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 Calcificación: de hueso dentina cemento esmalte
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 H 2 O 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 IÓNICO Producto de las [ iones ] en la solución luego de ALCANZADO EL EQUILIBRIO 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 PI < Kps 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
PRODUCTOS DE SOLUBILIDAD DE LOS FOSFATOS DE CALCIO
Tejidos duros de la cavidad bucal Hidroxiapatita sustituida Fosfato de calcio
Ortofosfatos de calcio Sales de ácido fosfórico H 3 PO 4 ácido trivalente H 2 PO - 4 HPO 2- H 3 PO 4 4 A partir de soluciones muy ácidas PO 4 3- + Ca 2+ 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: CaHPO 4 Sal inestable hidroxiapatita Cristaliza como prisma o bastón Fosfato monoácido de calcio dihidratado: CaHPO 4.2H 2 O Sal inestable hidroxiapatita a ph > 6.2 10 CaHPO 4 + 4 OH Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 2 H 2 O + 4 H 2 PO 4 - Forma cristales monoclínicos finos Fosfato tricálcico: Ca 3 (PO 4 ) 2 Sal amorfa. Relación Ca / P = 1.5. Suele presentarse hidratada Puede transformarse espontáneamente en hidroxiapatita. Fosfato octacálcico: Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6.5H 2 O Primeras fases de mineralización del ESMALTE Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6. 5 H 2 O + 2 Ca 2+ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 4 H + + 3 H 2 O
Hidroxiapatita (HA) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 precipita en soluciones de MUY POCO SOLUBLE baja concentración de iones Fluorapatita (FA) Ca 10 (PO 4 ) 6 (F) 2 LA MENOS SOLUBLE
Fosfato monoácido de calcio dihidratado CaHPO 4.2H 2 O Kps= 2.6 (mmol/l) 2 Hidroxiapatita biológica Kps= 0.69 (mmol/l) 2 HCO 3 - Mg ++ Na + otros ph SOLUBILIDAD Hidroxiapatita estequiométrica (HA) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Kps= 0.013 (mmol/l) 2
El producto de solubilidad que mejor describe el comportamiento de la HIDROXIAPATITA BIOLÓGICA [Ca ++ ] x [HPO 4- ] 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 Kps=0.69 Suero humano: Sobresaturado Ca +2 1.3 mmol/l X HPO 4-2 0.8 mmol/l Ca10(PO 4 ) 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 Presencia de inhibidores de mineralización Vencer barrera energética para hacer precipitar 18 iones 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 concentración de iones 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 ++ Afinidad por el colágeno (fosfoproteína dentinaria) Algunas se postulan como inhibidores del crecimiento del cristal Presencia de fosfatos que esterifican AA
3) Glucosaminoglucanos (GAG) Ca 2+ Ca 2+ 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 Estadíos iniciales de la mineralización Formación de complejos FFL-Ca 2+ -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 ( P 2 O 7 4- ): 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 PO 4 H 2- Glicerofosfato Ca 2+ + PO 4 H 2- PO 4 HCa (sólido) 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. [PO 4-3 ] 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 fosfato Fase temprana de mineralización PTH Proveen un microambiente Tienen: FAL, Ca-ATPasa, metalo proteinasas, PG, FFL- Capturan iones
SECUENCIA DE EVENTOS EN LAS VESÍCULAS MATRICIALES Acumulación de Fosfato Union de Fosfato a Ca-FFL Precipitación de Fosfato de Calcio Amorfo F - catalizador espontánea 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