Полифосфаты, их строение и физиологическое значение. Полифосфаты представляют собой линейные полимеры ортофосфорной кислоты, имеют высокий молекулярный вес.
Они являются соединениями с макроэргическими связями, где в каждой связи —Р—О—Р— заключено около 10 ккал-мол. По своим физико-химическим свойствам полифосфаты подразделяют на кислоторастворимые (КР) и кислотонерастворимые (КНР). КР переходят в раствор при экстракции из мицелия холодным раствором пятипроцентной трихлоруксусной кислоты. КНР извлекают слабыми растворами щелочей или горячими растворами трихлоруксусной и хлорной кислот. КР полифосфаты
содержатся в клетке в свободном состоянии и не связаны с какими-либо другими органическими соединениями. Они содержат примерно от 3 до 25 фосфатных остатков. КНР полифосфаты являются высокополимерными соединениями, они содержат до 70—85 остатков фосфорной кислоты. Они образуют лабильные полифосфатно-нуклеиновые комплексы или прочные комплексы с другими клеточными компонентами, возможно, белками. КНР полифосфаты являются аккумуляторами энергии, в этом отношении их можно сравнить с АТФ. Последняя содержится у некоторых микроорганизмов в незначительном количестве. У культуры Asp. niger, например, обнаружено 2 мг% АТФ. Это очень немного, если иметь в виду, что в мышцах человека содержится 200 мг%, а в мышцах кролика — 150 мг%.
Одной из функций полифосфатов является, по мнению ряда исследователей, их участие в переносе глюкозы через клеточные стенки. Вероятно, роль полифосфатов в данном случае заключается в передаче фосфатных групп глюкозе, перенос которой происходит путем фосфорилирования (Steveninck, Bovoij, 1964).
Для синтеза полифосфатов в питательной среде необходимо иметь достаточное количество фосфора и источников энергии. Так, большое количество полифосфатов в клетках обнаруживается при наличии в среде большого количества фосфора и легко окисляемых субстратов, например глюкозы. В синтезе полифосфатов принимает участие АТФ, при этом происходит передача фосфорных групп от АТФ к полифосфатам и обратно.
Синтезируется сразу высокополимерная фракция без предварительного прохождения через стадию низких полимеров (КР), причем их образование осуществляется на какой-то органической основе. Возможно, что этим веществом является белок. Низкополимерные полифосфаты, находящиеся в связи с каким-то, пока неизвестным, органическим компонентом клетки, могут служить «затравкой» для этого синтеза. Кислоторастворимые полифосфаты образуются путем энзиматической деградации КНР-полифосфатов. Участие АТФ в синтезе полифосфатов, очевидно, для некоторых культур не является обязательным. К нх числу относится, например Neurospora crassa. Из микроорганизмов, образующих антибиотики, полифосфаты обнаружены у Реп. chrysogenum, Act. aureofaciens, Act. erythreus (И. С. Кулаев, А. Н. Белозерский, С. З. Мансурова, 1959; М. А. Губерниев, Л. И. Торбочкина, Л. Н. Кац, 1959). Наличие полифосфатов не является точным систематическим признаком, в частности, как это одно время предполагали, характерным свойством всех низкоорганизованных организмов. О наличии полифосфатов рекомендуют говорить, учитывая конкретные условия культивирования и возраст мицелия. Так, например, не удалось обнаружить полифосфаты в мицелии Pen. chrysogenum при культивировании гриба на среде с кукурузным экстрактом. На синтетической среде у того же микроорганизма полифосфаты были найдены на всех стадиях развития. В мицелии Act. aureofaciens и Act. erythreus не удавалось обнаружить КР полифосфаты, если актиноМицеты культивировали на синтетических средах, их можно обнаружить только при выращивании на среде, содержащей кукурузный экстракт. Несмотря на имеющиеся экспериментальные данные, вопрос о наличии или отсутствии полифосфатов у микроорганизмов в зависимости от состава среды требует обстоятельного изучения.
Обмен полифосфатов у различных микроорганизмов происходит в общем по одним и тем же закономерностям. Так, в процессе прорастания спор плесневых грибов и в латентную фазу развития бактерий идет интенсивный синтез высокополимерных полифосфатов. Образование КНР полифосфатов идет в этот период за счет низкополимерных КР полифосфатов, количество которых резко понижается. В этот период ферменты, расщепляющие КНР полифосфаты, находятся в неактивном состоянии. Фосфор питательной среды не поступает в споры плесневых грибов, поэтому при синтезе нуклеиновых кислот полифосфаты представляют собой для них источник фосфора.
С началом интенсивного роста и деления клеток, в частности при образовании мицелия у грибов, высокополимерные полифосфаты КНР-фракции используются на активно идущие в это время синтетические процессы и в первую очередь на биосинтез белка и нуклеиновых кислот. С переходом в стационарную фазу развития использование полифосфатов для синтетических целей несколько приостанавливается. Количественные отношения между КНР и КР полифосфатами зависят от условий культивирования, обеспечивающих, в частности, ферментативную активность различных деполимераз полифосфатов.
А. Н. Белозерский и И. С. Кулаев (1957) считают, что наличие конденсированных неорганических фосфатов в ощутимых количествах только у низших организмов связано с присущей этим организмам чрезвычайно высокой скоростью деления их клеток. Полифосфаты, являясь концентратом больших количеств фосфора и энергии, возможно как раз и обеспечивают столь высокую скорость деления у этих организмов.
Волютин. При окраске клеток микроорганизмов водным раствором метиленового синего при микроскопии отчетливо видны густоокрашенные в сине-фиолетовый цвет зерна волютина на фоне голубой окраски протоплазмы. Волютин образуется в мицелии, главным образом на поздних стадиях развития, при избытке в среде неорганических соединений фосфора или углеводов или при недостатке азотсодержащих веществ по отношению к углеводам. У продуцентов антибиотиков наиболее обстоятельно изучена природа волютиновых зерен в культуре Act. aureofaciens.
Расположенные в гифах волютиновые гранулы независимы от ядерных элементов. Основными компонентами волютина являются РНК и кислотонерастворимые полифосфаты. Соотношения между ними меняются с возрастом. У молодых культур в составе волютиновых гранул содержится большее количество РНК по отношению к полифосфатам, у старых — основным компонентом волютина являются полифосфаты (М. А. Губерниев, Н. А. Уголева, Л. И. Торбочкина, 1956).
На образование волютина в мицелии существенное влияние оказывает состав среды для культивирования. При цитологическом изучении Act. aureofaciens А. А. Прокофьевой-Бельговской и Л. И. Поповой (1959) было установлено, что увеличение содержания фосфора неорганических соединений в сочетании с кукурузным экстрактом сопровождается интенсивной репродукцией ядерных элементов в молодом мицелии, тогда как повышение содержания фосфата в синтетической среде закономерно влечет за собой появление в цитоплазме многочисленных гранул волютина. Образование волютина — процесс обратимый. Поскольку он является запасным питательным веществом, основные компоненты волютина могут расходоваться мицелием в процессе роста. Более того, волютиновые зерна в отдельных случаях могут вообще исчезать к концу ферментации. Однако полифосфаты волютина, вероятно, не принимают у актиномицетов непосредственное участие в синтезе белка и РНК. Как отмечалось выше, обособление гранул происходит обычно на более поздних стадиях развития культуры, когда синтез белка практически закончен. Интенсивное образование волютиновых зерен у большинства изученных культур сопровождается понижением синтеза антибиотиков.
Фитин. Фитин представляет собой Са—Mg-соль инозитфосфорной кислоты. Инозит является циклическим шестиатомным спиртом, имеющим ту же суммарную формулу, что и глюкоза. Присутствие фитина в мицелии доказано у Penicillium chrysogenum и некоторых актиномицетов.
Количество фитина в мицелии зависит от состава среды. В мицелии Penicillium chrysogenum при культивировании на синтетической среде с КН2РO4 содержится значительно меньше фитина (0,02—0,03%), чем на среде с кукурузным экстрактом (3—5%). При дополнительном введении фосфата и инозита в синтетическую среду количество фитина резко не увеличивалось (до 0,05—0,06%).
В мицелии Act. aureofaciens отмечалась корреляция между количественным содержанием фитина и РНК. Уменьшение количества фитина приводило к увеличению количества РНК. Возможно, что фосфор фитина расходуется на синтез молекулы РНК.