Введение
Соединения, образованные из мономерных фосфатных звеньев. Полифосфат – это соль или эфир полимерных оксианионов, образованных из тетраэдрических структурных единиц PO4 (фосфат), соединенных между собой посредством общих атомов кислорода. Полифосфаты могут иметь линейную или циклическую (также называемую кольцевой) структуру. В биологии полифосфатные эфиры АДФ и АТФ участвуют в запасании энергии. Различные полифосфаты находят применение для секвестрации минералов в муниципальных водах, обычно присутствуя в концентрации от 1 до 5 ppm. GTP, CTP и UTP также являются нуклеотидами, важными для синтеза белков, синтеза липидов и метаболизма углеводов соответственно. Полифосфаты также используются в качестве пищевых добавок под кодом E452.
A polyphosphate is a salt or ester of polymeric oxyanions formed from tetrahedral PO4 (phosphate) structural units linked together by sharing oxygen atoms. Polyphosphates can adopt linear or a cyclic (also called, ring) structures. In biology, the polyphosphate esters ADP and ATP are involved in energy storage. A variety of polyphosphates find application in mineral sequestration in municipal waters, generally being present at 1 to 5 ppm. GTP, CTP, and UTP are also nucleotides important in the protein synthesis, lipid synthesis, and carbohydrate metabolism, respectively. Polyphosphates are also used as food additives, marked E452.
Структура
Структура триполифосфорной кислоты иллюстрирует принципы, определяющие структуру полифосфатов. Она состоит из трех тетраэдрических единиц PO4, соединенных между собой посредством общих кислородных атомов. В линейных цепях концевые фосфорные группы разделяют один кислородный атом, а остальные фосфорные атомы – два. Соответствующие фосфаты образуются из кислот путем потери кислых протонов. В случае циклического тримера каждый тетраэдр разделяет две вершины с соседними тетраэдрами. Возможно разделение трех вершин. Этот мотив представляет собой поперечное сшивание линейного полимера. Полифосфаты с поперечными связями образуют слоистую структуру, подобную филлосиликатам, но такие структуры возникают только в экстремальных условиях.
Кислотно-базовые свойства и свойства комплексации
Полифосфаты — слабые основания. Одиночная пара электронов на атоме кислорода может быть передана иону водорода (протону) или иону металла в типичном взаимодействии кислоты Льюиса с основанием Льюиса. Это имеет большое значение в биологии. Например, аденозинтрифосфат примерно на 25% протонирован в водном растворе при pH 7: ATP4− + H+ ⇌ ATPH3−, pKa 6.6. Дальнейшая протонация происходит при более низких значениях pH.
Further protonation occurs at lower pH values.
Высокополимерные неорганические полифосфаты
Хорошо известны полифосфаты с высокой молекулярной массой. Одним из производных является стекловидная (т. е. аморфная) соль Грэма. Кристаллические полифосфаты с высокой молекулярной массой включают соль Курроля и соль Маддрелла (белый порошок, практически нерастворимый в воде). Эти соединения имеют формулу [NaPO3]n[NaPO3(OH)]2, где n может достигать 2000. С точки зрения структуры, эти полимеры состоят из PO3− "мономеров", а цепи завершаются протонированными фосфатами.
В природе
Высокополимерные неорганические полифосфаты были обнаружены в живых организмах Л. Либерманом в 1890 году. Эти соединения представляют собой линейные полимеры, содержащие от нескольких до нескольких сотен остатков ортофосфата, связанных богатыми энергией фосфоангидридными связями. Ранее их рассматривали как «молекулярные ископаемые» или исключительно как источник фосфора и энергии, обеспечивающий выживание микроорганизмов в экстремальных условиях. В настоящее время известно, что эти соединения также выполняют регуляторные функции и присутствуют у представителей всех царств живых организмов, участвуя в коррекции и контроле метаболизма на генетическом и ферментативном уровнях. Полифосфат непосредственно участвует в переключении генетической программы, характерной для экспоненциальной фазы роста бактерий, на программу выживания клеток в стационарной фазе, – «жизнь в медленном темпе». Они участвуют во многих регуляторных механизмах, происходящих у бактерий: в индукции rpoS, субъединицы РНК-полимеразы, ответственной за экспрессию большой группы генов, участвующих в адаптации к стационарной фазе роста и различным стрессовым факторам. Они важны для подвижности клеток, образования биопленок и вирулентности. Полифосфаты и экзополифосфатазы участвуют в регуляции уровня фактора строгой реакции, гуанозин-5'-дифосфата-3'-дифосфата (ppGpp), вторичного мессенджера в бактериальных клетках. Полифосфаты участвуют в формировании каналов в мембранах живых клеток. Эти каналы, образованные полифосфатом и поли-β-гидроксибутиратом с Ca2+, вовлечены в транспортные процессы в различных организмах. Важной функцией полифосфатов у микроорганизмов – прокариот и низших эукариот – является адаптация к изменяющимся условиям окружающей среды путем обеспечения запасов фосфатов и энергии. Полифосфаты присутствуют в клетках животных, и имеется множество данных об их участии в регуляторных процессах во время развития, клеточной пролиферации и дифференцировки, особенно в костных тканях и мозге. У человека полифосфаты играют ключевую роль в свертывании крови. Они образуются и высвобождаются тромбоцитами, активируя фактор XII свертывания крови, необходимый для образования тромбов. Фактор XII, также называемый фактором Хагемана, инициирует образование фибрина и генерацию провоспалительного медиатора брадикинина, который способствует утечке из кровеносных сосудов и тромбозу. Полифосфаты бактериального происхождения подавляют иммунный ответ хозяина во время инфекции, а воздействие на полифосфаты рекомбинантной экзополифосфатазой улучшает выживаемость при сепсисе у мышей. Неорганические полифосфаты играют решающую роль в толерантности клеток дрожжей к токсичным катионам тяжелых металлов.
They participate in the induction of rpoS, an RNA polymerase subunit which is responsible for the expression of a large group of genes involved in adjustments to the stationary growth phase and many stressful agents. They are important for cell motility, biofilms formation and virulence. Polyphosphates and exopolyphosphatases participate in the regulation of the levels of the stringent response factor, guanosine 5' diphosphate 3' diphosphate (ppGpp), a second messenger in bacterial cells. Polyphosphates participate in the formation of channels across the living cell membranes. The above channels formed by polyphosphate and poly b hydroxybutyrate with Ca2+ are involved in the transport processes in a variety of organisms. An important function of polyphosphate in microorganisms—prokaryotes and the lower eukaryotes—is to handle changing environmental conditions by providing phosphate and energy reserves. Polyphosphates are present in animal cells, and there are many data on its participation in the regulatory processes during development and cellular proliferation and differentiation—especially in bone tissues and brain. In humans polyphosphates are shown to play a key role in blood coagulation. Produced and released by platelets they activate blood coagulation factor XII which is essential for blood clot formation. Factor XII, also called Hageman factor, initiates fibrin formation and the generation of a proinflammatory mediator, bradykinin, that contributes to leakage from the blood vessels and thrombosis. Bacterial derived polyphosphates impair the host immune response during infection and targeting polyphosphates with recombinant exopolyphosphatase improves sepsis survival in mice. Inorganic polyphosphates play a crucial role in tolerance of yeast cells to toxic heavy metal cations.
Использование в качестве пищевых добавок
Полифосфат натрия (E452(i)), полифосфат калия (E452(ii)), полифосфат натрия-кальция (E452(iii)) и полифосфат кальция (E452(iv)) используются в качестве пищевых добавок (эмульгаторов, увлажнителей, секвестрантов, стабилизаторов и загустителей). Не известно, чтобы они представляли какую-либо потенциальную опасность для здоровья, кроме той, что обычно связана с другими источниками фосфатов (включая те, что содержатся в пищевых продуктах в естественном виде). Хотя высказывались опасения относительно негативного воздействия на кости и сердечно-сосудистые заболевания, а также развития гиперфосфатемии, эти опасения, по-видимому, актуальны только при чрезмерном потреблении источников фосфатов. В целом, умеренное потребление (до 40 мг фосфата на килограмм массы тела в день) не представляет риска для здоровья.