《PNAS》从未报道过的知识点：磷酸盐与水的奇怪作用方式

加州大学圣巴巴拉分校和纽约大学(NYU)的研究人员在对钙磷酸盐簇的组装机制进行直接调查时，有了一个惊人的发现:水中的磷酸盐离子有一种奇怪的习惯，可以在常见的水合状态和以前未报道过的神秘“黑暗”状态之间自发交替。他们说，这种最近发现的行为对理解磷酸盐在生物催化、细胞能量平衡和生物材料形成中的作用具有意义。他们的发现发表在美国国家科学院院刊。

“磷酸盐无处不在，”UCSB化学教授Songi Han说，他是《美国国家科学院院刊》一篇论文的作者之一。离子由一个磷原子和四个氧原子包围而成。“它存在于我们的血液和血清中，”Han继续说道。“它存在于每个生物学家的缓冲中，存在于我们的DNA和RNA上。”它也是我们骨骼和细胞膜的结构组成部分。

当与钙结合时，磷酸盐在细胞和骨骼中形成矿物质沉积物的过程中形成小的分子簇。这就是Han和UCSB的合作者Matthew Helgeson和纽约大学的Alexej Jerschow准备研究和描述的内容，希望揭示UCSB物理学教授Matthew Fisher提出的对称磷酸盐簇中的量子行为。但首先，研究人员必须建立对照实验，其中包括通过核磁共振(NMR)波谱学和低温透射电子显微镜扫描缺乏钙的磷酸盐离子。

但是，由于UCSB和纽约大学的学生正在收集参考数据，其中涉及不同浓度和温度下水溶液中自然存在的同位素磷31，他们的结果与预期不符。例如，Han说，这条线代表了光谱核磁共振扫描期间的P³¹应该随着温度的升高而变窄。

“原因是，温度越高，分子翻滚得越快，”她解释说。通常，这种快速的分子运动会平均掉各向异性的相互作用，或者依赖于这些小分子的相对方向的相互作用。结果将是核磁共振仪器测量的共振变窄。

她说:“我们期待的是磷核磁共振信号，这是一个简单的信号，峰值随着温度的升高而缩小。然而，令人惊讶的是，我们测量的光谱正在变宽，与我们预期的完全相反。”

这一违反直觉的结果使研究小组走上了一条新的道路，他们进行了一次又一次的实验，以确定其分子水平的原因。在排除了一个又一个假设之后，结论是什么?磷酸盐离子在广泛的生物条件下形成了簇，这些簇逃避了直接的光谱检测，这可能是它们以前没有被观察到的原因。此外，测量结果表明，这些离子在可见的“自由”状态和黑暗的“组合”状态之间交替，因此信号变宽，而不是一个尖锐的峰值。

此外，根据联合主要作者Mesopotamia Nowotarski的说法，随着温度的升高，这些组装态的数量也在增加，这是另一种依赖于温度的行为。

她说:“从这些实验中得出的结论是，磷酸盐正在脱水，这使得它们能够靠得更近。”在较低的温度下，溶液中的绝大多数磷酸盐附着在水分子上，水分子在它们周围形成一层保护性的水外套。当考虑磷酸盐在生物系统中的行为时，通常会假设这种水化状态。但在更高的温度下，Nowotarski解释说，它们会脱落水盾，使它们能够相互粘在一起。这一概念被探测磷酸盐水壳的核磁共振实验证实，并通过分析低温透射电镜图像进一步验证，以确定簇的存在，以及共同主要作者Joshua Straub对磷酸盐组装的能量学建模。

根据研究人员的说法，这些动态磷酸盐组合和水合壳对生物学和生物化学具有重要的意义。化学工程师Matthew Helgeson说，磷酸盐是一种普遍理解的“货币”，在生物系统中通过转化为三磷酸腺苷(ATP)和二磷酸腺苷(ADP)来储存和消耗能量。他说:“如果水合磷酸盐、ADP和ATP代表小额‘纸币’，这一新发现表明，这些小额货币可以兑换大得多的面额——比如100美元——这可能与生物化学过程的相互作用与目前已知的机制非常不同。”

此外，许多生物分子成分包括磷酸基，它们可能类似地形成簇。因此，这些磷酸盐可以自发组装的发现可能会为其他基本的生物过程提供一些线索，比如生物矿化——贝壳和骨骼是如何形成的，以及蛋白质的相互作用。

“我们还测试了一系列磷酸盐，包括那些被纳入ATP分子的磷酸盐，它们都表现出相同的现象，我们实现了对这些组合的定量分析，”联合主要作者Jiaqi Lu说。

这个曾经被忽视的过程在细胞信号、代谢和疾病过程中也可能很重要，比如阿尔茨海默病，在我们大脑中，一个磷酸基或磷酸化附着在tau蛋白上，通常存在于神经纤维缠结中——这是神经退行性疾病的标志。在观察和研究了这种组装行为后，该团队现在正在深入挖掘，研究了pH值对磷酸盐组装、遗传翻译和修饰蛋白组装的影响，以及他们在磷酸钙组装方面的原始工作。

“这真的改变了我们对磷酸基作用的看法，我们通常不认为磷酸基是分子组装的驱动因素，”Han说。

本文的作者也包括加州大学圣巴巴拉分校的Tanvi Sheth和Sally Jiao。