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

  • 皇岗口岸将于12日正式开通运行

  • “轨道上的长三角”进度刷新 通苏嘉甬高铁望虞河斜拉桥合龙

独家策划

推荐阅读
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
搭载“蛟龙”号载人潜水器的“深海一号”船近日从福建厦门起航,赴南太平洋执行中国大洋100航次第二航段科学考察,这也是“蛟龙”号首次在南太平洋开展调查作业。
2026-10-10 07:18
日前,中央网信办通报该专项行动第二阶段工作成效,累计清理违法违规信息561万余条,查处账号4.9万余个,处置违规网站、应用程序等2400余个。
2026-10-10 07:16
在台风“扎堆”出现的状态中,有一个“巧合”引起广泛关注:今年第9号台风“巴威”、第13号台风“白海豚”、第18号台风“沙德尔”相继登陆浙江省台州市玉环市坎门街道,上演罕见的台风登陆“帽子戏法”,创下新的华东沿海台风登陆气象纪录。
2026-10-10 07:15
近年来,我国持续强化危险化学品应急救援队伍建设。目前,全国已建成580支、4.1万余人的危险化学品应急救援队伍,国家层面建成45支国家级危险化学品应急救援队伍,基本实现重点化工区域、重大风险点位应急救援力量全覆盖,应急快速响应、就近高效处置能力不断提升。
2026-10-10 07:09
看着货架上让人眼花缭乱的食品,你会怎么挑?相信不少人都会第一时间翻看配料表。事实上,配料表的长短可不是“安全标尺”,并不和食品品质挂钩;同样,食品添加剂的种类繁多,也并不意味着有害和超标——
2026-10-10 07:06
记者邓晖从清华大学获悉,该校物理系丁世谦团队近日利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光,以及与合作团队共同研制的掺钍-229氟化钙晶体,实现钍-229核跃迁吸收光谱测量,并将激光频率稳定锁定至核跃迁,实现核光钟运行。
2026-10-09 10:02
获嘉县艳阳天农业服务专业合作社理事长徐方子站在试验田的地头,轻点手机屏幕,电动阀应声开启,水肥顺着滴灌管线精准送达每一株玉米根部。从“会种地”到“慧种地”,从中原粮仓到国人餐桌,河南把创新嵌进农业家底里,让老把式用上新技术,让泥土地长出新生意。
2026-10-09 10:03
国家卫生健康委、国家发展改革委近日印发《医疗康复护理扩容提升工程实施方案》。根据方案,“十五五”期间,原则上支持每个省份建设至少1个康复或护理临床重点专科,省级、设区的市级临床重点专科建设向康复、护理专业倾斜。
2026-10-09 10:05
题:新就业形态劳动者权益保障新规回应哪些关切 随着依托互联网平台就业的新就业形态劳动者数量持续增长,新就业形态劳动者权益保障办法将着力保障该群体合法权益,推动新就业形态健康发展。
2026-10-09 10:07
作为区域性的综合农业服务枢纽,现代农事综合服务中心可以统筹农技、农资、农机、加工、物流、销售等服务能力。“十五五”期间,数字乡村、智慧农业既要持续加强技术研发,也要更加重视通过完善的服务体系把数字化、智能化能力送到田间地头。
2026-10-09 10:11
9月24日,江苏苏州太仓市沙溪镇虹桥村连片稻田里,晚稻正值灌浆关键期,预计10月下旬即可开镰秋收。自此,太仓全市366台粮食烘干设备实现清洁热源100%全覆盖,秋粮归仓的“最后一公里”即将全程用上绿能。
2026-10-09 10:14
你知道吗,复杂的电路系统也可以“纺”进柔软的纤维里,编织机器人电子皮肤成为可能。
2026-10-08 09:26
全球河流每年向海洋输送多少微塑料?答案是约26万吨。河流是陆源微塑料进入海洋的重要通道之一,但全球河流一年到底输送了多少微塑料,这些污染又集中在什么时候入海,一直缺少可靠估算。
2026-10-08 09:18
水稻的生长发育涉及不同类型细胞的协同作用。
2026-10-08 09:17
一粒黄豆,如何酿成一瓶“智慧”酱油?一把原丝,怎样织就全球棉纺织行业首座“灯塔工厂”?一颗玉米,又如何扛起粮食安全的分量?
2026-10-08 09:16
在分子的镜像世界里,生命体系的某些关键分子,为何偏爱其中一种模样?
2026-10-08 08:30
加载更多