口腔生物学：牙齿硬组织矿化

脱矿发生的化学条件小结
饱和度：不饱和 驱动力 pH值：临界pH以下 有机酸种类和浓度：
乳酸脱矿作用最强 浓度越高脱矿越重 氟化物：游离氟离子具有抑制脱矿作用
一、生物矿化
1. 生物矿化的机理 2. 牙齿硬组织的矿化过程
二、脱矿的过程和机制
1. 脱矿发生的生物化学条件 2. 脱矿发生时牙齿的化学变化
离子在生物调控下通过化学反应形成难溶性 盐类，并与有机基质结合，形成机体矿化组 织的过程。
生物调控:矿化受基因、蛋白、细胞的调控。 有机基质：决定矿化组织的高度有序性。
生物矿化的类型：
生理性矿化 病理性矿化 再矿化
机体无机离子+有机基质 异位矿化、矿化过度或不足 矿物离子在正常组织或脱矿 组织的再沉积
表层下脱矿:
pH低于临界值 某些矿物 呈饱和状态 其它矿物 呈不饱和度状态
3）有机酸种类和浓度对脱矿的影响
种类：乳酸 >醋酸、柠檬酸 影响因素：解离常数不同
浓度：浓度越高，脱矿越明显
乳酸
醋酸
脱矿率
酸浓度
4）氟化物对脱矿的影响
牙齿矿物周围溶液中的游离氟对脱矿的 影响
很低浓度即可明显降低脱矿速率
牙齿矿物
周围溶液
羟基磷灰石
唾液、菌斑液、晶体周溶液
溶解
Ca10(PO4)6(OH)2
10Ca2+ +6PO43- +2OH-
结晶
Ca10(PO4)6(OH)2
10Ca2+ +6PO43- +2OH-
饱和度：
DS= (﹝Ca2+﹞5﹝PO43-﹞3﹝OH-﹞ /溶度积 ) 1/9
活度积:在一个尚未处于平衡的任意溶液中，有效离 子浓度（活度）幂的乘积,不是一个常数 ﹝Ca2+﹞5﹝PO43-﹞3﹝OH-﹞
溶解过程扩散过程矿物盐的沉积牙釉质cam10po扩散cadcpd二水磷酸钙fha氟化羟基磷灰石tcp磷酸三钙ocp磷酸八钙tcmp钙镁磷灰石caf氟化钙ap碳镁氟化磷灰石沉积离子扩散牙齿磷灰石溶解释放离子浓度梯度向牙齿组织的渗透牙组织溶解的矿物离子向外的扩散沉积物的种类依赖于局部液体的ph和饱和度釉质晶体周溶液ph扩散ph深部晶体饱和度扩散溶解饱和度溶解ca扩散cacapcap沉积沉积表层下脱矿形成的机理唾液病变表层病变体部正常釉质牙本质釉质表层下脱矿病变示意图一生物矿化一生物矿化一生物矿化生物矿化的机理生物矿化的机理生物矿化的机理牙齿硬组织的矿化过程牙齿硬组织的矿化过程牙齿硬组织的矿化过程脱矿发生的生物化学条件脱矿发生的生物化学条件脱矿发生的生物化学条件脱矿发生时牙齿的化学变化脱矿发生时牙齿的化学变化脱矿发生时牙齿的化学变化再矿化的应用remineralizationprocess再矿化的机理1牙齿周围溶液ph值和饱和度对再矿化的影响2病变类型对再矿化的影响3氟化物对再矿化的影响4再矿化沉积物的性质3
2）pH值对脱矿的影响
pH影响溶液饱和度
牙齿 Ca10(PO4)6(OH)2
菌斑液
10Ca2++6PO43-+2OH- (1)
H+
H+
HPO42- H2O (2) H+
H2PO4-
(3)
临界pH值（critical pH）：
当牙齿矿物周围溶液中矿物盐离子活度积小于 釉质的溶度积时，牙齿开始脱矿，这时的pH值 称临界pH值。
成牙本质细胞
合成Ⅰ型胶原蛋白并分泌在牙乳头的基 质中；
合成磷蛋白等非胶原蛋白，输送至矿化 前沿，以共价键与胶原蛋白结合；
浓集钙磷，形成基质小泡，并主动转运 至胶原纤维之间矿化形成的位点；
胞膜表面：Ca - ATP 酶
Na + / Ca 2 + 交换体
L 型钙离子通道
非胶原蛋白络合钙磷等矿物离子，沉积 于胶原中，诱导成核，形成HAP晶体， 或不定型磷酸钙，固相转化为HAP,调 节晶体的生长，排列成有序结构，形成 矿化中心，呈球形矿化，有机质吸收， 晶体长大，牙本质发生完全矿化。
基质的作用： 胶原纤维：
占矿化基质蛋白的90% 严格的有序结构 作用：提供矿化空间
HA成核场所
研究认为：
原胶原分子之间的空区是羟基磷灰石晶 体成核的场所，晶体的生长限于胶原分 子间隙内，呈片状微粒，其c轴平行于 胶原纤维
硬组织胶原分子间隙大于软组织胶原分 子间隙
非胶原蛋白：
占矿化基质蛋白的10% 种类多、含量少，代表：磷蛋白 富含羧基和磷酸根基团 作用：
FAP沉积
牙齿周围溶液中有氟存在时，脱矿会被抑制
氟对脱矿的作用：
溶液环境中的游离氟干扰了脱矿的动态 过程，使脱矿的速率降低，抑制了脱矿 的进展。
以前替换机理： 羟基磷灰石 +F
氟化磷灰石
溶解度低
结合氟
游离氟
脱矿液
高氟
0ppm
低氟
1ppm
脱矿液
脱矿程度重
脱矿程度轻
液态环境中氟的抗脱矿作用远 大于固态存在的氟对 脱矿的抑制作用
牙本质涎蛋白(DSP）
牙本质特异蛋白 富含谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和甘氨 酸 可能是参与生物矿化的起动或作为调节 因子抑制磷酸钙的形成和生长
牙本质涎磷蛋白
(dentin sialophosphoprotein ,DSPP)
在牙本质的矿化中起重要作用，控制胶原 纤维形态和排列
蛋白多糖和磷脂
磷脂和蛋白多糖在前期牙本质中可能抑 制晶体的形成, 吸附于胶原纤维表面,
一、生物矿化
1. 生物矿化的机理 2. 牙齿硬组织的矿化过程
二、脱矿的过程和机制
1.脱矿发生的生物化学条件 2.脱矿发生时牙齿的化学变化
三、再矿化的过程和机制
1.再矿化的概念和机理 2.再矿化的应用
二、脱矿的过程和机制
Demineralization
1. 脱矿发生的生物化学条件
1) 饱和度对脱矿的影响 2）pH值对脱矿的影响 3）有机酸种类和浓度对脱矿的影响 4）氟化物对脱矿的影响
牙齿硬组织矿化
学习内容和要求
一、生物矿化
1. 生物矿化的机理 2. 牙齿硬组织的矿化过程
二、脱矿的过程和机制
1. 脱矿发生的生物化学条件 2. 脱矿发生时牙齿的化学变化
三、再矿化机制和应用
一、生物矿化
1. 生物矿化的机理
1）生物矿化的概念 2）生物矿物的形成 3）矿化过程和机制
2. 牙齿硬组织的矿化过程
1）牙本质和牙骨质的矿化过程 2）牙釉质的矿化过程
一、生物矿化 1. 生物矿化的机理
1）生物矿化的概念 2）生物矿物的形成 3）矿化过程和机制
2. 牙齿硬组织的矿化过程
1）牙本质和牙骨质的矿化过程 2）牙釉质的矿化过程
一、生物矿化 (Biomineralization) 1. 生物矿化的机理
1）生物矿化：是指生物体内的钙、磷等无机
牙本质非胶原蛋白
牙本质磷蛋白(dentinphosphoprotein ,DPP)
含量最高 高磷酸化强阴离子特性,
天冬氨酸和丝氨酸残基占氨基酸总量的70 %～80 %
对钙离子高度亲和性 由成牙本质细胞合成后,经细胞突输送 至矿化牙本质前缘并在该处分泌至细胞 外基质中,参与牙本质的矿化并随矿化 成熟而减少
引起矿化 调节矿化
胶原蛋白 非胶原蛋白
成核 结晶
通常的晶体的生长
有机质阻止特定晶面的生长， 以改变晶体形貌
研究认为：
非胶原蛋白的阴离子基团与钙形成很强 的静电结合，矿物离子按阴离子基团的 排列进行静电和空间结构的匹配，完成 晶体的成核、生长和大小尺度的调控。
胶原蛋白
结构蛋白 提供框架
非胶原蛋白
Mg2+ 、 Na+ 、Sr2+ 、 CO3 、 F- 、 HPO4
Ca 2+ PO4 3- OH-
Mg2+ 、 Na+ 、Sr2+ 、 CO3 、 F- 、 HPO4
沉积 离子扩散
DCPD FHA TCP OCP TCMP CaF2 AP
二水磷酸钙 氟化羟基磷灰石 磷酸三钙 磷酸八钙 钙镁磷灰石 氟化钙 碳镁氟化磷灰石
结晶 Ca10(PO4)6(OH)2
饱和度 饱和度
牙齿矿物周围溶液：
Ca2+ PO43- OH- 浓度 Ca2+ PO43- OH- 浓度
饱和度 脱矿 饱和度 不易脱矿
龋病流行病学调查显示： 菌斑中钙、磷、氟含量高，龋患率低
口内牙齿矿物周围溶液的状况：
唾液对牙齿矿物是过饱和的 静止菌斑，对牙齿矿物是过饱和的 进食摄糖后，饱和度下降，不饱和
三、再矿化的过程和机制
1. 再矿化的概念和机理 2. 再矿化的应用
2. 脱矿发生时牙齿的化学变化
表层下脱矿：溶解过程 扩散过程 矿物盐的沉积
菌斑液
牙釉质
(Ca,M)10(PO4, CO3,HPO4)6(OH, F, Cl )2
M = Na+、Mg2+、Sr2+
酸溶 H+扩散
Ca 2+ PO4 3- OH-
2. 脱矿发生时牙齿的化学变化
1. 脱矿发生的生物化学条件
牙齿脱矿(Demineralization)：在 酸的作用下，牙齿矿物发生溶解， 钙和磷酸根等无机离子从牙齿中脱 出、释放的过程。
1）饱和度(Degree of Saturation DS)对脱矿 的影响
饱和度是脱矿发生的驱动力 不饱和是脱矿发生的前提 饱和度越低，脱矿越容易发生
2）生物矿物的形成
生物矿物形成的条件：
组织间液和细胞内液对钙磷酸盐呈 过饱和状态 结晶析出的先决条件是过饱和
溶解 结晶
饱和状态： 不饱和 饱和 过饱和
溶解速率＞结晶速率 溶解与结晶平衡 结晶速率＞溶解速率
生物矿物形成的过程（结晶的过程）：
成核 成长或聚集 固相转化
成核：-形成晶核
晶核：离子相互结合形成一定大小的临
牙釉质矿化 成釉细胞 基质蛋白：釉原蛋白 非釉原蛋白
目前分子水平的研究主要集中在：
基质蛋白基因调控与疾病的关系；
啮齿类动物釉原蛋白基因敲除，会导致 釉质发育缺陷。
基因重组釉原蛋白，实现釉质的仿生矿化：
复杂：目的基因的获取， 基因载体的获取和构建， 目的基因与载体的拼接， 重组分子导入受体细胞等过程。
0ppm 1ppm
3ppm 5ppm
机理：
脱矿溶液中加入氟离子后,增加了对含 氟磷灰石的饱和度
含氟羟基磷灰石不易发生溶解易于新形成
氟离子还可增加羟基磷灰石的形成速率
利于羟基磷灰石的重新沉积
F抗釉质晶体溶解示意图
H+ HAP晶体
含氟矿物不易溶解 阻碍了H+向晶体内部的扩散
溶解
F-
Ca2+ PO4 3-
形成有利于启动晶体形成的微环境,并调 节晶体的横向生长
2）牙釉质的矿化
成釉细胞： 有机基质合成、分泌和吸收：
釉原蛋白和非釉原蛋白 丝氨酸蛋白酶、基质金属蛋白酶
输送、转运矿物离子：
胞膜Ca泵主动转运 被动扩散
牙釉质的矿化过程
釉质形成初期，成釉细胞开始分泌釉原蛋白， 自组装成纳米球状结构，表面带负电；
仿生矿化 疾病的病因和治疗
研究表明，Ⅰ型胶原蛋白、蛋白多糖的编码 基因的破坏，会引起严重的骨疾病（OI） 非胶原蛋白的基因表达
一、生物矿化 1. 生物矿化的机理
1）生物矿化的概念 2）生物矿物的形成 3）矿化过程和机制
2. 牙齿硬组织的矿化过程
1）牙本质的矿化过程 2）牙釉质的矿化过程
2. 牙齿硬组织的矿化 1)牙本质的矿化过程
界尺度的晶相颗粒
均相成核：自发性沉淀，过程缓慢 异相成核：加入晶种或其它固体后成核
过程较快
成长或聚集：
无机离子在晶体表面的运送及结合入晶格中 无机离子固相小颗粒的沉积聚集
固相转化：
钙、磷离子 无晶形磷酸钙 羟基磷灰石
3）矿化的过程和机制
细胞的作用：
浓缩Ca2+、 PO43-无机离子 转运Ca2+、 PO43-无机离子到细胞外 分泌矿化基质蛋白：胶原蛋白和
细胞将钙磷矿物离子转运到细胞外，形成过饱 和环境；
在细胞分泌的非釉原蛋白作用下形成微晶；
釉原蛋白纳米球与羟基磷灰石微晶的特定晶面 相互作用，抑制晶体在该晶面的生长，使其在c 轴方向迅速择优生长；
细胞分泌蛋白酶降解釉原蛋白和非釉原蛋白， 晶体之间融合，达到高度矿化。
牙齿硬组织矿化小结
牙本质和牙骨质矿化 成牙本质细胞 基质蛋白：Ⅰ型胶原 磷蛋白 成牙骨质细胞
功能蛋白 引导、调控
CaP
矿物晶体 非胶原蛋白
胶原蛋白
生物矿化的过程和机制：
细胞的参与（细胞调控）： 浓缩矿物离子并转运 分泌基质：胶原蛋白 非胶原蛋白
有机基质（蛋白调控）： 提供矿化空间（胶原蛋白） 引起和调节矿化（非胶原蛋白）
研究方向
生物矿化的基因调控 基因-信号因子-细胞-蛋白 基质蛋白的基因位点和基因表达调控
溶解过程：牙齿磷灰石溶解释放离子 扩散过程：浓度梯度
H+向牙齿组织的渗透 牙组织溶解的矿物离子向外的扩散
沉积过程：
沉积物的种类依赖于局部液体的pH 和饱和度
菌斑
釉质
pH 饱和度
溶度积:难溶电解质在一定温度下，处于溶解结晶平 衡状态时，饱和溶液中离子浓度幂的乘积，它是一个 常数。
饱和度：
DS=(活度积 /溶度积 ) 1/9
活度积 < 溶度积 活度积 = 溶度积 活度积 > 溶度积
溶解脱矿 平衡 结晶沉积
牙齿矿物
周围溶液
羟基磷灰石
唾液、菌斑液、晶体周溶液
溶解 Ca10(PO4)6(OH)2
非胶原蛋白
细胞浓缩和转运矿物离子 ：
线粒体浓集，钙泵、离子通道转运：
Ca2+-磷脂-PO43钙结合蛋白-CaPO43浓集钙磷形成ACP,转移至细胞外 以后固相转化为HAP
细胞分泌基质蛋白：
胶原蛋白 （框架蛋白） 非胶原蛋白 （功能蛋白）
作用：
胶原蛋白—为矿物盐提供矿化空间 非胶原蛋白— 引起和指导矿化
临界pH值存在个体差异
釉质：临界pH值是pH5.5左右 (食品致龋性实验：pH5.7)
pH和饱和度共同对脱矿产生影响:
1) Theuns 1984: pH6.0 不饱和 脱矿 2) Gao 1991: pH2.5 过饱和 144H 不脱矿
不同pH和饱和度造成不同形式的脱矿
酸蚀: pH极低
所有矿物 呈不饱和状态