生物礦物

經過20億年的物競天擇的優化，生物體結構幾乎是完美無缺的。被生物攝入的金屬離子，除構成一些具有生物活性的配合物外，還通過形成生物礦物成為構成骨骼等硬組織的重要成分；如羥基磷灰石、方解石等，從組成上看，與自然界岩石相同，因此稱為“生物礦物”。

自然界選擇了鈣來構建岩石圈，並利用鈣所形成的難溶於水的鹽類支撐生物體。至今已知的生物體內礦物有60多種，含鈣礦物約佔總數的一半，其中碳酸鹽是最為廣泛利用的無機礦物，磷酸鹽次之。磷酸鈣（包括羥基磷灰石、磷酸八鈣和無定形磷酸鈣）主要構成脊椎動物的內骨骼和牙齒；碳酸鈣主要構成無脊椎動物的外骨骼。和組成相同的天然礦物相比，由於生物礦物受控於特殊的生物過程和特殊的生物環境，常常具有極高的選擇性和方向性，因而所生成的晶體表現出特殊的性能，如具有極高的強度、良好的斷裂韌性、減震性能以及特殊的功能等。生物礦物除了具有保護和支持兩大基本功能外，還有很多其他的特殊功能，例如碳酸鈣礦物中，方解石是三葉蟲的感光器官，而在哺乳動物內耳里則作為重力和運動感受器；文石在頭足類動物的貝殼里作為浮力裝置，但大多數情況下和方解石一樣存在於軟體動物的外骨骼中。

除了構成生物體外，一些生物礦物則是生物體病理過程的產物，如草酸鈣是人體泌尿結石的主要礦物成分。只有了解草酸鈣在體內形成結石的過程，才能發現治療乃至預防尿結石發病的方法。

生物礦物的形成非常複雜，許多機制特別是動力學過程人們都還不清楚。我們將用沉澱反應的原理對羥基磷灰石的形成反應進行一些討論。

羥基磷灰石

（一）羥基磷灰石成因

羥基磷灰石是骨骼和牙齒的組成成分。那麼羥基磷灰石是如何從溶液中沉澱出來的呢？

在生理條件下，磷酸根離子的主要存在形式為HPO 和HPO 。

HPO +HO ←→HPO +HO

在系統中，HPO 主要的存在形式；因此在生物化學中HPO 被稱為正磷酸根，簡寫成Pi，其與Ca 的可能反應包括以下幾種。

Ca + HPO +2HO←→CaHPO·2HO

3Ca +2HPO + 2OH ←→Ca(PO)↓+2HO

8Ca + 6HPO + 4OH +HO←→CaH(PO)·5HO↓

10Ca +6HPO +8OH ←→Ca(OH)(PO)↓+6HO

根據難溶強電解質沉澱的K可以計算出各種形式的沉澱在不同pH條件的溶解度（以Ca 濃度表示），如圖所示。

從圖中可以看到，羥基磷灰石[Ca(PO)(OH)]溶解度是最小的，是熱力學最穩定系統。然而，熱力學穩定性僅僅是形成沉澱的一個基本前提。如果一種反應物分子可以同時發生幾種不同的反應，則哪個反應的速度快，哪個反應將佔主導地位。因此，在生理條件下究竟主要生成哪種沉澱，不僅要考慮K，還要考慮沉澱形成速率。如果一個溶液對於幾種鹽都為過飽和的，先析出的並不一定是熱力學角度上反應趨勢最大的，而往往是先析出成核和品體成長速率最快的。即過飽和度是決定哪種沉澱形成的最重要因素。實驗研究表明：在37℃、pH=7.4的條件下，當濃度較大的Ca 和磷酸根離子混合時，由於沉澱反應的速率問題，首先生成動力學上形成沉澱速率較快但熱力學上相對穩定性較低的磷酸八鈣或無定形磷酸鈣，而不是羥基磷灰石。然而在放置過程中，磷酸八鈣或無定形磷酸鈣會自發地經歷晶體構型轉化，形成羥基磷灰石。

體內的情形究竟是怎樣的呢？在骨骼形成過程中，成骨細胞負責骨骼的生物礦化過程。成骨細胞向形成骨組織的部位分泌鈣離子和磷酸根離子，此外成骨細胞和其他形成骨骼有關的細胞也同時分泌一些基質蛋白分子。這些基質蛋白主要有兩種作用：①促進沉澱晶核的形成，使沉澱較快地進行；②基質蛋白可以自發組裝成一些特殊的超分子結構，指導形成的羥基磷石晶粒按照一定的方式聚集形成骨骼的結構。在骨骼和牙本質中，羥基磷灰石晶粒排列形成層狀結構，而在牙釉質中，品粒則縱向排列形成一個個釉柱。其中，牙釉質形成過程的一個假設機制如圖所示。

（二）羥基磷灰石的沉澱-溶解平衡

影響羥綦磷灰石沉澱-溶解平衡的因素是什麼？羥基磷灰石的沉澱-溶解平衡為：

Ca(PO)(OH)（s）←→10Ca （aq）+6PO （aq）+2OH （aq）K =1.0×10

根據前面所討論的沉澱-溶解平衡原理可知，影響羥基磷灰石溶解的主要因素有以下幾點。①溶液中作為Ca 配體的濃度，如檸檬酸根。Ca 與各種配體形成配合物降低了溶液中遊離Ca 的濃度，從而使沉澱-溶解平衡向右移動。②溶液的酸度(pH)。這是由於磷酸是弱酸（pK=2.12，pK=7.21，pK=12. 67），PO 容易與HO 結合。因此溶液酸度增加將降低PO 的濃度。此外，酸度增加會降低溶液OH 的濃度。因此，溶液酸度增加會顯著影響羥越磷灰石的溶解度。如上圖所示，當溶液的pH降低到5.0以下時，羥基磷灰石的溶解度增加上百倍。因此溶液的酸度是影響羥基磷灰石沉澱-溶解平衡的最重要因素。

根據羥基磷灰石的沉澱-溶解平衡可以得出保護骨骼和牙齒的如下啟示。

在醫學中，羥基磷灰石的沉澱和溶解是非常重要的生理過程，因為骨骼的成長是在不斷的沉澱和溶解過程中進行的。此外，羥基磷灰石溶解涉及很多病理過程，例如齲齒和骨質疏鬆等．齲齒的原因是牙釉質（通常包括一部分的牙本質）溶解。羥基磷灰石溶解的主要原因是由於酸的腐蝕。而口腔中酸的來源是細菌分解食物殘渣特別是食物中的糖分。由於釉柱是豎向排列的，因此齲齒的發生是由牙齒表面的一點開始，逐漸深入到牙齒內部，由於牙骨質比釉質疏儉，更易被酸蝕形成內部空洞，然後空洞由內部向外侵蝕到達牙齒表面。

既然侵蝕牙齒的酸是由細菌分解糖分而來，減少吃糖或使用不能被細菌分解的糖類如木糖醇就可以有效地降低齲齒的發生概率。也許有人認為，將口腔中的細菌全部殺死應該是預防齲齒的手段。其實這完全沒有必要。實際上，健康人口腔中的細菌形成一個多樣性的群落，雖然一部分細菌分解糖分產生有機酸，而另一部分細菌則正好利用並分解這些酸性物質，從而使口腔中的pH保持在正常的範圍內。口腔中殘留的糖分過多，產酸量超過了分解這些酸的能力，才會導致口腔局部或整體的酸度過高，造成牙齒的腐蝕。因此，在正常情況下沒有必要使用消毒液漱口來預防齲齒；相反，保持口腔中細菌的微環境平衡對於人體健康是有益的。從羥基磷灰石的沉澱-溶解平衡來看，預防齲齒髮生的最關鍵因素是保持口腔和牙齒的清潔，令食物特別是糖分不在口腔中殘留。

雖然硬組織中所含的礦物，在組成和結晶方式等方面與天然的同類礦物是等同的。但有生命的硬組織與沒有生命的礦物在以下方面存在著不同。

（1）硬組織在結構上是高度有序的。

（2）硬組織中的礦物質在有機基質中形成而又被包埋在基質之中。

（3）硬組織中的礦物質不只參與鈣化——脫鈣平衡，而且還參與細胞活動。

（4）硬組織中的礦物質是在整個生物體代謝過程中形成的，而又參與代謝過程。

硬組織中的生物礦物有以下三類。

1．磷酸鈣類

生物礦物中最有代表f生的無機物成分主要是鈣的磷酸鹽類。其中以磷灰石類的羥基磷灰石[Ca(PO)(OH)]最為常見，它的OH 被F 取代則形成氟磷灰石[Ca(PO)F]。生物體從環境中不斷攝取鈣和磷。在體內細胞外不斷積累Ca 和PO ，達到一定濃度后，與H 、OH 和HO結合形成不同類型的磷酸鹽。常見的生物磷酸鹽列於圖表中。

不同形式的磷酸鈣與礦物中的磷酸鈣組成基本相同，這些不同的磷酸鈣鹽形成后可互相轉化。如果溶液中這幾種鈣鹽都呈過飽和狀態，首先析出的是結晶速率最快的。在正常生理條件下，首先形成無定型磷酸鈣，並迅速轉化成磷酸八鈣，最後轉化成K最小，最穩定的羥基磷灰石。羥基磷灰石是生物礦物中最主要的磷酸鹽成分，稱為生物磷灰石。

人體中90%以上的Ca、P存在於骨骼中，與血液間存在著鈣化與脫鈣的動態平衡：

10Ca + 6PO +2OH ←→Ca(PO)(OH)（s）

這一平衡維持著人體鈣、磷的正常代謝，一旦失控將會引起多種疾病。如過量氟進入機體能與鈣結合形成CaF沉積在骨組織中，局部改變羥基磷灰石為氟磷灰石，破壞鈣化和脫鈣平衡，引起氟骨症（骨硬化和骨質疏鬆），血鈣減少，使甲狀旁腺功能增強，抑制腎小管對磷的吸收，磷從尿中大量丟失，造成鈣、磷代謝紊亂。

2．碳酸鈣類

生物界中存在的碳酸鈣類礦物為文石和方解石，它們都是典型的離子晶格結構。方解石中Ca 周圍有6個CO 的氧配位；而文石中Ca 周圍則有9個CO 的氧配位。哺乳動物的耳石為方解石單晶，腹足動物貝殼珍珠層為文石結構。

3．硅石類

在礦物中大多數硅石為結晶硅石，但在生物中常見的則是無定形硅石，即二氧化硅的水合物。