贝壳珍珠层及其仿生应用

综述了贝壳珍珠层的结构及文石晶体的结晶学取向特征，并概述了珍珠层中参与调控生物钙化的有机基质的结构和功能的最新研究与进展。从裂纹偏转、纤维拔出、有机基质桥连及矿物桥的作用等方面对贝壳珍珠层具有高韧性的机制进行了讨论。同时介绍了贝壳珍珠层微结构的特征及其特殊的组装方式在制作仿生材料中的应用。

 

一、    珍珠层中有机基质的研究

…….珍珠层是在有机基质的精确调控之下，使碳酸钙结晶得以有序的沉积为多重的微层结构。文石板片是构成微层结构的基本单元，可呈假六边形、浑圆形、不规则多边形等结构形态，宽度约为2—20微米，厚约为0.3—0.7微米。文石板片的横向生长使临近的文石晶体聚集成珍珠微层，微层与微层之间有约30 纳米厚的的有机基质相连接，文石微层与有机基质的多重层次构成了珍珠层…..

Schaffer（1997）在红鲍珍珠层的有机基质中发现了有直径为43-47纳米的矿物桥的存在，这些矿物桥提供了有机基质和无机离子的通过，保证了珍珠层生长过程中有机基质和无机离子的有效供给，矿物桥同时保障了晶体生长的连续性与排列的规则性。矿物桥的发现为解释珍珠层文石晶体生长的结晶取向性提供了重要的理论依据。

……经X-射线衍射和核磁共振技术研究表明，这种珍珠微层中的有机基质共有5个层次：最中间是几丁质层，然后是富含甘氨酸、丙氨酸的疏水蛋白质层，最外侧是富含天门冬氨酸、谷氨酸的亲水蛋白质层并与文石层相连。

……在有机基质中，分为可溶性和不可溶性有机基质，可溶性有机基质（SM）在晶体成核、定向、生长、形态等控制方面起着调控作用，同时可能还具有控制离子运输的功能。而不可溶性有机基质（IM）主要作为生物矿化的架构蛋白，为晶体的核化、生长提供了结构支撑。

……90年代中期以来，为了阐明有机基质在文石晶体沉积过程中的作用，研究者的精力集中在有机基质中蛋白质的序列结构与功能的研究上。

可溶性有机基质的蛋白质序列结构与功能

Miyamoto(1997)首先在珠母贝珍珠层蛋白的一级结构中，发现了

Gly(甘氨酸)-Xaa(除脯氨酸外任何一种氨基酸的残基)-Asn(天冬酰胺)的重复序列，该序列具有碳酸酐酶（CA）活性。现在的研究证明，该序列在有机基质协同作用下，能与特定晶体的晶面发生作用，进而控制晶体的生长与形貌，而碳酸酐酶功能域则通过催化HCO3-的形成影响晶体的沉积。

Kono(2000)通过对大珠母贝珍珠层的研究，发现两种可溶性蛋白N66、N14，它们也具有碳酸酐酶功能域和插入其中的Gly-Xaa-Asn的重复片段，更为重要的是CA与人类的CA-II有最高的同源性，而N66与人类的CA- VII的同源性最高。Mann(2000),Weiss(2001)对澳洲鲍珍珠层的研究中发现的两种可溶性有机基质与脊椎动物胰岛素样生长因子有较高的同源性，并且与人的胰岛素样生长因子有较强的亲和力，这可能与珍珠粉能刺激骨再生密切相关。

不可溶性有机基质（IM）

Shen(1997)通过对红鲍的不容性有机基质的一级结构的研究表明,该结构具有5个结构域,分别具有介导蛋白质之间的自组装过程；起间隔作用；使之有充足的空间形成三维构象；使分子有良好的延展性；抑制蛋白酶降解。

 

……已有研究证明，生物体在控制晶体成核、生长等方面采用蛋白质，由此可以推测有机基质在控制生物矿化的形成过程中存在着通用的机制，这一成为目前生物矿化的研究重点。

 

二、    珍珠层的力学特性及具有高韧性原理

珍珠层中文石晶体的硬度是矿物文石的二倍，断裂韧性是3000倍，如此优越的力学性能是与珍珠层文石微结构及其规则排列有密切关系。Jacson（1988）对珠母珍珠贝珍珠层的杨氏模量、抗张强度、断裂韧性进行了测试，得到：60-70GPa（与玻璃相当）；140-170MPa（与普通碳钢相当）；350-1240J/M2（….）,远远超过无机文石的力学性能，所以如此缘于以下原因：

1、         裂纹偏转与纤维拔出

珍珠层中的文石片层在变形或断裂过程中，必然导致裂纹的偏转和纤维（文石板片）的拔出，又由于文石层之间有较强的结合力，所以珍珠层具有较高的抗张强度和断裂韧性。

2、         有机基质的桥连作用

Smith(1999)的研究表明，对于珍珠层微层之间的不可容的有机基质，随着拉力增加，其结构逐渐解螺旋，减弱文石微层的受力，当拉力减小，其螺旋结构又恢复常态，于是这种特殊的结构便可提高珍珠层的断裂韧性。

3、         矿物桥的作用

矿物桥的总面积占文石片面积的1/6，对珍珠层的力学性质影响不可忽视。由于矿物桥的随机分布，它可增强裂纹的偏转和文石片的拔出阻力，从而强化了珍珠层的断裂韧性。

总之，珍珠层具有优异的力学性能是和珍珠层的微观结构和有机基质的结构与性能有密切的关系，这对仿生材料的制备提供了理论依据。

三、    珍珠层结构的仿生

 

 

珍珠质(nacre)是珍珠贝外套膜分泌的有机质(主要是蛋白质)调控CaCO3形成的文石晶体复合物。最早报道的与珍珠质形成相关的基因是合浦珠母贝(Pinctada fucata)的nacrein基因[1],nacrein蛋白是一种水溶性基质蛋白,有2个功能结构域———碳酸酐酶结构域和Gly-Xaa-Asn重复结构域。

 

 

鲍免疫相关基因和蛋白的研究进展

任洪林^{1, 2}, 柳增善¹, 王克坚²

1. 人兽共患病研究教育部重点实验室 吉林大学人兽共患病研究所, 长春 130062;

2. 近海海洋环境科学国家重点实验室 厦门大学海洋与环境学院, 厦门 361005

摘要: 鲍是世界重要的海水养殖经济贝类, 但近年来时常发生的疾病给养鲍业带来了大量的经济损失。目前有关鲍免疫相关基因和蛋白的研究报道较少, 而这些功能分子对揭示鲍的免疫机制具有关键作用, 文章综述了鲍免疫相关基因和蛋白的研究进展, 以期为防治鲍疾病的相关研究提供参考。

………..钙离子除了调节蛋白激酶和蛋白磷酸酶活性以及细胞信号传导等生理功能外, 还参与到机体骨骼的形成和生长, 特别是对于贝类贝壳的形成更是非常重要。Weiss等^[36]从绿唇鲍(H.laevigata)贝壳分离纯化出两种新的凝集素蛋白Perlucin和Perlustrin, 分子量分别为17 kDa和13 kDa。分析Perlucin前32个氨基酸序列显示它可能属于含单C型凝集素结构域蛋白家族, Perlucin可提高溶液中CaCO₃的沉淀量, 它可能加速CaCO₃结晶和生长。Perlustrin前33个氨基酸序列与珍珠质蛋白lustrin A有一定的相似性。Wang等^[37]报道了盘鲍Perlucin cDNA, 全长   1 038 bp, 编码151个氨基酸残基。大肠杆菌表达重组Perlucin, 具有促进沉淀和定向改变方解石晶体形态的活性。该蛋白属于C型凝集素, 具有保守的糖识别结构域。该基因在外套膜、鳃和消化道内均有表达。………