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1、生物矿化 目录 生物矿化的研究史生物矿物与生物矿化生物矿化的四个阶段生物矿化的形式牙釉组织的生物矿化生物矿化的主要研究方向 二 生物矿物和生物矿化 生物矿物 概念 生物体系特定条件下生成的矿物 特点 不仅具有骨架支撑作用 而且还具有重力传感作用 如耳石 磁场传感作用 如磁粒体 等特殊功能 生物矿化 概念 是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程 特点 有特殊的反应介质 基质对矿物的指导作用 细胞代谢的参与 几种天然生物矿化的产物 珊瑚 海洋生物珊瑚虫的分泌物 构成珊瑚虫身体的支撑结构 主要成分 方解石 贝壳 主要成分为碳酸钙 通常以文石和方解石形式存在 珍珠 由文石晶体和有机物组成
2、骨骼 由无机矿物和生物大分子规则排列所组成的复合材料 牙齿 由牙釉质 牙本质 牙骨质组成 主要成分为碳酸钙 细菌中的磁性晶体 主要成分为磁铁矿 生物矿物的特点 结构上的高度有序使得生物矿物具有极高的强度和良好的断裂韧性 骨骼和牙齿具有高强度 生物矿物一般具有确定的晶体取向 如 鸡蛋壳中方解石以c轴垂直于蛋壳表面 矿物质与有机基质的相互作用 矿物质在整个生物代谢过程中形成 并参与代谢过程 三 生物矿化的四个阶段 超分子与组织 界面分子识别 生长调制 外延生长 超分子自组织 生物矿化进行的前提 在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境 该环境决定了无机物成核的位置 有机基质的预组织是生物矿化的模板前提
3、 预组织原则是指有机基质与无机相在分子识别之前将识别无机物的环境组织的愈好 则它们的识别效果愈佳 形成的无机相愈稳定 界面分子识别 在已形成的有机基质组装体 底物 的控制下 无机物 受体 从溶液中在有机 无机界面成核 其中的分子识别表现为有机基质分子在界面处通过晶格几何特征 静电电势相互作用 极性 立体化学互补 氢键相互作用空间对称性和形貌等方面影响和控制无机物的成核的部位 结晶物质的选择 晶形 取向及形貌等 生长调制 无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元 同时形状 大小 取向和结构受有机基质分子组装体的控制 由于实际生物体内矿化中有机基质是处于动态的所以在时间和空间上也受有机基质分子组装体的
4、调节 在许多生物体系中 分子构造的第三个阶段即通过化学矢量调节赋予了生物矿化物质具有独特的结构和形态的基础 外延生长 在细胞参与下亚单元组装成更高级的结构 该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因 而且是复杂超精细结构在细胞活动中进行最后的修饰的阶段 以牙本质的矿化为例来说明生物矿化的阶段 在成牙质细胞层的顶端分泌胶原蛋白 成为牙本质的前身 合成磷蛋白并直接分泌在矿化前沿的胶原蛋白层上 部分磷蛋白与胶原蛋白结合 部分降解 磷酸钙的微晶或钙离子与磷蛋白结合 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 四 生物矿化的形式 根据途径分类 生物诱导矿化生物控制矿化 根
5、据生理分类 正常矿化病理性矿化 生物诱导矿化 由生物的生理活动 如新陈代谢 呼吸作用和细胞壁的建立等 引起周围环境物理化学条件改变而发生的生物矿化作用 细胞外生物诱导矿化形成的硅酸铁示意图 A 生物控制矿化 生物控制矿化是由生物的生理活动引起 并在空间 构造和化学3方面受生物控制的矿化过程 细胞内生物控制矿化形成磁铁矿的示意图 B 正常矿化和病理矿化 五 牙釉组织的生物矿化 牙釉的分级结构牙中磷酸钙及其矿化过程 牙釉的分级结构矿物含量高达95 最坚硬的部位 牙釉的典型结构是由称为釉柱和柱间釉质的两种结构单元相互交织构成的 牙中磷酸钙及其矿化过程 牙齿中的磷酸钙主要存在于牙本质 70 和牙釉质
6、97 中 上图为牙釉质 牙本质和骨的主要理化性质和组分含量 由图中可以看出 牙本质中的有机基质约占重量的20 主要是胶原蛋白和非胶原蛋白 牙本质磷蛋 DPP 牙本质涎蛋白 DSP 骨桥蛋白 OPN 牙本质涎磷蛋白 DSPP 蛋白多糖 PGs 和磷脂成分 PLs 非胶原蛋白约占10 牙本质磷蛋白在牙本质矿化过程中起着双重调节晶体生长的作用 它可促进磷酸钙晶体的成核 但在高浓度时 能够与正在生长的HAp晶体结合 减缓HAp的生长速度 牙本质涎蛋白的功能是参与生物矿化的启动或作为调节因子抑制磷酸钙的形成和生长 骨桥蛋白是磷酸化唾蛋白家族中的一员 它不具有组织特异性 与牙本质涎蛋白一样可以抑制磷酸钙的
7、形成和生长 蛋白多糖和磷脂成分在牙本质中均出现在胶原表面 呈针状结构 在前期牙本质中磷脂和蛋白多糖可能抑制晶体的形成 而在牙本质中可吸附于胶原纤维表面 构造了有利于晶体形成的微环境 并调节晶体的横向生长 生物矿化的主要研究从以下几个方面展开了研究 1 研究蛋白质 核酸等之间的相互作用和影响 以及大分子的组装 催化与调节 蛋白质的折叠与结合对生物矿物的影响等 2 通过晶体学 晶体生长学 序列与拓扑学 生物物理学和生物有机化学的理论 来建立生物矿化的理论模型和机制 进而通过计算机模拟的方法来研究生物矿化的理论机制 为发展新型功能材料提供理论支持和指导 六 生物矿化的主要研究方向 3 通过工程设计的途径和生物物理以及仿生合成的方法来合成具有特种功能材料的晶体 4 微生物矿化作用及其对环境和资源影响的研究 为环境和资源的可持续发展提供一种思路 主要研究颗石藻 磁性细菌和蓝细菌等的生物矿化作用及其对环境的相互作用 5 对地质历史时期发生的生物矿化作用和生物骨骼的起源以及反映与此相关的全球海洋古环境 尤其是化学环境的变化和生物矿化所反映区域性的环境变化的研究 为探索生命起源提供理论依据 ThankYou
