没有它DNA都无法合成！最新研究揭示磷酸盐调控机制

撰文丨张宇

磷酸盐，大家都听说过吧。农业上它可是不可或缺的化肥原料。其实不仅是花花草草和农作物，动物乃至人类也需要磷酸盐，确切的说是磷元素。现在问题来了，你知道磷酸盐在体内是如何运转和调控的吗？

如果你不知道，其实很正常，因为这件事在科学界也一直是个谜，不过这个谜团最近终于被解开了，到底是怎么一回事呢？

磷酸盐究竟有多重要？首先我们带您先了解一下它。

磷酸盐中最重要的成分其实是元素磷。磷是元素周期表第三周期第15族非金属元素，元素符号P，原子序数15，相对原子质量30.97。在自然界里，磷有多种存在形态，比如红磷和白磷是单体磷，但更多的磷是以磷酸盐的形式存在的。

最早发现磷的存在，还是和欧洲中世纪的炼金术有关。那时候，据说只要找到一种聪明人的石头──哲人石，便可以点石成金。在1669年，德国汉堡一位叫布兰德的商人尝试在从尿液中提取黄金时，提取出了一种能够发出蓝绿色火焰的物质，意外地发现了磷，同时也证实了磷在人体中的存在。

现代科学证实，磷元素是一种生命必需的元素。从单细胞生物到多细胞生物，从植物到动物再到人体内都有磷的存在。而且，磷还是人体含量第六多的常量元素，每个成年人体内大约含有1千克的磷，可以说身体里每个细胞和组织都有磷的存在，就连遗传基因DNA和RNA的元素组成中都有磷的参与，可以说我们的生命从头到尾都离不开磷元素。

磷对生命体很重要，到底体现在哪些方面呢？

成年人每日从食物中获取约1000毫克（可否换算成1克）的磷酸盐，其中约700毫克（0.7克）这样可与上文的1千克有个直观比较左右在消化系统和泌尿系统中被人体吸收，剩余的则通过尿液和粪便排出体外。

吸收进入身体的磷酸盐（90%）绝大多数会沉积在骨骼和牙齿内，参与构成羟磷灰石晶体，稳定骨骼结构。少部分（10%左右）会进入软组织和细胞内，一部分构成磷脂，用于细胞修复和复制。另一部分则会用于有氧和无氧能量代谢。磷是ATP（三磷酸腺苷）分子的组成部分之一，而ATP是身体中所有细胞代谢需要的能量的主要来源。此外，还有一部分磷酸盐会用于维持稳态。比如进入细胞内液，维持细胞内的磷酸盐稳态；进入血清中，维持人体组织间的磷酸盐稳态。而那些身体代谢产生的多余的磷酸盐和磷，则会通过肾脏和消化道排出体外。

看到这估计好多人就奇怪了，既然磷那么重要为何说还会有多余的，还要排出体外，这样不就浪费掉了吗？

原因很简单，那就是为了防止中毒。估计大家应该听说过，任何营养物质都有适宜量的问题。少了会缺乏，多了会对健康不利，甚至出现中毒反应。比如维生素A，人体缺乏会出现免疫力下降，暗适应能力下降，甚至导致夜盲症。如果多了，轻则出现恶心、呕吐等类似中毒症状，严重了还会导致孕妇流产和胎儿神经管畸形。磷也是一样，正常人血磷水平保持在每升血液0.8-1.45毫摩尔，如果低于这个范围可能会出现低磷血症，反之会导致高磷血症和多种不良后果，比如动脉硬化，心力衰竭、肿瘤和神经元疾病等并发症。

人体还是非常聪明的，为了保证这些营养素与身体需求的平衡，都会有一套非常精密的稳态系统。当身体缺磷时增加吸收率，当体内过多时就会让细胞和组织里的元素排出去。这套机制可以说非常非常重要，因为一旦失灵，人就会生病，甚至导致死亡。人体恰好就有一套调节磷酸盐的稳态的系统，通过控制磷酸盐的吸收和外排来维持机体的磷酸盐平衡，只不过我们一直不知道它是如何工作的。我们如果能了解它的机制，就有助于解决和磷代谢有关的很多疾病。

我们刚刚了解了磷的重要性，也知道体内有套磷的稳态调节系统，那在细胞这种微观层面到底是如何转运和调控的呢？

这也是科学家一直困惑的焦点，不过就在近期谜题似乎被解决了。在大名鼎鼎的《自然》杂志上，刊发了一篇中国科学院物理研究所研究人员的最新发现，他们利用冷冻电镜单颗粒技术，对细胞膜上磷酸盐外排蛋白XPR1的结构和功能进行了深入分析，发现了磷酸盐的转运机制。接下来的内容可能有点复杂，请允许我稍微不说人话。（这部分确实相对专业，建议配一张形象的图，效果更佳）

刚刚提到的XPR1蛋白是哺乳动物的细胞膜上的一种蛋白质，XPR1的结构类似于转运蛋白，但不同于绝大多数转运蛋白采用的交替开放的转运机制，其采取一种新颖的类似于通道的门控机制。它有三个由正电氨基酸形成的位点，利用正负电吸引的方式结合磷酸根。当这些磷酸根结合到XPR1后，会诱导XPR1发生构象变化，形成一个贯通细胞膜的通道，使磷酸根离子流出细胞。

既然有门控机制，那就可定有开启机制的“钥匙”，那又是什么样的呢？

原来，XPR1蛋白拥有一个SPX结构域，这个结构域可以通过感受细胞内磷酸肌醇的浓度来调控XPR1外排磷酸根离子的通量：当细胞内磷酸根浓度较低时，多磷酸肌醇浓度降低，SPX结构域呈动态构象，XPR1的柔性络环结合在磷酸根入口附近并降低磷酸根进入蛋白的流量。当细胞内磷酸根浓度升高时，多磷酸肌醇浓度升高，SPX结构域结合多磷酸肌醇并转换为稳定构象，稳定状态的SPX结构域与柔性络环相互作用，使其远离磷酸根入口，从而增加磷酸根离子进入XPR1的流量。这样一来XPR1蛋白就可以利用自己末端一段柔性络环控制通道开口的大小，调控细胞内外磷酸盐的稳态了。

不得不说，如果真如研究揭示的那样，生物体的调控机制设计真的是巧夺天工。不过，目前的结果还有待于更多的研究加以佐证。

话题在回转到我们的饮食上，既然磷酸盐很重要，日常生活中是否要注意补充呢？

其实，绝大多数食物中都含有磷酸盐。比如，谷物、蔬菜、水果和肉类。正常情况下，食物中含有的磷酸盐是能够满足日常所需的，没有必要刻意补充。但是，这些情况则需要注意，一是，如果存在缺钙的情况，则可以遵医嘱对磷酸盐进行补充。二是，对于孕妇和处于快速生长发育期的儿童青少年，可以适当增加富含磷酸盐的食物。三是，对于肾功能不全的人，由于肾脏排泄能力下降，在食用含有磷酸盐过高的食物时要慎重。