貝殼珍珠層及其仿生應用

06-03

貝殼珍珠層及其仿生應用

綜述了貝殼珍珠層的結構及文石晶體的結晶學取向特徵，並概述了珍珠層中參與調控生物鈣化的有機基質的結構和功能的最新研究與進展。從裂紋偏轉、纖維拔出、有機基質橋連及礦物橋的作用等方面對貝殼珍珠層具有高韌性的機制進行了討論。同時介紹了貝殼珍珠層微結構的特徵及其特殊的組裝方式在製作仿生材料中的應用。

一、珍珠層中有機基質的研究

…….珍珠層是在有機基質的精確調控之下，使碳酸鈣結晶得以有序的沉積為多重的微層結構。文石板片是構成微層結構的基本單元，可呈假六邊形、渾圓形、不規則多邊形等結構形態，寬度約為2—20微米，厚約為0.3—0.7微米。文石板片的橫向生長使臨近的文石晶體聚集成珍珠微層，微層與微層之間有約30 納米厚的的有機基質相連接，文石微層與有機基質的多重層次構成了珍珠層…..

Schaffer（1997）在紅鮑珍珠層的有機基質中發現了有直徑為43-47納米的礦物橋的存在，這些礦物橋提供了有機基質和無機離子的通過，保證了珍珠層生長過程中有機基質和無機離子的有效供給，礦物橋同時保障了晶體生長的連續性與排列的規則性。礦物橋的發現為解釋珍珠層文石晶體生長的結晶取向性提供了重要的理論依據。

……經X-射線衍射和核磁共振技術研究表明，這種珍珠微層中的有機基質共有5個層次：最中間是幾丁質層，然後是富含甘氨酸、丙氨酸的疏水蛋白質層，最外側是富含天門冬氨酸、谷氨酸的親水蛋白質層並與文石層相連。

……在有機基質中，分為可溶性和不可溶性有機基質，可溶性有機基質（SM）在晶體成核、定向、生長、形態等控制方面起著調控作用，同時可能還具有控制離子運輸的功能。而不可溶性有機基質（IM）主要作為生物礦化的架構蛋白，為晶體的核化、生長提供了結構支撐。

……90年代中期以來，為了闡明有機基質在文石晶體沉積過程中的作用，研究者的精力集中在有機基質中蛋白質的序列結構與功能的研究上。

可溶性有機基質的蛋白質序列結構與功能

Miyamoto(1997)首先在珠母貝珍珠層蛋白的一級結構中，發現了

Gly(甘氨酸)-Xaa(除脯氨酸外任何一種氨基酸的殘基)-Asn(天冬醯胺)的重複序列，該序列具有碳酸酐酶（CA）活性。現在的研究證明，該序列在有機基質協同作用下，能與特定晶體的晶面發生作用，進而控制晶體的生長與形貌，而碳酸酐酶功能域則通過催化HCO3-的形成影響晶體的沉積。

Kono(2000)通過對大珠母貝珍珠層的研究，發現兩種可溶性蛋白N66、N14，它們也具有碳酸酐酶功能域和插入其中的Gly-Xaa-Asn的重複片段，更為重要的是CA與人類的CA-II有最高的同源性，而N66與人類的CA- VII的同源性最高。Mann(2000),Weiss(2001)對澳洲鮑珍珠層的研究中發現的兩種可溶性有機基質與脊椎動物胰島素樣生長因子有較高的同源性，並且與人的胰島素樣生長因子有較強的親和力，這可能與珍珠粉能刺激骨再生密切相關。

不可溶性有機基質（IM）

Shen(1997)通過對紅鮑的不容性有機基質的一級結構的研究表明,該結構具有5個結構域,分別具有介導蛋白質之間的自組裝過程；起間隔作用；使之有充足的空間形成三維構象；使分子有良好的延展性；抑制蛋白酶降解。

……已有研究證明，生物體在控制晶體成核、生長等方面採用蛋白質，由此可以推測有機基質在控制生物礦化的形成過程中存在著通用的機制，這一成為目前生物礦化的研究重點。

二、珍珠層的力學特性及具有高韌性原理

珍珠層中文石晶體的硬度是礦物文石的二倍，斷裂韌性是3000倍，如此優越的力學性能是與珍珠層文石微結構及其規則排列有密切關係。Jacson（1988）對珠母珍珠貝珍珠層的楊氏模量、抗張強度、斷裂韌性進行了測試，得到：60-70GPa（與玻璃相當）；140-170MPa（與普通碳鋼相當）；350-1240J/M2（….）,遠遠超過無機文石的力學性能，所以如此緣於以下原因：

1、裂紋偏轉與纖維拔出

珍珠層中的文石片層在變形或斷裂過程中，必然導致裂紋的偏轉和纖維（文石板片）的拔出，又由於文石層之間有較強的結合力，所以珍珠層具有較高的抗張強度和斷裂韌性。

2、有機基質的橋連作用

Smith(1999)的研究表明，對於珍珠層微層之間的不可容的有機基質，隨著拉力增加，其結構逐漸解螺旋，減弱文石微層的受力，當拉力減小，其螺旋結構又恢復常態，於是這種特殊的結構便可提高珍珠層的斷裂韌性。

3、礦物橋的作用

礦物橋的總面積占文石片面積的1/6，對珍珠層的力學性質影響不可忽視。由於礦物橋的隨機分布，它可增強裂紋的偏轉和文石片的拔出阻力，從而強化了珍珠層的斷裂韌性。

總之，珍珠層具有優異的力學性能是和珍珠層的微觀結構和有機基質的結構與性能有密切的關係，這對仿生材料的製備提供了理論依據。

三、珍珠層結構的仿生

珍珠質(nacre)是珍珠貝外套膜分泌的有機質(主要是蛋白質)調控CaCO3形成的文石晶體複合物。最早報道的與珍珠質形成相關的基因是合浦珠母貝(Pinctada fucata)的nacrein基因[1],nacrein蛋白是一種水溶性基質蛋白,有2個功能結構域———碳酸酐酶結構域和Gly-Xaa-Asn重複結構域。

鮑免疫相關基因和蛋白的研究進展

任洪林^{1, 2}, 柳增善¹, 王克堅²

1. 人獸共患病研究教育部重點實驗室吉林大學人獸共患病研究所, 長春 130062;

2. 近海海洋環境科學國家重點實驗室廈門大學海洋與環境學院, 廈門 361005

摘要: 鮑是世界重要的海水養殖經濟貝類, 但近年來時常發生的疾病給養鮑業帶來了大量的經濟損失。目前有關鮑免疫相關基因和蛋白的研究報道較少, 而這些功能分子對揭示鮑的免疫機制具有關鍵作用, 文章綜述了鮑免疫相關基因和蛋白的研究進展, 以期為防治鮑疾病的相關研究提供參考。

………..鈣離子除了調節蛋白激酶和蛋白磷酸酶活性以及細胞信號傳導等生理功能外, 還參與到機體骨骼的形成和生長, 特別是對於貝類貝殼的形成更是非常重要。Weiss等^[36]從綠唇鮑(H.laevigata)貝殼分離純化出兩種新的凝集素蛋白Perlucin和Perlustrin, 分子量分別為17 kDa和13 kDa。分析Perlucin前32個氨基酸序列顯示它可能屬於含單C型凝集素結構域蛋白家族, Perlucin可提高溶液中CaCO₃的沉澱量, 它可能加速CaCO₃結晶和生長。Perlustrin前33個氨基酸序列與珍珠質蛋白lustrin A有一定的相似性。Wang等^[37]報道了盤鮑Perlucin cDNA, 全長 1 038 bp, 編碼151個氨基酸殘基。大腸桿菌表達重組Perlucin, 具有促進沉澱和定向改變方解石晶體形態的活性。該蛋白屬於C型凝集素, 具有保守的糖識別結構域。該基因在外套膜、鰓和消化道內均有表達。………