加州大學(xué)圣巴巴拉分校和紐約大學(xué)(NYU)的研究人員在對鈣磷酸鹽簇的組裝機(jī)制進(jìn)行直接調(diào)查時(shí)，有了一個驚人的發(fā)現(xiàn):水中的磷酸鹽離子有一種奇怪的習(xí)慣，可以在常見的水合狀態(tài)和以前未報(bào)道過的神秘“黑暗”狀態(tài)之間自發(fā)交替。他們說，這種最近發(fā)現(xiàn)的行為對理解磷酸鹽在生物催化、細(xì)胞能量平衡和生物材料形成中的作用具有意義。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊。

“磷酸鹽無處不在，”UCSB化學(xué)教授Songi Han說，他是《美國國家科學(xué)院院刊》一篇論文的作者之一。離子由一個磷原子和四個氧原子包圍而成。“它存在于我們的血液和血清中，”Han繼續(xù)說道?！八嬖谟诿總€生物學(xué)家的緩沖中，存在于我們的DNA和RNA上。”它也是我們骨骼和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)組成部分。

當(dāng)與鈣結(jié)合時(shí)，磷酸鹽在細(xì)胞和骨骼中形成礦物質(zhì)沉積物的過程中形成小的分子簇。這就是Han和UCSB的合作者M(jìn)atthew Helgeson和紐約大學(xué)的Alexej Jerschow準(zhǔn)備研究和描述的內(nèi)容，希望揭示UCSB物理學(xué)教授Matthew Fisher提出的對稱磷酸鹽簇中的量子行為。但首先，研究人員必須建立對照實(shí)驗(yàn)，其中包括通過核磁共振(NMR)波譜學(xué)和低溫透射電子顯微鏡掃描缺乏鈣的磷酸鹽離子。

但是，由于UCSB和紐約大學(xué)的學(xué)生正在收集參考數(shù)據(jù)，其中涉及不同濃度和溫度下水溶液中自然存在的同位素磷31，他們的結(jié)果與預(yù)期不符。例如，Han說，這條線代表了光譜核磁共振掃描期間的P³¹應(yīng)該隨著溫度的升高而變窄。

“原因是，溫度越高，分子翻滾得越快，”她解釋說。通常，這種快速的分子運(yùn)動會平均掉各向異性的相互作用，或者依賴于這些小分子的相對方向的相互作用。結(jié)果將是核磁共振儀器測量的共振變窄。

她說:“我們期待的是磷核磁共振信號，這是一個簡單的信號，峰值隨著溫度的升高而縮小。然而，令人驚訝的是，我們測量的光譜正在變寬，與我們預(yù)期的完全相反。”

這一違反直覺的結(jié)果使研究小組走上了一條新的道路，他們進(jìn)行了一次又一次的實(shí)驗(yàn)，以確定其分子水平的原因。在排除了一個又一個假設(shè)之后，結(jié)論是什么?磷酸鹽離子在廣泛的生物條件下形成了簇，這些簇逃避了直接的光譜檢測，這可能是它們以前沒有被觀察到的原因。此外，測量結(jié)果表明，這些離子在可見的“自由”狀態(tài)和黑暗的“組合”狀態(tài)之間交替，因此信號變寬，而不是一個尖銳的峰值。

此外，根據(jù)聯(lián)合主要作者M(jìn)esopotamia Nowotarski的說法，隨著溫度的升高，這些組裝態(tài)的數(shù)量也在增加，這是另一種依賴于溫度的行為。

她說:“從這些實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論是，磷酸鹽正在脫水，這使得它們能夠靠得更近?！痹谳^低的溫度下，溶液中的絕大多數(shù)磷酸鹽附著在水分子上，水分子在它們周圍形成一層保護(hù)性的水外套。當(dāng)考慮磷酸鹽在生物系統(tǒng)中的行為時(shí)，通常會假設(shè)這種水化狀態(tài)。但在更高的溫度下，Nowotarski解釋說，它們會脫落水盾，使它們能夠相互粘在一起。這一概念被探測磷酸鹽水殼的核磁共振實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并通過分析低溫透射電鏡圖像進(jìn)一步驗(yàn)證，以確定簇的存在，以及共同主要作者Joshua Straub對磷酸鹽組裝的能量學(xué)建模。

根據(jù)研究人員的說法，這些動態(tài)磷酸鹽組合和水合殼對生物學(xué)和生物化學(xué)具有重要的意義?；瘜W(xué)工程師Matthew Helgeson說，磷酸鹽是一種普遍理解的“貨幣”，在生物系統(tǒng)中通過轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷(ATP)和二磷酸腺苷(ADP)來儲存和消耗能量。他說:“如果水合磷酸鹽、ADP和ATP代表小額‘紙幣’，這一新發(fā)現(xiàn)表明，這些小額貨幣可以兌換大得多的面額——比如100美元——這可能與生物化學(xué)過程的相互作用與目前已知的機(jī)制非常不同。”

此外，許多生物分子成分包括磷酸基，它們可能類似地形成簇。因此，這些磷酸鹽可以自發(fā)組裝的發(fā)現(xiàn)可能會為其他基本的生物過程提供一些線索，比如生物礦化——貝殼和骨骼是如何形成的，以及蛋白質(zhì)的相互作用。

“我們還測試了一系列磷酸鹽，包括那些被納入ATP分子的磷酸鹽，它們都表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象，我們實(shí)現(xiàn)了對這些組合的定量分析，”聯(lián)合主要作者Jiaqi Lu說。

這個曾經(jīng)被忽視的過程在細(xì)胞信號、代謝和疾病過程中也可能很重要，比如阿爾茨海默病，在我們大腦中，一個磷酸基或磷酸化附著在tau蛋白上，通常存在于神經(jīng)纖維纏結(jié)中——這是神經(jīng)退行性疾病的標(biāo)志。在觀察和研究了這種組裝行為后，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在深入挖掘，研究了pH值對磷酸鹽組裝、遺傳翻譯和修飾蛋白組裝的影響，以及他們在磷酸鈣組裝方面的原始工作。

“這真的改變了我們對磷酸基作用的看法，我們通常不認(rèn)為磷酸基是分子組裝的驅(qū)動因素，”Han說。

本文的作者也包括加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Tanvi Sheth和Sally Jiao。