生物矿化

null生物矿化生物矿化第一节 生物矿物与生物矿化null生物矿物、硬组织： 组织：细胞及细胞外基质组成 生物矿物主要指无机成分。 硬组织指生物矿物所在的组织。 生物矿物与纯粹无机矿物异同： 组成与结晶方式是相同的。 特殊的高级结构和组装方式赋予特殊的理化性质和生物功能。 正常生物矿化和异常矿化：一个是受控过程，一个是失控的结果。 矿化与脱矿：矿化脱矿平衡和反应速度随年龄增加、营养状况的变化而变化。1. 常见的生物矿物1. 常见的生物矿物难溶钙盐：骨、牙是羟基磷灰石，蛋壳、贝壳等是碳酸钙。 硅酸类：竹子、藻类、海绵等 重金属氧化物和氢氧化物2. 生物矿物与生物矿化的特点：2. 生物矿物与生物矿化的特点：硬组织与无机矿物的不同： 硬组织在结构上是高度有序的； 硬组织中的矿物质在有机基质中形成而又被包埋在基质之中； 硬组织中的矿物质不只参与矿化-脱矿平衡，而且也参与细胞活动： 硬组织中的矿物质是在整个生物体代谢过程中形成的，而又参与代谢过程。 生物矿化过程与一般矿化过程也有很大区别。第二节 硬组织的结构第二节 硬组织的结构生物矿物的基本结构： 磷酸钙类：羟基磷灰石（钙磷系统中热力学上最稳定） 碳酸钙类：文石、方解石 硅石类：常见的是无定形硅石，以及溶胶、凝胶等形式。 氧化铁类：有多种2. 硬组织的结构：2. 硬组织的结构：牙和骨： 胶原：胶原是牙本质和骨的主要基质，构成矿化组织的支持结构。它把微小结晶组织成硬组织。 磷蛋白。磷酸基使这类蛋白对钙离子的亲和力大于胶原蛋白和其他无磷酸基蛋白质。磷蛋白对钙离子具有高结合强度也具有高结合量。它还能和胶原较强地结合。牙釉质的结构：牙釉质的结构： 牙釉质的组装高度有序，而且晶体间的堆积更为紧密，矿物晶体大。在成熟的牙釉质中，OHA的晶体沿长轴排列成行。晶体横截面呈六边形(图中的a)。这样的晶体束再平行排列成为釉柱(图中的(b))。釉柱平行排列成牙釉质(图中的(c))。釉柱长轴延伸方向约与牙表面垂直。在釉柱与釉柱间以及晶体与晶体间充填着基质。见图牙本质和骨组织结构：牙本质和骨组织结构：牙本质和骨组织中，磷酸钙以微晶形式沉积在胶原蛋白网络结构中。晶体很小，有序性较低。不过它们表现了另外一种有序性。在人和大动物的成熟骨组织中，矿物晶体体成层状堆积，而且层与层间距离相当于胶原纤维空隙距离。这是磷灰石结晶在胶原纤维空隙所构成的“ 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 ”中沉积的结果。 软体动物的珍珠层：软体动物的珍珠层： 生物硬组织的有序结构也表现在一些动物的外骨骼——壳的结构上。在贝壳的珍珠层中所含的矿物质为文石，成片状累积，并呈螺旋错位。在两层之间有一层有机的复合基质。基质由三层蛋白质组成。紧贴晶面的为较薄的矿化基质，在两层矿化基质之间为一层较厚的间隔基质。见图。这种高度有序的层状结构是珍珠层特殊外观的由来，而层状结构与文石能形成片状结构有关。禽蛋壳虽然也是碳酸钙，但它是由方解石组成的死组织。第三节 钙离子的生物化学特征第三节 钙离子的生物化学特征1. 钙难溶盐易形成： 在生物体内含量较多的金属离子有Na+、K + 、Ca2+和Mg2+。但生物矿化的主要形式是钙盐的析出。钠及钾盐因易溶于水所以不会析出，但同样是ⅡA族金属离子的镁离子为什么不能成为生物矿物的组成成分？在与阴离子配位结合能力上， Ca2+和Mg2+相差不多，但溶度积相差很多。null 离子结晶的溶解度与晶体的密堆积程度有关，而密堆积程度与离子的性质有关。 比较钙和镁的盐类结晶的结构发现二者之间有以下异同： 1．钙和镁离子都易与氧结合； 2. 镁和氧的距离在不同化合物中是基本相同的，而在钙盐中，钙与氧的距离不定（由0.24至0.32nm）。不过在复杂配体的钙盐中，钙-氧距离却大体一定。 3. 镁的构型和配位数固定（6，八面体），而钙的配位数可在6-12之间变动（特别是复杂配体），而几何构型也不一定。null另一使钙盐在矿化中容易出现的原因是钙盐比镁盐容易形成无定形沉淀。这一特性与上面的讨论有关。因为钙离子无一定立体化学要求，可以形成不规则晶格，而镁离子只能形成一定的晶格。 钙盐以无定形沉淀迅速析出是磷灰石形成的前体，而且无定形沉淀可以充填各种空隙。这两个表现在生物矿化中是重要的。2. 配合物的形成：2. 配合物的形成： 除形成难溶盐外，钙离子与生物大分子配体的结合也有特点。 用静电模型可以解释简单配合物的稳定性，但在配体齿数多、分子大的情况下与Mg2+相比Ca2+就大不相同了。 如前所述，由于Ca2+的配位适应性强，所以多齿配体容易在它周围结合，因此钙的大分子配合物比相应的镁配合物稳定。这是一个重要的性质，否则钙的各种生物功能都会受到镁的影响，特别是细胞内液中游离Mg2+浓度大于Ca2+。null 钙的生物大分子配合物比镁稳定也要从大分子所能提供的配位原子来理解。虽然钙和镁离子都是亲氧的，但当配体为蛋白质时，钙之所以能比镁容易结合还由蛋白质侧链所提供的天冬氨酸、谷氨酸或γ羧基谷氨酸的羧基氧、磷酸丝氨酸的磷酸基氧、羟基氧以及肽链的羰基氧构成的完全由氧原子组成的结合部位适于与钙离子结合。镁离子不能容纳由多个氧组成的结合部位。特别是磷酸基氧与Ca2+的强亲合力更加强了磷蛋白与Ca2+的选择性结合。全氧配位层还可阻止其他金属离子占据Ca2+的结合部位。钙与磷脂、糖的结合钙与磷脂、糖的结合 磷脂是细胞膜的结构成分，Ca2+的结合可改变它们在膜内的分布，并因钙离子的桥接可引起膜与膜的结合。磷脂可能通过结合钙离子，把钙离子集中，形成磷酸八钙或磷灰石等多核结构。 与钙离子容易结合的另一类配体是多糖及包含多糖亚单元的糖蛋白。钙-糖相互作用对钙的运送和储存、矿化、细胞间附着等起重要作用。糖以其羟基氧配位，配位数为7—8，构型偏离八面体。在Ca2+ 壳层内参与配位的糖分子不过2—3个，其余位置由水占据。在简单糖类做配体时，这种结合本不稳定，但一经变成多糖大分子，则稳定性明显增加。第四节 正常生物矿化过程第四节 正常生物矿化过程钙的磷酸盐形成的化学过程： 磷酸钙类结晶过程的热力学： 对于反应： Ca10(OH)2(PO4)6 (s) 10Ca2+ + 2OH- + 6PO43- ΔG=-RTlnKsp + RTlnQ 析出沉淀则为上述反应的逆反应： ΔGOHA=RTlnKsp – RTlnQ =-RTln(Q/Ksp) 其中Q/Ksp 为过饱和度 则：PH对稳定性的影响：PH对稳定性的影响： 决定过饱和度从而决定│ΔG│的除钙和磷酸根的分析浓度外，pH值也是重要因素。比如随pH的降低，OHA的过饱和度增加，DCPD的减小。这种关系可以简单地用各固相的溶解度(按饱和溶液总钙浓度计)与pH的关系曲线表示，如图所示。由图可见，在pH<4.3时DCPD是稳定相，而在pH>4.3时，OHA是稳定相。 如果结合钙和磷酸根浓度来考虑，则在Ca2+及PO43-浓度较低，pH较高时，只对OHA过饱和，只析出OHA，并与之建立平衡。当浓度增加时，pH仍大于4.3，就对其他磷酸钙过饱和。如因动力学原因先析出的是ACP，虽然溶液对ACP饱和，但必然对OHA甚至OCP等过饱和。这时的固相ACP是热力学亚稳相，它必然向OHA转化。磷酸钙结晶形成的动力学：磷酸钙结晶形成的动力学：结晶过程包括成核、成长或聚集以及固相转化。 A. 成核： a. 均相成核：初始的晶核从均匀溶液中自发形成。可以把均相成核想象为离子相互结合，经聚集成有序的簇状结构后，形成晶核。只有组成簇的分子数大到一定数目时，才能成核。低于临界簇时，可以分散；高于临界簇时，稳定而且发展成核。临界簇不是常数，与过饱和度有关。均相成核的成核速率：均相成核的成核速率：决定在一定时间内能否析出结晶还要看成核的速率(rn)。成核速率指单位时间内在单位体积溶液中形成的核的数目。均相成核速率有下列关系式 其中，S为过饱和度，V为分子体积，k为Boltzmann常数，T为绝对温度，σ为单位面积的表面自由能而kn为待定因子。 均相成核的活化能：均相成核的活化能：从理论上说，由均匀溶液中析出晶核需要克服一个较大的能阈。活化能与表面能成正相关，与过饱和度成负相关。所以过饱和度愈高、表面能愈低，成核愈快。在过饱和度不达到一个临界值时，成核极慢，无固相析出，溶液处于亚稳态。一且达到临界饱和度，成核速率突然增加，才有晶核形成。b. 次级成核和c. 异相成核：b. 次级成核和c. 异相成核：b. 次级成核：在一个亚稳态溶液中放入晶种时，往往立即析出结晶。 c. 异相成核：放入不同的固体。 速率：次级成核＞异相成核＞均相成核 过饱和度与成核的关系：图示B. 成长：B. 成长： 晶核成长为晶体包含2个基本过程：溶质的运送和结合到晶格中去，即运送过程与表面过程。 对一种具体结晶过程来说，它的速率可能由运送速率决定，也可能由表面过程决定。在很多情况中，二者兼有。属于哪种情况则要看晶体表面附近的浓度C’与溶解度C0和溶液的浓度C的相对大小。在C’= C0时，表面饱和，为限速过程，在C’= C时，为表面限速过程，C0＜C’＜C时为一般情况。C. 聚集C. 聚集固相颗粒变大不一定由于晶体成长，有时也由于小颗粒的聚集。从热力学来说这种变化是自发的。不过难溶盐的小颗粒因为吸附溶液种的离子而带电。在相同条件下，几乎所有颗粒都带相同电荷，因而不能聚集。只有在溶液中阴阳离子浓度比刚好等于它们在固相中的组成比或在某些离子影响下，颗粒电荷减少时，悬浮的颗粒聚集并沉淀。聚集有两种：一种是基本上不靠基质；另一种为多聚电解质（如躺蛋白），可以作为“黏合剂”，促进颗粒聚集。D. 固相转变D. 固相转变 在溶液与某种动力学有利、热力学不利的固相达到平衡时，溶液处于亚稳态，而从固相组成来说，则还远离平衡。因此，动力学有利、热力学不利的固相将依次转化形成稳定相。这种转化不是单纯的晶格转变，而是一系列改变钙磷比，改变水解程度的化学反应。磷酸钙结晶机制：磷酸钙结晶机制：成核和成长机制： 成长与加入晶种量无关，在单位OHA表面上活性生长点是一个常数。 体积扩散在成长上不起明显作用。 在一定PH范围、一定低的过饱和度时，只有OHA析出，与钙磷比无关。 结晶反应的速率方程中反应级数基本恒定。反应的活化能较高。 所以：OHA结晶形成是表面控制而不是扩散控制。实际上多数难溶盐的结晶都是表面控制的。2. 生物体内的矿化过程：2. 生物体内的矿化过程：与试管中进行的结晶不同之处在于有整个生物体的代谢参与、有细胞参与、有基质参与。 （1）基质效应： 推动成核：异相成核、指导成核。 在矿物质与软组织间形成连接。 指导成核：基质提供矿物结晶形成的生长点。而且有序排布的生长点使矿物具有有序结构。图示一例 连接：矿物质与软组织的连接依靠2种基质蛋白质构成。一种对矿化是“惰性”的、在水中难溶，起间隔或骨架作用。另外一种蛋白质与它们结合，且能与钙离子结合使钙盐能在它构成的基质表面成核。结晶抑制：结晶抑制： 在结晶生长中起抑制作用：基质蛋白如：牙本质的磷蛋白和软骨蛋白多糖等，通过2种途径抑制矿化：与钙离子结合使钙离子或度降低；在OHA还没有达到临界簇以前，蛋白质结合在簇的表面，组织簇的长大。 通过结晶抑制控制矿化速度，防止形成无序结构的沉淀和成长不规则的OHA结晶。 由于基质蛋白的结晶抑制作用是通过结合钙离子实现的，所以改变钙离子浓度可调控这种作用。（2）细胞效应：（2）细胞效应： 广义的细胞效应应该也包括基质效应，因为基质是由细胞分泌的。实际上，细胞是生物矿化的主宰，控制和保证所有决定矿话学的条咱外：成矿离子的浓度、PH、温度、抑制剂等。 结晶抑制：细胞内线粒体和内质网中钙离子浓度很高，是否存在结晶？ 在工作中的线粒体中的确观察到无定型磷酸钙颗粒，可能是TCP或DCPD，但并不长大，因为存在各种抑制剂，包括含共价结合焦磷酸基或磷酸基的代谢产物、磷脂、胆汁酸盐以及某些蛋白质。颗粒可能是细胞外矿化的前提。可以离开线粒体进入细胞质，通过质膜进入细胞外液，以实现矿化。null 这些抑制是非专一的，往往结合在正在成长的晶格表面生长点上，阻止晶格的进一步建造，并稳定微粒不转化为其他晶体。当分泌到细胞外时，抑制剂被除去，固相自发的变成OHA而成长。基质器作用：基质器作用：解决既要浓集钙离子及磷酸根离子，又要阻止在细胞内矿化这一矛盾的另一个策略是由成骨细胞等产生基质器。胚胎骨、软骨和牙本质的矿化都是通过基质器在细胞外形成。 基质器的形成如图所示，基质器保留了原来的细胞内液和细胞膜，但基质器膜更富于磷脂，内液富于磷酸根及促进磷酸根生成的碱性磷酸脂酶、焦磷酸酶等。因为磷脂能与钙离子及磷酸根离子形成三元配合物Ca-磷脂-PO43--，所以基质器膜有主动吸收钙离子的功能，使钙离子和磷酸根离子在基质器中浓集产生ACP。经过固相转化变成OHA，无序簇状。钙离子运送：略 3. 生物矿化过程：钙离子运送：略 3. 生物矿化过程：这里要考虑时间性和空间性 牙本质矿化步骤： A. 在成牙质细胞层的顶端分泌胶原蛋白，成为牙本质的前身，并为矿化做准备。 B. 合成磷蛋白并把它直接分泌在胶原蛋白层上。 C. 部分磷蛋白与胶原蛋白结合，部分降解。 D. 磷酸钙的微晶或钙离子与磷蛋白结合。 E. 在结合的钙离子或晶体上形成OHA结晶，而且按胶原纤维排成有序结构。