第3章生物礦化作用及機(jī)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(jī)制機(jī)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(jī)基質(zhì)和細(xì)胞的參與下有機(jī)基質(zhì)和細(xì)胞的參與下, ,無(wú)機(jī)元素從環(huán)境中選無(wú)機(jī)元素從環(huán)境中選擇性地在特定的有機(jī)基質(zhì)上成核、生長(zhǎng)和相變而轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)擇性地在特定的有機(jī)基質(zhì)上成核、生長(zhǎng)和相變而轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)高度有序的生物礦物的過(guò)程。高度有序的生物礦物的過(guò)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(fù)合材料，如

2、骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。物高分子復(fù)合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。主要無(wú)機(jī)成分：主要無(wú)機(jī)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(zhì)生成的礦物質(zhì)v特點(diǎn)特點(diǎn)：具有特殊的高級(jí)結(jié)構(gòu)和組裝方式：具有特殊的高級(jí)結(jié)構(gòu)和組裝方式, ,具有特具有特殊的理化性質(zhì)和生物功能殊的理化性質(zhì)和生物功能v礦物質(zhì)礦物質(zhì):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(jié)構(gòu)：生物礦化中最常見(jiàn)的有文石和方解石兩種，還有球文石；v功能：腹足動(dòng)物貝殼的珍珠層由文石結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)支撐的作用或者防止食肉動(dòng)物對(duì)它的危害。 在動(dòng)物內(nèi)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(jié)構(gòu)：貝殼的結(jié)構(gòu)：1)1)角質(zhì)層角質(zhì)層殼角蛋白

4、構(gòu)成，最外層殼角蛋白構(gòu)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(zhì)，呈幾丁質(zhì)，呈折疊結(jié)構(gòu)折疊結(jié)構(gòu)2)2)富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白質(zhì)，具有反平行富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白質(zhì)，具有反平行折疊折疊結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jié)折疊結(jié)構(gòu)，其中羥基與構(gòu)，其中羥基與Ca2+Ca2+強(qiáng)烈配位，形成晶體的核心強(qiáng)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(jiàn)的是珍珠層、棱柱結(jié)構(gòu)和交叉疊片結(jié)構(gòu)； 珍珠珍珠具有類似于貝殼珍珠層疊

5、片結(jié)構(gòu)；珍珠層得名是因?yàn)樗哂姓渲楣鉂?，珍珠光澤的產(chǎn)生就是與這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)疊片累積堆砌結(jié)構(gòu)有關(guān)。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(chǔ)存鈣。雖然這種材料在無(wú)機(jī)系統(tǒng)中非常不穩(wěn)定，它會(huì)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(jī)介質(zhì)：骨有機(jī)介質(zhì)：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(jié)晶形式如下：磷酸鈣鹽的主要結(jié)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?yàn)樗诓粩?，因?yàn)樗诓粩嗟氐厣L(zhǎng)、溶解、重構(gòu)，生長(zhǎng)、溶解、重構(gòu)，不僅起結(jié)構(gòu)支撐作用，而且能保不僅起結(jié)構(gòu)支撐作用，而且能保持體內(nèi)平衡儲(chǔ)存鈣，并在需要的時(shí)候提供鈣。持體內(nèi)平衡儲(chǔ)存鈣，并在需要的時(shí)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(gòu)成礦化組織的支持結(jié)構(gòu)，羥基與作用：構(gòu)成礦化組織的支持結(jié)構(gòu)，羥基與Ca2+Ca2+配位，引配位，引起膠原蛋白的構(gòu)象的變化及膠原纖維之間的交聯(lián)起膠原蛋白的構(gòu)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(jié)合力強(qiáng)）結(jié)合力強(qiáng)）作用：引起和指導(dǎo)礦化作用：引起和指導(dǎo)礦化v骨是由無(wú)機(jī)礦物與生物大分子規(guī)則排列所組成的復(fù)合材料骨是由無(wú)機(jī)礦物與生物大分子規(guī)則排列所組成的復(fù)合材料v骨的有機(jī)基質(zhì)骨的有機(jī)基質(zhì)Introduction牙v牙：羥基磷灰石（97%）有機(jī)物（1%）牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)外殼，牙本質(zhì)類似骨，其結(jié)構(gòu)比骨更均勻一致，晶粒更細(xì)，牙本質(zhì)充滿了細(xì)管，細(xì)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(zhì)的表面。牙釉質(zhì)，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(xué)組成和高度有序的結(jié)構(gòu)成為脊椎動(dòng)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(jié)合由泌尿系結(jié)合由無(wú)機(jī)晶體和有機(jī)基質(zhì)無(wú)機(jī)晶體和有機(jī)基質(zhì)兩部分組成，兩部分組成，其中晶體占結(jié)石干重的其中晶體占結(jié)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(jié)石泌尿系結(jié)石泌尿系結(jié)石牙的病理礦化P88 v牙釉質(zhì)齲病的形成涉及很多因素，分析化學(xué)指出，齲病發(fā)生的主要過(guò)程是一種脫礦過(guò)程；簡(jiǎn)單地說(shuō)，是釉質(zhì)酸性溶解的結(jié)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(zhì)溶解；

9、過(guò)量攝入氟則可能導(dǎo)致氟牙癥。牙石氟牙癥生物礦化原理生物礦化原理 基質(zhì)中的礦化 細(xì)胞效應(yīng) 生物介質(zhì)效應(yīng) 基質(zhì)的特性 從溶液中析出難溶鹽結(jié)晶是地球表層礦物形成過(guò)從溶液中析出難溶鹽結(jié)晶是地球表層礦物形成過(guò)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(zhì)礦化步驟可大體上分為：牙本質(zhì)礦化步驟可大體上分為：1.1.在成牙質(zhì)細(xì)胞層的頂端在成牙質(zhì)細(xì)胞層的頂端分泌膠原蛋白分泌膠原蛋白, ,成為牙本質(zhì)的前身成為牙本質(zhì)的前身, ,實(shí)際上是為礦化做準(zhǔn)備；實(shí)際上是為礦化做準(zhǔn)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(jié)合與膠原蛋白結(jié)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(jié)合與磷蛋白結(jié)合；5.5.在結(jié)合的鈣離子或晶體上在結(jié)合的鈣離子或晶體上形成形成HAPHAP結(jié)晶結(jié)晶，而且按膠原纖維，而且按膠原纖維排成排成有序結(jié)構(gòu)有序結(jié)構(gòu)。實(shí)例實(shí)例v礦化與脫礦在生物體內(nèi)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(zhǎng)而后退化。原因：生物礦化是在基質(zhì)指導(dǎo)下進(jìn)行的，特定的基質(zhì)產(chǎn)生特定的晶體結(jié)構(gòu)。而基質(zhì)的生物合成又是在細(xì)胞指導(dǎo)下進(jìn)行的，特定的細(xì)

11、胞分泌特定的基質(zhì)。例如： 軟骨細(xì)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(jié)晶成長(zhǎng)，所以形成軟骨。 成骨細(xì)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(fù)合物表面磷酸基上成核生長(zhǎng)，并充填于膠原纖維空區(qū)中，形成骨骼（長(zhǎng)骨）。 基質(zhì)中的礦化 成核定位 基質(zhì)最基本的作用之一是指導(dǎo)礦物晶體異相成核，以基質(zhì)為模板“塑造”生物礦化。 珍珠貝的珍珠層由霰石結(jié)構(gòu)的碳酸鈣結(jié)晶組成，這些結(jié)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(luò)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)基質(zhì)指導(dǎo)下形成的?；|(zhì)中有規(guī)則分布的鈣結(jié)合位點(diǎn)，能使碳酸鈣以一定距離成核，并且照它的螺旋結(jié)構(gòu)形成霰石螺旋。v抑制結(jié)晶成長(zhǎng)

12、在基質(zhì)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(zhì)成分，如軟骨蛋白多糖。它們能與Ca2+結(jié)合使Ca2+活度降低；v軟組織與硬組織的結(jié)合 所有硬組織中的礦物晶體都與基質(zhì)相連，而整個(gè)硬組織又與作為它的基礎(chǔ)的軟組織相連。v細(xì)胞效應(yīng) 細(xì)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(xì)胞產(chǎn)生不同的礦物質(zhì)。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(zhì) 能形成不同礦物質(zhì)。v結(jié)晶抑制作用 細(xì)胞在生物礦化中所起的主要作用是為礦化準(zhǔn)備了條件（過(guò)飽和溶液和基質(zhì)），但又使礦化不在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生。 細(xì)胞內(nèi)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(nèi)有無(wú)定形磷酸鈣顆粒

13、存在；細(xì)胞內(nèi)液中鈣離子和磷酸根離子濃度達(dá)到過(guò)飽和程度。在此，結(jié)晶不能成長(zhǎng)。原因是細(xì)胞內(nèi)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(jié)合在正在成長(zhǎng)的晶格生長(zhǎng)點(diǎn)上，阻止晶格的進(jìn)一步建造。有趣的是，只需極少數(shù)分子占據(jù)生長(zhǎng)點(diǎn)，就可以發(fā)揮抑制作用。 例如一個(gè)磷酸檸檬酸分子能阻止數(shù)千個(gè)磷酸鈣分子結(jié)晶成長(zhǎng)。由于抑制劑的作用使微粒不能轉(zhuǎn)化為晶體，而能通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞外基質(zhì)中。這里沒(méi)有抑制劑，微粒轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石而成長(zhǎng)。 基質(zhì)小泡的作用 通過(guò)基質(zhì)小泡實(shí)現(xiàn)礦化是某些硬組織形成的特點(diǎn)。例如，正在增殖的軟骨細(xì)胞漿膜開(kāi)始形成一個(gè)芽狀小泡，而后與細(xì)胞分開(kāi)形成獨(dú)立于細(xì)胞外的細(xì)胞器，在磷脂作用下轉(zhuǎn)化成磷灰

14、石。 生物介質(zhì)效應(yīng) 生物反應(yīng)介質(zhì)中最重要的是細(xì)胞外基質(zhì)。它充滿細(xì)胞間的空間，把細(xì)胞與細(xì)胞分開(kāi)。細(xì)胞的分化、增殖、死亡等都與它有關(guān)。 細(xì)胞間基質(zhì)是一個(gè)水凝膠，含有水、電解質(zhì)、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(zhì)。但是，它們不是簡(jiǎn)單的溶液或凝膠。實(shí)際上可以把它看作是膠原纖維組成的、三維網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的、富有長(zhǎng)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(zhì)酸、軟骨素及其硫酸脂）和有關(guān)的蛋白多糖組成?；|(zhì)的特性 細(xì)胞外基質(zhì)的基本性質(zhì)：高粘度、有粘合性。而且有些情況下，膠原纖維提供特殊反應(yīng)條件。如骨礦化就是在細(xì)胞外基質(zhì)中形成的。其中，膠原蛋白既起結(jié)晶中心作用，促進(jìn)成核

15、；又起膜板作用，使磷灰石微晶按其長(zhǎng)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(xué)互補(bǔ)立體化學(xué)互補(bǔ)是指界面處的有機(jī)分子和晶體中是指界面處的有機(jī)分子和晶體中的無(wú)機(jī)離子在空間結(jié)構(gòu)上達(dá)到互補(bǔ)，從而的無(wú)機(jī)離子在空間結(jié)構(gòu)上達(dá)到互補(bǔ)，從而相互識(shí)相互識(shí)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(jī)界面提供了一個(gè)有效中心，是指有機(jī)界面提供了一個(gè)有效中心，使晶體在這個(gè)中心內(nèi)使晶體在這個(gè)中心內(nèi)定位生長(zhǎng)定位生長(zhǎng)，同時(shí)，它又對(duì)晶，同時(shí)，它又對(duì)晶體生長(zhǎng)在空間上的擴(kuò)展給予體生長(zhǎng)在空間上的擴(kuò)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(jié)構(gòu)、形態(tài)及尺寸上都得到了控制。在結(jié)構(gòu)、形態(tài)及尺寸上都得到了控制。v立體化學(xué)互補(bǔ)和空間定位立體化學(xué)互補(bǔ)和空間定位v靜電作用對(duì)于界面靜電作用對(duì)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(guān)鍵的形成起著關(guān)鍵的作用。帶負(fù)電荷的有機(jī)基質(zhì)螯合帶正電荷的陽(yáng)離子，然的作用。帶負(fù)電荷的有機(jī)基質(zhì)螯合帶正電荷的陽(yáng)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(jìn)一步后吸引陰離子并使局部晶體陰離子濃度增大，從而進(jìn)一步吸引更多的陽(yáng)離子，直到濃度增大到有利于晶體的異相成吸引更多的陽(yáng)離子，直到濃度增大到有利于晶體的異相成核。