stringtranslate.com

Полифосфат

Полифосфат — это соль или эфир полимерных оксианионов, образованных из тетраэдрических структурных единиц PO4 ( фосфата ), связанных вместе общими атомами кислорода. Полифосфаты могут принимать линейную или циклическую (также называемую кольцевой) структуру. В биологии полифосфатные эфиры АДФ и АТФ участвуют в хранении энергии. Различные полифосфаты находят применение в связывании минералов в городских водах, обычно присутствующих в концентрации от 1 до 5 ppm. [1] ГТФ , ЦТФ и УТФ также являются нуклеотидами, важными для синтеза белков, липидного синтеза и метаболизма углеводов соответственно. Полифосфаты также используются в качестве пищевых добавок , маркируются E452 .

Структура

Структура триполифосфорной кислоты иллюстрирует принципы, которые определяют структуры полифосфатов. Она состоит из трех тетраэдрических единиц PO4, связанных вместе общими кислородными центрами. Для линейных цепей конечные фосфорные группы имеют один общий оксид, а другие фосфорные центры имеют два общих оксидных центра. Соответствующие фосфаты связаны с кислотами потерей кислотных протонов . В случае циклического тримера каждый тетраэдр имеет две общие вершины с соседними тетраэдрами.

Возможно совместное использование трех углов. Этот мотив представляет собой сшивку линейного полимера. Сшитые полифосфаты принимают листовую структуру Филлосиликаты , но такие структуры возникают только в экстремальных условиях.

Формирование и синтез

Полифосфаты возникают в результате полимеризации производных фосфорной кислоты. Процесс начинается с того, что два фосфатных звена объединяются в реакции конденсации.

2H ( PO4 ) 2− ⇌ ( P2O7 ) 4− + H2O​

Конденсация показана как равновесие , поскольку возможна и обратная реакция — гидролиз . Процесс может продолжаться поэтапно; на каждом этапе к цепи добавляется еще одна единица (PO 3 ) − , как указано в скобках на иллюстрации полифосфорной кислоты. P 4 O 10 можно рассматривать как конечный продукт реакций конденсации, где каждый тетраэдр делит три угла с другими. Наоборот, сложная смесь полимеров получается при добавлении небольшого количества воды к пентоксиду фосфора.

Кислотно-основные и комплексообразующие свойства

Полифосфаты являются слабыми основаниями . Неподеленная пара электронов на атоме кислорода может быть передана иону водорода (протону) или иону металла в типичном взаимодействии кислоты Льюиса и основания Льюиса . Это имеет огромное значение в биологии. Например, аденозинтрифосфат примерно на 25% протонирован в водном растворе при pH 7. [2]

АТФ 4− + Н + ⇌ АТФ 3− , p K a 6,6

Дальнейшее протонирование происходит при более низких значениях pH.

«Высокоэнергетическая» фосфатная связь

АТФ образует хелатные комплексы с ионами металлов. Константа устойчивости для равновесия

АТФ 4− + Mg 2+ ⇌ MgАТФ 2− , log β 4

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

Энергия, высвобождаемая при гидролизе АТФ,

АТФ 4− + H 2 O → АДФ 3− + Pi −

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

Высокополимерные неорганические полифосфаты

Высокомолекулярные полифосфаты хорошо известны. [5] Одним из производных является стекловидная (т.е. аморфная) соль Грэма . Кристаллические высокомолекулярные полифосфаты включают соль Куррола и соль Маддрелла (белый порошок, практически нерастворимый в воде). Эти виды имеют формулу [NaPO 3 ] n [NaPO 3 (OH)] 2 , где n может достигать 2000. С точки зрения их структур эти полимеры состоят из PO 3 − «мономеров», с цепями, заканчивающимися протонированными фосфатами. [6]

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 его считали либо « молекулярным ископаемым », либо только источником фосфора и энергии, обеспечивающим выживание микроорганизмов в экстремальных условиях. Теперь известно, что эти соединения также выполняют регуляторные функции и встречаются у представителей всех царств живых организмов, участвуя в коррекции и контроле метаболизма как на генетическом, так и на ферментативном уровнях. Полифосфат напрямую участвует в переключении генетической программы, характерной для стадии экспоненциального роста бактерий, на программу выживания клеток в стационарных условиях, «жизнь в медленном темпе». Они участвуют во многих регуляторных механизмах, происходящих у бактерий:

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

Использование в качестве пищевых добавок

Полифосфат натрия (E452(i)), полифосфат калия (E452(ii)), полифосфат натрия и кальция (E452(iii)) и полифосфат кальция (E452(iv)) используются в качестве пищевых добавок (эмульгаторов, увлажнителей, секвестрантов, стабилизаторов и загустителей). [12] Известно, что они не представляют какой-либо потенциальной опасности для здоровья, кроме той, которая обычно приписывается другим источникам фосфата (включая те, которые встречаются в пище в естественном виде). ​​Хотя высказывались опасения относительно пагубного воздействия на кости и сердечно-сосудистые заболевания, а также гиперфосфатемии , они, по-видимому, актуальны только для чрезмерного потребления источников фосфата. В целом, разумное потребление (до 40 мг фосфата на кг веса тела в день), по-видимому, не представляет риска для здоровья. [13] [14]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Йессен, Хеннинг Дж.; Дюрр-Майер, Тобиас; Хаа, Томас М.; Рипп, Александр; Камминс, Кристофер К. (2021). «Потерянные при конденсации: поли-, цикло- и ультрафосфаты». Accounts of Chemical Research . 54 (21): 4036–4050. doi :10.1021/acs.accounts.1c00370. PMID  34648267. S2CID  238989161.
  2. ^ ab Storer A, Cornish-Bowden A (1976). «Концентрация MgATP2- и других ионов в растворе. Расчет истинных концентраций видов, присутствующих в смесях ассоциированных ионов». Biochem J . 159 (1): 1–5. doi :10.1042/bj1590001. PMC 1164030 . PMID  11772. 
  3. ^ Wilson J, Chin A (1991). «Хелатирование двухвалентных катионов АТФ, изученное методом титрационной калориметрии». Anal Biochem . 193 (1): 16–9. doi :10.1016/0003-2697(91)90036-S. PMID  1645933.
  4. ^ Гарфинкель Л., Альтшульд Р., Гарфинкель Д. (1986). «Магний в энергетическом метаболизме сердца». 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 Шрёдтер, Герхард Беттерманн, Томас Стаффель, Фридрих Валь, Томас Кляйн, Томас Хофманн «Фосфорная кислота и фосфаты» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , 2008, Wiley-VCH, Вайнхайм. дои :10.1002/14356007.a19_465.pub3
  7. ^ Ruiz FA, Lea CR, Oldfield E, Docampo R (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 обнаруженный механизм образования тромбов". physorg.com . 10 декабря 2009 г. Получено 13 декабря 2009 г.
  10. ^ Roewe J, Stavrides G, Strueve M, Sharma A, Marini F, Mann A, Smith SA, Kaya Z, Strobl B, Mueller M, Reinhardt C, Morrissey JH, Bosmann M (август 2020 г.). «Бактериальные полифосфаты мешают врожденной защите хозяина от инфекции». Nature Communications . 11 (1): 4035. Bibcode : 2020NatCo..11.4035R. doi : 10.1038/s41467-020-17639-x . PMC 7423913. PMID  32788578 . 
  11. ^ Андреева Н, Рязанова Л, Дмитриев В, Кулаковская Т, Кулаев И (август 2013). «Адаптация Saccharomyces cerevisiae к токсичной концентрации марганца вызывает изменения в неорганических полифосфатах». FEMS Yeast Res . 13 (5): 463–470. doi : 10.1111/1567-1364.12049 . PMID  23663411.
  12. ^ "Полифосфаты E452". openfoodfacts.org . Получено 2022-03-18 .
  13. ^ Группа экспертов EFSA по пищевым добавкам и ароматизаторам (FAF), Younes, M., Aquilina, G., Castle, L., Engel, KH, Fowler, P., ... и Mennes, W. (2019). Повторная оценка фосфорной кислоты-фосфатов-ди-, три- и полифосфатов (E 338–341, E 343, E 450–452) в качестве пищевых добавок и безопасность предлагаемого расширения использования. Журнал EFSA, 17(6), e05674.
  14. ^ Ритц Э., Хан К., Кеттелер М., Кульманн М.К. и Манн Дж. (2012). Фосфатные добавки в продуктах питания — риск для здоровья. Deutsches Ärzteblatt International, 109(4), 49.

Внешние ссылки