Biomineralización pdf

Nicolás Pérez - Cirujano Dentista

Nicolás Pérez Quiroz Cirujano Dentista



BiomineralizaciónUnidad 3



Biomineralización

• Metabolismo del Calcio y el fósforo

• Química de los fosfatos de calcio

• Nucleación y crecimiento de cristales

• Biomineralización y control celular

Unidad 3



Metabolismo del Calcio y el Fósforo



El Calcio orgánico

• Componente principal de huesos y dientes

• Participa en la función de transporte a través de la MP

• Segundo mensajero

• Transmisión nerviosa

• Participa en la contracción muscular



99 %

1 %

Calcio sérico

Calcio esquelético

El Calcio orgánico

1. Ionizado 2. Unido a proteínas 3. Formando complejos

Unido a fosfatos (HA)



99 %

1 %

Calcio sérico

Calcio esquelético

El Calcio orgánico

Unido a fosfatos (HA)

1.- Porción biológicamente a c t i v a ( re g u l a d a p o r l a s hormonas)

2.- Unido a albúmina y globulina

3.- Complejos de unión con fosfatos, nitratos y bicarbonatos

1. Ionizado 2. Unido a proteínas 3. Formando complejos



El Calcio orgánico



El ión Fosfato

• Regulación de enzimas

• Integridad funcional de las células y procesos orgánicos

• Interviene en el aporte de oxígeno a los tejidos

• Buffer en orina, plasma y saliva

• Interviene en procesos de almacenamiento de energía



El ión Fosfato

85 %

15 %

Hueso y DientesUnido a calcio e hidróxido

(HA)

Tejidos Blandos y Líquidos corporales

1. Unido a proteínas 2. Libre o unido a aniones



Regulación hormonal del Ca y el PO4



Química de los fosfatos de calcio

Apatitas



Características de los fosfatos de calcio

• Sólidos Blancos

• Poca o nula solubilidad en agua

• Solubles en ácidos diluídos



Fosfatos de Calcio

• Withlockita

• Brushita y Monetita

• Fosfato Octacálcico

• Fosfatos de Calcio Amorfos

• Apatitas



Withlockita

• Se forma en sistemas acuosos

• Contiene pequeñas cantidades de Mg y algunas veces Mn y Fe

• Constituyente del tártaro dental



Brushita y Monetiza

• Minerales poco comunes

• Inestables en sistemas acuosos

• La brushita forma parte del tártaro dental



Fosfato Octacálcico

• Unión entre la monetita, brushita y el hidróxido de calcio

• Constituyente del tártaro dental

• Participa en la nucleación de sales de apatita

• Inestable en sistemas acuosos (ya que se hidroliza en hidroxiapatita)



Fosfatos de Calcio Amorfos

• Inestables en agua y en ambientes húmedos

• Cuando precipitan, se transforman rápidamente en hidroxiapatita



Apatitas



Generalidades de las Apatitas

• Alta reactividad con iones (Intercambio heteroiónico)

• En medios acuosos precipitan en forma de cristales

• Soluble en medio ácido

• Alta dureza superficial

• Estructura refractaria

• Punto de fusión superior a los 1600ºC




(Intercambio heteroiónico)




Hidroxiapatita Fluorapatita


Nicolás Pérez Quiroz Cirujano DentistaEstructura

de las apatitas



Estructura

Estructura cristalina. Hexagonal con centro en ión OH o F



Tasa de Solubilidad

Al aumentar el tamaño de las partículas

A menor cantidad de imperfecciones de la red

cristalina

Al disminuir las impurezas dentro de los cristales

Al disminuir el tamaño de las partículas

A mayor cantidad de imperfecciones de la red

cristalina

Al aumentar las impurezas dentro de los cristales

AUMENTA DISMINUYE



Fluorapatita



Fluorapatita

Cristal de mayor tamaño

Menor solubilidad que la HA



¿Cómo se transforma la HA en FA?



Mecanismos de formación de HA en FA

Incorporación rápida de iones flúor sobre la superficie de la HA

Precipitación de la FA por disolución de la HA y posterior reemplazo de iones (recristalización)



Incorporación rápida de iones flúor sobre la superficie de la HA

Mecanismos de formación de HA en FA



Precipitación de la FA por disolución de la HA y posterior reemplazo de iones (recristalización)

Fluorapatita



Nucleación y crecimiento de cristales



Solución Metaestable

Balance delicado



Solución Metaestable

Balance delicado

Precipitación (solución altamente estable)

Solución sobresaturada



NucleaciónFormación de cristales a partir de iones en solución

Estos cristales se producen en una solución sobresaturada y deben alcanzar un tamaño crítico, para

no ser disueltos nuevamente en el medio

Nucleación homogénea, heterogénea. Primaria y secundaria



Tamaño crítico

Es el tamaño necesario para superar la energía de disolución y permitir que el cristal siga creciendo



Nucleación



Nucleación

Núcleo de cristalización

Tamaño crítico



Nucleación homogénea

• Se produce en soluciones sin impurezas

• Las falta de impurezas hacen que este tipo de nucleación sea difícil



Nucleación heterogénea

• Se produce en soluciones con impurezas u otra fase que favorece a la nucleación

• Las impurezas hacen que disminuya la energía necesaria para generar la nucleación



Nucleación heterogénea

Depende de:

• Energía superficial del cristal

• Tensión superficial del solvente



Nucleación primaria

Se define como aquella formación de cristales espontánea, sin ningún estímulo externo

La nucleación homogénea es una nucleación primaria



Nucleación secundaria

Se define como aquella formación de cristales estimulada o favorecida por un cristal preexistente



Nucleación secundaria



Energía superficial



Tensión superficial



Crecimiento



requiere mucha energía

más inestableposición de rincón



Mecanismo VKS



Biomineralización y control celular


Lo que nos interesa


Biomineralización

Es la formación de minerales por organismos vivos.

Por lo tanto, es un campo multidisciplinario que incluye areas tanto quimicas como biológicas


Tejidos mineralizados

Esmalte

Tejido óseo

Dentina

Cemento

Cartílago calcificado

Mat

riz o

rgán

ica

abun

dant

e en

col

ágen

o


¿CÓMO SE DEPOSITA LA HIDROXIAPATITA EN LA MATRIZ

ORGÁNICA?


Debe:

Permitir la nucleación

Permitir la permanencia de los cristales en su interior


Recordemos…

Para la nucleación de la Hidroxiapatita

Se necesita una fuente de iones calcio y fosfato


Pero…

A pesar de existir una concentración de calcio y fósforo, esas concentraciones no son suficientemente altas para

promover una nucleación homogénea

Nicolás Pérez Quiroz Cirujano DentistaLa nucleación de los primeros

cristales de hidroxiapatita requiere una nucleación heterogénea


Matrix Vesicles

En los lugares en los cuales no existe previamente mineral, los osteoblastos y

odontoblastos liberan vesículas llamados vesículas de la matriz (Matrix Vesicles)

(Vesículas de la Matriz)

holi


Vesículas de la Matriz



Las vesículas mantienen la actividad de la enzima fosfatasa alcalina, presente en la membrana de las

células que las originaron, la cual libera los iones fosfato. Además, proteínas transmembrana llamadas anexinas forman canales de calcio, que permiten la entrada de

esos iones al interior.



Como el volumen dentro de las vesículas es muy pequeño, los iones calcio y fosfato llegan rápidamente a

concentraciones altas, nucleándose los primeros cristales de hidroxiapatita


Odontogénesis

Estrato único, contínuo y hermético


Odontogénesis


La matriz contiene a partir de esa fase, aproximadamente 90% de colágeno y 10% de proteínas

no-colágenasMatriz

Colágeno (90%)Proteínas no colágenas (10%

Odontogénesis

Dentina

Nicolás Pérez Quiroz Cirujano DentistaLas células son capaces de secretar proteínas no-

colágenas con afinidad por calcio y fosfatos

Odontogénesis

Esmalte


Nucleación Heterogénea

Las cuales se asocian a las fibrillas colágenas, otorgándoles la capacidad para recibir cristales de

mineral en su interior y sus alrededores

Es decir, elementos externos que favorecen la formación y crecimiento de cristales


En el cemento es diferente


Cemento

Los cementoblastos que forman el cemento, que se forma sobre la dentina radicular, no liberan vesículas de

la matriz, pues este tejido ya se deposita sobre la dentina ya mineralizada


Esmalte

La matriz inicial del esmalte es rica en proteínas, pero libre de colágeno

Además, los cristales de mineral se depositan entre las proteínas, y no sobre ellas


Esmalte

Después que el espesor apropiado del esmalte es secretado, los ameloblastos desarrollan una alta

actividad enzimática, degradando y removiendo las proteínas, mientras aumentan la inyección de iones

calcio y fosfato


La vida de un ameloblasto

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