背景及概述^[1-2]

多聚磷酸鹽由多個磷酸分子聚合而成的一種復(fù)合磷酸鹽，如三聚磷酸鹽等。在食品工業(yè)中常用以防止香腸變色，幫助脂肪混合，加速食品腌制的速度，可使肉的蛋白質(zhì)纖維保持更多的水分而有利于改良其結(jié)構(gòu)。多聚磷酸鹽(inorganic多聚磷酸鹽hosphate，polyP)是由幾個到幾百個無機(jī)磷酸鹽單體通過高能磷酸鍵聚合而成的線性多聚體。由于火山口和深海蒸汽噴發(fā)口存在多聚磷酸鹽，多聚磷酸鹽可能是磷酸鹽通過高溫脫水產(chǎn)生，廣泛存在于地球初期。又因為多聚磷酸鹽能夠作為生物體的能源，磷酸化并活化乙醇、糖、核苷和蛋白質(zhì)，因此推測它在生命的起源中具有一定作用。一個世紀(jì)之前人們在觀察到異染粒時發(fā)現(xiàn)了多聚磷酸鹽，隨后發(fā)現(xiàn)多聚磷酸鹽普遍存在于細(xì)胞中。細(xì)胞內(nèi)多聚磷酸鹽代謝酶以及對應(yīng)基因的鑒定結(jié)果提示細(xì)胞具有自身代謝多聚磷酸鹽的酶，保證細(xì)胞內(nèi)多聚磷酸鹽維持在相對穩(wěn)定的水平。作為多價陰離子，多聚磷酸鹽能夠螯合Ca、Mg、Mn、Fe和Co等重要金屬離子，與肌動蛋白樣纖維形成復(fù)合物。另外，細(xì)胞內(nèi)的多聚磷酸鹽可感應(yīng)各種代謝和環(huán)境信號。多聚磷酸鹽廣泛存在和作用表明其在生物進(jìn)化和生理功能上具有不可忽視的作用。但多聚磷酸鹽在物種的起源和生存上的作用需要進(jìn)一步確定。

在微生物中的作用^[2]

(一)調(diào)節(jié)基因表達(dá)　多聚磷酸鹽參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。合成多聚磷酸鹽的酶多聚磷酸鹽激酶(多聚磷酸鹽hosphatekinase，PPK)缺失突變菌和水解多聚磷酸鹽的酶外切聚磷酸酶(exo多聚磷酸鹽hosphatase，PPX)過表達(dá)菌穩(wěn)定期的功能缺失，對雙氧水、熱休克、滲透應(yīng)激(osmoticstress)、紫外線和絲裂霉素等敏感，表明多聚磷酸鹽涉及大量基因的表達(dá)和維持細(xì)菌對應(yīng)的生理功能。例如，多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)大腸桿菌rpoS及SOS基因的表達(dá)，從而調(diào)控穩(wěn)定期基因和滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因，以及DNA損傷修復(fù)基因的表達(dá)。基因芯片分析銅綠假單胞菌的ppk突變和野生型指數(shù)期的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)ppk1突變體中大約有450個基因表達(dá)下調(diào)，250個基因表達(dá)上調(diào)。25個表達(dá)差異的基因中，有24個與群體效應(yīng)相關(guān)(Rao等.2009)。缺鐵應(yīng)答系統(tǒng)(如pvdS、prpL、aprXDEFA、pchGFEDCBA和tonB)(Ochsner等.2002)和3型分泌系統(tǒng)的表達(dá)在突變菌中下調(diào)，且不完全依賴于群體效應(yīng)。而且，多聚磷酸鹽在體外能夠與RNA聚合酶相互作用。因此，多聚磷酸鹽可能是轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，尤其是毒性因子“共同調(diào)節(jié)子”。

多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的機(jī)制尚不清楚。多聚磷酸鹽的積累可能改變了轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物與RNA聚合酶或RNA降解體的穩(wěn)定性，增加了RNA的濃度。多聚磷酸鹽也可以通過直接與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的起始。幽門螺旋桿菌σ80的氨基酸末端存在一個帶正電的賴氨酸富集區(qū)可以結(jié)合多聚磷酸鹽。其它人類致病菌如百日咳桿菌(bordetellapertussis)和伯納特(氏)立克次(氏)體(coxiellaburnetii)的σ因子也存在類似的構(gòu)域。多聚磷酸鹽與σ的結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)的方式可能是致病菌普遍應(yīng)用的一種策略。多聚磷酸鹽也可能作為第二信使發(fā)揮功能。大腸桿菌有很多應(yīng)對環(huán)境脅迫和嚴(yán)緊應(yīng)答的調(diào)控機(jī)制，例如當(dāng)氨基酸缺乏時，嚴(yán)緊應(yīng)答導(dǎo)致relA的激活，并產(chǎn)生大量的(p)ppGpp，從而抑制包括核糖體生物合成基因在內(nèi)的眾多基因的活性，激活50多個負(fù)責(zé)脅迫和饑餓基因的表達(dá)；當(dāng)磷酸鹽缺乏時，磷酸鹽調(diào)節(jié)單元(PhoR)感受低磷酸鹽水平，然后激活PhoB，活化的PhoB激活30多個基因包括堿性磷酸酶基因phoA的表達(dá)。而PhoB和(p)ppGpp的活性最終導(dǎo)致多聚磷酸鹽的積累，表明PhoB和(p)ppGpp發(fā)揮的功能是通過高濃度的多聚磷酸鹽所完成。

(二)細(xì)菌離子通道和DNA攝取　位于細(xì)菌細(xì)胞膜上的聚羥基丁酸/鈣/多聚磷酸鹽(多聚磷酸鹽hydroxybutyrate/calcium/多聚磷酸鹽，PHB/Ca2+/多聚磷酸鹽)復(fù)合物賦予細(xì)菌攝取DNA的能力，同時也是陽離子選擇性通道。PHB/Ca2+/多聚磷酸鹽復(fù)合物首從感受態(tài)細(xì)胞中被分離出來，具有高轉(zhuǎn)導(dǎo)性和陽離子選擇性。

(三)多聚磷酸鹽與細(xì)菌運動、生物膜形成、群體效應(yīng)和孢子生成相關(guān)　細(xì)菌的運動包括泳動、群體運動和蹭行運動。ppk或ppx突變菌在半固體培養(yǎng)基上的運動受到不同程度的影響。鞭毛介導(dǎo)細(xì)菌的泳動和群體運動，纖毛負(fù)責(zé)蹭行運動。所以，ppk突變可能影響了鞭毛或纖毛的結(jié)構(gòu)或者功能。電子顯微鏡顯示ppk突變菌具有和野生型相同的鞭毛結(jié)構(gòu)，因此ppk突變可能通過影響鞭毛或纖毛的能源供應(yīng)而影響鞭毛和纖毛的運動。與運動性損傷一致的是ppk突變菌逃避氧化的能力減弱。PPK對生物膜形成、群體效應(yīng)和細(xì)胞外毒力因子的產(chǎn)生非常重要。生物膜是細(xì)菌粘附于表面時，分泌的多糖基質(zhì)、纖維蛋白、脂質(zhì)蛋白等將其自身包繞其中而形成的含有大量細(xì)菌的膜樣復(fù)合體。生物膜缺陷菌株的研究表明生物膜形成經(jīng)歷三個階段：首先，自由運動的細(xì)菌附著到固著點，通過鞭毛和纖毛永久性地吸附到介質(zhì)表面；然后，形成的微菌落和細(xì)胞之間發(fā)生相互作用；最后，分泌的細(xì)菌表面多糖穩(wěn)定生物膜結(jié)構(gòu)，細(xì)胞間的信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)生物膜的三維結(jié)構(gòu)。PPK和鞭毛參與生物膜形成的、二階段，而只有PPK參與第三階段。細(xì)菌通過群體效應(yīng)系統(tǒng)來協(xié)調(diào)相關(guān)基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)群體的細(xì)胞密度。群體效應(yīng)的lasR-lasI系統(tǒng)介導(dǎo)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的形成。ppk突變株的表型類似于群體效應(yīng)分子合成缺陷lasI突變菌的表型，表明多聚磷酸鹽可能通過調(diào)節(jié)lasI基因的表達(dá)而調(diào)節(jié)了細(xì)菌第三階段生物膜的發(fā)育。細(xì)胞外毒力因子如彈力蛋白酶、鼠李糖等的產(chǎn)生由群體效應(yīng)控制。ppk突變菌彈力蛋白酶的活性和鼠李糖的量分別只有野生型的7%和38%，而彈力蛋白酶基因lasB和鼠李糖基轉(zhuǎn)移酶基因rhlA的表達(dá)水平只是野生型的7%和3%，ppk回復(fù)突變株能夠恢復(fù)野生型。這表明PPK或多聚磷酸鹽影響群體效應(yīng)合成自誘導(dǎo)物(autoinducers，AIs)，以及AIs與其調(diào)節(jié)蛋白的相互作用。

(四)多聚磷酸鹽與代謝的關(guān)系　Florian等對4765個酵母敲除突變菌進(jìn)行三輪篩選，最終發(fā)現(xiàn)255個基因(大約占酵母基因組的4%)參與維持細(xì)胞內(nèi)正常多聚磷酸鹽水平。其中許多基因編碼的蛋白涉及了細(xì)胞質(zhì)和液泡內(nèi)的功能，以及轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)錄等功能。突變菌除了表現(xiàn)為多聚磷酸鹽水平的減少外，還表現(xiàn)出磷酸鹽濃度、ATP、糖原水平的改變，以及酸性磷酸酶分泌的混亂。因此，細(xì)胞內(nèi)能源和磷酸鹽的穩(wěn)定依賴于細(xì)胞內(nèi)多聚磷酸鹽、ATP和磷酸鹽三者間的平衡，多聚磷酸鹽可能作為ATP和磷酸鹽水平的緩沖劑，并且影響依賴于ATP或磷酸鹽的其它成分，如糖原和分泌性磷酸酶的活性。

在哺乳動物中的作用^[2]

多聚磷酸鹽在人腦、肝、外周血單核細(xì)胞、紅細(xì)胞、成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等中具有較高的水平。通過生物信息學(xué)方法尚未找到細(xì)菌PPX的同源蛋白或基因，但能夠檢測到高水平的外切聚磷酸酶活性和內(nèi)切聚磷酸酶活性。多聚磷酸鹽和相關(guān)代謝酶活性的存在表明多聚磷酸鹽在哺乳動物中具有重要的生理功能。多聚磷酸鹽能夠與羥基丁酸形成離子通道，可作為ATP的替代物等特征決定了其在細(xì)胞內(nèi)重要的生理功能。

(一)多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)瞬時電位melastatin8(transientreceptorpotentialmelastatin8，

TRPM8)　瞬時受體電位(transientreceptorpotential，TRP)離子通道家族是一類非選擇性陽離子通道，包括多個成員，哺乳動物中存在三十多個。Melasmtatin8型TRP是該家族的成員之一，可被冷激活，也可被薄荷醇和icilin等化學(xué)物質(zhì)活化，因此被認(rèn)為是一種冷受體。小鼠模型證實TRPM8是一種重要的冷受體，其活性受細(xì)胞膜電位的影響，其中Ca2+內(nèi)流引起去極化是一種重要激活方式。

冷處理能減輕病理因素引起的疼痛感，因此可通過調(diào)節(jié)TRPM8的生物學(xué)活性實現(xiàn)止痛目的。大鼠背根神經(jīng)節(jié)TRPM8受體表達(dá)上調(diào)參與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生和維持。TRPM8除在感覺神經(jīng)元處表達(dá)以感受冷刺激外，主要分布于前列腺。TRPM8并不為前列腺癌細(xì)胞PC-3細(xì)胞存活所必需，相反，高表達(dá)的TRPM8能夠抑制PC-3細(xì)胞的增殖和遷移，有望成為前列腺癌治療的一個新靶點。TRPM8發(fā)揮生理功能的作用機(jī)制與Ca2+的內(nèi)流相關(guān)，適度的Ca2+離子能夠激活TRPM8，過度的Ca2+則抑制其活性。多聚磷酸鹽能夠調(diào)節(jié)TRPM8的活性，多聚磷酸鹽可與可溶性兩性分子(R)-3-羥基丁酸(R-3-hydroxybutyrate，PHB)形成高選擇性陽離子通道，這種作用類似于PHB/Ca2+/多聚磷酸鹽復(fù)合物。

(二)多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白　哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin，mTOR)是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和增殖的重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，同時也是一種蛋白激酶。它整合絲裂原信號、能源水平和營養(yǎng)狀態(tài)等信息控制細(xì)胞的生長和增殖。mTOR信號通路的異常激活與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移、動脈粥樣硬化、糖尿病血管并發(fā)癥和心肌纖維化等密切相關(guān)。研究證實在生物體內(nèi)存在兩個關(guān)鍵的mTOR底物。一個底物是PHAS-I，也稱為真核翻譯起始因子4(initiationfactor4Eforeukaryotictranslation，eIF4E)結(jié)合蛋白。去磷酸化的PHAS-I能夠螯合eIF4E。mTOR能夠磷酸化PHASI，釋放eIF4E，這促使其參與細(xì)胞生長和增殖相關(guān)蛋白的翻譯(Miron等.2001)。另一個底物是40S核糖體S6蛋白激酶(p70S6激酶)，磷酸化可激活其活性。激活的p70S60激酶能夠磷酸化40S核糖體S6蛋白，這增加了5'末端具有低聚嘧啶束的mRNA的翻譯水平?，F(xiàn)已證實多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)mTOR的活性和功能。鏈長為15～750個磷酸基單位的多聚磷酸鹽是mTOR激酶的激活劑，有助于mTOR激酶的磷酸化和自磷酸化。在人類乳腺癌細(xì)胞系MCF-7中表達(dá)酵母細(xì)胞外切聚磷酸酶(scPPX1)顯著抑制絲裂原、胰島素或氨基酸激活mTOR的能力。并且PPX1的表達(dá)能抑制MCF-7在無血清培養(yǎng)基上的增殖。多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)mTOR的活性，原因可能是多聚磷酸鹽通過mTOR來調(diào)節(jié)細(xì)胞對脅迫如營養(yǎng)缺乏的影響，類似于其在原核中對脅迫的應(yīng)答。

(三)多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)線粒體代謝和Ca2+相關(guān)性細(xì)胞死亡　多聚磷酸鹽存在于高等生物的線粒體中，并能形成與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)類似的多聚磷酸鹽/Ca2+/PHB復(fù)合物。mPTP又稱線粒體巨型通道，是橫跨線粒體內(nèi)外膜之間的非選擇性高導(dǎo)電性通道，由多種蛋白復(fù)合物組成。線粒體內(nèi)膜上的mPTP的開放和形成認(rèn)為是由Ca2+誘導(dǎo)的通透性轉(zhuǎn)換(permeabilitytransition，MPT)，這導(dǎo)致內(nèi)膜的去極化和ATP合成的中斷，并涉及各種細(xì)胞的凋亡和壞死。體內(nèi)多聚磷酸鹽/Ca2+/PHB復(fù)合物可能構(gòu)成mPTP復(fù)合物的一部分，通過在肝癌細(xì)胞、中腎細(xì)胞和未分化鼠肌原細(xì)胞表達(dá)scPPX1，發(fā)現(xiàn)多聚磷酸鹽影響線粒體的代謝和線粒體內(nèi)Ca2+的積累，多聚磷酸鹽的減少顯著降低Ca2+誘導(dǎo)的mPTP。

(四)多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)細(xì)胞的鈣化　在小獵犬牙槽骨再生模型和成骨細(xì)胞發(fā)育的體外模型MC3T3-E1細(xì)胞系中的研究結(jié)果表明多聚磷酸鹽誘導(dǎo)正常成骨樣細(xì)胞的鈣化。多聚磷酸鹽通過不同途徑誘導(dǎo)成骨樣細(xì)胞的鈣化。首先，多聚磷酸鹽可能作為細(xì)胞鈣化的磷酸鹽來源。其次，多聚磷酸鹽水解酶能夠產(chǎn)生焦磷酸(PPi)，多聚磷酸鹽、PPi和Pi之間的平衡調(diào)節(jié)細(xì)胞的鈣化。第三，多聚磷酸鹽能促進(jìn)成纖維細(xì)胞因子(fibroblastgrowthfactors，F(xiàn)GFs)與其受體的結(jié)合，調(diào)節(jié)細(xì)胞的鈣化。第四，多聚磷酸鹽誘導(dǎo)降鈣素(osteocalcin)、成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子osterix、骨唾液酸蛋白(bonesialoprotein)、組織非特異性堿性磷酸酶基因的表達(dá)。然而在生物工程中，多聚磷酸鹽能夠抑制軟骨-骨取代物界面之間的鈣化。軟骨組織體外形成過程中減少多聚磷酸鹽的釋放能促使在組織-骨取代物界面之間鈣化軟骨區(qū)(zoneofcalcifiedcartilage，ZCC)的形成。ZCC阻止在軟骨-軟骨下骨界面之間產(chǎn)生高的剪切力，即使在高的機(jī)械負(fù)荷下也允許兩種組織之間的整合。

(五)多聚磷酸鹽調(diào)節(jié)血液凝固　人類血小板的致密顆粒中存在多聚磷酸鹽70-75，受凝集素激活釋放多聚磷酸鹽，釋放的多聚磷酸鹽加速了血液的凝固。多聚磷酸鹽作用于血液凝固級聯(lián)的三個點加速血液的凝固：激活接觸途徑觸發(fā)血液凝固；加快凝血因子V的活化速度，導(dǎo)致天然抗凝蛋白———組織因子通道抑制劑功能的贅余；加速纖維蛋白聚合成纖維蛋白原。此外，多聚磷酸鹽通過增強抗纖維蛋白溶解作用劑的活性延遲血塊的溶解。多聚磷酸鹽及其代謝酶在細(xì)菌應(yīng)答各種化學(xué)信號環(huán)境脅迫時起到非常重要的作用，包括SOS修復(fù)、嚴(yán)緊反應(yīng)、休眠調(diào)節(jié)等。細(xì)菌高濃度的多聚磷酸鹽可能敗血癥病人血液凝固系統(tǒng)的紊亂。然而，臨床實驗證明組織因子通道抑制劑不能夠治療敗血癥，這與多聚磷酸鹽加快凝血因子V的活化，不需要組織因子通道抑制劑的作用一致。

制備^[3]

一種有機(jī)多聚磷酸鹽的制備方法：是以磷酸烯醇式丙酮酸鉀鹽(PEPK)作為單體，在不超過80℃的溫和反應(yīng)溫度下，以過硫酸鹽/亞硫酸鹽的氧化還原自由基引發(fā)體系進(jìn)行水溶液聚合反應(yīng)，制作PEPK的均聚物、PEPK與丙烯酸或甲基丙烯酸共聚單體的共聚物(投料質(zhì)量比為1∶0.5～1∶20)；聚合反應(yīng)結(jié)束后，采用無水乙醇等有機(jī)溶劑直接沉降洗滌提純的方法，將聚合物剪切干燥得到產(chǎn)品。

主要參考資料

[1] 營養(yǎng)科學(xué)詞典

[2] 多聚磷酸鹽及其代謝酶的研究進(jìn)展

[3] CN200910201213.X一種有機(jī)多聚磷酸鹽的制備方法