1 Química inorgánica de los procesos biológicosBIOMINERALIZACIÓN Química inorgánica de los procesos biológicos Almudena Pérez Pereira
2 INDICE Carbonato cálcico Fosfato cálcico a) Aspectos generales.INTRODUCCIÓN BIOMINERALES MÁS SIGNIFICATIVOS Carbonato cálcico FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOS Fosfato cálcico a) Aspectos generales. Oxido de hierro b) Control químico de la biomineralización Sulfuro de hierro c) Matrices orgánicas y su influencia en la biomineralización. Sílice
3 INTRODUCCIÓN DEFINICIÓN DE BIOMINERALIZACIÓN“El estudio de la formación, estructura y propiedades de sólidos inorgánicos depositados en sistemas biológicos” Muchos organismos usan algún material inorgánico en funciones relacionadas con su ciclo vital, estos se denominan biomateriales. Desde una perspectiva esencialmente , trata de comprender los que permiten a un organismo vivo química mecanismos de control molecular sintetizar un determinado material inorgánico, sólido y bien definido estructuralmente.
4 INTRODUCCIÓN MINERAL FÓRMULA ORGANISMO FUNCIÓN Carbonato calcioCalcita Aragonita Vaterita Amorfo CaCO3* CaCO3 CaCO3 .n H2O Algas Trilobites Peces Moluscos Ascidia Plantas Exoesqueletos Dispositivo de gravedad Espículas Reserva de Calcio Fosfato cálcico Hidroxiapatito Fosfato octacálcico Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6 ? Vertebrados Mejillón Endoesqueletos Dientes Fase precursora en la formación del hueso Reserva de calcio Oxalato cálcico Whewelita Weddelita CaC2O4 H2O Sulfatos del grupo II Yeso Barita Celestita CaSO4 BaSO4 SrSO4 Larva de medusa Acantaria Soporte celular Óxidos de hierro Magnetita Lepidocrocita Ferrihidrita + fosfato Fe3O4 γ- FeO(OH) 5 Fe2O3 9 H2O Bacterias Algún molusco Animales y plantas Animales, plantas y bacterias Magnetotaxis Proteínas de almacenaje de hierro Almacenaje de hierro Dióxido de silicio Sílice SiO2 n H2O Exoesqueleto La Tabla 1 muestra algunos de los minerales presentes en los seres vivos y las funciones que desempeñan. Como se puede apreciar, contienen elementos tales como H, C, O, Si, P, S, Ca y Fe, que forman parte del grupo de elementos esenciales para la vida. Otros, también esenciales, Mg, Na, K, Cu y Zn, se encuentran en menor proporción e incluso se localiza alguno no esencial como Ag, Au o Pb, en sólidos asociados con la pared externa de ciertas bacterias, o Sr y Ba que aparecen en materiales depositados intracelularmente.
5 INTRODUCCIÓN El estudio de esta disciplina se remonta a los años 30 con la aparición de la difracción de rayos X como herramienta, aunque a partir de 1895 existen antecedentes. Los microscopios de transmisión electrónica han sido de gran utilidad, ya que los minerales a analizar en general son de tamaños no despreciables. ~ 80% cristalinos 20% amorfos Respecto a la estructura 50% Ca 25% P 60% Grupos hidroxilo Biominerales
6 INTRODUCCIÓN La formación de estos biominerales se produce, dentro de la biosfera, con un mayor impacto en los océanos, donde la química revela importantes componentes en sedimentos y rocas marinas. La distribución de biominerales entre los 5 reinos biológicos: - 37 son formados por animales, - 10 por protistas, - 24 por moneras (bacterias y algas verdeazuladas), - 11 por plantas vasculares, - 10 por hongos. La estructura y propiedades de estos minerales difiere bastante de las estructuras presentes en el mundo de la inorgánica.
7 BIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS.Carbonato cálcico: Cuando se forma en sistemas biológicos adopta, en la mayoría de los casos, las estructuras de calcita y aragonita. Los biominerales formados por esta sal constituyen el soporte estructural de muchos organismos, pero, además pueden participar en otras funciones.
8 Carbonato cálcico: Ejemplo:BIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS. Carbonato cálcico: Ejemplo: En el interior del oído interno existen pequeños cristales de calcita que actúan, a través de su conexión con la membrana bajo la que se sitúan células sensoras, como un dispositivo que detecta cambios en la aceleración y contribuye así a controlar el equilibrio.
9 Fosfato cálcico: Cuando se forma en sistemas biológicos adopta, en la mayoría de los casos, estructuras de hidroxiapatito. Este es un componente inorgánico mayoritario en los dientes y huesos. Este fosfato cálcico sufre un crecimiento, disolución y remodelado continuo de forma que se puede pensar en él como un “mineral vivo”. el fosfato de calcio puede convencer a las células madre para convertirse en células que forman huesos,
10 Sistema de orientación y navegaciónBIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS. Oxido de hierro El hierro, debido a las diferentes características de sus dos estados de oxidación Fe(II) y Fe(III), condicionan la biomineralización de este elemento Generalmente se forma magnetita (Fe3O4) Es un mineral común en las rocas terrestres que puede tener un origen: 1) biótico: por una mineralización inducida o controlada biológicamente 2) Inorgánico: formadas a altas temperaturas. En los seres vivos la magnetita se ha encontrado de forma directa en las bacterias magnetotácticas, en algunas especies de algas, en peces y en la palomas. Sistema de orientación y navegación
11 BIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS.Oxido de hierro Las bacterias reductoras de hierro están muy extendidas en el dominio Bacteria y se han encontrado en diferentes ambientes, como hábitats acuáticos marinos y de agua dulce. Debido a su amplia distribución, las bacterias reductoras de hierro intervienen, en cierta medida, en los ciclos geoquímicos globales de elementos como el carbono, el oxígeno, el azufre y el hierro. Son imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de Magnetitas extracelulares (cristales oscuros) inducidos por células de Shewanella oneidensis en un medio suplementado con ferrihidrita.
12 BIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS.Sulfuros de hierro Existen ciertos tipos de bacterias presentes en entornos ricos en ion sulfuro, que sintetizan y hacen crecer cristales del mineral ferromagnético greixita, Fe3S4. En una especie de estas bacterias se encuentran también cristales de pirita, FeS2. Este proceso de formación de sulfuro de hierro intracelular en bacterias puede ser un ejemplo de lo que sucedió en épocas primigenias de la tierra, donde la química del ion sulfuro predominaba sobre la del ion óxido.
13 Sílice “sílice amorfa”BIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS. Sílice Los biominerales de sílice se encuadran en lo que se conoce como “sílice amorfa” El material existe como un polímero inorgánico covalente de hidratación variable y de fórmula general [SiOn/2(OH)4-n]m. La sílice biogénica no siempre es un mineral estequiométrico y la naturaleza, densidad, solubilidad, dureza, viscosidad, etc., pueden variar y resultar condicionada por los procesos celulares de los organismos en los que se forman.
14 FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOSa) Aspectos generales. Existen mecanismos de control específicos de las fases de formación del mineral: - Nucleación - Crecimiento - Organización espacial dentro del sistema biológico. Se pueden diferenciar además dos procesos alternativos en la formación de biominerales: 1) Formación inducida biológicamente 2) Formación controlada biológicamente
15 FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOSa) Aspectos generales. Formación inducida biológicamente El mineral precipita como resultado de una interacción entre la actividad biológica del organismo y el entorno físico. Ejemplo: La calcificación que se produce en los espacios intercelulares de ciertas algas verdes 2) Formación controlada biológicamente En la cual la nucleación y el crecimiento del mineral están condicionados por una matriz orgánica generada por la actividad celular. Necesita un estricto control genético, químico y estructural Tiene lugar, inicialmente, en volúmenes localizados, como pueden ser microcompartimentos de vesículas lipídicas.
16 FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOSPosibles espacios para la biomineralización: a) Epicelular EJEMPLO: Membrana exterior de la pared celular en bacterias. b) Extracelular EJEMPLO: matriz de colágeno del hueso y la dentina. c) Intracelular EJEMPLO: Vesículas de organismos unicelulares. d) Intercelular EJEMPLO: Espacios que generan la células de algas en la formación de coral.
17 FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOSb) Control químico de la biomineralización 1) Nucleación La formación del biomineral se inicia con esta etapa. En función de las condiciones, puede trascurrir por dos vías: 1.1) Nucleación homogénea : el núcleo se forma en el seno de una disolución sobresaturada creandose numerosos cúmulos o conglomerados de iones que se mantienen unidos Embriones agitación térmica, Continuamente formándose y redisolviéndose tamaño crítico NÚCLEO
18 b) Control químico de la biomineralizaciónFORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOS b) Control químico de la biomineralización 1) Nucleación 1.2) Nucleación heterogénea: La presencia de un sustrato en el medio modifica la energía libre requerida para formar un núcleo estable La velocidad de formación de los núcleos, aumenta rápidamente una vez que se alcanza una sobresaturación crítica 2) Crecimiento Existen dos posibilidades desde el punto de vista energetico: a) Formación de una fase cristalina a partir de una disolución y en una sola etapa. b) Formación de esta fase a través de otras intermedias de estructura cristalina diferente, la primera será amorfa.
19 Hidroxiapatito 2) Crecimiento estabilizan inhibidoresFORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOS b) Control químico de la biomineralización 2) Crecimiento El proceso se puede complicar si existen especies que afecten a: - La velocidad de crecimientos del cristal - Aceleradores - Inhibidores Los iones Mg2+ Carbonato Difosfato Ciertos polifosfatos o nucleótidos, Aminoácidos Ácido aspártico Ácido glutámico estabilizan inhibidores La formación de Aragonita Del crecimiento cristalino del Hidroxiapatito Favoreciendo el crecimiento superficial Por el efecto de sus grupos carboxilato.
20 FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOSc) Matrices orgánicas. Influencia en la biomineralización. La matriz es una superficie organizada que actúa como mediador de la mineralización. Las matrices pueden afectar no sólo al tamaño del mineral, sino también a su orientación espacial y al control estructural. Minerales amorfos Los minerales biogénicos amorfos, tienen funciones tan variadas como precursores de fases cristalinas, almacén de iones o estructuras mineralizadas. La transformación de precursores amorfos en estados cristalinos dependerá de las barreras de energía de activación implicadas y de la facilidad con la que éstas puedan ser modificadas por interacción de la fase sólida con aceleradores o inhibidores. la sílice, como ya se ha indicado, se deposita siempre en una forma amorfa hidratada que es estable ya que la energía de activación requerida para transformarla en cuarzo cristalino es grande y, sin embargo, el fosfato cálcico amorfo se transforma fácilmente en una fase cristalina.
21 En los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo multidisciplinar a la comprensión de ciertos sistemas, como formación de: Huesos Exoesqueletos Estructuras silíceas
22 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
23 Química inorgánica de los procesos biológicosBIOMINERALIZACIÓN Química inorgánica de los procesos biológicos Almudena Pérez Pereira