proceso de mineralización

Mineralización
ósea
Serie de eventos por los cuales
y por acción de CÉLULAS ESPECÍFICAS
se generan CRISTALES iónicos,
a partir de una solución SOBRESATURADA, y
crecen según un
ESQUEMA DEFINIDO Y ORDENADO
LA MINERALIZACIÓN PUEDE OCURRIR:
tanto en sistemas in vitro
como en sistemas biológicos in vivo
respondiendo a las mismas leyes
Ejemplos del mismo en los sistemas biológicos:
Formación de huesos: soporte estructural
Formación de estructuras dentarias: Trituración y ataque
Sistemas de protección: caparazones y cáscaras
Reservorios corporales: ferritina
Depósitos insolubles de tóxicos
Patológicos: cálculos renales, biliares, dentales.
MINERALIZACIÓN
Calcificación:
• de hueso
• dentina
• cemento
• esmalte
CALCIFICACIÓN
EL PROCESO DE BIOMINERALIZACION
FORMACIÓN DE TEJIDO DURO = producido por algunas
células de la matriz orgánica con actividad de fosfatasa
alcalina y cuyo resultado es la deposición de sustancia
mineral
Es un proceso celular
Es bifásica
La matriz orgánica tiene dos componentes:
a) fase organizada de naturaleza fibrilar y
b) fase amorfa, irregular
Forma de los cristales determinada por la fase orgánica
Deposición de mineral en la matriz es un proceso complejo
DUDAS ?
PRODUCTO DE SOLUBILIDAD
vs
PRODUCTO IÓNICO
Producto de solubilidad= Kps
Sal poco
soluble en
H2O
Nº de iones depositados
IGUAL
Nº iones desprendidos
Pérdida de iones
Solución saturada
Solución sobresaturada
Equilibrio dinámico
no hay pérdida ni ganancia neta de fase sólida
PRODUCTO DE SOLUBILIDAD
Producto de las [ iones ] en
la solución luego de
ALCANZADO EL EQUILIBRIO
PRODUCTO IÓNICO
Producto de las
concentraciones de los iones
de una solución
Constante para una sal
dada a una Tº determinada
(Kps)
PRODUCTO IÓNICO = PRODUCTO DE SOLUBILIDAD
SOLUCIÓN SATURADA
CUANTO MENOS SOLUBLE SEA UNA
SAL EN EL SOLVENTE
MENOR SERÁ SU PRODUCTO DE
SOLUBILIDAD
Relaciones entre
PRODUCTO IÓNICO y PRODUCTO DE SOLUBILIDAD
PI = Kps
Solución saturada
PI > Kps
Neta deposición de iones
sobre la superficie del cristal
que se encuentre en contacto
con esa solución
PI < Kps
Pérdida neta de iones desde
la superficie del cristal o fase
sólida hacia la solución
PRODUCTOS DE SOLUBILIDAD DE LOS
FOSFATOS DE CALCIO
Tejidos duros de la cavidad bucal
Hidroxiapatita sustituida
Fosfato de calcio
Sales de ácido fosfórico
H3PO4
Ortofosfatos de calcio
ácido trivalente
H2PO4-
A partir de soluciones
muy ácidas
H3PO4
PO4
3-
HPO42-
+ Ca2+
HIDROXIAPATITA
FOSFATO + CALCIO
Fosfato monoácido de calcio o fosfato dicálcico
Fosfato monoácido de calcio dihidratado
Fosfato tricálcico
Fosfato octocálcico
HIDROXIAPATITA
FLUORAPATITA
AMPLIAS VARIACIONES EN LA SOLUBILIDAD
Fosfato monoácido de calcio:
CaHPO4
Sal inestable
hidroxiapatita
Cristaliza como prisma o bastón
Fosfato monoácido de calcio dihidratado:
Sal inestable
CaHPO4.2H2O
hidroxiapatita a pH > 6.2
10 CaHPO4 + 4 OH
⇔
Ca10(PO4 )6 (OH)2 + 2 H2O + 4 H2PO4-
Forma cristales monoclínicos finos
Fosfato tricálcico:
Ca3(PO4)2
Sal amorfa. Relación Ca / P = 1.5. Suele presentarse hidratada
Puede transformarse espontáneamente en hidroxiapatita.
Fosfato octacálcico:
Ca8H2(PO4)6.5H2O
Primeras fases de mineralización del ESMALTE
Ca8H2(PO4)6 . 5 H2O + 2 Ca 2+ ⇔ Ca10(PO4)6(OH)2 + 4 H+ + 3 H2O
Hidroxiapatita (HA)
Ca10 (PO4)6 (OH)2
precipita en soluciones de
MUY POCO SOLUBLE
Fluorapatita (FA)
baja concentración
de iones
Ca10 (PO4)6 (F)2
LA MENOS SOLUBLE
Hidroxiapatita biológica
Kps= 0.69 (mmol/l)2
HCO3-
Mg++
Na+
otros
Hidroxiapatita estequiométrica (HA)
Ca10(PO4)6(OH)2
Kps= 0.013 (mmol/l)2
pH
SOLUBILIDAD
Fosfato monoácido de calcio dihidratado
CaHPO4.2H2O
Kps= 2.6 (mmol/l)2
El producto de solubilidad que mejor describe el
comportamiento de la
HIDROXIAPATITA BIOLÓGICA
[Ca++]
x
[HPO4- ]
A pH = 7.4 y 37ºC
Kps de hidroxiapatita biológica = 0.69 (mmol/l)2
apatita biológica + SOLUBLE que la estequiométrica
¿CÓMO SE FORMA
EL PRIMER CRISTAL?
FORMACIÓN DEL PRIMER CRISTAL
Para que ocurra:
PI > Kps hidroxiapatita biológica
PI = 1.5 (mmol / l) 2
Ca+2
1.3 mmol/l
X
Kps=0.69
HPO4-2
0.8 mmol/l
o:
n
a
m
hu
o
r
e
do
Su
a
r
u
t
sa
e
r
b
o
S
Ca10(PO4)6 (OH)2
1.5 (mmol/l)2 > 0.69
SUERO HUMANO NORMAL:
SOBRESATURADO Y
METAESTABLE
respecto a la fase sólida de
hueso, dentina, cemento y
esmalte (Kps = 0.69 (mmol/l)2
¿?
¿DEBERÍAN formarse
cristales de OH-apatita
biológica en circulación?
INSATURADO: respecto al
Fosfato monoácido de calcio
dihidratado
(Kps = 2.6(mmol/l)2
Suero??
No se forman cristales
en tejidos blandos o sangre
Dificultad de nuclear
cristales de HA en
soluciones homogéneas
Vencer barrera energética
para hacer precipitar 18 iones
Presencia de
inhibidores de
mineralización
Aumentarían la barrera energética
para hacer precipitar 18 iones
Es más sencillo el crecimiento de fase sólida
preexistente que la formación de novo
NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA
Formación del primer cristal donde no existe fase
sólida previa.
El cristal de HIDROXIAPATITA
NO PRECIPITA POR NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA
NUCLEADOR
barrera de energía
permite la formación del cristal en ausencia de
de iones
concentración
NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA
Patrón estructural
similar al del sólido
que precipita
EPITAXIS
Posibles nucleadores de los
tejidos mineralizados
1)Colágeno
2)Proteínas no colagenosas
3)Glucosaminoglucanos (GAG)
4)Proteoglucanos
5)Fosfolípidos
1) Colágeno
ampliamente
distribuido:
hueso, dentina y
cemento
No es agente epitáctico
Sitio donde se inmovilizan
los verdaderos
agentes nucleadores
2) Proteínas no colagenosas:
varias proteínas propuestas
Carácter ácido
por presencia de
AA ácidos
Capacidad para atraer
Ca++
Presencia de fosfatos
que esterifican AA
Algunas se
postulan como
inhibidores del
crecimiento
del cristal
Afinidad por el
colágeno
(fosfoproteína
dentinaria)
3) Glucosaminoglucanos (GAG)
Ca2+
Algunas se
postulan como
inhibidores del
crecimiento
del cristal
Ca2+
4) Proteoglucanos
Porción proteica
Interacciona con
el colágeno
PG que posee un
dominio rico en
leucina con afinidad
por el colágeno tipo I
5) Fosfolípidos
Estadíos
iniciales de la
mineralización
Formación de complejos
FFL-Ca2+-Fosfato
en las vesículas matriciales
¿CÓMO CRECE EL CRISTAL
UNA VEZ FORMADO?
NUCLEACIÓN SECUNDARIA
Formación de cristales adicionales a partir
de la colisión de los iones de la solución
con los cristales previamente formados
ES HETEROGÉNEA Y EPITÁCTICA
¿CÓMO SE DETERMINAN
LA FORMA Y EL TAMAÑO
DEL CRISTAL?
INHIBICIÓN DEL
CRECIMIENTO ?
1. Proteínas no colagenosas y proteoglucanos:
Unión selectiva a diferentes superficies del cristal
Evitan su crecimiento y determinan su forma
2. Magnesio:
catión divalente
compite con Ca+2 por sitios de adsorción sobre el cristal
y por la posición en la estructura interna del cristal.
3. Pirofosfato ( P2O74- ):
se une a la superficie del cristal en crecimiento
compite por los sitios ocupados por los fosfatos
mayor tamaño y distribución de cargas inadecuada
FORMA DEL CRISTAL DETERMINADA POR LA
INHIBICIÓN SELECTIVA
SOBRE SUS DIFERENTES CARAS
La inhibición sobre las caras A y
B: cristales en forma de aguja
La inhibición sobre la cara B
cristales con forma laminar
Si ninguna de las caras
sufre inhibición:
cristales con forma cúbica
¿CÓMO LLEGAN LOS IONES
AL SITIO DE MINERALIZACIÓN?
PROCESO DE MINERALIZACION:
ES UN EVENTO EXTRACELULAR
Se postulan dos mecanismos
para la llegada de los iones:
VÍA INTERCELULAR:
los iones calcio y
fosfato pasan por entre
las células secretoras
desde la circulación
VÍA INTRACELULAR:
los iones atraviesan
las células
¿CÓMO SE LLEVA A CABO
LA MINERALIZACIÓN?
TEORÍAS DE LA
MINERALIZACIÓN
TEORÍAS DE LA MINERALIZACIÓN
1) TEORÍA DE ROBINSON
(ó de la Fosfatasa Alcalina)
1) TEORÍAS ACTUALES
a) vesículas matriciales
b) nucleación heterogénea
1) TEORÍA DE ROBISON
( ó de la Fosfatasa Alcalina)
Hexosa monofosfato
libera
Hexosa difosfato
+ FOSFATASA ALCALINA ⇒
Glicerofosfato
Ca2+ + PO4H2- ⇔ PO4HCa (sólido)
PO4H2-
⇔ Apatita
• aumento local de la concentración de iones fosfato
• provoca la pptación de una sal de fosfato
• que se transforma espontáneamente en APATITA
OBJECIONES A LA TEORÍA DE ROBISON
a. [PO4-3] inorgánico plasmática es muy baja
b. Algunos tejidos que no calcifican presentan actividad
elevada de fosfatasa alcalina
c. La fase inorgánica de los tejidos duros se presenta
en forma muy organizada y regular
2) TEORIAS ACEPTADAS ACTUALMENTE
PARA HUESO, CEMENTO Y DENTINA
a) VESÍCULAS MATRICIALES:
generan depósitos de hidroxiapatita esféricos,
preferentemente, en los sitios de mineralización
de novo.
b) NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA:
genera cristales dentro de las fibras de colágeno.
a) VESÍCULAS MATRICIALES
Surgen por brotación polarizada
de células formadoras de estos tejidos
Carrier Ca
Fase temprana de mineralización
PT
Proveen un microambiente
Tienen: FAL, Ca-ATPasa, metalo
proteinasas, PG, FFLCapturan iones
H
fosfato
SECUENCIA DE EVENTOS EN LAS VESÍCULAS MATRICIALES
Acumulación de Fosfato
Union de Fosfato a Ca-FFL
Precipitación de Fosfato de Calcio Amorfo
F-
espontánea
catalizador
HIDROXIAPATITA
Nucleación 2°- Crecimiento Cristalino
Mineralización de vesícula
Se rompe la vesícula liberando su contenido
B) NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA EN LAS FIBRAS
DE COLÁGENO
Microscopía electrónica:
Permite detectar
sustancia mineral en los
espacios entre moléculas
de tropocolágeno
b) SECUENCIA DE EVENTOS EN LA
NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA
Remoción de PG
Unión de diferentes
Fosfoproteínas
Aportar e inmovilizar
fosfato
FAL
Iones Fosfato
Nucleación
Crecimiento de cristal
EL ROL DE LA FOSFATASA ALCALINA
FOSFATASA
ALCALINA
MINERALIZACION
Anclada en la Membrana Plasmática de células formadoras y
vesículas matriciales
Libre matriz orgánica donde hidroliza pirofosfato eliminando uno
de los inhibidores de mineralización
Muchas Gracias…