第3章生物礦化作用及機制

1、第五章第五章 生物礦化作用及生物礦化生物礦化作用及生物礦化機制機制P47P47 3.1 生物礦化概述v生物礦化生物礦化是指在一定條件下是指在一定條件下, ,在生物體的不同部位在生物體的不同部位, ,以各種以各種作用方式作用方式, ,在在有機基質和細胞的參與下有機基質和細胞的參與下, ,無機元素從環(huán)境中選無機元素從環(huán)境中選擇性地在特定的有機基質上成核、生長和相變而轉變?yōu)榻Y構擇性地在特定的有機基質上成核、生長和相變而轉變?yōu)榻Y構高度有序的生物礦物的過程。高度有序的生物礦物的過程。v生物礦化材料是由生命系統(tǒng)參與合成的天然生物陶瓷和生生物礦化材料是由生命系統(tǒng)參與合成的天然生物陶瓷和生物高分子復合材料，如

2、骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。物高分子復合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。主要無機成分：主要無機成分：碳酸鈣、磷酸鈣、氧化硅、羥基磷灰石碳酸鈣、磷酸鈣、氧化硅、羥基磷灰石等，等，v生物礦物生物礦物：在：在生物體系特定條件下生物體系特定條件下生成的礦物質生成的礦物質v特點特點：具有特殊的高級結構和組裝方式：具有特殊的高級結構和組裝方式, ,具有特具有特殊的理化性質和生物功能殊的理化性質和生物功能v礦物質礦物質:CaCO:CaCO3 3 SiO SiO2 2 Ca Ca1010(OH)(OH)2 2(PO(PO4 4) )6 6 CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2v生物礦物生物

3、礦物生物礦物的種類與功能碳酸鹽碳酸鹽碳酸鹽碳酸鹽磷酸鹽硫酸鹽和草酸鹽氧化硅碳酸鈣v結構：生物礦化中最常見的有文石和方解石兩種，還有球文石；v功能：腹足動物貝殼的珍珠層由文石結構的碳酸鈣組成，在幾種海綿中球文石以刺的形式存在，刺可能起結構支撐的作用或者防止食肉動物對它的危害。 在動物內耳中有成百的小方解石單晶。v方解石是碳酸鈣方解石是碳酸鈣最穩(wěn)定最穩(wěn)定的一種晶型：六方晶系的一種晶型：六方晶系v文石是碳酸鈣另一種文石是碳酸鈣另一種較穩(wěn)定較穩(wěn)定的晶型：正交晶系的晶型：正交晶系v球文石是碳酸鈣的球文石是碳酸鈣的亞穩(wěn)亞穩(wěn)晶型：六方晶系晶型：六方晶系v 貝殼的結構：貝殼的結構：1)1)角質層角質層殼角蛋白

4、構成，最外層殼角蛋白構成，最外層2)2)棱柱層棱柱層方解石方解石3)3)珍珠層珍珠層文石文石v 殼角蛋白包括：殼角蛋白包括：1)1)幾丁質，呈幾丁質，呈折疊結構折疊結構2)2)富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白質，具有反平行富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白質，具有反平行折疊折疊結構結構3)3)富有天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同樣是富有天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同樣是折疊結折疊結構，其中羥基與構，其中羥基與Ca2+Ca2+強烈配位，形成晶體的核心強烈配位，形成晶體的核心貝殼貝殼貝殼與珍珠 礦物以文石文石為主； 貝殼貝殼中常見的是珍珠層、棱柱結構和交叉疊片結構； 珍珠珍珠具有類似于貝殼珍珠層疊

5、片結構；珍珠層得名是因為它具有珍珠光澤，珍珠光澤的產(chǎn)生就是與這種特殊的微觀結構疊片累積堆砌結構有關。非晶態(tài)碳酸鈣非晶態(tài)碳酸鈣還沉淀在許多植物的葉子上，它的作用是儲存鈣。雖然這種材料在無機系統(tǒng)中非常不穩(wěn)定，它會在含水溶液中迅速發(fā)生相變，但在生物礦物中似乎是穩(wěn)定的，這是由于生物大分子（如聚糖）在固體表面黏附的緣故。骨v 骨有機介質：骨有機介質：CaCa1010(OH)(OH)2 2(PO(PO4 4) )6 6 (CO (CO3 32-2-、MgMg2+2+) )v 磷酸鈣鹽的主要結晶形式如下：磷酸鈣鹽的主要結晶形式如下：v 羥基磷灰石（羥基磷灰石（HAHA）v 磷酸八鈣（磷酸八鈣（OCPOCP）

6、v 二水磷酸氫鈣（二水磷酸氫鈣（DCPDDCPD）v 磷酸三鈣（磷酸三鈣（TCPTCP）v 骨骼中的羥基磷灰石是一種骨骼中的羥基磷灰石是一種活活“礦物礦物”，因為它在不斷，因為它在不斷地地生長、溶解、重構，生長、溶解、重構，不僅起結構支撐作用，而且能保不僅起結構支撐作用，而且能保持體內平衡儲存鈣，并在需要的時候提供鈣。持體內平衡儲存鈣，并在需要的時候提供鈣。v膠原蛋白膠原蛋白不溶性蛋白不溶性蛋白作用：構成礦化組織的支持結構，羥基與作用：構成礦化組織的支持結構，羥基與Ca2+Ca2+配位，引配位，引起膠原蛋白的構象的變化及膠原纖維之間的交聯(lián)起膠原蛋白的構象的變化及膠原纖維之間的交聯(lián)磷蛋白磷蛋白可

7、溶性蛋白（天冬氨酸、磷酸絲氨酸，與可溶性蛋白（天冬氨酸、磷酸絲氨酸，與Ca2+Ca2+結合力強）結合力強）作用：引起和指導礦化作用：引起和指導礦化v骨是由無機礦物與生物大分子規(guī)則排列所組成的復合材料骨是由無機礦物與生物大分子規(guī)則排列所組成的復合材料v骨的有機基質骨的有機基質Introduction牙v牙：羥基磷灰石（97%）有機物（1%）牙本質和牙釉質外殼，牙本質類似骨，其結構比骨更均勻一致，晶粒更細，牙本質充滿了細管，細管由高鈣化區(qū)包圍，位于自由取向的晶體基體上，而晶體鑲嵌在黏多糖和膠原中，膠原為片狀，其位向平行于牙質的表面。牙釉質，覆蓋于牙冠表面，暴露于口腔中，它是高度的礦化系統(tǒng)，其不同尋

8、常的化學組成和高度有序的結構成為脊椎動物中最致密的材料。3.4 異常生物礦化 P84v正常礦化與病理礦化的區(qū)別v泌尿系結合由泌尿系結合由無機晶體和有機基質無機晶體和有機基質兩部分組成，兩部分組成，其中晶體占結石干重的其中晶體占結石干重的97-98%v晶體主要成分為晶體主要成分為一水合草酸鈣、二水合草酸鈣一水合草酸鈣、二水合草酸鈣和尿酸和尿酸v1. 泌尿系結石泌尿系結石泌尿系結石牙的病理礦化P88 v牙釉質齲病的形成涉及很多因素，分析化學指出，齲病發(fā)生的主要過程是一種脫礦過程；簡單地說，是釉質酸性溶解的結果。v牙石：主要成分為羥基磷灰石、碳酸鈣v氟牙癥（斑釉）：少量氟化物的參與能可防止釉質溶解；

9、過量攝入氟則可能導致氟牙癥。牙石氟牙癥生物礦化原理生物礦化原理 基質中的礦化 細胞效應 生物介質效應 基質的特性 從溶液中析出難溶鹽結晶是地球表層礦物形成過從溶液中析出難溶鹽結晶是地球表層礦物形成過程之一，例如磷灰石礦物的形成：程之一，例如磷灰石礦物的形成：5Ca2+ + 3PO3-4 + OH-Ca5(OH)(PO4)3(s) 牙本質礦化步驟可大體上分為：牙本質礦化步驟可大體上分為：1.1.在成牙質細胞層的頂端在成牙質細胞層的頂端分泌膠原蛋白分泌膠原蛋白, ,成為牙本質的前身成為牙本質的前身, ,實際上是為礦化做準備；實際上是為礦化做準備；2.2.合成磷蛋白合成磷蛋白并把它直接分泌在礦化前沿

10、的膠原蛋白層上；并把它直接分泌在礦化前沿的膠原蛋白層上；3.3.部分磷蛋白部分磷蛋白與膠原蛋白結合與膠原蛋白結合, ,部分降解；部分降解；4.4.磷酸鈣的微晶或鈣離子磷酸鈣的微晶或鈣離子與磷蛋白結合與磷蛋白結合；5.5.在結合的鈣離子或晶體上在結合的鈣離子或晶體上形成形成HAPHAP結晶結晶，而且按膠原纖維，而且按膠原纖維排成排成有序結構有序結構。實例實例v礦化與脫礦在生物體內表現(xiàn)為硬組織的溶解與再造（Remodelling）。溶解與再造速度比隨年齡變化，使硬組織不斷成長而后退化。原因：生物礦化是在基質指導下進行的，特定的基質產(chǎn)生特定的晶體結構。而基質的生物合成又是在細胞指導下進行的，特定的細

11、胞分泌特定的基質。例如： 軟骨細胞合成II型膠原蛋白。II型膠原蛋白-蛋白多糖抑制羥基磷灰石的結晶成長，所以形成軟骨。 成骨細胞合成I型膠原蛋白及某些蛋白多糖，它們促使磷灰石在膠原纖維-磷酸蛋白復合物表面磷酸基上成核生長，并充填于膠原纖維空區(qū)中，形成骨骼（長骨）。 基質中的礦化 成核定位 基質最基本的作用之一是指導礦物晶體異相成核，以基質為模板“塑造”生物礦化。 珍珠貝的珍珠層由霰石結構的碳酸鈣結晶組成，這些結晶成大小均勻的螺旋形。它是在一種卷曲成平面六邊形網(wǎng)絡結構的蛋白質基質指導下形成的?；|中有規(guī)則分布的鈣結合位點，能使碳酸鈣以一定距離成核，并且照它的螺旋結構形成霰石螺旋。v抑制結晶成長

12、在基質中除去軟骨中的膠原蛋白外，還有一些控制礦化速度的基質成分，如軟骨蛋白多糖。它們能與Ca2+結合使Ca2+活度降低；v軟組織與硬組織的結合 所有硬組織中的礦物晶體都與基質相連，而整個硬組織又與作為它的基礎的軟組織相連。v細胞效應 細胞是礦化的主人，它控制和保證所有決定礦化的條件，因此不同細胞產(chǎn)生不同的礦物質。這種高度選擇性是由以下幾種因素決定的：v合成和分泌不同基質 能形成不同礦物質。v結晶抑制作用 細胞在生物礦化中所起的主要作用是為礦化準備了條件（過飽和溶液和基質），但又使礦化不在細胞內發(fā)生。 細胞內游離Ca2+濃度很低。鈣泵、線粒體濃縮Ca2+。由于濃縮作用，線粒體內有無定形磷酸鈣顆粒

13、存在；細胞內液中鈣離子和磷酸根離子濃度達到過飽和程度。在此，結晶不能成長。原因是細胞內液中的ATP、2，3二磷酸甘油、3磷酸檸檬酸等的抑制作用。它們結合在正在成長的晶格生長點上，阻止晶格的進一步建造。有趣的是，只需極少數(shù)分子占據(jù)生長點，就可以發(fā)揮抑制作用。 例如一個磷酸檸檬酸分子能阻止數(shù)千個磷酸鈣分子結晶成長。由于抑制劑的作用使微粒不能轉化為晶體，而能通過細胞膜進入細胞外基質中。這里沒有抑制劑，微粒轉化為羥基磷灰石而成長。 基質小泡的作用 通過基質小泡實現(xiàn)礦化是某些硬組織形成的特點。例如，正在增殖的軟骨細胞漿膜開始形成一個芽狀小泡，而后與細胞分開形成獨立于細胞外的細胞器，在磷脂作用下轉化成磷灰

14、石。 生物介質效應 生物反應介質中最重要的是細胞外基質。它充滿細胞間的空間，把細胞與細胞分開。細胞的分化、增殖、死亡等都與它有關。 細胞間基質是一個水凝膠，含有水、電解質、各種代謝物、溶解的氣體、痕量元素、維生素、酶、糖、脂肪和蛋白質。但是，它們不是簡單的溶液或凝膠。實際上可以把它看作是膠原纖維組成的、三維網(wǎng)絡增強的、富有長鏈酸性粘多糖聚合物的高粘度溶液。粘多糖聚合物由糖胺聚糖（透明質酸、軟骨素及其硫酸脂）和有關的蛋白多糖組成?；|的特性 細胞外基質的基本性質：高粘度、有粘合性。而且有些情況下，膠原纖維提供特殊反應條件。如骨礦化就是在細胞外基質中形成的。其中，膠原蛋白既起結晶中心作用，促進成核

15、；又起膜板作用，使磷灰石微晶按其長軸、以與膠原纖維伸展方向平行的方式，有序地排列在膠原纖維的空區(qū)之中。v立體化學互補立體化學互補是指界面處的有機分子和晶體中是指界面處的有機分子和晶體中的無機離子在空間結構上達到互補，從而的無機離子在空間結構上達到互補，從而相互識相互識別并引發(fā)特定的成核別并引發(fā)特定的成核。v空間定位空間定位是指有機界面提供了一個有效中心，是指有機界面提供了一個有效中心，使晶體在這個中心內使晶體在這個中心內定位生長定位生長，同時，它又對晶，同時，它又對晶體生長在空間上的擴展給予體生長在空間上的擴展給予約束和限制約束和限制，從而使，從而使得晶體得晶體在結構、形態(tài)及尺寸上都得到了控制。在結構、形態(tài)及尺寸上都得到了控制。v立體化學互補和空間定位立體化學互補和空間定位v靜電作用對于界面靜電作用對于界面電荷富集電荷富集和和雙電荷層雙電荷層的形成起著關鍵的形成起著關鍵的作用。帶負電荷的有機基質螯合帶正電荷的陽離子，然的作用。帶負電荷的有機基質螯合帶正電荷的陽離子，然后吸引陰離子并使局部晶體陰離子濃度增大，從而進一步后吸引陰離子并使局部晶體陰離子濃度增大，從而進一步吸引更多的陽離子，直到濃度增大到有利于晶體的異相成吸引更多的陽離子，直到濃度增大到有利于晶體的異相成核。