Dipl. Geol. Ralf Rühl

Zur Calciumphosphatprazipitation mit Phosphoserin, Fetuin, Osteocalcin, Kollagen und in Vesikeln

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Kurzfassung in Deutsch

Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen.

Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat.

Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss.

Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+.

Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen.

Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten.

Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.

weitere Metadaten

übersetzter Titel
(Englisch)
On the precipitation of calcium phosphate with phosphoserine, fetuine, osteocalcine, collagen and in vesicles
Schlagwörter
(Deutsch)
Calcium, Phosphat, Kollagen, Phosphoserin, Osteocalcin, Fetuin, Biomineralisation, Calciumphosphat, Kristallkeim, Nukleation, amorphes Calciumphosphat, Knochen, molekulare Simulation, Hydroxylapatit, Phospholipidvesikel, Vesikel, Hydrathülle
Schlagwörter
(Englisch)
calcium, phosphate, collagen, phosphoserine, osteocalcine, fetuine, biomineralization, calcium phosphate, nucleation, amorphes calcium phosphat, bone, molecular modelling, phospholipid vesicles, hydration shell
SWD SchlagworteCalcium, Phosphat, Kollagen, Phosphoserin, Osteocalcin, Fetuin, Biomineralisation, Calciumphosphat, Kristallkeim, Nukleation, amorphes Calciumphosphat, Knochen, molekulare Simulation, Hydroxylapatit, Phospholipidvesikel, Vesikel, Hydrathülle
DDC Klassifikation620, 549, 372, 540, 500
RVK KlassifikationZM 7070
Institution(en) 
HochschuleTechnische Universität Dresden
FakultätFakultät Maschinenwesen
ProfessurProfessur für Materialwissenschaft und Nanotechnik
BetreuerProf. Dr. Wolfgang Pompe
GutachterProf. Dr. Wolfgang Pompe
Prof. Dr. Hans-Peter Wiesmann
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)23.12.2010
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung17.10.2011
Veröffentlichungsdatum (online)15.12.2011
persistente URNurn:nbn:de:bsz:14-qucosa-78417
Inhaltsverzeichnis1 Einführung
1.1 Biomineralisation
1.2 Calciumphosphat
1.3 Phosphoserin
1.4 Kollagen
1.5 Osteocalcin
1.6 Fetuin
1.7 Matrixvesikel
1.8 Fragestellung der Dissertation

2 Material und Methoden
2.1 Computermodellierung
2.2 Chemikalien und Lösungen
2.3 FT-IR-Messungen
2.4 UV/Vis-Messungen
2.5 Massenspektroskopische Experimente
2.6 REM
2.7 TEM
2.8 AFM
2.9 NMR
2.10 XRD

3 Ergebnisse und Interpretation
3.1 Calciumphosphat
3.2 Phosphoserin
3.3 Fetuin
3.4 Osteocalcin
3.5 Kollagen
3.6 Künstliche Vesikel

4 Abschließende Zusammenfassung

Anhang
Erläuterungen zu den Ergebnissen
Glossar
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literaturverzeichnis
Erklärung, Danke
Publikationen
Lebenslauf
Index

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