4 Biomineralisation

Biomineralisation
Obere Reihe von l. nach r.:
Ceratolithus cristatus und Umbilicosphaera hulburtiana (Coccolithophoride
CaCO3)
Silicoflagellat (nicht identifizierte
Spezies, SiO2)
Thalassiosira eccentrica (Diatomee,
SiO2)
Untere Reihe von l. nach r.:
Odontells aurita (Diatomee, SiO2)
aus: D. Volkmer, ChiuZ 33(1999)6
Helicosphaera carteri und Umbellosphera tenuis (Coccolithophoride
CaCO3)
Paralia sulcata (Diatomee, SiO2)
Biomineralisation
• „Unter Biomineralisation versteht man die Ausfällung und
oft Kristallisation anorganischer Stoffe durch Lebewesen,
welche diese Produkte in mannigfacher Weise
verwenden.“
A.J.T. in Nachrichten, 1982, 203
• Funktion:
Endo- und Exoskelette
Zähne
Aragonit-Kristalle im Gleichgewichtsorgan von Haien
CaF2 in Lagesinnesorganen von Spaltfüßerkrebsen
Magnetit-Kristalle als Kompasse bei Bakterien, Bienen (?),
Brieftauben (?)
Verteilung der
Minerale in der
Biosphäre
Protozoen = tierische
Einzeller
Mollusken = Weichtiere
(Schnecken, Muscheln)
*
Minerale
kommen auch in
Pflanzen vor, z.B.
als Beißschutz in
Gräsern
Allgemeine Prinzipien
• Biologisch induzierte Mineralisation
• Biologisch kontrollierte Mineralisation
monodisperse Teilchengrößenverteilung
wohl definierte Strukturen und Zusammensetzungen
hohe räumliche Organisation
komplexe Morphologien
kontrollierte Aggregation
kristallographische Vorzugsorientierung
hierarchische Strukturen
Kontrollmechanismen
• Chemisch
Löslichkeit, Übersättigung, Keimbildung und
Keimwachstum, Diffusion, Ionentransport
• Räumlich
abgeschlossene Kompartimente (Vesikel, Proteinkäfige);
organische makromolekulare Matrizes
• Strukturell
Epitaxie, Änderung der Kristalltracht durch Adsorption,
Polymorphe Formen?
• Morphologisch
gerichtetes Wachstum, Kontrolle durch Adsorption, Gleichgewichtsund Nichtgleichgewichtsstrukturen,
Templateffekte bei der
Kristallabscheidung
Quelle: S. Mann,
Chemie in unserer Zeit
3/86, S. 69-76
Einfluss der Adsorbate
Angew. Chem. 2000, 112,
3532-3548
Templateffekte
J. Aizenberg,
J. Am. Chem.
Soc. 1997, 119,
881-886
(Seifert,
Strukturgelenkte
Grenzflächenvorgänge in der
unbelebten und
belebten Natur,
Vieweg 1971)
Fetuin-A knockout mice develop severe
soft tissue calcifications
Eisen-Minerale
Magnetitkristalle
Gerade so groß, daß eine einzige
thermisch stabile, magnetische Domäne
übrig bleibt (400-1200 Å)
Ferritin = Eisenspeicherprotein
Eisen kann herausgelöst werden (Apoferritin)
Kann als Matrix für Nanopartikel dienen
Organische Matrizes für die
Biomineralien
• Unlösliche, meist hydrophobe
Makromoleküle
• Hydrophile, kleinere Makromoleküle
Perlmuttschicht
Aragonit ist etwas weniger stabil,
wie Calcit, aber die Packung der
Carbonat-Ionen ist günstiger für
die Adaption an biologische
Matrizes, deshalb findet man in
Mineralien oft Aragonit
Knochenaufbau
• Knochen ist das komplizierteste Biomineral
• Durchsetzt von lebenden Zellen
(Osteoplasten, Osteoclasten)
• Lebenslanger Umbau (Aufbau, Abbau)
• Kontrolliert durch mechanische
Beanspruchung, Hormone, ......
• Ca-Langzeit-Speicher
Knochenaufbau
Rastereleketronische Aufnahme:
Zelluläre Struktur des Kopfes des
menschlichen Oberschenkelknochens
Stresstrajektorien des
menschlichen
Oberschenkelknochens
Knochenaufbau:
organische
Matrix Kollagen
Kollagenbildung
Orientierung Kollagen/Apatit
Quelle: S. Mann, Chemie in
unserer Zeit 3/86, S. 69-76
Morphologieproblem.......
wird noch größer bei komplexeren Formen!
Simuliertes
Schneckenhaus
Grundlage: goldener Schnitt
Dieser hat enge Beziehung zur
Fibonaccireihe (1,1,2,3,5,8,13,21...
Hier hat man es jetzt mit vielzelligen Organismen zu tun
Organisation der Zellen im Raum (d‘Arci Thompson 1910)
Organisation von Vesikeln?
Dichteste Packung bei gleich großen
Vesikeln
Was passiert bei unterschiedlich
großen? ⇒ Minimalflächen
Randproblem
Anorganisches Gerüst wie
„versteinerter“ Schaum
Lipid-Eigenschaften sind
dominierend ⇒ andere Faktoren?
Amorphe Siliziumdioxidgele
Kieselschale der Diatomee Stephanopyxis
turris
Die Schalenbildung ist an den Zellzyklus gebunden.
Jede Tochterzelle „erbt“ eine Halbschale der Mutterzelle (bildet die größere
Schalenhälfte); die kleineren Unterschalen werden neu gebildet.
Nach der Kernteilung erfolgt die Zellteilung , dabei löst sich im Bereich der
Gürtelüberlappung der Protoplast von dem Kieselskelett, gleichzeitig werden eine
neue Zellmembran und Zellwand gebildet. Die neuen Schalen werden direkt an den
neuen Zellwänden intrazellulär in spezialiserten Vesikeln geformt.
Amorphe Siliziumdioxidgele
Aktiver Transport der monomeren
Kieselsäure
Zur Vermeidung unkontrollierter
Polymerisation bei der Anreicherung im
Zellplasma Maskierung durch einen noch
unbekannten Cofaktor
Speicherung im Golgi-Apparat
Bei Schalenbildung Absonderung von
kleineren Transportvesikeln (STV), die
dann am Ort der Schalenbildung mit den
Mineralisationsorganellen (SDV)
verschmelzen.
In den SDV findet die Kondensation der
Kieselsäure statt, Form und Muster der
Schale werden durch die Zellmatrix
geprägt.
Modell zum Siliziummetabolismus
Vesikel sind nicht genug
Möglicherweise bildet
eine Proteinschicht
inner- oder außerhalb
der SDV oder der
anderen Vesikel die
Keimstellen für die
Ausscheidung von SiO2
Angew. Chem. 1999, 111, Nr. 6
Inzwischen hat man weitere Peptide gefunden, die an der Ausbildung von SiO2Strukturen beteiligt sind: Silicateine
(Zhou et al. Angew. Chem. 1999,
111, Nr. 6, 825), oder synthetische
Cystein-Lysin Block- Copolypeptide
Silaffine (polycationisches Protein)
Organisation von Vesikeln?
Knochenbau
a) Kollagen-Faser
b) woven bone
c) lamellar bone
Hierarchische Struktur
Bildung der Extremitäten
Unstruktierter „Zellhaufen“
Eingebettet in ein Gel aus CaHyaluronat (Glucuronsäure/NAcetylglucosamin)
Abbau im Zentrum
Agglomeration der Zellen
Aufbau des Extrazellulären
Kollagengerüstes
Knochenentwicklung