第3章生物矿化作用及机制

1、第五章第五章 生物矿化作用及生物矿化生物矿化作用及生物矿化机制机制P47P47 3.1 生物矿化概述v生物矿化生物矿化是指在一定条件下是指在一定条件下, ,在生物体的不同部位在生物体的不同部位, ,以各种以各种作用方式作用方式, ,在在有机基质和细胞的参与下有机基质和细胞的参与下, ,无机元素从环境中选无机元素从环境中选择性地在特定的有机基质上成核、生长和相变而转变为结构择性地在特定的有机基质上成核、生长和相变而转变为结构高度有序的生物矿物的过程。高度有序的生物矿物的过程。v生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然生物陶瓷和生生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然生物陶瓷和生物高分子复合材料，如

2、骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。主要无机成分：主要无机成分：碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟基磷灰石碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟基磷灰石等，等，v生物矿物生物矿物：在：在生物体系特定条件下生物体系特定条件下生成的矿物质生成的矿物质v特点特点：具有特殊的高级结构和组装方式：具有特殊的高级结构和组装方式, ,具有特具有特殊的理化性质和生物功能殊的理化性质和生物功能v矿物质矿物质:CaCO:CaCO3 3 SiO SiO2 2 Ca Ca1010(OH)(OH)2 2(PO(PO4 4) )6 6 CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2v生物矿物生物

3、矿物生物矿物的种类与功能碳酸盐碳酸盐碳酸盐碳酸盐磷酸盐硫酸盐和草酸盐氧化硅碳酸钙v结构：生物矿化中最常见的有文石和方解石两种，还有球文石；v功能：腹足动物贝壳的珍珠层由文石结构的碳酸钙组成，在几种海绵中球文石以刺的形式存在，刺可能起结构支撑的作用或者防止食肉动物对它的危害。 在动物内耳中有成百的小方解石单晶。v方解石是碳酸钙方解石是碳酸钙最稳定最稳定的一种晶型：六方晶系的一种晶型：六方晶系v文石是碳酸钙另一种文石是碳酸钙另一种较稳定较稳定的晶型：正交晶系的晶型：正交晶系v球文石是碳酸钙的球文石是碳酸钙的亚稳亚稳晶型：六方晶系晶型：六方晶系v 贝壳的结构：贝壳的结构：1)1)角质层角质层壳角蛋白

4、构成，最外层壳角蛋白构成，最外层2)2)棱柱层棱柱层方解石方解石3)3)珍珠层珍珠层文石文石v 壳角蛋白包括：壳角蛋白包括：1)1)几丁质，呈几丁质，呈折叠结构折叠结构2)2)富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白质，具有反平行富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白质，具有反平行折叠折叠结构结构3)3)富有天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同样是富有天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同样是折叠结折叠结构，其中羟基与构，其中羟基与Ca2+Ca2+强烈配位，形成晶体的核心强烈配位，形成晶体的核心贝壳贝壳贝壳与珍珠 矿物以文石文石为主； 贝壳贝壳中常见的是珍珠层、棱柱结构和交叉叠片结构； 珍珠珍珠具有类似于贝壳珍珠层叠

5、片结构；珍珠层得名是因为它具有珍珠光泽，珍珠光泽的产生就是与这种特殊的微观结构叠片累积堆砌结构有关。非晶态碳酸钙非晶态碳酸钙还沉淀在许多植物的叶子上，它的作用是储存钙。虽然这种材料在无机系统中非常不稳定，它会在含水溶液中迅速发生相变，但在生物矿物中似乎是稳定的，这是由于生物大分子（如聚糖）在固体表面黏附的缘故。骨v 骨有机介质：骨有机介质：CaCa1010(OH)(OH)2 2(PO(PO4 4) )6 6 (CO (CO3 32-2-、MgMg2+2+) )v 磷酸钙盐的主要结晶形式如下：磷酸钙盐的主要结晶形式如下：v 羟基磷灰石（羟基磷灰石（HAHA）v 磷酸八钙（磷酸八钙（OCPOCP）

6、v 二水磷酸氢钙（二水磷酸氢钙（DCPDDCPD）v 磷酸三钙（磷酸三钙（TCPTCP）v 骨骼中的羟基磷灰石是一种骨骼中的羟基磷灰石是一种活活“矿物矿物”，因为它在不断，因为它在不断地地生长、溶解、重构，生长、溶解、重构，不仅起结构支撑作用，而且能保不仅起结构支撑作用，而且能保持体内平衡储存钙，并在需要的时候提供钙。持体内平衡储存钙，并在需要的时候提供钙。v胶原蛋白胶原蛋白不溶性蛋白不溶性蛋白作用：构成矿化组织的支持结构，羟基与作用：构成矿化组织的支持结构，羟基与Ca2+Ca2+配位，引配位，引起胶原蛋白的构象的变化及胶原纤维之间的交联起胶原蛋白的构象的变化及胶原纤维之间的交联磷蛋白磷蛋白可

7、溶性蛋白（天冬氨酸、磷酸丝氨酸，与可溶性蛋白（天冬氨酸、磷酸丝氨酸，与Ca2+Ca2+结合力强）结合力强）作用：引起和指导矿化作用：引起和指导矿化v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v骨的有机基质骨的有机基质Introduction牙v牙：羟基磷灰石（97%）有机物（1%）牙本质和牙釉质外壳，牙本质类似骨，其结构比骨更均匀一致，晶粒更细，牙本质充满了细管，细管由高钙化区包围，位于自由取向的晶体基体上，而晶体镶嵌在黏多糖和胶原中，胶原为片状，其位向平行于牙质的表面。牙釉质，覆盖于牙冠表面，暴露于口腔中，它是高度的矿化系统，其不同寻

8、常的化学组成和高度有序的结构成为脊椎动物中最致密的材料。3.4 异常生物矿化 P84v正常矿化与病理矿化的区别v泌尿系结合由泌尿系结合由无机晶体和有机基质无机晶体和有机基质两部分组成，两部分组成，其中晶体占结石干重的其中晶体占结石干重的97-98%v晶体主要成分为晶体主要成分为一水合草酸钙、二水合草酸钙一水合草酸钙、二水合草酸钙和尿酸和尿酸v1. 泌尿系结石泌尿系结石泌尿系结石牙的病理矿化P88 v牙釉质龋病的形成涉及很多因素，分析化学指出，龋病发生的主要过程是一种脱矿过程；简单地说，是釉质酸性溶解的结果。v牙石：主要成分为羟基磷灰石、碳酸钙v氟牙症（斑釉）：少量氟化物的参与能可防止釉质溶解；

9、过量摄入氟则可能导致氟牙症。牙石氟牙症生物矿化原理生物矿化原理 基质中的矿化 细胞效应 生物介质效应 基质的特性 从溶液中析出难溶盐结晶是地球表层矿物形成过从溶液中析出难溶盐结晶是地球表层矿物形成过程之一，例如磷灰石矿物的形成：程之一，例如磷灰石矿物的形成：5Ca2+ + 3PO3-4 + OH-Ca5(OH)(PO4)3(s) 牙本质矿化步骤可大体上分为：牙本质矿化步骤可大体上分为：1.1.在成牙质细胞层的顶端在成牙质细胞层的顶端分泌胶原蛋白分泌胶原蛋白, ,成为牙本质的前身成为牙本质的前身, ,实际上是为矿化做准备；实际上是为矿化做准备；2.2.合成磷蛋白合成磷蛋白并把它直接分泌在矿化前沿

10、的胶原蛋白层上；并把它直接分泌在矿化前沿的胶原蛋白层上；3.3.部分磷蛋白部分磷蛋白与胶原蛋白结合与胶原蛋白结合, ,部分降解；部分降解；4.4.磷酸钙的微晶或钙离子磷酸钙的微晶或钙离子与磷蛋白结合与磷蛋白结合；5.5.在结合的钙离子或晶体上在结合的钙离子或晶体上形成形成HAPHAP结晶结晶，而且按胶原纤维，而且按胶原纤维排成排成有序结构有序结构。实例实例v矿化与脱矿在生物体内表现为硬组织的溶解与再造（Remodelling）。溶解与再造速度比随年龄变化，使硬组织不断成长而后退化。原因：生物矿化是在基质指导下进行的，特定的基质产生特定的晶体结构。而基质的生物合成又是在细胞指导下进行的，特定的细

11、胞分泌特定的基质。例如： 软骨细胞合成II型胶原蛋白。II型胶原蛋白-蛋白多糖抑制羟基磷灰石的结晶成长，所以形成软骨。 成骨细胞合成I型胶原蛋白及某些蛋白多糖，它们促使磷灰石在胶原纤维-磷酸蛋白复合物表面磷酸基上成核生长，并充填于胶原纤维空区中，形成骨骼（长骨）。 基质中的矿化 成核定位 基质最基本的作用之一是指导矿物晶体异相成核，以基质为模板“塑造”生物矿化。 珍珠贝的珍珠层由霰石结构的碳酸钙结晶组成，这些结晶成大小均匀的螺旋形。它是在一种卷曲成平面六边形网络结构的蛋白质基质指导下形成的。基质中有规则分布的钙结合位点，能使碳酸钙以一定距离成核，并且照它的螺旋结构形成霰石螺旋。v抑制结晶成长

12、在基质中除去软骨中的胶原蛋白外，还有一些控制矿化速度的基质成分，如软骨蛋白多糖。它们能与Ca2+结合使Ca2+活度降低；v软组织与硬组织的结合 所有硬组织中的矿物晶体都与基质相连，而整个硬组织又与作为它的基础的软组织相连。v细胞效应 细胞是矿化的主人，它控制和保证所有决定矿化的条件，因此不同细胞产生不同的矿物质。这种高度选择性是由以下几种因素决定的：v合成和分泌不同基质 能形成不同矿物质。v结晶抑制作用 细胞在生物矿化中所起的主要作用是为矿化准备了条件（过饱和溶液和基质），但又使矿化不在细胞内发生。 细胞内游离Ca2+浓度很低。钙泵、线粒体浓缩Ca2+。由于浓缩作用，线粒体内有无定形磷酸钙颗粒

13、存在；细胞内液中钙离子和磷酸根离子浓度达到过饱和程度。在此，结晶不能成长。原因是细胞内液中的ATP、2，3二磷酸甘油、3磷酸柠檬酸等的抑制作用。它们结合在正在成长的晶格生长点上，阻止晶格的进一步建造。有趣的是，只需极少数分子占据生长点，就可以发挥抑制作用。 例如一个磷酸柠檬酸分子能阻止数千个磷酸钙分子结晶成长。由于抑制剂的作用使微粒不能转化为晶体，而能通过细胞膜进入细胞外基质中。这里没有抑制剂，微粒转化为羟基磷灰石而成长。 基质小泡的作用 通过基质小泡实现矿化是某些硬组织形成的特点。例如，正在增殖的软骨细胞浆膜开始形成一个芽状小泡，而后与细胞分开形成独立于细胞外的细胞器，在磷脂作用下转化成磷灰

14、石。 生物介质效应 生物反应介质中最重要的是细胞外基质。它充满细胞间的空间，把细胞与细胞分开。细胞的分化、增殖、死亡等都与它有关。 细胞间基质是一个水凝胶，含有水、电解质、各种代谢物、溶解的气体、痕量元素、维生素、酶、糖、脂肪和蛋白质。但是，它们不是简单的溶液或凝胶。实际上可以把它看作是胶原纤维组成的、三维网络增强的、富有长链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（透明质酸、软骨素及其硫酸脂）和有关的蛋白多糖组成。基质的特性 细胞外基质的基本性质：高粘度、有粘合性。而且有些情况下，胶原纤维提供特殊反应条件。如骨矿化就是在细胞外基质中形成的。其中，胶原蛋白既起结晶中心作用，促进成核

15、；又起膜板作用，使磷灰石微晶按其长轴、以与胶原纤维伸展方向平行的方式，有序地排列在胶原纤维的空区之中。v立体化学互补立体化学互补是指界面处的有机分子和晶体中是指界面处的有机分子和晶体中的无机离子在空间结构上达到互补，从而的无机离子在空间结构上达到互补，从而相互识相互识别并引发特定的成核别并引发特定的成核。v空间定位空间定位是指有机界面提供了一个有效中心，是指有机界面提供了一个有效中心，使晶体在这个中心内使晶体在这个中心内定位生长定位生长，同时，它又对晶，同时，它又对晶体生长在空间上的扩展给予体生长在空间上的扩展给予约束和限制约束和限制，从而使，从而使得晶体得晶体在结构、形态及尺寸上都得到了控制。在结构、形态及尺寸上都得到了控制。v立体化学互补和空间定位立体化学互补和空间定位v静电作用对于界面静电作用对于界面电荷富集电荷富集和和双电荷层双电荷层的形成起着关键的形成起着关键的作用。带负电荷的有机基质螯合带正电荷的阳离子，然的作用。带负电荷的有机基质螯合带正电荷的阳离子，然后吸引阴离子并使局部晶体阴离子浓度增大，从而进一步后吸引阴离子并使局部晶体阴离子浓度增大，从而进一步吸引更多的阳离子，直到浓度增大到有利于晶体的异相成吸引更多的阳离子，直到浓度增大到有利于晶体的异相成核。