沒有它DNA都無法合成！最新研究揭示磷酸鹽調(diào)控機(jī)制

撰文丨張宇

磷酸鹽，大家都聽說過吧。農(nóng)業(yè)上它可是不可或缺的化肥原料。其實(shí)不僅是花花草草和農(nóng)作物，動(dòng)物乃至人類也需要磷酸鹽，確切的說是磷元素?，F(xiàn)在問題來了，你知道磷酸鹽在體內(nèi)是如何運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)控的嗎？

如果你不知道，其實(shí)很正常，因?yàn)檫@件事在科學(xué)界也一直是個(gè)謎，不過這個(gè)謎團(tuán)最近終于被解開了，到底是怎么一回事呢？

磷酸鹽究竟有多重要？首先我們帶您先了解一下它。

磷酸鹽中最重要的成分其實(shí)是元素磷。磷是元素周期表第三周期第15族非金屬元素，元素符號P，原子序數(shù)15，相對原子質(zhì)量30.97。在自然界里，磷有多種存在形態(tài)，比如紅磷和白磷是單體磷，但更多的磷是以磷酸鹽的形式存在的。

最早發(fā)現(xiàn)磷的存在，還是和歐洲中世紀(jì)的煉金術(shù)有關(guān)。那時(shí)候，據(jù)說只要找到一種聰明人的石頭──哲人石，便可以點(diǎn)石成金。在1669年，德國漢堡一位叫布蘭德的商人嘗試在從尿液中提取黃金時(shí)，提取出了一種能夠發(fā)出藍(lán)綠色火焰的物質(zhì)，意外地發(fā)現(xiàn)了磷，同時(shí)也證實(shí)了磷在人體中的存在。

現(xiàn)代科學(xué)證實(shí)，磷元素是一種生命必需的元素。從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物，從植物到動(dòng)物再到人體內(nèi)都有磷的存在。而且，磷還是人體含量第六多的常量元素，每個(gè)成年人體內(nèi)大約含有1千克的磷，可以說身體里每個(gè)細(xì)胞和組織都有磷的存在，就連遺傳基因DNA和RNA的元素組成中都有磷的參與，可以說我們的生命從頭到尾都離不開磷元素。

磷對生命體很重要，到底體現(xiàn)在哪些方面呢？

成年人每日從食物中獲取約1000毫克的磷酸鹽，其中約700毫克（0.7克）這樣可與上文的1千克有個(gè)直觀比較左右在消化系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)中被人體吸收，剩余的則通過尿液和糞便排出體外。

吸收進(jìn)入身體的磷酸鹽（90%）絕大多數(shù)會(huì)沉積在骨骼和牙齒內(nèi)，參與構(gòu)成羥磷灰石晶體，穩(wěn)定骨骼結(jié)構(gòu)。少部分（10%左右）會(huì)進(jìn)入軟組織和細(xì)胞內(nèi)，一部分構(gòu)成磷脂，用于細(xì)胞修復(fù)和復(fù)制。另一部分則會(huì)用于有氧和無氧能量代謝。磷是ATP（三磷酸腺苷）分子的組成部分之一，而ATP是身體中所有細(xì)胞代謝需要的能量的主要來源。此外，還有一部分磷酸鹽會(huì)用于維持穩(wěn)態(tài)。比如進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)液，維持細(xì)胞內(nèi)的磷酸鹽穩(wěn)態(tài)；進(jìn)入血清中，維持人體組織間的磷酸鹽穩(wěn)態(tài)。而那些身體代謝產(chǎn)生的多余的磷酸鹽和磷，則會(huì)通過腎臟和消化道排出體外。

看到這估計(jì)好多人就奇怪了，既然磷那么重要為何說還會(huì)有多余的，還要排出體外，這樣不就浪費(fèi)掉了嗎？

原因很簡單，那就是為了防止中毒。估計(jì)大家應(yīng)該聽說過，任何營養(yǎng)物質(zhì)都有適宜量的問題。少了會(huì)缺乏，多了會(huì)對健康不利，甚至出現(xiàn)中毒反應(yīng)。比如維生素A，人體缺乏會(huì)出現(xiàn)免疫力下降，暗適應(yīng)能力下降，甚至導(dǎo)致夜盲癥。如果多了，輕則出現(xiàn)惡心、嘔吐等類似中毒癥狀，嚴(yán)重了還會(huì)導(dǎo)致孕婦流產(chǎn)和胎兒神經(jīng)管畸形。磷也是一樣，正常人血磷水平保持在每升血液0.8-1.45毫摩爾，如果低于這個(gè)范圍可能會(huì)出現(xiàn)低磷血癥，反之會(huì)導(dǎo)致高磷血癥和多種不良后果，比如動(dòng)脈硬化，心力衰竭、腫瘤和神經(jīng)元疾病等并發(fā)癥。

人體還是非常聰明的，為了保證這些營養(yǎng)素與身體需求的平衡，都會(huì)有一套非常精密的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)身體缺磷時(shí)增加吸收率，當(dāng)體內(nèi)過多時(shí)就會(huì)讓細(xì)胞和組織里的元素排出去。這套機(jī)制可以說非常非常重要，因?yàn)橐坏┦ъ`，人就會(huì)生病，甚至導(dǎo)致死亡。人體恰好就有一套調(diào)節(jié)磷酸鹽的穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)，通過控制磷酸鹽的吸收和外排來維持機(jī)體的磷酸鹽平衡，只不過我們一直不知道它是如何工作的。我們?nèi)绻芰私馑臋C(jī)制，就有助于解決和磷代謝有關(guān)的很多疾病。

我們剛剛了解了磷的重要性，也知道體內(nèi)有套磷的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，那在細(xì)胞這種微觀層面到底是如何轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)控的呢？

這也是科學(xué)家一直困惑的焦點(diǎn)，不過就在近期謎題似乎被解決了。在大名鼎鼎的《自然》雜志上，刊發(fā)了一篇中國科學(xué)院物理研究所研究人員的最新發(fā)現(xiàn)，他們利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)，對細(xì)胞膜上磷酸鹽外排蛋白XPR1的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)了磷酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

剛剛提到的XPR1蛋白是哺乳動(dòng)物的細(xì)胞膜上的一種蛋白質(zhì)，XPR1的結(jié)構(gòu)類似于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，但不同于絕大多數(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白采用的交替開放的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，其采取一種新穎的類似于通道的門控機(jī)制。它有三個(gè)由正電氨基酸形成的位點(diǎn)，利用正負(fù)電吸引的方式結(jié)合磷酸根。當(dāng)這些磷酸根結(jié)合到XPR1后，會(huì)誘導(dǎo)XPR1發(fā)生構(gòu)象變化，形成一個(gè)貫通細(xì)胞膜的通道，使磷酸根離子流出細(xì)胞。

既然有門控機(jī)制，那就可定有開啟機(jī)制的“鑰匙”，那又是什么樣的呢？

原來，XPR1蛋白擁有一個(gè)SPX結(jié)構(gòu)域，這個(gè)結(jié)構(gòu)域可以通過感受細(xì)胞內(nèi)磷酸肌醇的濃度來調(diào)控XPR1外排磷酸根離子的通量：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)磷酸根濃度較低時(shí)，多磷酸肌醇濃度降低，SPX結(jié)構(gòu)域呈動(dòng)態(tài)構(gòu)象，XPR1的柔性絡(luò)環(huán)結(jié)合在磷酸根入口附近并降低磷酸根進(jìn)入蛋白的流量。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)磷酸根濃度升高時(shí)，多磷酸肌醇濃度升高，SPX結(jié)構(gòu)域結(jié)合多磷酸肌醇并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定構(gòu)象，穩(wěn)定狀態(tài)的SPX結(jié)構(gòu)域與柔性絡(luò)環(huán)相互作用，使其遠(yuǎn)離磷酸根入口，從而增加磷酸根離子進(jìn)入XPR1的流量。這樣一來XPR1蛋白就可以利用自己末端一段柔性絡(luò)環(huán)控制通道開口的大小，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)外磷酸鹽的穩(wěn)態(tài)了。

不得不說，如果真如研究揭示的那樣，生物體的調(diào)控機(jī)制設(shè)計(jì)真的是巧奪天工。不過，目前的結(jié)果還有待于更多的研究加以佐證。

話題在回轉(zhuǎn)到我們的飲食上，既然磷酸鹽很重要，日常生活中是否要注意補(bǔ)充呢？

其實(shí)，絕大多數(shù)食物中都含有磷酸鹽。比如，谷物、蔬菜、水果和肉類。正常情況下，食物中含有的磷酸鹽是能夠滿足日常所需的，沒有必要刻意補(bǔ)充。但是，這些情況則需要注意，一是，如果存在缺鈣的情況，則可以遵醫(yī)囑對磷酸鹽進(jìn)行補(bǔ)充。二是，對于孕婦和處于快速生長發(fā)育期的兒童青少年，可以適當(dāng)增加富含磷酸鹽的食物。三是，對于腎功能不全的人，由于腎臟排泄能力下降，在食用含有磷酸鹽過高的食物時(shí)要慎重。