ChR)。N-ChR分布在植物性神经节及骨胳肌神经肌接头的突触膜表面; M-ChR主要分布在副交感神经节后纤维及中枢神经元胆碱能神经的突触膜表面;MN-ChR则分布在苍蝇的脑内，并少量存在于哺乳类的脑干中。神经性毒剂同ChR的结合方式尚不十分了解，可能同ChE的结合完全不同，ChR和ChE被毒剂作用后，可能各自表现出不同的反应规律。