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生物矿物及其矿化过程 * 欧阳健明 * * 暨南大学生物矿化与结石病防治研究所 广州 510632 摘 要 生物体内有机基质指导矿物晶体的成核、 生长和聚集, 使得生物矿物具有特定的形貌、 取向和 组装方式, 从而产生特殊的功能。本文从有机基质与矿物的晶格匹配、 立体化学互补和空间定位、 静电作用 和电荷匹配, 以及分子间弱相互作用力等方面综述了生物矿化过程中所涉及的机理, 并讨论了生物矿物的分 布和特性、 生物矿化过程中的有机基质、 生物矿化的过程和类型。 关键词 生物矿化 生物矿物 晶格匹配 静电作用 中图分类号 O782; P573 文献标识码 A 文章编号 1005 281X 2005 040749 08 Biominerals and Their Mineralization Process Ouyang Jianming * * Institute of Biomineralization and Lithiasis Research, Jinan University, Guangzhou 510632, China Abstract The controlled nucleation, growth and aggregation of biominerals in organism under the mediation of organic matrices lead to specific morphology, orientation and assemblies of the biominerals, and consequently give them special functions. The mechanisms involved in biomineralization are reviewed in this paper from the points of lattice matching between organic matrices and biominerals, stereochemistry complementarity and spatial localization, electrostatic effect and charge matching,and intermolecular weak interactions. Moreover, the distribution and characteristics of biominerals, organic matrices in biominerals, the processes and types of biomineralization are discussed. Key words biomineralization; biominerals; lattice matching; electrostatic effects 收稿 2004 年 6月, 收修改稿 2004 年 7月 * 国家自然科学基金重点项目No. 20031010 * * 通讯联系人 e mail toyjm jnu. edu. cn 生物矿化是指生物体内无机矿物的形成过程, 包括两种形式 一种是正常矿化, 如骨骼、 牙齿和贝 壳等的形成; 另一种是异常矿化, 如结石、 牙石和龋 齿等。生物矿化涉及生物学、 化学、 结晶学、 材料学、 矿物学和医学等多学科, 因而也引起了这些领域专 家的广泛关注和高度重视。深入研究生物矿化的特 征和生物矿物形成的机理, 不但有助于新型材料的 开发和利用, 而且有助于治疗异常矿化引起的人体 疾病。 一、生物矿物的分布和特性 1 生物矿物的分布 至今已知的生物体内矿物有 60多种, 含钙矿物 约占生物矿物总数的一半, 其中碳酸盐是最为广泛 利用的无机成分, 磷酸盐次之。碳酸钙主要构成无 脊椎动物的外骨骼; 磷酸钙主要构成脊椎动物的内 骨骼和牙齿; 硅氧化物多见于植物中; 泌尿系结石的 主要组分为草酸钙、 磷酸钙、 磷酸镁铵、 尿酸和胱氨 酸等; 铁锰氧化物和氢氧化物主要见于铁细菌, 其中 磁铁矿主要见于磁性细菌和软体动物的部分矿化组 织中, 如石鳖齿舌中含有大量的磁铁矿; 硫酸盐主要 分布于厌氧的光能硫细菌和硫氧化细菌中, 在原真 核生物中也有残余, 如棘骨虫亚纲 acantharia 的天 青石 SrSO4 骨针。 生物矿物除了具有保护和支持两大基本功能 外, 还有很多其它的特殊功能, 如方解石是三叶虫的 第 17 卷 第 4 期 2005 年 7 月 化 学 进 展 PROGRESS IN CHEMISTRY Vol. 17 No. 4 Jul. , 2005 感光器官, 在哺乳动物内耳里则作为重力感受器; 文 石在头足类动物的贝壳里作为浮力装置, 但大多数 情况下和方解石一样存在于软体动物的外骨骼; 磷 酸钙 包括羟磷灰石、 磷酸八钙和无定形 主要存在 于脊椎动物的牙齿和内骨骼; 一水、 二水草酸钙在植 物、 真菌的叶子、 根里作为钙库, 也是人体泌尿系结 石的主要矿物成分; 二氧化硅存在于硅藻的细胞壁、 植物的叶子; 磁铁矿在鲔鱼、 鲑鱼头部里具有磁导航 的作用, 并存在于趋磁性细菌的细胞内; 水铁矿既存 在于海狸、 老鼠和鱼的牙齿表面, 也存在于石鳖牙齿 的前驱相。表1 列出了常见生物矿物的一些其它功 能及存在位置 [ 1] 。 表 1 部分生物矿物发生的位置和功能[ 1] Table 1 Types and functions of some biominerals[1] biomineralsulaorganismlocationfunctions calcium carbonatecalciteCaCO3forammiferashellexoskeleton crustaceanscrab cuticlemechanical strength birdseggshellsprotection aragoniteCaCO3scleractinian coralscell wallexoskeleton fishheadgravity receptor vateriteCaCO3gastropodsshellexoskeleton ascidiansspiculesprotection amorphousCaCO3nH2Ocrustaceanscrab cuticlemechanical strength plantsleavescalcium store Mgcalcite Mg, Ca CO3 octocoralsspiculesmechanical strength echinodermsshell spinesstrength protection calcium phosphatehydroxyapatite Ca10 PO46OH2 fishscalesprotection octacalcium phosphate Ca8H2 PO46 vertebratesbone teethprecursor phase amorphousvariablegastropodsgizzard platescrushing mammalsmitochondria milkion store silicon dioxidesilicaSiO2nH2Oradiolarianscellularmicroskeleton limpetsteethgrinding iron mineralsmagnetiteFe3O4chitonsteethgrinding goethite FeOOHlimpetsteethgrinding lepidocrocite FeOOHspongesfilamentsunknown chitonsteethgrinding ferrihydrite5Fe2O39H2Oanimals plantsferritinstorage protein greigiteFe3S4bacteriacellularmagnetotaxis group 2A biomineralsgypsum CaSO42H2O jellyfishstatoconiagravity receptor celestite SrSO4 acanthariacellularmicroskeleton barite BaSO4 loxedesintracellulargravity receptor charastatolithsgravity receptor whewellite CaC2O4H2O plants fungileaves rootscalcium store weddellite CaC2O42H2O plants fungileaves rootscalcium store 2 生物矿物的特性 与自然界中形成的一般矿物相比, 生物矿物具 有如下的特性 1 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 和韧性, 软体动物的贝壳珍珠层具有高硬度和优异 韧性, 均是归因于蛋白质与无机晶体 如羟磷灰石和 碳酸钙 间复杂的相互作用而形成的高级自组装结 构。图 1 为 成年 老鼠牙 齿釉 质被 酸侵 蚀后 的 SEM [ 2] 。在成熟的牙釉质中, 碳羟磷灰石晶体沿长 轴平行排列形成晶体束, 晶体束再平行排列形成釉 柱, 最后釉柱平行排列成牙釉质。釉柱长轴延伸方 向与牙表面基本垂直, 在釉柱与釉柱间以及晶体与 晶体间充满着基质。这种高度有序的组装使占重量 95的矿物得以紧密堆积, 从而显示出优良的力学 性质和理化性质。 体外模拟表明, 牛血清白蛋白与羟磷灰石或碳 酸钙结合后, 可以增加矿物的强度和韧性, 增大难溶 矿物的溶解度, 有利于矿物质在蛋白质构成的基质 表面成核, 为矿物的进一步析出与自组装创造条件, 也有利于控制矿物的结晶速度, 防止产生无定形沉 淀。反之, 矿物质也能使蛋白质的结构发生变化, 提 750化 学 进 展第 17 卷 高蛋白质结构的有序程度, 有利于形成具有高度有 序结构的生物矿物。 图 1 被酸侵蚀后的成年老鼠牙齿釉质表面结构的 SEM 其有序的碳羟磷灰石棱柱晶体平行排列形成晶体 束, 每一个棱柱体都由内侧釉质上皮中单独的成釉 细胞产生, 右下角为中央部分的放大图[ 2] Fig. 1 The organization of dental enamel. Scanning electron micrograph of the surface of an acid_etched ground section of mature mouse incisal dental enamel[ 2] 2 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; 软体动物壳 层中方解石常沿 001 面垂直生长, 珍珠层中文石的 a 轴平行于 几丁质纤维 chitin fibrils , b 轴平行 于 折叠 pleated sheet 的类丝心蛋白多肽链 [ 3] 。 3 矿物质与有机基质的相互作用。对草酸钙 尿石超微结构的原子力显微镜 AFM 观察表明 [4] , 尿石晶粒之间都填充着呈条索状或细纤维状但形态 不定的基质, 基质不仅紧密包绕在晶粒周围, 将晶粒 紧密连结起来, 而且基质自身互相连接、 融合, 构成 形态不一的网状纤维。这表明在结石形成过程中, 晶粒的聚集不是简单堆积, 基质起着连接、 粘附晶粒 以及聚集融合的重要作用。表 2列出了生物矿物碳 酸钙和羟磷灰石与基质之间的特征对应关系 [ 3] 。 4 矿物质在整个生物代谢过程中形成, 并参 与代谢过程。 表 2 部分钙化组织中基质矿物之间的特征[3] Table 2 Characteristics of the matrix mineral relationship in some calcified tissues biomineralsaragonitecalcitehydroxyapatitehydroxyapatite locationmollusk nacreavian eggshellboneenamel crystal size approximate, m8 8 1200 20 200.035 0. 025 0. 004100 0. 050 0. 025 structural matrix chitin silk fibroin like proteintyep collagentype I collagenamelogenin nucleatoraspartaterich proteinmamillary bodiesbone sialoproteinenamelin nucleating motif primary structureaspartic acid AspXnglutaminic acid Glun nucleating motif secondary structure pleated sheethelix pleated sheet 二、生物矿化的过程和类型 生物体内的矿化过程一般分为 4 个阶段 1 有机大分子预组装构造有序的反应环境; 2 有机 无机界面的分子识别, 控制晶体的成核、 生长; 3 生长调制, 使晶体初步组装形成亚单元; 4 细胞加 工, 亚单元矿物组装形成多级结构的生物矿物。 Mann [ 5] 曾提出界面有组织矿化的观点, 认为生 物矿化过程存在着不同层次的控制作用。生物矿物 的形成常常是各种因素协同作用的结果。根据生物 体对生物矿物调控程度的不同, 生物矿化可分为生 物诱导和生物控制两类。 生物诱导矿化。生物诱导矿化是由生物的生理 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。这种矿化没有圈定的局限空间, 没有专门的细 胞组织或生物大分子引导, 所形成的晶体任意取向, 缺乏独特形态。图 2A 是在细胞外生物诱导矿化形 成硅酸铁的示意图 [ 6] , 带负电荷的细胞壁 含羧基和 磷酰基 通过静电作用结合铁 离子, 铁 离子 再与硅酸反应生成硅酸铁, 这个过程受细胞的控制 很少, 其晶型与无机溶液中产生的硅酸铁相似。 一般认为, 生物诱导矿物生长是环境中的离子 不断沉积到矿物表面的结果, 但 Banfield 等 [7, 8] 提出 了一种新的生长方式, 即生物矿物的生长可通过纳 米微粒的取向粘附来完成。Banfield 等 [ 7] 对两种铁 氧化细菌 嘉利翁氏菌属和纤发菌属 及其诱导下形 成的生物矿物羟基氧化铁 FeOOH 进行了研究, 发 现 FeOOH 由直径约为 2 3nm 的水铁矿纳米微粒组 成, 在一定的面积内, 各微粒的晶轴平行。他们推测 FeOOH 的形成过程如下 首先铁氧化细菌酶催化溶 解的 Fe 2 氧化, 使溶液迅速成为水铁矿的过饱和溶 液, 析出直径约为 2 3nm 的微粒, 此时各微粒的取 向是随机的; 然后微粒由于布朗运动而相互碰撞, 克 服彼此间的斥力后粘结在一起, 微粒之间的接触界 面消失, 表面自由能降低。相邻微粒因布朗运动产 751第 4 期欧阳健明 生物矿物及其矿化过程 生的轻度摇晃可使微粒旋转至界面能量较低的位 置, 界面间的短程作用力也可驱使微粒旋转, 从而使 微粒以相同的取向聚集在一起形成生物矿物。 图 2 细胞外A 和细胞内 B 的生物矿化示意图 A 生物诱导矿化, 细胞外硅酸铁的形成, 溶解的铁 与带负电荷的细胞壁 羧基和磷酰基 之间最 初为静电相互作用, 随后硅酸与被束缚的铁反应; B 生物控制矿化, 在具有趋磁性的细菌内磁铁矿 或胶黄铁矿greigite 形成, 这种矿物的形貌和尺寸 特性推测由图 2B箭头所指的膜所指导[ 6] Fig. 2 Extracellular A andintracellular B biomineralization[6] 图 3 受海藻胶质定位调控的 FeOOH 沉积的模型图及对 能量代谢的影响[ 8] Fig. 3 Possible model of polymer localized iron oxyhydroxide precipitation and the effect on energy metabolism[8] 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、 构造和化学三方面受生物控制 的矿化过程。它发生在圈定的局限空间 如脂质泡 囊 内, 形成的生物矿物有机物质含量高, 结晶习性 独特, 大小均匀, 形状一致, 排列规则。图 2B 是在细 胞内生物控制矿化形成磁铁矿的示意图 [6] 。由于矿化 位点与细胞外界环境相隔离, 离子不能自由扩散, 因此 在细胞膜的控制下形成了形态和大小均一的磁铁矿。 Banfield 等 [ 8] 报道, 嘉利翁氏菌属和纤发菌属细 菌细胞表面突出的细丝状聚合物可作为空间定位的 模板, 诱导四方纤铁矿 FeOOH 围绕其沉积, 形成 长约几微米, 直径约 20 200nm 的矿化细丝。X 射 线光电子散射光谱 XPEEM 和 X 射线吸收近边结 构谱 XANES 结果表明, 这种细丝状聚合物主要的 有机成分海藻胶质 alginate 是一种酸性多糖。因此 推测, 它是海藻胶质调控 FeOOH 的形成, 其模型 如图 3 所示 Fe 2 在细胞表面或者附近被氧化为 Fe OH2 , Fe OH2 与海藻胶质接触后, 在其作用下 脱去1 个H 生成 FeOOH 并沉积在海藻胶质上。反 应产生的 H 可在细胞内外造成一定的质子梯度, 增强细胞代谢的能量。 三、有机基质对生物矿物的指导作用 1 生物矿化过程中的有机基质 生物矿物中的有机基质可以定义为任何由有机 成分组成的局域化表面, 如蛋白质、 磷脂、 胶原质和 碳水化合物等。软体动物贝壳的有机基质由外套膜 上皮细胞分泌的蛋白质和糖类物质组成, 其中蛋白 质包括非水溶性基质蛋白和水溶性基质蛋白。牙本 质是牙齿中主要的矿化胞外基质, 其主要组分为胶 原, 非胶原基质约占 10。 有机基质在生物矿物的形成中起着十分关键的 作用, 正是有机基质与矿物的巧妙联合, 才使生物矿 物表现出特殊的理化性质和生物功能。 在贝类生物中, 非水溶性基质蛋白构成晶体生 长的网状三维空间结构, 控制晶体的成核位点, 导致 碳酸钙较好地结晶。而水溶性基质蛋白含有大量的 天冬氨酸和磷酰丝氨酸, 是一类强酸性蛋白质。由 于磷酸基团能增强晶体生长位点的识别能力, 因此 水溶性基质蛋白的磷酸化程度可能是控制碳酸钙晶 体生长的因素之一。 Bowen 等 [ 9] 提出一种合理模型, 解释了软体动 物贝壳珍珠层中文石晶体的成因, 认为在有机基质 中, 非水溶性基质蛋白中高分子量的蛋白质作为锚 蛋白, 将水溶性酸性蛋白质连到不溶的蛋白质上, 锚 蛋白 来自非水溶性基质蛋白 的碱性氨基酸侧链可 与酸性蛋白 来自水溶性基质蛋白 的羧基结合。由 于酸性蛋白的酸性侧链比锚蛋白的碱性侧链多, 未 结合的离子化羧基就能作为文石晶体沿几何轴线生 长的取向模板, 即水溶性基质蛋白在生物矿化过程 中起主要的控制和调节作用。 水溶性基质蛋白具有诱导晶核形成、 抑制晶体 生长的双重功能。在珍珠质中, 同时存在抑制和促 进晶体形成的水溶性基质蛋白组分 [ 10] , 它们分别是 珍珠质矿化过程中的正、 负调控因子, 珍珠质致密有 752化 学 进 展第 17 卷 表 3 文石晶体001 面 Ca 原子与蛋白质层 3种匹配方式的偏差[12] Table 3 Matching errors of the three modes between protein sheets and Ca atoms[12] mode matching errors of a[100] length b[ 010] length [ 110] length [ 100] direction [010] direction [ 110] direction gradient with mode 1 1- 4. 3- 13. 30 0 0 212.6- 0.61.32. 5 6. 2 0 58 318.35. 31. 5 0 34. 5 序结构的形成正是归因于这两种调控因子共同作用 的结果。 如果有机基质发生变异, 将导致矿物质发生相 应的变化, 如大骨节病病区黄腐酸可促进贴壁单层 培养的软骨细胞形成异常的胞外基质, 促进异常矿 化 [ 11] 。病区黄腐酸刺激软骨细胞产生的活性氧, 使 近细胞膜的软骨囊内蛋白颗粒减少, 细蛋白纤维消 失, 粗长的胶原蛋白变细, 胶原蛋白连接方式由正常 的束状排列变为杂乱的网状, 造成蛋白多糖结构散 乱, 使矿化位点混乱, 从而在伤损基质上发生较大量 的片状不均匀钙化区。 2 有机基质与矿物的晶格匹配 当有机基质表面结构与晶体某一晶面的晶格参 数相匹配时, 可以降低晶体成核活化能, 诱导晶体沿 该晶面择优生长, 形成大小均一、 取向一致的晶体。 贝壳中大部分的文石晶体具有相同的取向, 不 论是否在同一晶片层内。高度一致的取向归因于层 间有机基质和文石晶格之间的结构匹配 [ 12] 。图 4 图 4 贝壳中文石001晶面与多糖基质蛋白之间的结构 关系模型图 带交叉点 的矩形代表反平行的 折 叠蛋白的主要结构, 在此结构上有很多天冬氨酸位点; Ca 原子构成的矩形代表文石的001晶面, 图中展示了 3种可能的匹配模式, 长度单位 nm[ 12] Fig. 4 Schematic model of the structural relationships between protein sheets and abface of aragonite crystals 为文石晶体的 001 晶面 即 ab 面 和蛋白质之间 3 种可能的匹配模型图, 其匹配偏差见表 3。通过分 析匹配点个数和匹配偏差可以看出, 模式 1 是最适 配的, 模式 2 次之。这两种模式之间的夹角为 58 , 非常接近于通过腐蚀实验所观察到的主要择优 取向和次要择优取向之间的夹角 - 59和 53 。 晶格匹配除了决定晶体的取向外, 还可以决定 晶体的晶型。水溶性基质蛋白已被证实对碳酸钙的 结晶类型起决定性作用, 不需要其它离子的参与就 图 5 水溶性蛋白质分子的微观结构及其与碳酸钙晶体 微观结构可能的对应关系[14] Fig. 5 Microstructure of watersoluble protein shown probable relationship with microstructure of calcium carbonate[14] 图 6 具有 折叠构象的富天冬氨酸蛋白质与方解石 001 晶面的晶格匹配示意图, 省略了H 原子[ 3] Fig. 6 Schematic diagram of the structural relationship between calcite from the 001 basal plane and pleated sheet of aspartate rich protein[3] 可为不同晶型的碳酸钙的成核提供合适的三维空间 结构和局部微环境 [ 13] 。水溶性基质蛋白带有强烈 的负电荷, 能束缚 Ca 2 , 这种负电荷主要来自蛋白 质分子的AspY Asp 天冬氨酸, Y 其它氨基酸残基 重复序列; 并 且, 当这种序列采取 折叠的构象 时, Asp 的 羧基所带负电荷之间 的距离可以与碳酸钙晶格中 Ca 2 之间的距离匹配。水溶性蛋白质分 子微观结构及其与碳酸钙晶体微观 结构可能的 对应关系 如图 5 所 753第 4 期欧阳健明 生物矿物及其矿化过程 示 [ 14] a 为Asp 之间的距离, b 为晶格中 Ca 2 之间的 距离, b 随晶型、 晶格取向的不同而不同。b 若与 a 的值接近则该晶型在此方向上被诱导形成, 否则被 抑制。因此, 当具有 折叠构象的富 Asp 蛋白质与 文石 001 晶面之间有较好匹配关系时, 可诱导文石 以 001 晶面成核 [12] , 若其侧链间距与方解石 001 晶面上沿 b 轴排列的 Ca 2 的间距匹配时 图 6 , 则 诱导方解石以 001 晶面成核 [ 3] 。 3 立体化学互补和空间定位 立体化学互补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, 从而相互识别 并引发特定的成核。空间定位是指有机界面提供了 一个有效中心, 使晶体在这个中心内定位生长, 同 时, 它又对晶体生长在空间上的扩展给予约束和限 制, 从而使得晶体在结构、 形态及尺寸上都得到了 控制。 有机基质分子立体结构上的细微差别, 都能从 与之作用的矿物特定晶面的生长或溶解中反映出 来, 如天冬氨酸的对映体 L天冬氨酸和 D天冬氨 酸 可使方解石产生手性结构 图 7 [ 15] 。 图7 氨基酸对映体对方解石形貌影响的 AFM A 001 mol L L 天冬氨酸, B 0. 01 mol L D 天冬氨 酸; 图片尺寸 15m 15m[ 15] Fig. 7 Images showing the effect of chiral amino acids on calcite morphology[15] Miyamoto 等 [ 16] 从牡蛎的珍珠层分离纯化出一种 60 kDa 的可溶性有机基质蛋白并命名为 nacrein。氨 基酸序列分析表明, 这种蛋白包括两个功能区域 一 个是碳酸酐酶区域, 另一个是 GlyXaaAsn Xaa Asp, Asn 或 Glu 重复序列。实验结果指出, 碳酸酐 酶可以催化HCO3 - 的形成, 而GlyXaaAsn 重复序列 可以结合钙, 因此推测 nacrein 参与了珍珠层文石晶 体的形成过程。其形成模型如图 8 所示 呼吸作用 产生的 CO2在 nacrein 的作用下与 H2O 反应生成 HCO3 - ,HCO3 - 进一步转变成 CO3 2- , CO3 2- 和 Ca 2 结合后, nacrein 通过改变 CO3 2- 的立体化学位置, 从 而产生文石晶体。 图 8 Nacrein参与珍珠层中文石晶体形成的模型[16] Fig. 8 A model for the nacreous layer ation by nacrein[ 16] 生物体内形成的方解石往往具有奇妙的微观结 构, 如一种叫 Ophiocomawendti 的海蛇尾 brittle star 脊骨上方解石的旋绕状结构如图 9A 所示 [ 17] 。这种 结构可能是在特定大分子的定位控制下形成的, 大 分子促使矿物在某些位点上形成, 同时抑制在其它 位点上形成晶体。如将生物大分子吸附到方解石脊 骨上时, 新的晶体只外延生长在特定的位置上 图 9B [ 17] 。 图 9 A 在海蛇尾脊骨中方解石的旋绕状结构; B脊 骨上外延生长的方解石晶体, 新的晶体只外延生长 在特定的位置[17] Fig. 9 A Convoluted shape of the spine of the brittle star Ophiocoma wendti; BEpitaxialovergrowthof synthetic calcite crystals on the spine surface[17] Hecky 等 [ 18] 提出硅藻细胞中含羟基的氨基酸 如丝氨酸和苏氨酸 蛋白模板在 SiO2成核生长中 起立体化学互补作用。海绵轴向丝心蛋白和植物细 胞壁多糖亦有类似功能。 有机超薄膜也具有调控晶体定位生长的作用。 有机超薄膜为晶体的定位生长提供一个有效中心, 并且约束晶体在空间上的扩展, 使之不能向膜的方 754化 学 进 展第 17 卷 向扩展。如在二十烷酸诱导下形成大小较为均一, 其长度约在 50nm 左右的 PbS 晶体 [ 19] 。经氨基乙酸 修饰后的丁二炔单分子膜, 在膜压 20 25mN m 时 其相邻微区的距离约为 0. 32mm。此时, 膜下形成球 霰石晶体亦具有相同间距, 约为 033 001mm, 可 见晶体的间距与膜的特征空间尺寸精确地匹配 [ 20] 。 膜包裹蛋白笼和脂质囊泡与胞外连续蛋白多 糖网络模板对于 SiO2结构组织具有重要意义。植 物叶局域化分隔的空间, 如水稻叶外表皮硅化细胞 包括哑铃和扇形细胞 , 赋予矿化数量和矢量特性, 因此, SiO2聚合总体积和沉积方向是被 精确调 控的 [ 21] 。 脂质体具有与生物膜结构类似的封闭双分子层 结构, 脂质体形成的隔室可以限制离子的运动空间, 控制离子的运输以及形成的矿物的形状和大小 [ 22] 。 我们 [ 23] 在卵磷脂 PC 所形成的脂质体中, 形成了大 小均一的草酸钙纳米微粒, 尺寸约 100nm 图 10A ; 而在水溶液中, 由于不存在脂质体所具有的膜 水界 面, 因此产生尺寸较大 约 1 500 2 000nm 且不均 一的晶体 图 10B 。 图 10 草酸钙晶体的 TEM 图 A 在脂质体中 标尺 200nm ; B 在水溶液中 标尺 1 000nm [23] Fig. 10 TEM images of calcium oxalate crystals grown in A liposome the bar 200nm and B pure water the bar 1 000nm [ 23] 4 静电作用和电荷匹配 静电作用对于界面电荷富集和双电荷层的形成 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核。生物矿化过程中的 这一 离子移变说 iontropictheory [ 24] 已被红外光谱 所证实。对富天冬氨酸的蛋白质, 钙结合位点是羧 基, 对糖蛋白和磷蛋白, 钙结合位点是硫酸或磷酸基 团, 可溶蛋白质中的粘多糖也是钙结合位点。上述 的大分子具有浓缩钙离子、 调节矿物成核和生长的 作用。 弹性蛋白位于动脉管壁内, 是高度交联的聚合 蛋白 图 11A [ 25] 。 弹 性 蛋 白 带 负 电 的 端 基 CO 与 Ca 2 相互作用, 可促进方解石在其表面 成核、 生长 图 11B 。其临界晶核的离子数 n * 3, 表面能为 25mJ m 2, 两者对微溶无机盐而言均相当 低, 这有利于形成方解石, 相应的表观生长级数为 2 0. 1, 表明该过程是典型的表面扩散控制机制。 图 11 弹性蛋白A 和在弹性蛋白上生长的方解石晶体 B 的 SEM[ 25] Fig. 11 Scanning electron microscopy of A elastin substrate and B calcite crystals on elastin[25] Mann 等 [ 26] 研究表明, 方解石的取向生长需要一 个带负电荷的界面, 即静电相互作用可以促进方解 石的成核。在带负电荷 如硬脂酸 单分子膜诱导 下, 取决于溶液条件的不同可以诱导碳酸钙以方解 石或球霰石成核; 带正电荷 如十八胺 的单分子膜 下只产生球霰石晶体。 然而, 在溶液中静电作用对结晶的调控作用并 不同于在两相界面上的作用。如在带正电荷的碱性 氨基酸 精氨酸 水溶液中, 得到的几乎全部为方解 石型碳酸钙; 在不带电荷的中性氨基酸 缬氨酸 水 溶液中得到了约 1 的球霰石型碳酸钙; 而在带负 电荷的酸性氨基酸 天冬氨酸和谷氨酸 水溶液中得 755第 4 期欧阳健明 生物矿物及其矿化过程 到了大量的球霰石型碳酸钙 [ 27] 。这是由于带不同 电荷的氨基酸和钙离子的作用不同, 在其与钙离子 结合后可形成不同的模板, 因而对碳酸钙晶型和形 貌的指导作用不同。 蜡状芽孢杆菌是一种微生物, 能有效地将金从 溶液中富集到细胞表面。蜡状芽孢杆菌的富金作用 主要与其细胞壁的化学成分和结构功能有关, 其细 胞壁有一层很厚的网状的肽聚糖、 多糖、 核酸和蛋白 质, 在细胞壁表面存在的磷壁酸质和糖醛酸磷壁酸 质连接到网状的肽聚糖上。磷壁酸质的磷酸二脂和 糖醛酸磷壁酸质的羧基使细胞壁带负电荷, 具有离 子交换的性质, 能与溶液中带正电荷的金离子进行 交换反应 [ 28] 。 四、结 论 近年来, 虽然对生物矿化的研究取得了长足的 进展, 但生物体内的矿化过程十分复杂, 至今远未充 分认识生物矿物的形成机理以及基质、 细胞等对生 物矿物的调控作用。大多数的研究只是在生物体外 简单的模拟体系中进行, 并且对生物大分子协同调 控作用的研究非常少。因此需要在更接近生物体内 环境的条件下, 进一步研究生物大分子专一的调控 作用以及协同调控作用, 进一步研究基质中的生物 矿化过程、 细胞矿物的相互作用, 以阐明生物矿物 的形成过程, 为开发仿生材料和治疗异常矿化引起 的疾病提供启示。 参 考 文 献 [ 1 ]Mann S. 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