生物矿化

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(tensile strength)，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。
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 + 胆红素钙 胆固醇等 多糖+糖蛋白
四、尿结石 组成：
粘蛋白 + CaC2O4 NH4MgPO4 CaHPO4
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
二、贝壳和珍珠
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 壳角蛋白+CaCO3(文石） 2. 珍珠和珍珠层 （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 1.贝壳
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图2
珍珠层的结构示意图 （ 引自［ 2 ])
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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。
§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
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
it 开盾过程
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2.牙
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 ①牙本质
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。
• 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。
珍珠、贝壳等
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。
①控制矿化-脱矿平衡(热力学 ) ①矿化不足或过度 矿化 Ca2++CO32CaCO3 脱矿 ②矿化速度过快或过慢 ②控制矿化速度(动力学)
实例：骨、牙、贝壳 、珍珠等
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
§3.生物矿物与生物矿化的特点
一、生物矿物的特点
部3 体 外 模 拟 实 验 中 的 分 形 输
F ig . 2 S t ru c tu re of n a c re
( aLeabharlann Baidu)
( 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.胆结石的体外模拟研究
胆结石的剖面图
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体外 模 拟实 验中的 周 期 沉淀
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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
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）
成袖置 由基 质
a
抽置自
b
生＊ 盟
生 后期
抽
由开蛐形成的袖桂 （ a） 到 勤 的 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。
实例 鸟蛋壳、珊瑚、海绵刺 软体动物外壳、贝壳、珍珠 棘皮动物的牙 骨、牙 植物的纤维、藻类、海绵刺 细菌中的磁性晶体 细菌中的磁性晶体 色素型胆结石 尿结石 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 矿化发生在不应形成矿化的部 一定的组成、结构和程度完成 位，或者矿化过度或不足 受控过程 失控过程
Y
Y
Y
Y Asp
Asp
Asp
Ca2+ 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 1/3 ③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。
生物矿化
这些美丽的画中是什么?
珊瑚
贝壳
• 你知道下面是什么图？
• 尿结石1的剖面图 • 尿结石2的剖面图
§1.生物矿物和生物矿化的概念
一、生物矿物
SiO2 Ca10(OH)2(PO4)6 Ca3(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 矿物质 CaCO3
细胞加工 （矿化在细胞外进行） 细胞分泌有机基质
生长调制 （大小、取向和结构）
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；
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
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
CaCO3 CaCO3 CaMg(CO3)2 Ca5(PO4)3(OH) SiO2(H2O)n Fe3O4 Fe3S4 CaBR CaC2O4 NH4MgPO4
俗名 方解石 文石 白云石 羟基磷灰石 无定型水合硅 磁铁矿 胆红素钙 草酸钙 磷酸铵镁
(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。