点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:人体磷酸盐如何保持稳态?我国科学家揭示“阀门”工作机制
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

人体磷酸盐如何保持稳态?我国科学家揭示“阀门”工作机制

来源:光明网2024-08-28 09:35

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心姜道华团队利用冷冻电镜单颗粒技术和磷酸根外排功能体系对XPR1结构和功能进行了深入的分析,阐明了XPR1磷酸盐转运和调控机制,相关成果于8月21日在《自然》杂志发表。

  磷是人体含量第六多的常量元素,每个成年人大约含有1公斤的磷。由于含有大量磷元素,尸体降解过程中产生的磷化氢在某些条件下会自燃,发出荧荧“磷火”,在古代被迷信地称为“鬼火”。汉代文学家王逸在《九思·哀岁》曾写道:“神光兮熲熲,鬼火兮荧荧。”

  磷(Phosphorus,P)元素于1669年由德国化学家(炼金术士)亨尼格·布兰德在寻找“哲人石”的过程中发现,他从50桶人类尿液中意外得到一种像白蜡的物质,可以发出蓝绿色的火焰。现代研究表明,磷几乎参与生命体所有的生理进程:磷酸盐是骨骼和牙齿的主要成分;磷形成DNA、RNA、ATP和磷脂分子的骨架;磷参与酸碱平衡;蛋白质通过磷酸化/去磷酸化作为信号调节细胞代谢(图一)。

  人体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。其中,XPR1是哺乳动物中目前已知唯一的磷酸盐外排蛋白。本研究揭示了XPR1是如何外排磷酸盐的。

人体磷酸盐如何保持稳态?我国科学家揭示“阀门”工作机制

  图一:磷酸盐代谢涉及许多生物过程

  成年人每日从食物中获取约1000 mg磷酸盐,其中约700 mg磷酸盐在消化系统和泌尿系统中被人体吸收,剩余的磷酸盐在尿液和粪便中被排出体外。被吸收的磷酸盐中,有85 %储存于人体骨骼和牙齿中,14 %进入细胞内液,维持细胞内的磷酸盐稳态,约1 %的磷酸盐进入血清中,维持人体组织间的磷酸盐稳态。

  尽管磷酸盐在人体中如此重要,但过多的磷酸盐积累仍会引发许多不良后果,包括心血管、肿瘤发生、抑郁和神经元疾病等并发症。因此,将多余的磷酸盐排出细胞外就显得尤为重要,此时作为哺乳动物唯一的磷酸盐外排蛋白XPR1一马当先,以一己之力平衡局面。那么,XPR1是如何在细胞上力挽狂澜,救磷失衡细胞于“水火之中”呢?目前仍是未解之谜。

  XPR1是何方神圣,竟能如此逆天改命?那就不得不谈谈他的“前世今生”。最初XPR1以反转录病毒的细胞表面受体出现在大家的视野中,后续发现,小小蛋白竟然身兼数职,是什么让它如此能干?XPR1除了包含一个跨膜结构域外,还拥有一个普遍存在于动物、植物和微生物中“百搭”蛋白SPX结构域。这个“百搭”蛋白作为多磷酸肌醇的感受器,及时感受细胞内因磷酸盐过量而发出“SOS”。XPR1从外排磷酸盐,到感知“求救”信号,最后救细胞于“磷”难之时,是如何一步步实现的呢?

  在这项研究中,作者解析了XPR1处于关闭、开放和结合肌醇-6磷酸的三种不同构象的高分辨率结构。根据结构和功能结果,作者发现XPR1中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(图二)。

  XPR1蛋白非常的“聪明”,为了避免过多磷酸根离子的外排导致营养流失,XPR1利用自己末端一段柔性络环控制通道开口的大小。而SPX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(图三)。

  由于磷酸根结合位点,柔性络环,以及SPX结构域在酵母磷酸盐转运蛋白SYG1,植物磷酸盐转运蛋白PHO1和其他动物中的XPR1中高度保守,因此,作者推测这些蛋白应该采用类似的机制来维持磷酸盐的稳态。

人体磷酸盐如何保持稳态?我国科学家揭示“阀门”工作机制

  图二 XPR1不同构象的结构

  该研究发现了XPR1的结构类似于转运蛋白,但是采取一种新颖的类似于通道的门控机制外排磷酸根,显著不同于绝大多数转运蛋白采用的交替开放的转运机制。

  此外,该研究首次阐明了SPX结构域通过结合多磷酸肌醇调节XPR1的通量,提出多磷酸肌醇感知和磷酸盐输出之间的耦合机制,这些对人体磷酸根稳态的研究至关重要。

人体磷酸盐如何保持稳态?我国科学家揭示“阀门”工作机制

  图三 XPR1磷酸盐转运调节机制模型

  研究团队表示,尽管已经取得了阶段性进展,但一些关键问题仍然需要进一步研究探索。例如,XPR1作为病毒受体是如何介导病毒入侵细胞的?这些问题仍然有待研究人员后续的研究进行解答。(宋雅娟)

 

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 中朝新鸭绿江大桥开通仪式举行

  • 一箭十星 朱雀二号改进型遥四运载火箭发射成功

独家策划

推荐阅读
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
如今,AI正改变许多行业的底层逻辑,固守单一思维模式将面临严峻挑战,文理兼备、跨界融合才是稀缺能力——既有理科生的技术思维和逻辑能力,又有文科生的人文洞察和情感素养。未来更有竞争力的,可能不是最典型的文科生或理科生,而是既有专业深度,又能跨学科解决问题的人。
2026-10-14 09:48
不久前,在海南三亚崖州湾科技城,一场名为“青年π”的海洋主题对话临海开讲。高频下潜试出的不只有装备可靠性,也不断刷新人们对深海的认识。同一园区,由哈尔滨工程大学南海研究院孵化的海南水之声海洋科技有限公司,正给海洋装备搭水下“Wi-Fi”。
2026-10-14 09:49
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
高校辅导员队伍建设要把握高校思政工作的“变”与“不变”,着眼于增强辅导员对人工智能的趋势感知力、技术理解力、实践创新力和伦理判断力,将政策理念、形势挑战、技术发展、实践案例相结合,精心设计课程,切实增强人工智能赋能质效,全时空陪伴“数字一代”。
2026-10-13 09:57
今年10月12日,是我国首批国家公园设立五周年。五年来,各国家公园统筹推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,实施栖息地修复、生态廊道连通、人为活动管控等系列举措,区域生态本底持续巩固。
2026-10-13 09:51
巴山蜀水,苍茫山林间,大熊猫安然栖息,川金丝猴、珙桐等同域珍稀动植物共生于此。多年前,栖息地面积缩减一度令大熊猫濒临灭绝;圈养大熊猫也长期面临繁殖难、育幼难等难题,维系大熊猫种群数量极为不易。
2026-10-12 10:09
近年来,河北省唐山市丰南区积极调整农业结构,引导农户发展特色农业,通过“南果北移”“南苗北育”模式,引进优良甘蔗品种种植,促进农业增效农民增收。图为10月11日,唐山市丰南区黄各庄镇宣庄六街的农民在田间收获甘蔗。
2026-10-12 10:08
加拿大外长阿南德也表示,北极在关键矿产、能源、交通等方面拥有巨大潜力,但关键在于要让“当地人受益”。赵隆指出,特朗普2025年重返白宫后美国再度退出《巴黎协定》,加深了其与盟友在气候政策上的分歧。
2026-10-12 10:07
6时30分起,各类等待审核、签发的预报预警材料堆满了陈涛的案头;一个半小时后,全国天气会商准时开始,陈涛快步走上首席预报发言岗位——多方预报意见不断交汇,最终产生预报结论。
2026-10-12 10:07
加载更多