浙江大学：《生物与医用材料》课程教学课件（讲稿）第一部分 生物组织与材料仿生 第六章 其它生物矿物 §6.3 生物矿物形成机理的认识

86.3生物矿物形成机理的认识生物可以随心所欲地制造各种微观和宏观结构的矿物材料，并且是在完全环保的条件下（可以称其为绿色制造）。若能完全破译这种制造方法的原理，人类就可以模仿用来制造所需要的材料，无疑其意义是巨大的。尤其是在当前纳来技术被高度推崇的年代，生物矿化的过程是具有启迪意义的，因为，大多数生物矿化的过程都是在纳米尺度上进行的自组装(selfassembly）过程。以珍珠质为例，是什么因素控制珍珠质如此有规则的生长过程昵？从它的生长过程和理论分析，下面四个方面的控制是关键所在：1.晶体晶型的控制：2.形核位置的控制；3.晶体形状和取向的控制：4.矿物相离子（Ca、CO3）的输运和晶体长大的方式：

§6.3 生物矿物形成机理的认识 生物可以随心所欲地制造各种微观和宏观结构的矿物材料，并且是在 完全环保的条件下（可以称其为绿色制造）。若能完全破译这种制造方法 的原理，人类就可以模仿用来制造所需要的材料，无疑其意义是巨大的。 尤其是在当前纳米技术被高度推崇的年代，生物矿化的过程是具有启迪意 义的，因为，大多数生物矿化的过程都是在纳米尺度上进行的自组装 （self assembly）过程。 以珍珠质为例，是什么因素控制珍珠质如此有规则的生长过程呢？ 从它的生长过程和理论分析，下面四个方面的控制是关键所在： 1. 晶体晶型的控制； 2. 形核位置的控制； 3. 晶体形状和取向的控制； 4. 矿物相离子（Ca、CO3）的输运和晶体长大的方式；

日前一致认为生物体内无机矿物的生长是受到有机大分子的控制，无论在形核还是在长大过程中有机大分子都起了重要的作用。换言之，生物矿化的定义就是在有机大分子调控下无机矿物相的生长过程

目前一致认为生物体内无机矿物的生长是受到有机大分子的控制， 无论在形核还是在长大过程中有机大分子都起了重要的作用。换言之， 生物矿化的定义就是在有机大分子调控下无机矿物相的生长过程

例：昆虫和鱼中的抗冻蛋白（AFP）对水结晶的抑制作用。植物、昆虫、鱼体内都含有一定量的抗冻蛋白，用以抑制水的结晶，其作用的机理是：蛋白的某一个面的特定官能团一定间距、重复排列，且与冰的表面原子相互匹配。当冰晶核形成时，这些蛋白就吸附在冰表面，阻止晶核进一步长大。0°C-0.2°C-0.4°℃-0.6°℃C-0.8°℃-1.0°C-1.08°CInsectAFP(20 μm)FishAFP250μm(400 μm)0℃-0.2°℃-0.27°Cp325From2000,Vol406

例：昆虫和鱼中的抗冻蛋白（AFP）对水结晶的抑制作用。 植物、昆虫、鱼体内都含有一定量的抗冻蛋白，用以抑制水的结晶，其 作用的机理是：蛋白的某一个面的特定官能团一定间距、重复排列，且 与冰的表面原子相互匹配。当冰晶核形成时，这些蛋白就吸附在冰表面， 阻止晶核进一步长大。 From 2000, Vol 406 p325

1.64A苏氨酸threonineCOO-H,N-C-HH—C—OHCH,抗冻蛋白有一β片折叠面，在β片折叠面上（绿色箭头所示）苏氨酸侧基有规律的以0.464x0.744nm的间距排列，红点代表苏氨酸侧基中的氢原子。Fr0m:2000,Vol.406,p.322

抗冻蛋白有一b片折叠面，在b片折叠面上（绿色箭头所示）苏氨酸侧基有规 律的以0.464x0.744nm的间距排列，红点代表苏氨酸侧基中的氢原子。 From: 2000, Vol.406, p.322. C H + H3N COO￾H C CH3 苏氨酸 threonine OH

冰晶体菱柱面上氧原子排列与抗冻蛋白B片折叠面上苏7.35A氨酸侧基匹配情况。蛋白与冰晶核的结合阻止了晶核的长大，从而抑制了冰的结晶，?a3*aal4.52A0.464 x 0.744 nm

冰晶体菱柱面上氧原子排列 与抗冻蛋白b片折叠面上苏 氨酸侧基匹配情况。蛋白与 冰晶核的结合阻止了晶核的 长大，从而抑制了冰的结晶。 0.464 x 0.744 nm

在老鼠的体内，研究表明存在一种名为MatrixGlaProtein(MGP的蛋白，这种蛋白富含Gla（Gla也叫羧基谷氨酸（-carboxyglutamicacid），是一种很特殊的氨基酸，它在结构上象谷氨酸Glu.但它有两个羧基基团)。当MGP从老鼠体内移除后，老鼠体内会马上发生异常的钙化。说明MGP具有抑制钙化的能力。COOHHOOCOHOLuo, G et al. Spontaneous calcification of arteries and cartilage in micelaking matrix GLAprotein.Nature Vol386, 78-81

在老鼠的体内，研究表明存在一种名为Matrix Gla Protein (MGP) 的蛋白，这种蛋白富含Gla (Gla 也叫羧基谷氨酸（g-carboxyglutamic acid）， 是一种很特殊的氨基酸，它在结构上象谷氨酸Glu, 但它有两 个羧基基团)。当MGP从老鼠体内移除后， 老鼠体内会马上发生异常 的钙化。说明MGP具有抑制钙化的能力。 Luo, G et al. Spontaneous calcification of arteries and cartilage in mice laking matrix GLA protein. Nature Vol386, 78-81

蛋白既然可以抑制矿物的结晶，那么也可以促进矿物的结晶。事实上，动物体内的蛋白在生物矿化过程中扮演了极其精妙的作用。它控制了生物矿物在什么位置结晶、结晶的晶体结构、晶体的三维形状等等一系列的过程。也就是说，蛋白对生物矿物的生成起到了调控的作用。这种调控的作用过程非常复杂，达到了自前人工合成方法难以达到的高度。前人们对它的理解则正处于起步的阶段，大部分的原理尚未被揭示。在本课程中，我们将通过珍珠质的组织结构、形成机理的讨论分析，对生物矿化进行深入的探讨

蛋白既然可以抑制矿物的结晶，那么也可以促进矿物的结晶。事 实上，动物体内的蛋白在生物矿化过程中扮演了极其精妙的作用。它 控制了生物矿物在什么位置结晶、结晶的晶体结构、晶体的三维形状 等等一系列的过程。也就是说，蛋白对生物矿物的生成起到了调控的 作用。这种调控的作用过程非常复杂，达到了目前人工合成方法难以 达到的高度。目前人们对它的理解则正处于起步的阶段，大部分的原 理尚未被揭示。 在本课程中，我们将通过珍珠质的组织结构、形成机理的讨论分 析，对生物矿化进行深入的探讨

1.晶体结构的控制：晶态CaCO3存在三种晶型：三角晶系的方解石calcite，正交晶系的文石aragonite，以及六方晶系的球文石vaterite。其中方解石是稳定相，文石和球文石均为亚稳相，其中文以球文石最不稳定。在不含其他有机物质的Ca2+，CO32-过饱和溶液中（如：用CaC12和Na2CO3配置），结晶获得的CaCO3都是方解石；而在珍珠质矿化中形成的却是亚稳定的文石，这是受什么因素控制的呢？蛋白分子

1. 晶体结构的控制； 晶态CaCO3存在三种晶型：三角晶系的方解石calcite，正交晶系的文 石aragonite，以及六方晶系的球文石 vaterite。其中方解石是稳定相， 文石和球文石均为亚稳相，其中又以球文石最不稳定。在不含其他有 机物质的Ca2+, CO32-过饱和溶液中（如：用CaCl2和Na2CO3配置）， 结晶获得的CaCO3都是方解石；而在珍珠质矿化中形成的却是亚稳定 的文石，这是受什么因素控制的呢？ 蛋白分子

（1）不同晶型CaCO，的控制生长亚稳态文石晶体的制备：在过饱和的Ca2+,CO,2-溶液中加入一定量的多糖类的β-环糊精(β-cyclodextrin)，在25C放置一周后结晶的产物是文石型CaCO3。在含β-环糊精的溶液中生长出文石。它们不是珍珠质中的片状，可见珍珠生长中，上皮细胞分泌的蛋白更复杂，不但能促进文石生长，还能抑制文石沿方向生长。10 μm

（1） 不同晶型CaCO3的控制生长 亚稳态文石晶体的制备：在过饱和的Ca2+, CO3 2- 溶液中加 入一定量的多糖类的b-环糊精(b-cyclodextrin)，在25oC放 置一周后结晶的产物是文石型CaCO3。 在含b-环糊精的溶液中生 长出文石。它们不是珍珠 质中的片状，可见珍珠生 长中，上皮细胞分泌的蛋 白更复杂，不但能促进文 石生长，还能抑制文石沿 方向生长

(2）亚稳态球文石晶体的制备：在过饱和的Ca2+，CO,2-溶液中加入一定量的糖原(hepatin)，胃蛋白酶(pepsin)，或可溶性淀粉(solublestarch），在25C放置一周后结晶的产物是球文石型CaCO3在含可溶性淀粉的溶液中生长出球文石。10Wm

（2） 亚稳态球文石晶体的制备：在过饱和的Ca2+, CO3 2- 溶液中加入一定 量的糖原(hepatin), 胃蛋白酶(pepsin), 或可溶性淀粉(soluble starch) ， 在25oC放置一周后结晶的产物是球文石型CaCO3。 在含可溶性淀粉的 溶液中生长出球文 石