综述：多磷酸盐代谢：酶促途径与调控

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research》：Polyphosphate metabolism: Enzymatic pathways and regulation

本文系统综述了多聚磷酸盐（polyP）的代谢酶研究进展，探讨其在原核生物、酵母及哺乳动物中的合成与降解机制差异，揭示polyP在能量储存、金属螯合及疾病治疗中的关键作用，并指出哺乳动物polyP合成酶的未知性及未来研究方向。

　　

Sarah Krukenberg|Giuliano A. Kullik|Thomas Renné

德国汉堡-埃彭多夫大学医学中心临床化学与实验室医学研究所

摘要

多磷酸盐（polyP）是一种古老的、在进化过程中得以保留的无机聚合物，存在于所有生命领域中。多磷酸盐在能量储存、金属螯合、磷酸盐缓冲以及调节基本生理过程（如血液凝固、骨骼矿化和线粒体能量代谢）中发挥作用。

本文总结了目前关于多磷酸盐代谢酶的认知。在原核生物中，多磷酸盐的合成主要由多磷酸酶（PPK1和PPK2）催化，这些酶利用三磷酸腺苷（ATP）或三磷酸鸟苷（GTP）合成长链聚合物；值得注意的是，这些酶在高等真核生物中并不存在。在酵母中，液泡转运蛋白伴侣（VTC）复合体兼具多磷酸酶和转运蛋白的功能，将合成过程与液泡导入过程耦合起来。在哺乳动物中，负责多磷酸盐形成的酶机制尚未完全明了，尽管线粒体F₁F₀-ATP合成酶和肌醇焦磷酸信号通路可能与此相关。

多磷酸盐的降解由两大酶家族介导：外多磷酸酶和内多磷酸酶。这些酶家族的成员——包括酵母和细菌中的外多磷酸酶（PPX）和内多磷酸酶（PPN），以及哺乳动物中的Nudix水解酶和h-Prune——在维持细胞内磷酸盐平衡和调节多磷酸盐动态周转中起着关键作用。

明确多磷酸盐的合成和降解分子途径将为感染、血栓形成和代谢性疾病的治疗提供新的靶点。

引言

原核细胞和真核细胞以多磷酸盐（polyP）的形式储存磷酸盐，这是一种由共价连接的磷酸基团组成的线性无机分子。这些聚合物由大约十个到数百个磷酸单元通过富含能量的磷酐键连接而成，类似于ATP的结构[1]。相邻磷酸基团（PO₃^2?）之间的磷酐键由于负电荷间的静电排斥作用及其他物理化学因素而具有高度反应性，这既有利于快速水解释放能量，也支持动态且可逆的能量储存[2]。与DNA和RNA类似，多磷酸盐是一种带负电荷的聚阴离子，能够与阳离子蛋白质（尤其是Ca²⁺、Mg²⁺和Zn²⁺）以及核酸发生静电相互作用[3]。这些相互作用似乎更多是由电荷驱动而非序列特异性决定的，这表明多磷酸盐更像是一种通用的聚阴离子支架和调节因子，而非参与信息传递的核酸类聚合物[3]。

多磷酸盐是一种多功能生物聚合物，在从细菌和古菌到酵母、黏菌以及哺乳动物的各种生物中都具有多种功能。它可以在激酶反应中替代ATP，提供代谢能量，并作为磷酸盐储存库。此外，多磷酸盐还参与金属螯合，并在生长、发育、营养限制、应激和毒力过程中支持细胞适应[4]。这种多功能性可能反映了它在进化早期就已存在的特性[5]。在细菌和古菌中，多磷酸盐在磷酸盐和能量缓冲、耐受应激以及代谢适应方面发挥着重要作用，体现了其深厚的进化起源[6],[7]。然而，多磷酸盐不仅存在于无脊椎动物（如昆虫）中，也存在于哺乳动物中，并且会在特定细胞器（如线粒体或密集颗粒）中富集，这表明其古老的功能在进化过程中逐渐得到适应和扩展，以支持组织和系统层面的调节过程。补充表S1提供了关于无脊椎动物中多磷酸盐存在和特性的详细信息。多磷酸盐在真核生物（尤其是哺乳动物）中的作用尚未得到充分研究。由于其在哺乳动物细胞中的浓度较低（通常约为25–120?μM[8]），且检测方法和灵敏度存在局限性，因此对其的研究较为困难[8]。尽管如此，多磷酸盐已被证实参与多种哺乳动物生理过程，包括血液凝固[9]、骨骼矿化[10]和线粒体能量代谢[11]。哺乳动物系统中多磷酸盐代谢的紊乱与血栓形成[12]和炎症[13]等病理状态有关。

节选内容

体内多磷酸盐的功能

多磷酸盐具有多种细胞功能，如图1所示。在细菌中，它作为主要的能量和磷酸盐储存物质，在应对环境压力（如营养匮乏、氨基酸缺乏和高盐浓度）时发挥关键作用[14],[15]。它有助于维持细胞稳态，并具有金属螯合能力。多磷酸盐合成缺陷会导致细胞形态显著改变。此外，多磷酸盐还参与细胞信号传导。

多磷酸酶

多磷酸盐的代谢依赖于生命树中不同的酶系统。尽管多磷酸盐普遍存在于从细菌到哺乳动物的各种生物中，但合成它的酶并不具有保守性，这反映了生成和分离这种聚合物的多种进化途径。

多磷酸盐水解酶

除了合成过程外，多磷酸盐的代谢还受到水解酶的调控，这些酶能够切割磷酐键。水解酶可分为两大功能类别：(i) 外多磷酸酶，它们依次去除末端磷酸基团以释放无机磷酸盐（P_i）；(ii) 内多磷酸酶，它们切割内部磷酸键以生成较短的多磷酸盐链（见图3）。

结论性评论

多磷酸盐是一种古老的、多功能聚合物，存在于所有生命领域中，它在磷酸盐和能量储存、细胞应激反应以及多种生理过程中发挥作用，从细菌的毒力到哺乳动物的血液凝固和线粒体功能都涉及其中。虽然细菌和酵母中的多磷酸盐代谢机制已得到较好研究，但在高等真核生物中的功能和调控机制仍不完全清楚。目前最迫切需要解决的问题是……

展望

• (i)
  该领域的重要性

无机多磷酸盐（polyP）是生物学中最古老和多功能的一种分子。它具有储存化学能量、缓冲磷酸盐、结合金属离子和调节酶活性的能力，是细胞代谢的核心组成部分。除了在微生物应激适应中的原始作用外，最近的研究还揭示了多磷酸盐在高等生物中的关键功能，包括线粒体能量稳态、骨骼矿化和血液凝固等。

作者贡献声明

Sarah Krukenberg：撰写初稿。Giuliano A. Kullik：撰写、审阅和编辑。Thomas Renné：撰写、审阅和编辑，以及概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。