生物礦化省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

生物礦化匯報人:盧美嬌指導(dǎo)教師:介冬梅1/30WhyIchoosethisbook?經(jīng)典文獻由國家自然科學(xué)基金重點項目“生物礦化過程及模擬”課題組成員撰寫清華大學(xué)崔福齋全面介紹了生物礦化的過程、當(dāng)前人們所了解的原理以及相關(guān)應(yīng)用與研究方向相關(guān)植物體內(nèi)的生物礦化植物體內(nèi)的植硅體2/30目錄生物礦化細胞調(diào)控第一章第二章第三章第四章生物礦化中結(jié)晶原理有機質(zhì)調(diào)控生物礦化生物中礦物3/30目錄植物體內(nèi)生物礦化第五章第六章第七章第八章病理性礦化Ⅰ：與骨礦物代謝和血管鈣化相關(guān)生物礦化病理性礦化Ⅱ：結(jié)石與牙病理礦化生物礦化與基因調(diào)控4/30匯報提要5/30一、生物礦物與生物礦化

生物礦物（bimineral）概念：生物體系特定條件下生成礦物特點：含有特殊高級結(jié)構(gòu)和組裝方式

含有特殊理化性質(zhì)和生物功效概念：指由生物體經(jīng)過生物大分子調(diào)控生成無機礦物過程是生物形成礦物作用，是生物在特定部位，在一定物理化學(xué)條件下，在生物有機物質(zhì)控制或影響下，將溶液中離子轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟V物作用。特點：有特殊反應(yīng)介質(zhì)（多糖、蛋白質(zhì)等）

基質(zhì)對礦化指導(dǎo)作用

細胞、代謝參加

生物礦化（biomin-eralization）6/30二、生物礦化種類化學(xué)式俗名實例CaCO3方解石鳥蛋殼、珊瑚、海綿刺CaCO3文石軟體動物外殼、貝殼、珍珠CaMg(CO3)2白云石棘皮動物牙Ca5(PO4)3(OH)羥基磷灰石骨、牙SiO2(H2O)n無定形水合硅植物纖維、藻類、海綿刺Fe3O4磁鐵礦細菌中磁性晶體Fe3S4細菌中磁性晶體CaBR膽紅素鈣色素型膽結(jié)石CaC2O4草酸鈣尿結(jié)石NH4MgPO4磷酸銨鎂尿結(jié)石7/30幾個天然生物礦物產(chǎn)物珊瑚海洋生物珊蝴蟲分泌物，組成珊蝴蟲身體支撐結(jié)構(gòu)主要成份為方解石貝殼主要成份為碳酸鈣通常以方解石和文石形式存在珍珠由文石晶體和有機質(zhì)組成8/30幾個天然生物礦物產(chǎn)物牙牙本質(zhì)：膠原蛋白

磷蛋白牙釉質(zhì)：成釉蛋白

釉蛋白骨由無機礦物與生物大分子規(guī)則排列所組成復(fù)合材料結(jié)石人體或動物體內(nèi)導(dǎo)管腔中或腔性器官腔中形成固體塊狀物主要由無機晶體和有機基質(zhì)兩部分組成9/30三、生物礦化形式礦化發(fā)生在不應(yīng)形成礦化部位，或者礦化過分或不足礦化在一定部位進行，并按一定組成、結(jié)構(gòu)和程度完成正常礦化異常礦化10/30三、生物礦化形式受控過程

（1）控制礦化-脫礦平衡（熱力學(xué)礦化）Ca2++CO32-CaCO3（2）控制礦化速度（動力學(xué)）實例：骨、牙、貝殼、珍珠等失控過程（1）礦化不足或過度（2）礦化速度過快或過慢實例：口腔：齲齒、牙石胃腸道：膽結(jié)石、胰結(jié)石泌尿系統(tǒng)：尿結(jié)石及膀胱結(jié)石等11/30四、生物礦化過程生物體內(nèi)大分子的預(yù)組織（確定無機物的成核位置）界面分子識別（控制晶體的成核、生長）（對晶體的選擇、晶型、取向、形貌有影響）生長調(diào)制（使晶體初步組裝形成亞單元）細胞加工（亞單元礦物組裝形成多級結(jié)構(gòu)的生物礦物）12/30以牙本質(zhì)礦化為例：在成牙質(zhì)細胞層的頂端分泌膠原蛋白，成為牙本質(zhì)得前身——礦化準(zhǔn)備階段合成磷蛋白并直接分泌在礦化前沿的膠原蛋白層上部分磷蛋白與膠原蛋白結(jié)合，部分降解磷酸鈣的微晶或鈣離子與磷蛋白結(jié)合在結(jié)合的鈣離子或晶體上形成HAP結(jié)晶，而且按膠原纖維排成有序結(jié)構(gòu)。牙本質(zhì)礦化步驟：13/30五、生物礦化調(diào)控生物礦化調(diào)控基因細胞有機質(zhì)14/301、生物礦化有機質(zhì)調(diào)控作為結(jié)構(gòu)構(gòu)架疏水大分子用來分割細胞外空間而且為機械支撐提供構(gòu)架含有作為生物礦化形核表面酸性大分子與周圍過飽和溶液中離子發(fā)生相互作用來影響形核活化勢能壘有機基質(zhì)15/301、生物礦化有機質(zhì)調(diào)控分割礦化空間起機械支撐結(jié)構(gòu)礦化作用形核界面活化功效有機質(zhì)對生物礦化調(diào)控作用16/302、生物礦化細胞調(diào)控首先，細胞一個主要功效就是合成份泌各種蛋白質(zhì)。在生物礦化系統(tǒng)中，起模版作用框架蛋白和調(diào)控作用功效蛋白都是由對應(yīng)細胞合成或分泌。在不一樣發(fā)育時期，組織中存在細胞類型可能不一樣，分泌蛋白也不一樣。所以在特定時間和空間，由特定細胞類型分泌特定蛋白，對礦化起著特定作用。其次，細胞活動對礦化組織分級結(jié)構(gòu)形成有著主要影響。比如：在牙釉質(zhì)分級結(jié)構(gòu)研究中，基因、蛋白和細胞對于牙釉質(zhì)從納米尺度到宏觀尺度上分級組裝結(jié)構(gòu)形成起著主要作用。細胞代謝在生物礦化中發(fā)揮著不可替換作用17/303、生物礦化基因調(diào)控生物礦化本質(zhì)上是一個受基因準(zhǔn)確表示與調(diào)控過程，因而研究礦化基質(zhì)蛋白基因位點和基因表示控制細節(jié)，研究基因調(diào)控下生物礦化過程是搞清礦化控制機理根本路徑。在納米尺度上，礦化組織組裝是由蛋白-蛋白相互作用和蛋白-晶體相互作用所限制。而基因控制分泌特定蛋白形成細胞外基質(zhì)。在中等尺度上，組織分級組裝是由各種細胞活動控制，而這些細胞活動也是經(jīng)過基因表示控制?；虻鞍谆|(zhì)細胞18/30六、植物體內(nèi)生物礦化礦化物常規(guī)分布出現(xiàn)物種草酸鈣（CaC2O4.nH2O)215個科，包含裸子植物和被子植物白檀，仙人掌科;黃毛掌，仙人掌科；菜豆、豆科；皂樹，薔薇科；葡萄，葡萄科；硅石(SiO2.nH2O)大于100科，包含裸子植物、被子植物和蕨類植物蘆竹、竹類、玉米、龜草、金絲雀草、垂穗草、（禾本科）等。植物體內(nèi)生物礦物19/30植物體內(nèi)草酸鈣草酸鈣晶體是植物生長發(fā)育過程中形成最常見礦物,幾乎在全部高等植物體內(nèi)都有分布,并存在于不一樣組織及器官中.草酸鈣晶體在植物界中分布廣泛,主要存在于維管束植物中.草酸鈣主要沉積部位分布在葉片、莖、種子、苞片、花藥、根等器官中晶異細胞中。1、植物體內(nèi)草酸鈣分布：20/302、植物體內(nèi)草酸鈣形態(tài)：草酸鈣晶體形態(tài)普通分為5種:簡單棱柱形棱晶、球形晶簇、單個針狀柱晶、成束針晶和由四面體形晶體聚集成晶砂。a.b.c.棱晶d.晶簇e.h.成束針晶f.g.單個針狀柱晶針晶21/303、植物體內(nèi)草酸鈣晶體形成

植物體內(nèi)草酸鈣晶體不是隨機沉積在植物體內(nèi)，而是受控處于特定環(huán)境中植物體內(nèi)一些細胞。高等植物體內(nèi)草酸鈣晶體主要是在一些特化細胞即異細胞液泡中形成。

大多數(shù)礦化過程中，特化細胞和有機大分子一起，調(diào)控晶體形成。這些特化細胞和有機基質(zhì)分子經(jīng)過不一樣路徑，控制結(jié)晶、晶體成核、晶體生長過程和形態(tài)。22/30草酸鈣晶體形成影響原因：（1）基質(zhì)分子調(diào)控晶體生長（2）晶體水化狀態(tài)影響（3）

鈣和草酸相對含量影響著晶體形態(tài)（4）晶體生長速度和形貌由晶室和基質(zhì)大分子共同控制,特定分隔細胞空間也是主要調(diào)控因子23/30植物體內(nèi)硅生物礦化硅（Si)是自然界最豐富元素之一，對陸地高等植物來說，除N、P、K三種必需元素外，硅也是一個主要營養(yǎng)元素，大多數(shù)陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中都存在著硅生物循環(huán)。植物體內(nèi)硅通常被成為蛋白石或者植硅石，也就是植硅體（Phytolith)植硅體又稱植物硅酸體，在一些植物細胞中或細胞間形成微體水合二氧化硅質(zhì)顆粒。24/301、植硅體基本特征1、植硅體產(chǎn)量大，分布范圍廣。

從高山到平原，從湖泊到海洋，從森林到草原，凡有植被地方，即有植硅體存在2、植硅體理化性質(zhì)穩(wěn)定，含有耐腐蝕性。

當(dāng)植物死亡或凋謝之后，植硅體不會分解，而完整地長久保留于土層中。3、植硅體含有極佳耐高溫特征。

這種抗高溫性能可使植硅體理想地應(yīng)用于經(jīng)高溫處理依存分析之中。25/301、植硅體基本特征4、植硅體形成于植物器官，隨腐爛了植物，沉積于原地土壤中。

所以，多數(shù)植硅體統(tǒng)計含有原地沉積特點，尤其對考古遺址植物歷史統(tǒng)計，更為精細和穩(wěn)定，優(yōu)勢十分顯著。5、植硅體形態(tài)重復(fù)性、規(guī)律性和獨特征。

不一樣植物能夠產(chǎn)生不一樣植硅體形態(tài)組合和獨特個體形態(tài)。26/302、植硅體形狀按照王永吉分類系統(tǒng)，主要類型有：

方型、長方型、扇型、十字型、啞鈴型、鞍型、帽型、尖型、棒型、三棱柱型、多面體型、薄板型、球型等。1.2.3鞍型4.11.12帽型5.尖型型76.方.9扇型8.10棒型A.

B.C.D棒型E.F尖型G.H.I.帽型J.板狀K.蜂窩狀L.薄片層狀蘆葦植硅體圖版羊草植硅體圖版27/303、硅在植物體內(nèi)沉積位點植物地上部外表皮是硅主要沉積部位,尤其是毛狀體細胞壁和葉脈硅化細胞內(nèi),其它外表皮長細胞、泡狀細胞和氣孔以及起輸導(dǎo)作用和支持作用厚壁細胞也有部分程度硅化現(xiàn)象。高等植物體內(nèi)無定形SOi2沉積主要發(fā)生在細胞壁、細胞間隙或?qū)Ч軆?nèi),在根、花序苞片和葉片中也有硅沉積。草酸鈣主要沉積部位分布在葉片、莖、種子、苞片、花藥、根等器官中晶異細胞中。植物體內(nèi)草酸鈣晶體不是隨機沉積在植物體內(nèi)，而是受控處于特定環(huán)境中