研究·背景

纯形式的无定形碳酸钙(ACC)是高度不稳定的，然而一些生物体能产生稳定的ACC，并且已知ACC作为更稳定的结晶文石或方解石的短暂前体起作用。

生物源型ACC的研究表明，它们在结构上存在显著差异，包括观察到稳定形式的ACC是水合的，而瞬时形式的ACC则不是。

(资料图)

ACC在体外形成的许多不同方式揭示了ACC稳定、不稳定和转化为碳酸钙晶体形式的可能机制。绝大多数，如骨头、牙齿和贝壳，利用结晶矿物来硬化和强化组织。

研究 · 内容

在这些功能中，生物利用晶体矿物相的硬度和密度来发挥其优势。特别是产生矿化骨架的生物体，可能会受到晶体各向异性力学特性的影响，因为这些特性使它们在某些方向上更容易受到攻击。晶体矿物有很强的倾向采取特定的形状，反映分子的相互作用和对称内部的结构。

将使用无定形矿物，因为它是各向同性可以承受来自各个方向的机械挑战，并且可能更容易被其形成的空间所塑造。然而，无定形矿物稳定性较差，因此，比晶体矿物更易溶解。

无定形矿物二氧化硅(蛋白石)被许多植物和动物广泛用作结构用途。有趣的是，大多数二氧化硅骨架是由小的单细胞生物(主要是硅藻和放射虫)形成的，或者以分布在较大的多细胞组织中的小体存在。

有些有机体，特别是动物，可以形成由无定形矿物加强的相对较大的结构组织。这些矿物包括二氧化硅，无定形碳酸钙(ACC)和无定形磷酸钙组织。

研究 · 结果

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表1

表1显示了已知的ACC的生物学分布。只有在甲壳类动物(螃蟹、龙虾等)中，无定形碳酸钙ACC被广泛用于构造骨骼，即使外骨骼角质层变硬。在这种情况下，可以想象，主要原因不是其各向同性的力学特性，而是其高溶解度。

因此，我们可以从ACC和其他无定形矿物(除了二氧化硅)在不同分类类群中的有限分布中得出结论，尽管它们本身很有趣，但它们在生物矿化中没有发挥重要的基本功能。

在这里，我们将检查这个结论是不正确的可能性，至少就ACC而言。ACC可能分布更广泛，但由于它容易溶解，当与结晶形式的碳酸钙有关时难以检测，因此它的存在在许多矿化组织中很可能被忽视。

此外，ACC可能在许多碳酸钙形成过程中作为方解石或文石的短暂前驱体具有重要的基础功能。

虽然本综述的重点是ACC，但其他生物产生的矿物质也可能存在同样的可能性。这包括无定形磷酸钙。它可以作为结晶碳酸盐磷灰石的前驱相。

Table1：[a] The atomic percentages of the magnesium and phosphorous were normalized according to the total cations in the sample. This normalization was mainly performed due to lack of information on light elements such as carbon in various analytical techniques (eg., energy-dispersive X-ray spectroscopy). Data from the literature was therefore treated in a similar manner even when additional information was available to allow comparison between the different organisms. [b] The most commonly formed calcium carbonate deposits are shown in bold.

ACC是已知的六种碳酸钙形式之一，不包括高温和高压形式。其他五种碳酸钙是结晶的，其中一些含有水分子作为其晶格结构的一部分。

方解石和文石是迄今为止生物中最广泛生产的碳酸钙形式。与其他两种高温形式一样，尚不知道是如何在生物学上形成的。ACC 仅来自在偏振光下各向同性且不衍射 X 射线的碳酸钙。因此，它被描述为无定形的。

生物源性ACC最早是在20世纪初被发现的，当时研究人员注意到，当使用偏振光在交叉尼克尔之间观察到某些碳酸钙沉积物时，它们是各向同性的。

尽管，经过了一百多年的研究，ACC在生物学中的分布仍然被认为是相当有限的，除了一个分类单元，甲壳类，在那里它广泛分布(表1)。

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图1

图1显示了一些稳定的生物源ACC的扫描电子显微镜(SEM)图像。表1还列出了ACC的功能，主要是作为各种囊泡和其他组织的临时储存沉积物(可能是因为它的可溶性)，以及不太明显的，作为某些外骨骼的加强剂。

最近，Weiss等人发现ACC在软体类双壳类动物的幼虫中也有类似的功能，只是在这种情况下它会转化为文石。请注意，这些绝不是第一个已知的通过瞬态前体形成生物矿物的例子。

不同形式的生物产生的ACC之间的一个主要区别是它们是稳定的还是随着时间的推移转变成晶体形式。作为机械加强剂的ACC沉积物是稳定的，甚至那些作为临时储存地点的沉积物在溶解之前也是稳定的。

已知有两个例子，其中针状体由稳定的ACC与结晶碳酸钙并排组成(例如图1b)。然而，这两个相不是混合的，而是位于针状体内的不同区域，由膜隔开。

Fig. 1. SEM images of various skeletal parts composed of stable ACC: a) Body spicules from Pyura pachydermatina. b) Cross-section of a broken tunicspicule from Pyura pachydermatina. c) Cystolith from the leaves of Ficus microcarpa.d) Granule from storage structure of Orchestia cavimana. Pyura pachydermatina is amarine ascidian (Chordata). The body spicules are located in the branchial sac,while the tunic spicules are located in the thick layer (tunic), which envelops the body [66]. The body spicules, also called \"antler spicules\" because of their characteristic shape, are composed entirely of stable ACC. The tunic (\"dogbone\") spicules are composed of an external calcitic layer, separated by a membrane from an internal ACC core [19]. Cystoliths are irregular-shaped objects, a few tens of micrometers in length, which are found in the epidermis of leaves from plants of various families [69]. They are composed entirely of ACC, which is stable in vivo but crystallizes if extracted from the leaf in a humid environment. The terrestrial crustacean Orchestia cavimana temporarily stores calcium in its midgut during the moult stage. The calcium originates mainly from its old cuticle. The calcium is stored in concretions composed entirely of stable ACC. The higher solubility of ACC makes it more easily available for mineralization of the new cuticle. Note that Aizenberg et al. [20] published a similar photograph to that in (b).

我们还注意到，大多数在体内稳定的生物源ACC沉积物在从生物体中提取时也是稳定的。然而，情况并非总是如此。例如，榕树叶片中的囊石(图1c)一旦在水环境中提取，就会迅速转化为方解石。

因此，从结构上理解各种稳定形式之间的区别，以及与短暂前体形式之间的区别，关于大多数生物源ACC相的性质的信息有限，除了它们在交叉尼克尔之间是各向同性的事实之外。

对其矿物组成的化学分析表明，分析的大多数生物成因ACC矿物质含有相当数量的Mg和/或磷(表1)。这很可能意味着这些成分中的一种或两种成分参与了该阶段的形成和/或稳定。

*03

图2

在深入研究光谱的情况下(见图例)，Acc总是主要相。尚不清楚磷以何种形式存在。

没有光谱证据表明它在ACC中以无定形磷酸钙固溶体的形式存在，即以磷酸盐离子的均匀分散取代体相中的碳酸盐离子。其中一些可能以无定形磷酸钙的单独相的形式存在(见图2)。

利用热重分析(TGA)和差热分析(DTA)研究了四种形式的稳定生物源ACC。这四种稳定形式的化学计量量都差不多，即1mol水对应1mol碳酸钙。

我们所研究的所有稳定的ACC相的红外光谱基本上是相同的(图 2)。这些光谱中最有趣的一个缺陷是，在1450厘米左右有两个主要的碳水化合物吸收。

单水方解石和水晶石也有分裂峰。因此，这种分裂与碳酸盐周围的不对称性有关。这种红外吸收在ACC中分裂的事实表明，尽管是“无定形”的术语，这些ACC稳定相确实有一些短程原子秩序。

Fig. 2. Infrared spectra of: stable biogenic ACC from: a) Pyura pachydermatina body spicules; b) cystoliths extracted from Ficus microcarpa. Transient biogenic ACC from; c) spicules of Strongylocentrotus purpuratus extracted after 48h inculture; d) six days old larval shell of Mercenaria mercenaria; Synthetic crystalline CaCOs; e) calcite; f) aragonite; g) monohydrocalcite. In the region of 920-500 cm-", the intensities were normalized to the height of the v2 peak (866 cm in ACC, 875 cm in calcite and monohydrocalcite, 856 cm in aragonite). The infrared spectra of the stable amorphous calcium carbonates are characterized by a split peak of the asymmetric stretch of the carbonate ion at 1420 and 1474 cm1 (v3). This is indicative of a lack of symmetry in the environment of the carbonate ions. The lack of symmetry is also expressed by the presence of a broad peak at 1080 cm-", attributed to symmetric stretch (vi) in non-centrosymmetric structures [69]. The carbonate out-of-plane bending absorption at 866 cm- (v2) is broadened, compared to the crystalline forms. The in-plane bending at 713 cm-" (v4) is so extensively broadened that it no longer appears as a discrete peak. The stable ACC spectra from different sources (e.g.. (a,b)) are essentially identical in the region of the carbonate peaks. They differ mainly in the additional phosphate peak (1070 cm) in samples containing phosphorous (e.g., Pyura pachydermatina, (a)). These peaks may indicate the presence of a relatively small amount of a calcium phosphate phase. The ACC portions of the spectra are most similar to monohydrocalcite, which has the same stoichiometry. In the latter structure the carbonate ions are also positioned at low symmetry sites (Fig. 5c). In the spectra of skeletal parts composed of transient ACC (c.d), all the peaks are sharper than the corresponding peaks in stable ACC (a,b), implying that the environment of the carbonate ions is more ordered. In sea urchin larval spicules, composed of transient ACC and calcite, the ratio between the maximum intensity of the peaks at 875 and 713 em increases proportionally to the percentage of ACC in the sample (compare (e) with (e)) 14). In contrast, in larval mollusk shells, composed of transient ACC and aragonite, the ratio between the maximum intensity of the peaks at 85o and 713 cm is substantially lower than in non-biogenie aragonite[1s]. The values of these ratios depend on the relative broadening of the specitic vibrations, and are clearly related to the amount of order around the carbonate. The extent to which each vibrational mode is affected is probably structure dependent as the environments of the carbonate in calcite and aragonite are dittereut.

稳定的ACC在866 cm-"处也有一个吸收峰，比晶体多晶的等效峰更宽(图2a)。

此外，稳定的ACC在710 cm-1左右有非常宽和弱的吸收，而方解石和文石在713 cm"处都有尖峰。因此，在713 cm处没有峰表明不存在有序的方解石和/或文石，而只有ACC。

后一种可能性可以通过测量方解石的875/713峰的比值或文石的856/713峰的比值来辨别(图2)。有趣的是，在这些比值中观察到的方解石和文石相对于ACC的比例增加的趋势是相反的。

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图3

稳定的生物源ACC相的拉曼光谱也彼此相似(图3)。它们基本上只有一个在1085 cm左右相当宽的主峰，通常在150-300 cm左右有一个宽的无特征峰。这与碳酸钙的结晶形式(生物或非生物)形成对比，碳酸钙的结晶形式都有一系列相对尖锐的峰值。

对于探测不衍射x射线的材料的结构变化，可能最有力的工具是扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)分析，因为它提供了有关选定原子周围局部短程秩序的信息。

Fig. 3. Raman spectra of: stable biogenic ACC from: a) Pyura pachydermatind body spicules; b) cystoliths extracted from the leaves of Ficus microcarpa. Transient biogenic ACC from: c) spicules of Strongylocentrotus purpuratus extracted after 48 h in culture; d) nine days old larval shell of Mercenaria mercenaria (P= periostracum); Synthetic crystalline CaCO: e) calcite; f) aragonite. The Raman spectra of stable ACC ((a) and (b)) are characterized by a broad peak in the lattice frequency region 150-300 cm-1, that occasionally appears as a continuous baseline rise rather than a discrete peak. The carbonate symmetric stretching vi peak at approximately 1085 cm-1 of stable ACC is also substantially broadened, relative to the crystalline counterparts (e and f). The spectra in (a) and (b) are practically identical, although the spicules in (a) were found to contain large amounts of phosphorous atoms. The Raman spectra of calcium phosphates are dominated by a very strong band around 960 cm [70]. A broad, weak peak is barely detectable in (a) around this frequency. In agreement with the IR data, this may indicate the presence of small amounts of an amorphous calcium phosphate phase. In the spectra of skeletal parts composed of transient ACC (c and d), all the peaks are sharper than the corresponding peaks in stable ACC, implying that the environment of the carbonate ions is more ordered. In sea urchin larval spicules composed of transient ACC and calcite, the vi peak is broadened, and the intensity of all peaks decreases substantially. In larval mollusk shells, composed of transient ACC and aragonite, the vi peak is as sharp as in non-biogenic aragonite, but the peaks in the lattice mode region disappear almost completely.

这些信息与特定原子(在我们的例子中是钙)周围的每个配位球中的原子数量、它们的对称性以及与钙的距离有关。

第一个关于ACC的EXAFS研究是由Taylor等人对无花果树叶片中产生的囊石中的ACC进行的。他们研究了钙离子的边缘，发现钙离子周围确实存在短期秩序，无论是第一层和第二层配位原子的数量，还是它们与钙离子的平均距离。

另外几项研究揭示了一幅迷人的画面。对海鞘体棘(图la)、另一种榕属植物的囊石(图1c)和龙虾角质层的ACC中第一个钙配位壳的比较EXAFS研究表明，它们都是不同的。

与稳定的生物源ACC相相比，双壳类幼虫壳中ACC的瞬态前体相的拉曼光谱具有相对尖锐的1085 cm-1峰(图3d)。Raz等人注意到从48小时大的圆心海胆幼虫中提取的针状体也是如此(图3c)。

在这个生长阶段，这些幼虫的针状体主要由ACC组成。和文石都有1085 cm-1的尖峰(图3e,f)。因此，假设这个尖峰与晶格水的缺乏有关似乎是合理的。

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表2

差异主要是，但不仅仅是存在于第一、第二和第三壳层的钙配位原子的数量(表2，图4)。EXAFS光谱分析涉及将测量数据与相关化合物的已知结构进行比较。

Table2. The number of atoms (coordination number (Coord.) and their distances (d [A]) from the cium ion in the first, second, and third shells in three stable biogenic ACC phases as determined EXAFS analysis.

在这种情况下，分析的所有三种稳定的ACC相都与单水方解石最相似，它们也具有相同的化学计量(更多细节，参见图4.5的图例)。观察到的差异确实暗示了为什么囊石一旦离开就如此不稳定。

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图4

图4所示。EXAFS测量获得的信息示意图(表2):a)脓膜厚皮病体针状体;b)美洲小龙虾的角质层;c)小叶榕叶的囊石。

蓝色的圆圈代表配位壳层，在配位壳层内报告了原子的数量，不同原子的精确距离列于表2。

Fig4. Schematic representation of the information obtained from EXAFSmeasurements (Table 2) of: a) Pyura pachydermatina body spicules; b)Cuticle of the lobster Homarus americanus; c) Cystoliths from the leaves of Ficus microcarpa. The blue circles represent the coordination shells, within which the number of atoms in the shell is reported. The accurate distances of the different atoms are listed in Table 2. Average numbers of atoms in each shell and their distances from calcium can be accurately derived, and their distributions are clearly different in the three ACC phases. Actual structural models similar to those in Figure 5 cannot, however, be drawn, because EXAFS analysis does not contain vectorial information, and a range of different local organizations may correspond to the same average distances. The resolution of the data does not allow an accurate analysis beyond 4 A, even when the structure is ordered over larger distances. The fact that the EXAFS spectrum of Pyura pachydermatina body spicules does not provide information beyond the carbon atom shell, indicates that this structure is more disordered than the other two. Note that the analysis of the data is not compatible with other ions, besides carbonate, being present around the calcium ions in substantial amounts. This is because quality of the fitted models would be adversely affected by not taking into account contributions of additional anions, such as phosphate, if they are present in concentrations larger than 10-15 %.

每个壳层的平均原子数及其与钙的距离可以精确地推导出来，它们在三个ACC相中的分布有明显的不同。

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图5

然而，无法绘制出与图5类似的实际结构模型，因为EXAFS分析不包含向量信息，并且不同的本地组织范围可能对应于相同的平均距离。即使结构在更大的距离上排序，数据的分辨率也不允许在4a之外进行准确的分析。

事实上，厚皮Pvura体针状体的EXAFS光谱没有提供碳原子壳以外的信息，表明这种结构比其他两种结构更无序。

请注意，对数据的分析与其他离子不兼容，除了碳酸盐，大量存在于钙离子周围。这是因为如果不考虑额外阴离子(如磷酸盐)的贡献，如果它们的浓度大于10- 15%，则拟合模型的质量将受到不利影响。

Fig. 5. Atomic structures of the coordination sphere (to approximately 4 A) around the calcium ion of: a) calcite; b) aragonite; c) monohydrocalcite (Cal). Cat: blue (the next neighbor Ca ions are marked by ); O: red; C: gray; H2O: cyan. The coordination of the first-shell oxygen atoms to the central calcium ions are marked in red and the distances are expressed in angstroms. The distances of the second-shell carbons are marked in grey, of water in cyan, and of third-shell calcium in blue. Identical distances are shown only once. In (b), the three Ca-Ca distances are slightly different. The models show the differences in symmetry between the structures, which are manifested in their spectroscopic and physical properties. The calcite structure (a) has hexagonal symmetry, and is the most symmetrical. This explains the relative simplicity of both the IR and Raman spectra. Aragonite (b) is orthorhombic; the coordination shell around calcium has mirror symmetry. Monohydrocalcite (c) is trigonal, and has no symmetry around any of the three independent calcium ions. These structures were used as starting models for fitting of the EXAFS data from ACC.

有趣的是，生物源无定形磷酸钙(ACP)也可能是一个不同的材料家族。Lowenstam7注意到，当稳定的ACP相加热到500°C时，每一相都转化为一种特定形式的结晶磷酸钙，而且这总是属特异性的。

这些观察到的差异支持了ACC在结构上不是一个矿物相，而是一个相关相族的概念。这些差异是由产生这个阶段的生物体决定的，因此是由基因控制的。

这是如何实现的尚不清楚，但也将在下面讨论。短阶序的差异很可能是理解ACC家族内部稳定性变化的关键。

总的来说，人们对与生物源性ACC相关的大分子知之甚少。在含有稳定ACC和/或方解石的甲壳类动物角质层中，主要的基质成分是a-几丁质。它与许多蛋白质有关，其中一些已经被表征。

然而，我们不知道这些蛋白质中的一些是否与ACC成分的形成和/或稳定有关。从甲壳类动物胃石中提取的蛋白质，肠道周围的临时储存沉积物，因为这些蛋白质完全由ACCP7组成，其中一种蛋白质已被测序，该序列包含富含谷氨酸和谷氨酰胺的特征重复基序。

从海绵和海鞘形成的稳定的ACC相中提取了蛋白质组合，这两个类群位于动物系统发育树的两端。根据氨基酸组成，它们都富含谷氨酸和/或谷氨酰胺。

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图6

从ACC层。这两种情况下的晶体层都含有富含天冬氨酸和/或天冬酰胺的蛋白质组合。已知富含天冬氨酸的蛋白质与许多结晶形式的生物碳酸钙有关，因此有充分的理由相信谷氨酸和谷氨酰胺的性质在ACC的形成中很重要。

我们注意到海胆幼体的钙质针状体的衍射强度(图6a)相对于光束中矿物质的体积来说很弱。这是非常奇怪的，因为很长一段时间以来，人们一直声称每个针状物都是由方解石单晶组成的，我们自己的x射线研究也证实了这一点。

事实上，它们是高度有序的单晶衍射。因此，我们通过比较48 h和96 h海胆幼虫中提取的几个针状体的单位体积衍射强度，进一步研究了这一点。较老的针状体单位体积的衍射强度确实比较年轻的针状体大得多。

Fig. 6. SEM images of skeletal parts containing transient ACC: a) Spicule of a 72 h old larva of the sea urchin Litechinus pictus. b) Shell of a 9 day old larva of the mollusk Mercenaria mercenaria. The sea urchin larva has a skeleton composed of two spicules, each comprising transient ACC and calcite. In the mature larva,the whole spicule is a single crystal of calcite [33]. Larval mollusk shells are composed of a prismatic layer and a granular layer. Both layers contain transient ACC and aragonite [15].

因此，得出结论，一定有另一种矿物相存在，并且由于该针状物仅由碳酸钙组成，因此，它必须是ACC。此外，ACC不稳定，但随着时间的推移转化为方解石单晶。

我们利用红外光谱证实了这一点，利用ACC在713 cm处没有尖锐和强烈的吸收，而方方石有(图2)。Raz等人还利用红外和x射线衍射研究了另一种海胆幼虫(strongylocentrrotus purpuratus)的矿物相，并证实了生长过程是通过短暂的ACC相进行的。

除了最初沉积的晶体明显呈现方解石的菱形面外，其余的针状物具有非常光滑的圆形表面，没有迹象表明针状物是作为单个方解石晶体衍射的(图6a)。

因为大多数生长的针状体实际上是由ACC组成的，并且是各向同性的，它可以由封闭囊泡的内表面形成。单晶随后通过ACC相传播，但没有可识别的结晶前沿。

研究了软体动物双壳类幼虫的成壳过程(图6b)。也可以在同步培养中生长，并且矿化速度相当快。Weiss等在对雇佣兵和长牡蛎这两个物种的研究中，使用偏振光显微镜、红外和拉曼光谱以及高分辨率扫描电镜显示，在这些物种中，ACC是文石的前体形式——所有双壳类动物幼虫的稳定结晶阶段。

软体动物和棘皮动物在动物界的系统发育树上处于两个不同的分支上这可能表明，利用瞬态前驱相形成结晶文石或方解石的策略是普遍存在的。显然，需要进行更多的研究，特别是在成年碳酸钙形成动物中进行研究，以确定这是否正确。在这个阶段，我们认为这是一个严重的可能性。

基于有限的可用信息，我们得出结论，稳定形式的生物源ACC在其晶格结构中含有水分子，而已知的瞬时形式ACC的例子则不含水分子。

有趣的是，与稳定形式的ACC相比，软体动物和海胆幼虫在1450厘米左右的瞬时形式的ACC中主要的碳酸盐红外吸收峰没有分裂(未发表的观察结果)。所有这些ACC稳定和短暂形式内部和之间的差异，都表明在生物源ACC阶段存在结构变异。

在过去十年中，许多研究表明，无论是否添加各种添加剂，该相都是部分或完全稳定的。从这些研究中获得的见解，加上上文所述的生物源性ACC的信息，使我们能够提出一些意想不到的机制，以理解ACC可能在或多或少程度上稳定的方式。

在不使用添加剂的体系中，首先确定了ACC瞬态相的形成。Brecevic和Nielsen表征了一种不稳定的结晶碳酸钙前驱相，这种前驱相是通过浓缩溶液的快速混合得到的。前驱体由球形微粒组成，其红外光谱显示为无定形。

热重分析表明，每CaCO3单位含有不到三分之一分子的水，其相对较高的溶解度使其成为碳酸钙最不稳定的形式。从过饱和溶液中瞬时沉积ACC的相同概念，最近被用于在聚碳酸酯膜微米大小的孔隙中低温沉淀形成具有约束形貌的方解石。

因此，降低温度可以使ACC在过饱和溶液中稳定足够长的时间，以利用其各向同性的性质，并将不稳定相的形态施加到结晶产物上。

添加剂可以通过吸附在初生结晶核上而延缓更稳定结晶相的析出。溶液的相对过饱和度增加，直至达到ACC的饱和水平。这种不稳定的ACC相随后析出并转变成一种更稳定的晶体形式。因此，添加剂的作用是暂时稳定ACC相。

他们确实发现瞬态非晶相随后转变为方解石的多晶薄膜。Aizenberg等人证明，通过在ACC膜下的底物上仅结合一个方解石特异性成核位点，可以在体外精确地控制这一转化过程。如果使用图案化衬底，则获得毫米尺寸的单个方解石晶体。

通过使用几种添加剂的协同活性形成更稳定但暂态的ACC相的例子有两个。这些添加剂通常属于不同的类别，例如离子和大分子。从珊瑚藻中提取的大分子在含镁溶液中稳定了ACC。在这种情况下，ACC稳定了好几天。

Raz等[33]分别从48 h和72 h的紫圆心菌针状体中提取蛋白质。在培养的这个物种中，48 h的针状体主要由ACC组成，而72 h的针状体几乎完全是方解石。

当这些提取物被加入到饱和碳酸钙溶液中，碳酸钙也含有Mg, Mg/Ca的比例为2:1。48h诱导ACC的瞬时形成，72 h诱导方解石的形成。溶液中没有Mg，两种情况下都只形成方解石。

这表明，在体外，这些蛋白质组合能够诱导ACC或方解石，这取决于发育阶段，就像在体内发生的那样。如果在某种结构改变之后，同样的大分子对这两种效应负责，或者不同的大分子执行这些功能，这将是很有趣的。

这些体外研究还表明，在这些条件下，Mg对ACC的形成至关重要。它的存在是否有必要提高溶液的过饱和水平，和/或允许蛋白质正常工作，还没有答案。

体外形成的瞬时ACC相似乎与生物源性ACC相有很大不同。它们大概含有大量的掺入水。此外，向稳定晶型的转变通常发生得相对较快，而且随后的结晶往往不是多晶型特异性的。

研究 · 结论

有些添加剂似乎可以无限期地稳定ACC，这些包括强离子抑制剂。产生的ACC可以稳定几天以上，在大多数情况下甚至可以干燥。这类添加剂包括多膦酸盐、氢键分子抑制剂，如单糖、二糖和三寡糖、丙二醇和氨基酸。

磷酸盐对离子晶体的吸附比其他添加剂强得多，它们优先与晶核表面的扭结相互作用，从而有效地抑制晶体生长。我们注意到，已经提出了一种有吸引力的替代抑制机制，涉及抑制和水合CaCO之间的直接分裂。

如CaCO(aq)离子抑制碳酸钙核形成的抑制机制涉及在疏水煤中含有水化矿物，脱水后更容易形成方解石。与上述添加剂直接诱导ACC动力学稳定的例子相反。

我们认为，以下涉及蛋白质添加剂的情况，其作用机制与单独抑制结晶核的机制有很大不同。原因是所用添加剂的计算浓度不足以单独毒害结晶核前体，其可能不超过几十个离子。

从稳定的生物源型ACC相中分离出的大分子存在于我们估计为<7×10*摩尔/摩尔CaCO3Is19的浓度中，这相当于每150000个CaCOs分子中只有一个大分子，这不足以抑制每个新生细胞核。

注:这是根据分子量10kd计算的，是保守估计。相比之下，来自小龙虾胃石的GAMP蛋白也由ACC组成，其重量-平均分子量(M)为- 60kd。

尽管缺乏数据，但很明显，ACC是一个迷人且潜在重要的阶段。生物使用这种亚稳态显然有许多缺点，但肯定有同样多或更多的优点。

已经确定的ACC类型可分为两类基本类型;一种是稳定的水合形式，即每摩尔碳酸钙含有一摩尔水，另一种是瞬时前体形式，基本上是无水的。此外，对各种稳定形式的ACC的结构的研究表明，它们在钙离子周围的短程顺序各不相同。

因此，生物学清楚地知道如何对ACC的结构特性进行精细的控制，这样做可能会固定每个ACC的稳定性，现在这已经达到了机械水平，这是一个令人着迷的问题。

当我们了解到这一点时，将会把它转化为接近于改进材料制造的复杂机制，尽管没有明确的答案，但我们仍然知道它的价值。

稳定的生物源性ACC阶段最好被认为具有短程有序，在一定程度上，单水方解石，观察非常有限，没有长程有序。瞬态ACC在结构和组成上与稳定ACC不同。它们是无水的，我们有一些迹象表明，即使在早期阶段，它们也类似于它们将要转变成的晶体形式。

并没有表明ACC期是文石在该动物体内的短暂前体期。海胆幼虫针状体，其组成>70%的ACC (x射线)。产生的EXAFS光谱与方解石非常相似，而ACC成分>50%的软体动物幼虫壳的光谱与文石的光谱通过目视检查无法区分。

生物源性ACC的稳定形式已经记录了近一个世纪，尽管如此，表1中的列表可能低估了ACC的自然分布。主要原因是很容易忽略ACC的存在，特别是当它与碳酸钙的一种结晶形式共存时。

目前已知的病例只有两例，而且都是在最近几年发现的。甲壳类动物是稳定的ACC的主要生产者之一，在临时储存地点和角质层中，它可能履行机械功能。在这个角质层中，经常报道有方解石存在。

ACC在生物学中碳酸钙形成过程中的作用可能比迄今为止所怀疑的要广泛得多。有足够的数据表明，这是一个严肃的前景，如果证明是正确的，将从根本上改变我们迄今为止对生物碳酸钙形成的理解方式。

*如对内容有异议，点击“原文链接”查看期刊原文。© 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200300381

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