生物矿化

生物矿化这些美丽的画中是什么?珊瑚贝壳•尿结石1的剖面图•尿结石2的剖面图•你知道下面是什么图？一、生物矿物矿物质CaCO3SiO2Ca10(OH)2(PO4)6Ca3(PO4)2生物矿物：在生物体系特定条件下生成的矿物质特点：具有特殊的高级结构和组装方式具有特殊的理化性质和生物功能§1.生物矿物和生物矿化的概念生物矿化的产物=硬组织=矿化组织(骨、牙)=矿物质+有机基质（多糖、蛋白等）羟基磷灰石胶原蛋白二、生物矿化的种类化学式俗名实例CaCO3方解石鸟蛋壳、珊瑚、海绵刺CaCO3文石软体动物外壳、贝壳、珍珠CaMg(CO3)2白云石棘皮动物的牙Ca5(PO4)3(OH)羟基磷灰石骨、牙SiO2(H2O)n无定型水合硅植物的纤维、藻类、海绵刺Fe3O4磁铁矿细菌中的磁性晶体Fe3S4细菌中的磁性晶体CaBR胆红素钙色素型胆结石CaC2O4草酸钙尿结石NH4MgPO4磷酸铵镁尿结石三、生物矿化在生物体系中形成生物矿物的过程叫生物矿化.§2.生物矿化的形式正常矿化异常矿化(病理矿化)矿化在一定的部位进行，并按一定的组成、结构和程度完成矿化发生在不应形成矿化的部位，或者矿化过度或不足受控过程失控过程①控制矿化-脱矿平衡(热力学)①矿化不足或过度矿化Ca2++CO32-CaCO3脱矿②矿化速度过快或过慢②控制矿化速度(动力学)实例：口腔：龋齿、牙石胃肠道：胆结石、胰结石泌尿系统：尿结石及膀胱结石等实例：骨、牙、贝壳、珍珠等§3.生物矿物与生物矿化的特点一、生物矿物的特点1.硬组织在结构上是高度有序的2.硬组织的矿物质在有机基质中形成而又包括在基质中3.硬组织的矿物质不只参与矿化—脱矿平衡，而且也参与细胞活动4.硬组织的矿物质是在整个生物体代谢过程中形成的，而且参与代谢过程二、生物矿化的特点1.有特殊的反应介质（多糖、蛋白质等）2.基质对矿化的指导作用3.细胞、代谢的参与导致生物矿物结构上高度有序，在有机基质中形成而又包埋在基质中§4.天然生物的矿化产物一、骨和牙1.骨有机介质+Ca10(OH)2(PO4)6(CO32-、Mg2+)磷酸钙盐的主要结晶形式如下：羟基磷灰石（HA）磷酸八钙（OCP）二水磷酸氢钙（DCPD）磷酸三钙（TCP）有机基质:①胶原蛋白——一类糖蛋白，水溶性差作用：构成矿化组织的支持结构，糖羟基与Ca2+配位，——引起胶原蛋白的构象的变化及胶原纤维之间的交联胶原蛋白•胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I、H、HI和IV。下面主要讨论胶原蛋白I。•腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensilestrength)，约为20-30kg／mm2，相当于12号冷拉钢丝的拉力。•骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着经磷灰石(hydroxyapatite)[磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2]结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维。胶原蛋白的结构•胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单位是原胶原蛋白分子,长度为280nm，直径为1.5nm，分子量为300000。胶原纤维中的交联结构胶原蛋白生物体内胶原蛋白网②磷蛋白——可溶性蛋白天冬氨酸磷酸丝氨酸——与Ca2+结合力强作用：引起和指导矿化综上所述,骨是由无机矿物与生物大分子规则排列所组成的复合材料2.牙①牙本质a.胶原蛋白b.磷蛋白——载磷蛋白，每个分子可结合几百个Ca2+,并使Ca2+在它的分子上按磷酸基的分布而定位②牙釉质a.成釉蛋白(含Pro和Glu多),有疏水性b.釉蛋白：与多糖成共价键结合，含Asp和Gly多，为另一磷蛋白，有亲水性，与Ca2+亲和力大③龋齿的生物矿化研究a.龋齿发生的主要过程是一种脱矿过程，然后溶解的矿物由松散结合的水所替代。b.人工龋齿模型牙釉质长时间暴露于高浓度的氟试剂时形成的主要产物是氟化钙。1988年4月21-22日在荷兰召开的有关”牙釉质表面形成的类CaF2”的会议充分肯定了类CaF2在防龋齿中的重要意义。二、贝壳和珍珠1.贝壳a.角质层—壳质蛋白构成，最外层b.棱柱层—方解石c.珍珠层—文石2.珍珠和珍珠层壳角蛋白+CaCO3(文石）（复合蛋白）壳角蛋白：①不溶性多糖几丁质，呈ß折叠结构②富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白质，具有反平行ß折叠结构③富有天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同样是ß折叠结构，其中羟基与Ca2+强烈配位，形成晶体的核心YYYYAspAspAspCa2+CO32-3.蛋壳①蛋壳由方解石构成，约占96%-98%的体积百分比，其余是有机的水合物物质②Rehkngler指出，对从壳上横切下来的试样进行循环测试，得出其刚度为10-20GPa,大约是石灰石的1/3③蛋壳作为一个整体具有复杂的形状，而且它是脆的顺便指出，禽蛋壳不同于软体动物壳，它是由方解石组成的硬组织。•蛋白质与多糖是生物体中的主要高分子材料。在生物体中仅含蛋白质和仅含多糖的物质非常少见。绝人多数生物材料同时含有蛋白质和多糖，而且两者都含有一定量的水。这样，蛋白质、多糖和水就构成三相。大多数生物复合材料的组织中部含有胶原纤维以及—个其它蛋白质和多糖构成的母相。母相是指复合材料中的纤维或粒子嵌在其中的物质。三、胆结石①胆固醇型②色素型（胆红素、胆红素钙）棕色③混合型结石胆固醇+胆红素（胆红素钙）多种蛋白质组成：硫酸化糖蛋白多糖+糖蛋白+胆红素钙胆固醇等四、尿结石组成：CaC2O4NH4MgPO4CaHPO4粘蛋白+单纯蛋白质+粘多糖不含羟辅氨酸*基质在生物矿化中的作用1.反应的介质和硬组织的分散介质（支持结构）2.矿化的模板（为塑造硬组织的矿化做准备）3.金属离子的配合剂（提供成核的位点）4.软组织与硬组织的连接物（由两种蛋白质完成）5.矿化的促进剂和抑制剂成核作用抑制速度§5.生物体内的矿化过程生物体内大分子的预组织（确定无机物的成核位置）界面分子识别（静电作用结构对应立体对应）（对晶体的选择、晶型、取向、形貌有影响）生长调制（大小、取向和结构）细胞加工（矿化在细胞外进行）细胞分泌有机基质实例•举牙本质和牙釉质的矿化为例:•牙本质矿化步骤可大体上分为：1.在成牙质细胞层的顶端分泌胶原蛋白,成为牙本质的前身,实际上是为矿化做准备；2.合成磷蛋白并把它直接分泌在矿化前沿的胶原蛋白层上；3.部分磷蛋白与胶原蛋白结合,部分降解；4.磷酸钙的微晶或钙离子与磷蛋白结合；5.在结合的钙离子或晶体上形成HAP结晶，而且按胶原纤维排成有序结构。全过程如图所示腔原蛋白’置白费晤’其他非睡原置面’钙it开盾过程T「磷’蛋白i｜脏里重白’睡置自po2且口四v,4’结晶J!*l与握自睡在石结合成牙质细胞，前期牙丰匾．｜的瞬置臼牙本属矿化的也宇模型虽然牙釉质矿化过程与牙本质不同，但其方式非常相似。可以粗略地分为以下几步：1.在成釉细胞顶端分泌成釉蛋白及釉蛋白。2.与此几乎同时有HAP晶体开始形成，晶体被紧包在釉蛋白中，釉蛋白外面是连续相成釉蛋白。3.上述过程是在釉-本质界线处发生，而结晶长轴与釉-本质界线垂直延伸。4.成釉细胞后退留出空隙，这些细长的空隙与基质接触。5.釉柱在空隙中形成，长轴与空隙方向平行。组装有序化。6.此时成釉蛋白减少，晶体长大成熟，最后基本上只留下釉蛋白做为基质。成袖置由基质a抽置自b生＊盟生后期由开蛐形成的袖桂（a）到勤的抽桂（b)§6.生物矿化的研究进展•一、生物矿物的形貌、结构、特别是分级结构的研究（例如珍珠的光泽、骨、牙、象牙、鲍鱼、病理矿化）骨：和天然磷灰石一样，生物HAP的晶体由六面柱体的晶胞组成。a1=a2=0.9432nm。c＝O.6881nm，a轴互成120。夹角，c轴与a轴垂直。10个钙离子、6个磷酸根和两个氢氧离子构成一个晶胞。贝壳中较为常见的是珍珠层结构，棱柱结构以及交叉叠片结构。这几类结构可在一种贝壳中单独或同时出现。•例如，在双壳纲中可以观察到三种具有特性的结构(不包括最外层一角质层)：(a)内部为珍珠层结构，外部为棱柱结构；(b)簇叶形结构与少量交叉叠片结构混合；(c)单一交义叠片结构或以交叉叠片结构为主c•另外还发现在贝壳个存在其它类型结构的组合，但这三种是最常见的。珍珠、贝壳等巳（＇）唱4固5.2（〉贝壳角质启、棱佳扇的SEMJI呈现z{h）贝壳珍珠层横断面的TEM形.O'l,(c）日壳琦珠居层面的TF.M辄辙’靠童医白：段；；雄心：攘椒；嫩问』JL_T戴晴嗣...图2珍珠层的结构示意图（引自［2])Fig.2Structureofnacre(a)(b)章珠层文石景层的晶体结构（a）租矿化基质的结构（b)载体基质珍珠层的组装二、生物矿化机理的研究（体内研究难，最重要的方法：体外模拟研究，低等动物身上）•1.骨的矿化机制•有关骨的矿化机制主要存在以下两种认识：•(1)胶原纤维矿化•胶原纤维是成骨细胞分泌的有机基质，其基本结构设计是原胶原分子互相错开1/4所得的阵列，每一列中原胶原分子之间的空隙区(40nm)是骨骼形成中无机矿物最先成核和形成的主要部位，一些矿物随后才长到重叠区。矿化早期的火鸡肌腱是公认的研究骨矿化的理想模型，也是研究最多的结缔组织。并提出了比较合理的有关骨矿和胶原纤维空间关系的构槽模型。对脊椎动物骨骼中矿物晶体的透射电镜、x射线衍射(XRD)和扫描电镜研究表明骨矿为片状．约50nm×25nm×5nm，但由于骨矿的不均匀性，对其尺寸的观测也只能是统计的结果。事实上，骨矿的大部分是位于胶原纤维外面的，迄今对骨中矿物晶体在胶原纤维内外的动态三维装配过程的了解还是很肤浅的。(2)基质囊泡矿化•在胚胎发育、软骨生长和骨折愈合等特殊的骨形成期，发现细胞外基质中有基质囊泡存在于胶原纤维之间。它们富含钙离子、磷酸根离子和碱性磷酸酶，其分泌可能与细胞内的高尔基体有关。对于基质囊泡在骨矿化中的作用有三种观点：一是它本身不矿化，而只起调节周围环境中钙和磷酸根离子浓度的作用，进而控制或影响胶原纤维的矿化：二是基质囊泡内部有矿物沉积，泡膜破裂后针状的矿物晶体释放到胶原纤维孔隙区；三是基质囊泡本身充于胶原纤维矿化，然后附近的纤维受其影响迅速矿化。与基质囊泡相联系的矿物成分与胶原纤维内的相同，其形状主要有球状的针形晶体聚集(透明软骨)和不规则形状(火鸡肌腱)两种。2.胆结石的体外模拟研究胆结石的剖面图照2体外模拟实验中的周期沉淀Nd-..N巍的艇舷扩散体系Fig.4Ring-likestruc阳resformedh也emimicsys阳ncontainedFe3•F地t·5Dendriticalpa忱ernsandconnectionobservedafterpartofthepat也rnsinF悟，4beingmagnified60tnn四部3体外模拟实验中的分形输构Co书：atC的凝艇扩散体藏SEMimageofprecipitateintheboarSEMimageofcrystalaccumulationandfractalstructuresofprecipitateintheboarFigure1.FEG-SEMimagesoftheprecipitatesformedinadropofAbileofapatient.(a)arandombranchingfractalstructure;(b)closerviewofthestructureshowninrectangleinFig.1(a).Figure2.Anotherfractalstructureofprecipitateandtinygrainsdistributedrandomly.(a)generalview;(b)closerviewofthestructureshownintherectangleinFig.2(a);(c)morphologyofthetipofthebranchshownintherectangleinFig.2(b);Fig