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…