Correlation between the distribution of nanometer sized apatitic paracrystalline particles and the acidic sites of phosphoproteins as apatitic nucleators in developing hard tissues

Abstract

On ultrathin sections of developing dentine and other hard tissues we have observed primary apatitic chains (strands) composed of nanometer-sized islands (dots). By energy-filtering selected area electron diffraction patterns (SAED) in the Zeiss EM902 we have found that these apatitic chains are already orientated parallel to the bipolar apatite c-axis. The probability of crystal growth in c-axis direction for the developing islands was equal for both directions parallel to the fibrous matrix macromolecules, so that the center-to-center distances between these nanometer apatitic paracrystalline islands should reflect the distances between the crystal nucleating sites along the fibrous matrix macromolecules. For early mineralized apatitic chains on the collagen surface they lie in the range from 2 to 8 nm (Arnold et al. 1996, 1997). Further, the amino acid sequence of different dentine phosphoproteins and sialoproteins were inspected. We have defined a group of about five neighbored acidic groups (amino acids) as an acidic site (cluster). It was often found that 10–20 neighbored amino acids lie between the centers of such acidic sites. Taking the existence of the pleated sheet structure for noncollagenous proteins bound immobilized at the surface of collagen fibers, mainly phosphoproteins, the projected distance range between the acidic centers along the fibrous noncollagenous macromolecule are mainly in the range of 3.5–7.0 nm. This corresponds to the range of the center-to-center distances between the nanometer sized apatitic paracrystalline islands in the mineral chains at the collagen surface. This agreement supports our idea that these acidic sites might be the crystal nucleating sites. Wechselbeziehung zwischen der Verteilung nanometergroßer apatitischer parakristalliner Mineralgebilde und acidischen Bereichen an Phosphoproteinen, fungierend als Apatit-Nukleationszentren in sich bildenden Hartgeweben In den Anfangsstadien der Mineralbildung im Dentin und anderen Hartgeweben wurden von uns an Ultradünnschnitten apatitische Ketten aufgebaut aus nanometergroßen Inseln beobachtet. Mithilfe energiegefilterter Feinbereichsbeugung (SAED) im Zeiss EM902 wurde gefunden, dass diese apatitischen Ketten bereits parallel zur bipolaren Apatit c-Achse ausgerichtet sind. Da die Wahrscheinlichkeit des Kristallwachstums in beide c-Achsenrichtungen parallel zur fibrillären makromolekularen Matrix gleichberechtigt ist, sollten die Mittenabstände zwischen diesen nanometergroßen apatitischen parakristallinen Inseln die Abstände zwischen den Mitten der kristallnukleierenden Mikrobereiche entlang der fibrillären Matrix Makromoleküle beschreiben. Für die ersten apatitischen Ketten an der Kollagenoberfläche liegen die Mittenabstände dieser Inseln entlang der jeweiligen Ketten in der Größenordnung von 2 bis 8 nm (Arnold et al. 1996, 1997). Desweiteren wurde von uns die Aminosäuresequenz unterschiedlicher Dentin-Phosphoproteine und -Sialoproteine ausgewertet. Wir haben eine Gruppe von ungefähr 5 benachbarten sauren Gruppen (Aminosäuren) als ein acidisches Zentrum (Cluster) definiert. Oftmals wurde dabei gefunden, dass 10 bis 20 benachbarte Aminosäuren zwischen den Zentren solcher acidischer Cluster liegen. Bei der Annahme einer Faltblattstruktur der nichtkollagenen Proteine, die immobil an der Oberfläche der Kollagenfibrillen gebunden sind, vorwiegend Phosphoproteine, liegen die Abstände zwischen den acidischen Zentren entlang der fibrillären nichtkollagenen Makromoleküle vorwiegend im Bereich von 3.5 bis 7 nm. Dieses entspricht dem Bereich der Mittenabstände zwischen den nanometergroßen apatitischen parakristallinen Inseln in den primären Mineralketten an der Kollagenoberfläche und unterstützt unsere Idee, dass diese acidischen Cluster die kristallnukleierenden Mikrobereiche sind.