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Biomineralización

Unidad 3. Bioquímica Oral. Segundo Año. UPV. Sede Antofagasta
by

Nicolás Pérez

on 5 April 2016

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Transcript of Biomineralización

Unidad 3:
Biomineralización

Metabolismo del
Calcio y Fósforo

Química de los fosfatos de calcio (hidroxiapatitas y fluorapatitas)
Bases de la mineralización, tipos de nucleación y crecimiento de cristales
Definición de biomineralización y su control celular
Mecanismos de mineralización biológica
Rol de las proteínas estructurales

Bases bioquímicas de los procesos de mineralización y desmineralización bucal.
Hormonas
Vitamina D
Parathormona (PTH)
Calcitonina (CT)
COLESTEROL
LUZ SOLAR
COLECALCIFEROL
25 HIDROXI-D3
1, 25 DIHIDROXI-D3
mientras tanto en el riñon...
meanwhile, in the kidney
25 HIDROXI-D3
+ hidróxilo (OH)
25 HIDROXI-D3
+ hidróxilo (OH)
Hígado
Hígado
COLECALCIFEROL

+ hidróxilo (OH)
COLECALCIFEROL

+ hidróxilo (OH)
COLECALCIFEROL

+ hidróxilo (OH)
25 HIDROXI-D3
+ hidróxilo (OH)
piel
piel
piel
piel
piel
Hola, soy una célula
1, 25 DIHIDROXI-D3
1, 25 DIHIDROXI-D3
D3
D3
D3
D3
D3
D3
Ribosoma
Acción Celular
Intestino:
Absorción de Ca+, P+ y Mg+
Hueso:
Activa los osteoblastos (remodelación ósea)
Riñon:
Aumenta la reabsorción del Ca+ y P+ en el tubo digestivo
Pro-Hormona
Pre-Pro-Hormona
Hormona Paratiroidea
Parathormona (PTH)
Magnesio
cofactor
Aumenta actividad osteoclástica
Vaso sanguíneo
Ca+
P+
Ca+
Ca+
Ca+
P+
P+
P+
osteoclasto
reabsorción ósea
Aumenta reabsorción tubular de Ca+
Disminuye absorción tubular de P+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
P+
P+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Baja [Ca+]
Alta [P+]
Inhibe
1,25-dihidroxi-D3
hueso
hueso
riñón
riñón
Glándula Paratiroides
Glándula Paratiroides
Calcitonina
Aumenta la actividad odontoblástica
Aumenta la formación ósea
Vaso sanguíneo
Ca+
P+
Ca+
Ca+
Ca+
P+
P+
P+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
P+
P+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
P+
P+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
Ca+
P+
P+
P+
Disminuye la absorción tubular de Ca+ y P+
Tiroides
Hueso
Hueso
Riñón
Riñón
Vaso sanguíneo
Inhibe
9,4
Plasma
mg/dL
[Ca+]
99% Hueso y Dientes (Hidroxiapatita)
1% LEC
Unido a Fósforo
Excitabilidad neuromuscular
Coagulación sanguínea
Procesos secretorios
Integridad de la membrana
Transporte en la membrana plasmática
Reacciones enzimáticas
Liberación de hormonas y neurotransmisores.
Acción intracelular (segundo mensajero)
Mineralización ósea
Funciones
Calcio ionizado: porción biológicamente activa, regulada directamente por las hormonas
Formando complejos: unido a fosfatos, citratos y bicarbonato
Calcio unido a proteínas: fracción no difusible, unido a albúmina y a globulinas
Calcio Sérico
Vit D
PTH
Calcitriol
CT
Metabolismo del Calcio
3
LEC
mg/dL
[PO4-]
85% Hueso y Dientes (Hidroxiapatita)
Unido a Fósforo
Regulación de enzimas
Integridad funcional de las células y procesos orgánicos
Interviene en el aporte de oxígeno a los tejidos
Buffer en orina y plasma
Interviene en procesos de almacenamiento de energía
Funciones
15% Tej blandos
y líquidos corporales
Torrente sangíneo y LEC
Fosfato Cálcico
(Ortofosfatos)

Ácido Fosfórico
H PO

3
4
H PO -
2
4
HPO
PO
4
2-
3-
4
Hueso Dientes Tártaro Dental
Sólidos blancos
Poca o nula solubilidad en agua
Solubles en ácidos diluídos
Whitlockita
Ca (MgFe)(PO ) PO OH
9
4
6
3
Se forma en sistemas acuosos
Contiene pequeñas cantidades de Mg , y algunas veces Mn o Fe
Constituyente del tártaro dental
2+
2+
2+
Brushita y Monetita
CaHPO .2H O
4
2
CaHPO
4
Minerales de calcio muy raros
Inestables en sistemas acuosos
La brushita forma parte del tártaro dental
Fosfato Octacálcico
Ca (HPO ) (PO ) .5H O
8
4
2
4
4
2
Es la 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 (se hidroliza en hidroxiapatita)
Iones F favorecen esta hidrólisis
2+
Fosfatos de Calcio Amorfos
Inestables en agua y en presencia de aire húmedo
Cuando precipitan, se transforman rapidamente en hidroxiapatita
Apatitas
Ca (PO ) X
10
4
6
2
X = F u OH
En medios acuosos precipitan como cristales de entre 5 a 1000 nm
Alta reactividad con iones
(Intercambio heteroiónico)






Alta dureza superficial, estructura refractaria y con un punto de fusión superior a los 1600º C
Hidroxiapatita
Fluorapatita
PO

Ca

OH

2OH
AsO
HPO , CO (limitados)

Sr , Ba , Pb
Na , H O, sitio libre (limitados)
K , Mg (muy limitados)
F , Cl , Br , I
H O, sitio libre (limitados)

CO , O
4
3-
4
2-
3
2-
2+
2+
2+
+
2
+
2+
-
-
-
-
2
3
2-
2-
Estructura
Estructura iónica, con iones incompresibles, de estrecho contacto, unidos por fuerzas electrostáticas
Fluorapatita
Ca (PO ) (OH) + 2F Ca (PO ) F + 2OH

Ca (PO ) (OH) + 20F 10CaF + 6PO + 2OH
10
4
6
2
10
4
6
2
-
-
10
4
6
2
-
2
4
3-
-
Menor solubilidad que la hidroxiapatita
Mecanismos de formación de hidroxiapatita en fluorapatita
1) Adsorción rápida de iones flúor sobre la superficie de la hidroxiapatita
2) Precipitación de fluorapatita, por disolución de la hidroxiapatita y reemplazo de iones (recristalización)
Tasa de solubilidad
Frente a agentes quelantes fuertes, como el EDTA, aumenta la solubilidad de la hidroxiapatita
Aumenta
Al disminuir el tamaño de las partículas

A mayor cantidad de imperfecciones de la red cristalina

Al aumentar las impurezas dentro de los cristales
Disminuye
Al aumentar el tamaño de las partículas

A menor cantidad de imperfecciones de la red cristalina

Al disminuir las impurezas dentro de los cristales
Fosfato dihidrogenado
Fosfato
monohidrogenado
Fosfato
Generalidades
¿Cómo se depositan las sales minerales en los lugares donde son necesarias
y NO en otros lugares?
¿Qué factores controlan el tamaño, forma y orientación
de los cristales que se depositan?
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
Concentración
supesaturada
Equilibrio
Metastable

Los iones permanecen en solución aun frente a bajas alteraciones
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
Precipitación
Nucleación
Crecimiento
Formación de los primeros cristales a partir de iones o moléculas que se encuentran en la disolución.

Puede ser que estos primeros cristales en formación, se destruyan simlutáneamente debido a un proceso inverso de la nucleación
Homogénea
Heterogénea
El proceso de cristalización se produce sin intervención de una segunda fase
El proceso de cristalización se produce inducida por otra fase
Estas agrupaciones, o núcleos, deben tener alta energía superficial, para permitir el crecimiento de los cristales. Si no es lo suficientemente grande, con la suficiente energía, no hay nucleación.
Tamaño Crítico
Núcleo
Conjunto de átomos que ha sobrepasado un nivel de energía que les permite mantenerse sin ordenamiento dentro del líquido.
Este conjunto de átomos no podrá mantenerse unido a menos que el alcance un cierto tamaño
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
Precipitación
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
A+
X-
A+
A+
A+
A+
X-
X-
X-
Precipitación
S
S
S
S
S
S
S
Agente de nucleación
Sólido
Líquido
ángulo de contacto
más estables
mas inestables
"posición de rincón"
propuesto por Volmer, Kossel y Stranski y se denomina como mecanismo V.K.S.
(nucleación bidimensional)
Entiendo...
pero qué pasa cuando se acaban las posiciones de rincón?
Se produce una nucleación heterogénea
¿Pero qué sucederá si la solución, aún estando sobresaturada, no supera el nivel de sobresaturación?
posicion de rincón
Propuesto por Burton, Cabrera y Frank y se denomina como mecanismo de crecimiento cristalino B.C.F.
(dislocación helicoidal o en hélice)
En caras relativamente lisas el crecimiento se producirá o bien mediante el crecimiento de capas cuyos escalones o rincones se renuevan mediante nucleación bidimensional (V.K.S), o bien mediante el crecimiento en espiral (B.K.F.) que genera escalones en el propio proceso de crecimiento.
A un determinado nivel de sobresaturación la rugosidad de la cara es tal que se producirá un crecimiento rápido y aleatorio en cualquier lugar de la cara cristalina:
es el crecimiento adhesivo o rugoso
En medio ácido se solubiliza

En medio alcalino se desplaza la reacción en sentido contrario, depositándose material por precipitación
Tensión Superficial
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
A X
+
-
Full transcript