生物矿化省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

生物矿化汇报人:卢美娇指导教师:介冬梅1/30WhyIchoosethisbook?经典文献由国家自然科学基金重点项目“生物矿化过程及模拟”课题组成员撰写清华大学崔福斋全面介绍了生物矿化的过程、当前人们所了解的原理以及相关应用与研究方向相关植物体内的生物矿化植物体内的植硅体2/30目录生物矿化细胞调控第一章第二章第三章第四章生物矿化中结晶原理有机质调控生物矿化生物中矿物3/30目录植物体内生物矿化第五章第六章第七章第八章病理性矿化Ⅰ：与骨矿物代谢和血管钙化相关生物矿化病理性矿化Ⅱ：结石与牙病理矿化生物矿化与基因调控4/30汇报提要5/30一、生物矿物与生物矿化

生物矿物（bimineral）概念：生物体系特定条件下生成矿物特点：含有特殊高级结构和组装方式

含有特殊理化性质和生物功效概念：指由生物体经过生物大分子调控生成无机矿物过程是生物形成矿物作用，是生物在特定部位，在一定物理化学条件下，在生物有机物质控制或影响下，将溶液中离子转变为固相矿物作用。特点：有特殊反应介质（多糖、蛋白质等）

基质对矿化指导作用

细胞、代谢参加

生物矿化（biomin-eralization）6/30二、生物矿化种类化学式俗名实例CaCO3方解石鸟蛋壳、珊瑚、海绵刺CaCO3文石软体动物外壳、贝壳、珍珠CaMg(CO3)2白云石棘皮动物牙Ca5(PO4)3(OH)羟基磷灰石骨、牙SiO2(H2O)n无定形水合硅植物纤维、藻类、海绵刺Fe3O4磁铁矿细菌中磁性晶体Fe3S4细菌中磁性晶体CaBR胆红素钙色素型胆结石CaC2O4草酸钙尿结石NH4MgPO4磷酸铵镁尿结石7/30几个天然生物矿物产物珊瑚海洋生物珊蝴虫分泌物，组成珊蝴虫身体支撑结构主要成份为方解石贝壳主要成份为碳酸钙通常以方解石和文石形式存在珍珠由文石晶体和有机质组成8/30几个天然生物矿物产物牙牙本质：胶原蛋白

磷蛋白牙釉质：成釉蛋白

釉蛋白骨由无机矿物与生物大分子规则排列所组成复合材料结石人体或动物体内导管腔中或腔性器官腔中形成固体块状物主要由无机晶体和有机基质两部分组成9/30三、生物矿化形式矿化发生在不应形成矿化部位，或者矿化过分或不足矿化在一定部位进行，并按一定组成、结构和程度完成正常矿化异常矿化10/30三、生物矿化形式受控过程

（1）控制矿化-脱矿平衡（热力学矿化）Ca2++CO32-CaCO3（2）控制矿化速度（动力学）实例：骨、牙、贝壳、珍珠等失控过程（1）矿化不足或过度（2）矿化速度过快或过慢实例：口腔：龋齿、牙石胃肠道：胆结石、胰结石泌尿系统：尿结石及膀胱结石等11/30四、生物矿化过程生物体内大分子的预组织（确定无机物的成核位置）界面分子识别（控制晶体的成核、生长）（对晶体的选择、晶型、取向、形貌有影响）生长调制（使晶体初步组装形成亚单元）细胞加工（亚单元矿物组装形成多级结构的生物矿物）12/30以牙本质矿化为例：在成牙质细胞层的顶端分泌胶原蛋白，成为牙本质得前身——矿化准备阶段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。牙本质矿化步骤：13/30五、生物矿化调控生物矿化调控基因细胞有机质14/301、生物矿化有机质调控作为结构构架疏水大分子用来分割细胞外空间而且为机械支撑提供构架含有作为生物矿化形核表面酸性大分子与周围过饱和溶液中离子发生相互作用来影响形核活化势能垒有机基质15/301、生物矿化有机质调控分割矿化空间起机械支撑结构矿化作用形核界面活化功效有机质对生物矿化调控作用16/302、生物矿化细胞调控首先，细胞一个主要功效就是合成份泌各种蛋白质。在生物矿化系统中，起模版作用框架蛋白和调控作用功效蛋白都是由对应细胞合成或分泌。在不一样发育时期，组织中存在细胞类型可能不一样，分泌蛋白也不一样。所以在特定时间和空间，由特定细胞类型分泌特定蛋白，对矿化起着特定作用。其次，细胞活动对矿化组织分级结构形成有着主要影响。比如：在牙釉质分级结构研究中，基因、蛋白和细胞对于牙釉质从纳米尺度到宏观尺度上分级组装结构形成起着主要作用。细胞代谢在生物矿化中发挥着不可替换作用17/303、生物矿化基因调控生物矿化本质上是一个受基因准确表示与调控过程，因而研究矿化基质蛋白基因位点和基因表示控制细节，研究基因调控下生物矿化过程是搞清矿化控制机理根本路径。在纳米尺度上，矿化组织组装是由蛋白-蛋白相互作用和蛋白-晶体相互作用所限制。而基因控制分泌特定蛋白形成细胞外基质。在中等尺度上，组织分级组装是由各种细胞活动控制，而这些细胞活动也是经过基因表示控制。基因蛋白基质细胞18/30六、植物体内生物矿化矿化物常规分布出现物种草酸钙（CaC2O4.nH2O)215个科，包含裸子植物和被子植物白檀，仙人掌科;黄毛掌，仙人掌科；菜豆、豆科；皂树，蔷薇科；葡萄，葡萄科；硅石(SiO2.nH2O)大于100科，包含裸子植物、被子植物和蕨类植物芦竹、竹类、玉米、龟草、金丝雀草、垂穗草、（禾本科）等。植物体内生物矿物19/30植物体内草酸钙草酸钙晶体是植物生长发育过程中形成最常见矿物,几乎在全部高等植物体内都有分布,并存在于不一样组织及器官中.草酸钙晶体在植物界中分布广泛,主要存在于维管束植物中.草酸钙主要沉积部位分布在叶片、茎、种子、苞片、花药、根等器官中晶异细胞中。1、植物体内草酸钙分布：20/302、植物体内草酸钙形态：草酸钙晶体形态普通分为5种:简单棱柱形棱晶、球形晶簇、单个针状柱晶、成束针晶和由四面体形晶体聚集成晶砂。a.b.c.棱晶d.晶簇e.h.成束针晶f.g.单个针状柱晶针晶21/303、植物体内草酸钙晶体形成

植物体内草酸钙晶体不是随机沉积在植物体内，而是受控处于特定环境中植物体内一些细胞。高等植物体内草酸钙晶体主要是在一些特化细胞即异细胞液泡中形成。

大多数矿化过程中，特化细胞和有机大分子一起，调控晶体形成。这些特化细胞和有机基质分子经过不一样路径，控制结晶、晶体成核、晶体生长过程和形态。22/30草酸钙晶体形成影响原因：（1）基质分子调控晶体生长（2）晶体水化状态影响（3）

钙和草酸相对含量影响着晶体形态（4）晶体生长速度和形貌由晶室和基质大分子共同控制,特定分隔细胞空间也是主要调控因子23/30植物体内硅生物矿化硅（Si)是自然界最丰富元素之一，对陆地高等植物来说，除N、P、K三种必需元素外，硅也是一个主要营养元素，大多数陆地和海洋生态系统中都存在着硅生物循环。植物体内硅通常被成为蛋白石或者植硅石，也就是植硅体（Phytolith)植硅体又称植物硅酸体，在一些植物细胞中或细胞间形成微体水合二氧化硅质颗粒。24/301、植硅体基本特征1、植硅体产量大，分布范围广。

从高山到平原，从湖泊到海洋，从森林到草原，凡有植被地方，即有植硅体存在2、植硅体理化性质稳定，含有耐腐蚀性。

当植物死亡或凋谢之后，植硅体不会分解，而完整地长久保留于土层中。3、植硅体含有极佳耐高温特征。

这种抗高温性能可使植硅体理想地应用于经高温处理依存分析之中。25/301、植硅体基本特征4、植硅体形成于植物器官，随腐烂了植物，沉积于原地土壤中。

所以，多数植硅体统计含有原地沉积特点，尤其对考古遗址植物历史统计，更为精细和稳定，优势十分显著。5、植硅体形态重复性、规律性和独特征。

不一样植物能够产生不一样植硅体形态组合和独特个体形态。26/302、植硅体形状按照王永吉分类系统，主要类型有：

方型、长方型、扇型、十字型、哑铃型、鞍型、帽型、尖型、棒型、三棱柱型、多面体型、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.板状K.蜂窝状L.薄片层状芦苇植硅体图版羊草植硅体图版27/303、硅在植物体内沉积位点植物地上部外表皮是硅主要沉积部位,尤其是毛状体细胞壁和叶脉硅化细胞内,其它外表皮长细胞、泡状细胞和气孔以及起输导作用和支持作用厚壁细胞也有部分程度硅化现象。高等植物体内无定形SOi2沉积主要发生在细胞壁、细胞间隙或导管内,在根、花序苞片和叶片中也有硅沉积。草酸钙主要沉积部位分布在叶片、茎、种子、苞片、花药、根等器官中晶异细胞中。植物体内草酸钙晶体不是随机沉积在植物体内，而是受控处于特定环境中