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
Ejemplos del mismo en los sistemas biológicos:
� Formación de huesos: soporte estructural
� Formación de estructuras dentarias: Trituración y a taque
� Sistemas de protección: caparazones y cáscaras
� Reservorios corporales: ferritina
� Depósitos insolubles de tóxicos
� Patológicos: cálculos renales, biliares, dentales.
LA MINERALIZACIÓN PUEDE OCURRIR:tanto en sistemas in vitro
como en sistemas biológicos in vivo
respondiendo a las mismas leyes
Calcificación:• de hueso• dentina
• cemento • esmalte
MINERALIZACIÓN CALCIFICACIÓN
EL PROCESO DE BIOMINERALIZACION
� 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 orgá nica� Deposición de mineral en la matriz es un proceso co mplejo
DUDAS ?
FORMACIÓN DE TEJIDO DURO = producido por algunas células de la matriz orgánica con actividad de fosfatasaalcalina y cuyo resultado es la deposición de sustancia mineral
PRODUCTO DE SOLUBILIDAD
vs
PRODUCTO IÓNICO
Producto de solubilidad= Kps
Pérdida de iones Solución saturada
Equilibrio din ámico
no hay pérdida ni ganancia neta de fase sólida
Solución sobresaturada
Sal poco soluble en
H2O
Nº de iones depositados
IGUAL
Nº iones desprendidos
� Producto de las [ iones ] en la solución luego de
ALCANZADO EL EQUILIBRIO
� Constante para una sal dada a una Tº determinada
(Kps)
PRODUCTO DE SOLUBILIDAD PRODUCTO IÓNICO
� Producto de las concentraciones de los iones
de una solución
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
Solución saturada
Neta deposición de iones sobre la superficie del cristal que se encuentre en contacto con esa solución
Pérdida neta de iones desde la superficie del cristal o fase sólida hacia la solución
PI = Kps
PI > Kps
PI < Kps
PRODUCTOS DE SOLUBILIDAD DE LOS
FOSFATOS DE CALCIO
Hidroxiapatita sustituida
Fosfato de calcio
Tejidos duros de la cavidad bucal
Ortofosfatos de calcio
ácido trivalente
H2PO4- HPO4
2-
PO43- + Ca2+
HIDROXIAPATITA
Sales de ácido fosfóricoH3PO4
H3PO4
A partir de solucionesmuy ácidas
� Fosfato mono ácido de calcio o fosfato dicálcico
� Fosfato mono ácido de calcio dihidratado
� Fosfato tricálcico
� Fosfato octocálcico
� HIDROXIAPATITA
� FLUORAPATITA
AMPLIAS VARIACIONES EN LA SOLUBILIDAD
FOSFATO + CALCIO
Fosfato monoácido de calcio: CaHPO4 Sal inestable hidroxiapatita Cristaliza como prisma o bastón
Fosfato monoácido de calcio dihidratado: CaHPO4.2H2OSal inestable 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)2Sal amorfa. Relación Ca / P = 1.5. Suele presentarse hidratadaPuede transformarse espontáneamente en hidroxiapatita.
Fosfato octacálcico: Ca8H2(PO4)6.5H2OPrimeras fases de mineralización del ESMALTE
Ca8H2(PO4)6 . 5 H2O + 2 Ca 2+ ⇔ Ca10(PO4)6(OH)2 + 4 H+ + 3 H2O
Fluorapatita (FA) Ca 10 (PO4)6 (F)2
LA MENOS SOLUBLE
MUY POCO SOLUBLE
precipita en soluciones de
baja concentración de iones
Hidroxiapatita (HA) Ca 10 (PO4)6 (OH)2
Fosfato monoácido de calcio dihidratadoCaHPO4.2H2OKps= 2.6 (mmol/l) 2
Hidroxiapatita biológicaKps= 0.69 (mmol/l) 2
Hidroxiapatita estequiom étrica (HA)Ca10(PO4)6(OH)2
Kps= 0.013 (mmol/l) 2
SO
LUB
ILID
AD
HCO3- Mg++ Na+ otros
pH
El producto de solubilidad que mejor describe el
comportamiento de la
HIDROXIAPATITA BIOL ÓGICA
[Ca++] x [HPO 4- ]
Kps de hidroxiapatita biológica = 0.69 (mmol/l) 2
apatita biológica + SOLUBLE que la estequiom étrica
A pH = 7.4 y 37ºC
¿CÓMO SE FORMA
EL PRIMER CRISTAL?
Ca10(PO4)6 (OH)21.5 (mmol/l) 2 > 0.69
FORMACIÓN DEL PRIMER CRISTAL
Para que ocurra:
Ca+2
1.3 mmol/l
PI = 1.5 (mmol / l) 2
X
Kps=0.69
PI > Kps hidroxiapatita biológica
HPO4-2
0.8 mmol/l
Suero humano:
Sobresaturado
SOBRESATURADO Y METAESTABLE
respecto a la fase sólida de hueso, dentina, cemento y esmalte (Kps = 0.69 (mmol/l) 2
SUERO HUMANO NORMAL:
INSATURADO: respecto al Fosfato monoácido de calcio
dihidratado(Kps = 2.6(mmol/l) 2¿?
¿DEBERÍAN formarse cristales de OH -apatita
biológica en circulación?
Suero??
Dificultad de nuclear cristales de HA en
soluciones homogéneas
Vencer barrera energéticapara hacer precipitar 18 iones
Presencia de inhibidores de mineralización
Aumentarían la barrera energéticapara hacer precipitar 18 iones
No se forman cristales en tejidos blandos o sangre
NUCLEACIÓN HOMOGÉNEAFormación del primer cristal donde no existe fase
sólida previa.
El cristal de HIDROXIAPATITA
NO PRECIPITA POR NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA
Es más sencillo el crecimiento de fase sólidapreexistente que la formación de novo
barrera de energía
permite la formación del cristal en ausencia de concentración de iones
NUCLEACIÓN HETEROGÉNEAPatrón estructural
similar al del sólido que precipita
EPITAXIS
NUCLEADOR
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
Sitio donde se inmovilizan los verdaderos
agentes nucleadores
No es agente epitáctico
2) Prote ínas no colagenosas: varias proteínas propuestas
Capacidad para atraerCa++
Carácter ácido por presencia de
AA ácidos
Presencia de fosfatos que esterifican AA
Afinidad por el colágeno
(fosfoproteína dentinaria)
Algunas se postulan como
inhibidores del crecimiento del cristal
3) Glucosaminoglucanos (GAG)
Ca2+Ca2+
Algunas se postulan como
inhibidores del crecimiento del cristal
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
Formación de complejos
FFL-Ca2+-Fosfato
en las vesículas matriciales
Estadíos iniciales de la mineralización
¿CÓMO CRECE EL CRISTAL
UNA VEZ FORMADO?
Formación de cristales adicionales a partir de la colisión de los iones de la solución con los cristales previamente formados
NUCLEACIÓN SECUNDARIA
ES HETEROGÉNEA Y EPITÁCTICA
¿CÓMO SE DETERMINAN
LA FORMA Y EL TAMA ÑO
DEL CRISTAL?
INHIBICIÓN DEL CRECIMIENTO ?
1.Proteínas no colagenosas y proteoglucanos:Unión selectiva a diferentes superficies del crista l
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 cris tal.
3. Pirofosfato ( P 2O74- ):
se une a la superficie del cristal en crecimiento
compite por los sitios ocupados por los fosfatos
mayor tamaño y distribución de cargas inadecuada
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
FORMA DEL CRISTAL DETERMINADA POR LA
INHIBICIÓN SELECTIVA
SOBRE SUS DIFERENTES CARAS
¿CÓMO LLEGAN LOS IONES
AL SITIO DE MINERALIZACIÓN?
PROCESO DE MINERALIZACION:
ES UN EVENTO EXTRACELULAR
Se postulan dos mecanismospara 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 monofosfatoHexosa difosfato + FOSFATASA ALCALINA ⇒⇒⇒⇒ PO4H2-
Glicerofosfato
Ca2+ + PO4H2- ⇔⇔⇔⇔ PO4HCa (sólido) ⇔⇔⇔⇔ Apatita
libera
• 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 TEOR ÍA DE ROBISON
a. [PO4-3] inorgánico plasm ática es muy baja
b. Algunos tejidos que no calcifican presentan activ idad elevada de fosfatasa alcalina
c. La fase inorgánica de los tejidos duros se presen ta en forma muy organizada y regular
2) TEORIAS ACEPTADAS ACTUALMENTE
PARA HUESO, CEMENTO Y DENTINA
b) NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA:genera cristales dentro de las fibras de colágeno.
a) VESÍCULAS MATRICIALES: generan depósitos de hidroxiapatita esféricos, preferentemente, en los sitios de mineralización de novo.
a) VESÍCULAS MATRICIALES
Surgen por brotación polarizada de células formadoras de estos tejidos
Fase temprana de mineralización
Proveen un microambiente
Tienen: FAL, Ca-ATPasa, metalo proteinasas, PG, FFL-
Capturan iones
PTH
Carrier Ca fosfato
Acumulación de FosfatoUnion de Fosfato a Ca-FFL
Precipitación de Fosfato de Calcio Amorfo
HIDROXIAPATITA
Nucleación 2°- Crecimiento Cristalino
Mineralización de vesícula
Se rompe la vesícula liberando su contenido
SECUENCIA DE EVENTOS EN LAS VESÍCULAS MATRICIALES
F-
catalizador
espontánea
B) NUCLEACIÓN HETEROG ÉNEA 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 diferentesFosfoproteínas
Aportar e inmovilizar fosfato
FAL
Iones Fosfato Nucleación
Crecimiento de cristal
EL ROL DE LA FOSFATASA ALCALINA
FOSFATASA ALCALINA
MINERALIZACION
� Anclada en la Membrana Plasm ática de células formadoras y vesículas matriciales
� Libre matriz orgánica donde hidroliza pirofosfato elimin ando uno de los inhibidores de mineralización
Muchas Gracias…