Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Полифосфаты представляют собой соли или сложные эфиры полимерных оксианионов, образованных из тетраэдрических структурных единиц PO 4 ( фосфат ), связанных вместе посредством общих атомов кислорода. Полифосфаты могут иметь линейную или циклическую кольцевую структуру. В биологии сложные полифосфатные эфиры АДФ и АТФ участвуют в хранении энергии. Различные полифосфаты находят применение для связывания минералов в муниципальных водах, обычно присутствуя в концентрациях от 1 до 5 частей на миллион. [1] GTP , CTP и UTPтакже являются нуклеотидами, важными для синтеза белка, синтеза липидов и метаболизма углеводов, соответственно. Полифосфаты также используются в качестве пищевых добавок, обозначенных E452 .

Структура [ править ]

Структура триполифосфорной кислоты иллюстрирует принципы, определяющие структуры полифосфатов. Он состоит из трех тетраэдрических звеньев PO 4, связанных друг с другом посредством общих кислородных центров. Для линейных цепей концевые группы фосфора имеют один оксид, а остальные центры фосфора имеют два общих оксидных центра. Соответствующие фосфаты связаны с кислотами по потере кислотных протонов. В случае циклического тримера каждый тетраэдр имеет две общие вершины со смежными тетраэдрами.

Возможно разделение трех углов. Этот мотив представляет собой сшивание линейного полимера. Сшитые полифосфаты принимают филлосиликаты с листовой структурой , но такие структуры возникают только в экстремальных условиях.

Формирование и синтез [ править ]

Полифосфаты возникают в результате полимеризации производных фосфорной кислоты. Процесс начинается с объединения двух фосфатных единиц в реакции конденсации.

2 H (PO 4 ) 2− ⇌ (P 2 O 7 ) 4− + H 2 O

Конденсация показана как равновесие, поскольку также возможна обратная реакция, гидролиз . Процесс может продолжаться поэтапно; на каждом этапе к цепи добавляется еще одно (PO 3 ) - звено, как указано частью в скобках на иллюстрации полифосфорной кислоты. P 4 O 10 можно рассматривать как конечный продукт реакций конденсации, где каждый тетраэдр имеет три общих угла с другими. И наоборот, сложная смесь полимеров образуется при добавлении небольшого количества воды к пятиокиси фосфора.

Кислотно-основные и комплексообразующие свойства [ править ]

Полифосфаты - слабые основания . Лоун пар электронов на атоме кислорода может быть передан в виде ион водорода (протон) , или ион металла в типичной кислоте Льюиса - основание Льюиса взаимодействие. Это имеет огромное значение в биологии. Например, аденозинтрифосфат протонирован примерно на 25% в водном растворе при pH 7. [2]

ATP 4− + H + ⇌ ATPH 3− , p K a 6,6

Дальнейшее протонирование происходит при более низких значениях pH.

Фосфатная связь "высокой энергии" [ править ]

АТФ образует хелатные комплексы с ионами металлов. Константа устойчивости равновесия

АТФ 4- + Mg 2+ ⇌ MgATP 2- , log β 4

особенно большой. [3] Образование магниевого комплекса является критическим элементом в процессе гидролиза АТФ, поскольку он ослабляет связь между концевой фосфатной группой и остальной частью молекулы. [2] [4]

Энергия, выделяемая при гидролизе АТФ,

АТФ 4− + H 2 O → АДФ 3− + P i -

при ΔG -36,8 кДж моль -1 велика по биологическим стандартам. P i обозначает неорганический фосфат, который протонируется при биологическом pH. Однако по неорганическим стандартам он невелик. Термин «высокая энергия» относится к тому факту, что она высока по сравнению с количеством энергии, высвобождаемой в органических химических реакциях, которые могут происходить в живых системах.

Высокополимерные неорганические полифосфаты [ править ]

Полифосфаты с высоким молекулярным весом хорошо известны. [5] Одним из производных является стекловидная (т.е. аморфная) соль Грэма. Кристаллические полифосфаты с высоким молекулярным весом включают соль Куррола и соль Маддрелла. Эти частицы имеют формулу [NaPO 3 ] n [NaPO 3 (OH)] 2, где n может достигать 2000. С точки зрения их структуры, эти полимеры состоят из «мономеров» PO 3 - с цепями, оканчивающимися протонированные фосфаты. [6]

В природе [ править ]

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 он считался либо «молекулярным ископаемым», либо только источником фосфора и энергии, обеспечивающим выживание микроорганизмов в экстремальных условиях. В настоящее время известно, что эти соединения также выполняют регуляторные функции и встречаются у представителей всех царств живых организмов, участвуя в метаболической коррекции и контроле как на генетическом, так и на ферментативном уровнях. Полифосфат принимает непосредственное участие в переключении генетической программы, характерной для стадии экспоненциального роста бактерий, на программу выживания клеток в стационарных условиях, «жизнь в медленном движении». Они участвуют во многих регуляторных механизмах, происходящих у бактерий:

  • Они участвуют в индукции rpoS , субъединицы РНК-полимеразы, которая отвечает за экспрессию большой группы генов, участвующих в адаптации к стационарной фазе роста и многих стрессорных агентов.
  • Они важны для подвижности клеток, образования биопленок и вирулентности. [ требуется разъяснение ]
  • Полифосфаты и экзополифосфатазы участвуют в регуляции уровней строгого фактора ответа, гуанозин-5'-дифосфат-3'-дифосфата (ppGpp), второго мессенджера в бактериальных клетках.
  • Полифосфаты участвуют в формировании каналов через мембраны живых клеток. Вышеупомянутые каналы, образованные полифосфатом и поли-b-гидроксибутиратом с Ca 2+ , участвуют в транспортных процессах в различных организмах.
  • Важная функция полифосфата в микроорганизмах - прокариотах и ​​низших эукариотах - состоит в том, чтобы справляться с изменяющимися условиями окружающей среды, обеспечивая запасы фосфатов и энергии. Полифосфаты присутствуют в клетках животных, и имеется много данных об их участии в регуляторных процессах во время развития, клеточной пролиферации и дифференцировки, особенно в костных тканях и головном мозге.

Показано, что у человека полифосфаты играют ключевую роль в свертывании крови . Вырабатываемые и высвобождаемые тромбоцитами [7], они активируют фактор свертывания крови XII, который необходим для образования тромбов. Фактор XII, также называемый фактором Хагемана, инициирует образование фибрина и выработку провоспалительного медиатора, брадикинина , который способствует утечке из кровеносных сосудов и тромбозу. [8] [9] Полифосфаты бактериального происхождения нарушают иммунный ответ хозяина во время инфекции, а воздействие на полифосфаты рекомбинантной экзополифосфатазы улучшает выживаемость при сепсисе у мышей. [10]Неорганические полифосфаты играют решающую роль в устойчивости дрожжевых клеток к токсичным катионам тяжелых металлов. [11]

Использовать в качестве пищевых добавок [ править ]

В качестве пищевых добавок используются полифосфат натрия (E452 (i)), полифосфат калия (E452 (ii)), полифосфат натрия и кальция (E452 (iii)) и полифосфат кальция (E452 (iv)). Неизвестно, что они представляют какой-либо потенциальный риск для здоровья, кроме тех, которые обычно приписываются другим источникам фосфатов (включая те, которые содержатся в пище). Хотя высказывались опасения по поводу пагубного воздействия на кости и сердечно-сосудистых заболеваний, а также гиперфосфатемии , они кажутся актуальными только для чрезмерного потребления источников фосфата. В целом разумное потребление (до 40 мг фосфата на кг массы тела в день) не представляет риска для здоровья. [12] [13]

См. Также [ править ]

  • Фосфорные кислоты
  • Триметафосфат натрия
  • Гексаметафосфат натрия

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Фосфатный метод производства качественной питьевой воды» (PDF) . Карус Химическая Компания. 2001. Архивировано из оригинального (PDF) 19 апреля 2011 года . Проверено 20 апреля 2011 .
  2. ^ a b Storer A, Cornish-Bowden A (1976). «Концентрация MgATP2- и других ионов в растворе. Расчет истинных концентраций веществ, присутствующих в смесях ассоциирующих ионов» . Biochem J . 159 (1): 1–5. DOI : 10.1042 / bj1590001 . PMC 1164030 . PMID 11772 .  
  3. Перейти ↑ Wilson J, Chin A (1991). «Хелатирование двухвалентных катионов АТФ, изученное методом титровальной калориметрии». Анальная биохимия . 193 (1): 16–9. DOI : 10.1016 / 0003-2697 (91) 90036-S . PMID 1645933 . 
  4. ^ Гарфинкел л, Altschuld R, Гарфинкел D (1986). «Магний в сердечном энергетическом обмене». J Mol Cell Cardiol . 18 (10): 1003–13. DOI : 10.1016 / S0022-2828 (86) 80289-9 . PMID 3537318 . 
  5. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  6. ^ Клаус Schrödter, Герхард Bettermann, Томас Staffel, Friedrich Wahl, Томас Клейн, Томас Хоффман "Фосфорная кислота и Фосфаты" в энциклопедии Ульмана промышленной химии 2008, Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a19_465.pub3
  7. ^ Руис Ф., Ли CR, Олдфилд Е, Docampo Р (октябрь 2004 г.). «Плотные гранулы тромбоцитов человека содержат полифосфат и похожи на ацидокальцисомы бактерий и одноклеточных эукариот» . J Biol Chem . 279 (43): 44250–7. DOI : 10.1074 / jbc.M406261200 . PMID 15308650 . 
  8. ↑ Müller F, Mutch NJ, Schenk WA, Smith SA, Esterl L, Spronk HM, Schmidbauer S, Gahl WA, Morrissey JH, Renné T (декабрь 2009 г.). «Полифосфаты тромбоцитов являются провоспалительными и прокоагулянтными медиаторами in vivo» . Cell . 139 (6): 1143–56. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.11.001 . PMC 2796262 . PMID 20005807 .  
  9. ^ «Недавно открытый механизм образования тромбов» . Physorg.com . 10 декабря 2009 . Проверено 13 декабря 2009 года .
  10. ^ Roewe Дж, Stavrides G, Strueve М, Шарма А, Marini Ж, Манн А, Смит С. А., Кайя Z, Штробл В, Мюллер М, Реинхардт С, Морриссей JH, Bosmann М (август 2020). «Бактериальные полифосфаты мешают врожденной защите хозяина от инфекции» . Nature Communications . 11 (1): 4035. DOI : 10.1038 / s41467-020-17639-х . PMID 32788578 . 
  11. ↑ Андреева N, Рязанова L, Дмитриев V, Кулаковская T, Кулаев I (август 2013). «Адаптация Saccharomyces cerevisiae к концентрации токсичного марганца вызывает изменения в неорганических полифосфатах» . FEMS Yeast Res . 13 (5): 463–470. DOI : 10.1111 / 1567-1364.12049 . PMID 23663411 . 
  12. ^ Группа EFSA по пищевым добавкам и ароматизаторам (FAF), Юнес, М., Аквилина, Г., Касл, Л., Энгель, К. Х., Фаулер, П., ... и Меннес, В. (2019). Переоценка фосфорной кислоты, фосфатов, ди-, три- и полифосфатов (E 338–341, E 343, E 450–452) в качестве пищевых добавок и безопасности предлагаемого расширения использования. Журнал EFSA, 17 (6), e05674.
  13. Перейти ↑ Ritz, E., Hahn, K., Ketteler, M., Kuhlmann, MK, & Mann, J. (2012). Фосфатные добавки в пище - опасность для здоровья. Deutsches Ärzteblatt International, 109 (4), 49.

Внешние ссылки [ править ]

  • Павлов Э., Гримбли К., Диао Ц. Т., французский RJ (сентябрь 2005 г.). «Режим высокой проводимости поли-3-гидроксибутират / кальций / полифосфатный канал, выделенный из компетентных клеток Escherichia coli» . FEBS Lett . 579 (23): 5187–92. DOI : 10.1016 / j.febslet.2005.08.032 . PMID  16150446 . S2CID  35616647 .
  • Кулаев И, Вагабов В, Кулаковская Т (1999). «Новые аспекты метаболизма и функции неорганических полифосфатов». J. Biosci. Bioeng . 88 (2): 111–29. DOI : 10.1016 / S1389-1723 (99) 80189-3 . PMID  16232585 .
  • Кулаев И, Кулаковская Т (2000). «Полифосфатно-фосфатный насос». Анну. Rev. Microbiol . 54 : 709–34. DOI : 10.1146 / annurev.micro.54.1.709 . PMID  11018142 .