BIOMINERALIZACIÓN Química inorgánica de los procesos biológicos Almudena Pérez Pereira

BIOMINERALIZACIÓN

Química inorgánica de los procesos biológicosQuímica inorgánica de los procesos biológicos

Almudena Pérez PereiraAlmudena Pérez Pereira

INDICEINDICE

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

BIOMINERALES MÁS SIGNIFICATIVOSBIOMINERALES MÁS SIGNIFICATIVOS

FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOSFORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

Carbonato cálcicoCarbonato cálcico

Fosfato cálcicoFosfato cálcico

Oxido de hierro Oxido de hierro

Sulfuro de hierroSulfuro de hierro

SíliceSílice

a) Aspectos generales.a) Aspectos generales.

b) Control químico de la biomineralizaciónb) Control químico de la biomineralización

c) Matrices orgánicas y su influencia en la c) Matrices orgánicas y su influencia en la biomineralización.biomineralización.

““El estudio de la formación, estructura y propiedades de sólidos El estudio de la formación, estructura y propiedades de sólidos inorgánicos depositados en sistemas biológicos”inorgánicos depositados en sistemas biológicos”

DEFINICIÓN DE BIOMINERALIZACIÓNDEFINICIÓN DE BIOMINERALIZACIÓN

Muchos organismos usan algún material inorgánico en funciones Muchos organismos usan algún material inorgánico en funciones relacionadas con su ciclo vital, estos se denominanrelacionadas con su ciclo vital, estos se denominan


Desde una perspectiva esencialmente ,Desde una perspectiva esencialmente , trata de trata de comprender comprender los los que permiten a un que permiten a un organismo vivoorganismo vivo

químicaquímicamecanismos de control molecular mecanismos de control molecular

sintetizar un determinado material inorgánico, sólidosintetizar un determinado material inorgánico, sólido y bien definido estructuralmente.y bien definido estructuralmente.

biomateriales.biomateriales.

INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN MINERAL FÓRMULA ORGANISMO FUNCIÓN

Carbonato calcioCalcitaAragonitaVateritaAmorfo

CaCO3*

CaCO3

CaCO3

CaCO3 .n H2O

Algas TrilobitesPecesMoluscosAscidiaPlantas

ExoesqueletosDispositivo de gravedadExoesqueletosEspículasReserva de Calcio

Fosfato cálcicoHidroxiapatitoFosfato octacálcicoAmorfo

Ca10(PO4)6(OH)2

Ca8H2(PO4)6

?

VertebradosVertebradosMejillónVertebrados

Endoesqueletos DientesReserva de CalcioFase precursora en la formación del huesoReserva de calcioFase precursora en la formación del hueso

Oxalato cálcicoWhewelitaWeddelita

CaC2O4 H2O

CaC2O4 H2O

PlantasPlantas

Reserva de calcioReserva de calcio

Sulfatos del grupo IIYesoBaritaCelestita

CaSO4

BaSO4

SrSO4

Larva de medusaAlgasAcantaria

Dispositivo de gravedadDispositivo de gravedadSoporte celular

Óxidos de hierroMagnetitaLepidocrocitaFerrihidrita + fosfato

Fe3O4

γ- FeO(OH)5 Fe2O3 9 H2O

BacteriasAlgún moluscoAlgún moluscoAnimales y plantas Animales, plantas y bacterias

MagnetotaxisDientesDientesProteínas de almacenaje de hierroAlmacenaje de hierro

Dióxido de silicioSílice

SiO2 n H2O Algas Exoesqueleto

El estudio de esta disciplina se remonta a los años 30 con la aparición 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 de la difracción de rayos X como herramienta, aunque a partir de 1895 existen antecedentes. existen antecedentes.


Los microscopios de transmisión electrónica han sido de gran Los microscopios de transmisión electrónica han sido de gran utilidad, ya que los minerales a analizar en general son de tamaños no utilidad, ya que los minerales a analizar en general son de tamaños no despreciables. despreciables.

Respecto a la estructuraRespecto a la estructura ~ 80% cristalinos~ 80% cristalinos 20% amorfos20% amorfos

Biominerales Biominerales 50% Ca50% Ca25% P25% P60% Grupos hidroxilo60% Grupos hidroxilo

La distribución de biominerales entre los 5 reinos biológicos: La distribución de biominerales entre los 5 reinos biológicos:

- 37 son formados por animales, - 37 son formados por animales, - 10 por protistas, - 10 por protistas, - 24 por moneras (bacterias y algas - 24 por moneras (bacterias y algas

verdeazuladas),verdeazuladas),- 11 por plantas vasculares, - 11 por plantas vasculares, - 10 por hongos. - 10 por hongos.

La estructura y propiedades de estos minerales difiere bastante de La estructura y propiedades de estos minerales difiere bastante de las estructuras presentes en el mundo de la inorgánica. las estructuras presentes en el mundo de la inorgánica.


La formación de estos biominerales se produce, dentro de la biosfera, La formación de estos biominerales se produce, dentro de la biosfera, con un mayor impacto en los océanos, donde la química revela importantes con un mayor impacto en los océanos, donde la química revela importantes componentes en sedimentos y rocas marinas. componentes en sedimentos y rocas marinas.

BIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS.BIOMINERALES MÁS SIGNIFICTIVOS.

Carbonato cálcico:Carbonato cálcico:

Cuando se forma en sistemas biológicos adopta, en la mayoría de losCuando se forma en sistemas biológicos adopta, en la mayoría de loscasos, las estructuras de casos, las estructuras de calcita y aragonitacalcita y aragonita..

Los biominerales formados por esta sal Los biominerales formados por esta sal constituyen el soporte estructural de muchos constituyen el soporte estructural de muchos organismos, pero, además pueden participar organismos, pero, además pueden participar en otras funciones.en otras funciones.

Ejemplo:Ejemplo:

En el interior del oído interno existen pequeños cristales de calcita que 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 actúan, a través de su conexión con la membrana bajo la que se sitúan células sensoras, como un dispositivo que detecta cambios en la células sensoras, como un dispositivo que detecta cambios en la aceleración y contribuye así a controlar el equilibrio. aceleración y contribuye así a controlar el equilibrio.

Carbonato cálcico:Carbonato cálcico:


Fosfato cálcico:Fosfato cálcico:

Cuando se forma en sistemas biológicos adopta, en la mayoría de losCuando se forma en sistemas biológicos adopta, en la mayoría de los casos, estructuras de casos, estructuras de hidroxiapatito.hidroxiapatito.

Este es un componente inorgánico mayoritario en los dientes y huesos.Este es un componente inorgánico mayoritario en los dientes y huesos.

Este fosfato cálcico sufre un crecimiento, Este fosfato cálcico sufre un crecimiento, disolución y remodelado continuo de forma que se disolución y remodelado continuo de forma que se puede pensar en él como un “mineral vivo”.puede pensar en él como un “mineral vivo”.

Oxido de hierroOxido de hierro


Generalmente se forma magnetita (FeGeneralmente se forma magnetita (Fe33OO44))

Es un mineral común en las rocas terrestres que puede tener un origen:Es un mineral común en las rocas terrestres que puede tener un origen: 1) biótico: por una mineralización inducida o controlada biológicamente1) biótico: por una mineralización inducida o controlada biológicamente

2) Inorgánico: formadas a altas temperaturas.2) Inorgánico: formadas a altas temperaturas.

En los seres vivos la magnetita se ha encontrado de forma directa en En los seres vivos la magnetita se ha encontrado de forma directa en las bacterias magnetotácticas, en algunas especies de algas, en peces las bacterias magnetotácticas, en algunas especies de algas, en peces y en la palomas.y en la palomas.

El hierro, debido a las diferentes características de sus dos estados de El hierro, debido a las diferentes características de sus dos estados de oxidación Fe(II) y Fe(III),oxidación Fe(II) y Fe(III), condicionan la biomineralización de este elementocondicionan la biomineralización de este elemento

Sistema de orientación y navegación

Magnetitas extracelulares (cristales oscuros) inducidos por Magnetitas extracelulares (cristales oscuros) inducidos por células de Shewanella oneidensis en un medio suplementado con células de Shewanella oneidensis en un medio suplementado con ferrihidrita.ferrihidrita.

Las bacterias reductoras de hierro están muy extendidas en el Las bacterias reductoras de hierro están muy extendidas en el dominio Bacteria y se han encontrado en diferentes ambientes, dominio Bacteria y se han encontrado en diferentes ambientes, como hábitats acuáticos marinos y de agua dulce.como hábitats acuáticos marinos y de agua dulce.

Debido a su amplia distribución, las bacterias reductoras de hierro Debido a su amplia distribución, las bacterias reductoras de hierro intervienen, en cierta medida, en los ciclos geoquímicos globales de intervienen, en cierta medida, en los ciclos geoquímicos globales de elementos como el carbono, el oxígeno, el azufre y el hierro.elementos como el carbono, el oxígeno, el azufre y el hierro.

Oxido de hierroOxido de hierro


Sulfuros de hierroSulfuros de hierro


Existen ciertos tipos de bacterias presentes en entornos ricos en ion Existen ciertos tipos de bacterias presentes en entornos ricos en ion sulfuro, que sintetizan y hacen crecer cristales del mineral ferromagnético sulfuro, que sintetizan y hacen crecer cristales del mineral ferromagnético greixita, Fegreixita, Fe33SS44. .

Este proceso de formación de sulfuro de hierro intracelular en bacterias 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, 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.donde la química del ion sulfuro predominaba sobre la del ion óxido.

En una especie de estas bacterias se encuentran también En una especie de estas bacterias se encuentran también cristales de pirita, FeScristales de pirita, FeS22..

SíliceSílice

Los biominerales de sílice se encuadran en lo que se conoce comoLos biominerales de sílice se encuadran en lo que se conoce como

““sílice amorfa”sílice amorfa”

El material existe como un polímero inorgánico covalente de El material existe como un polímero inorgánico covalente de hidratación variable y de fórmula general [SiOhidratación variable y de fórmula general [SiOn/2n/2(OH)(OH)4-n4-n]]mm..

La sílice biogénica no siempre es un mineral estequiométrico y la La sílice biogénica no siempre es un mineral estequiométrico y la naturaleza, densidad, solubilidad, dureza, viscosidad, etc., pueden variar naturaleza, densidad, solubilidad, dureza, viscosidad, etc., pueden variar y resultar condicionaday resultar condicionada por por los procesos celulares de los organismos en los procesos celulares de los organismos en los que se forman. los que se forman.


FORMACIÓN DE BIOMINERALES EN SISTEMAS BIOLÓGICOS


Existen mecanismos de control Existen mecanismos de control específicosespecíficos de las fases de de las fases de formación del mineral: formación del mineral:

- Nucleación- Nucleación

- Crecimiento - Crecimiento

- Organización espacial dentro del sistema biológico.- Organización espacial dentro del sistema biológico.

Se pueden diferenciar además dos procesos alternativos en la Se pueden diferenciar además dos procesos alternativos en la formación de biominerales:formación de biominerales:

1) Formación 1) Formación inducidainducida biológicamente biológicamente

2) Formación 2) Formación controlada controlada biológicamentebiológicamente



1)1) Formación Formación inducidainducida biológicamente biológicamente

El mineral precipita como resultado de una interacción entre la El mineral precipita como resultado de una interacción entre la

actividad biológica del organismo y el entorno físico. actividad biológica del organismo y el entorno físico. Ejemplo:Ejemplo:

La calcificación que se produce en los espacios intercelulares de La calcificación que se produce en los espacios intercelulares de

ciertas algas verdes ciertas algas verdes

2) Formación 2) Formación controlada controlada biológicamentebiológicamente En la cual la nucleación y el crecimiento del mineral están En la cual la nucleación y el crecimiento del mineral están

condicionados por una matriz orgánica generada por la actividad condicionados por una matriz orgánica generada por la actividad

celular.celular.

Necesita un estricto control genético, químico y estructuralNecesita un estricto control genético, químico y estructural

Tiene lugar, inicialmente, en volúmenes localizados, como pueden Tiene lugar, inicialmente, en volúmenes localizados, como pueden ser microcompartimentos de vesículas lipídicas.ser microcompartimentos de vesículas lipídicas.

Posibles espacios para la biomineralización:Posibles espacios para la biomineralización:

a) a) EpicelularEpicelular


b) b) Extracelular Extracelular

c) c) IntracelularIntracelular

d) d) IntercelularIntercelular

EJEMPLO: Membrana exterior de la pared celular en EJEMPLO: Membrana exterior de la pared celular en bacterias.bacterias.

EJEMPLO: matriz de colágeno del hueso y la dentina. EJEMPLO: matriz de colágeno del hueso y la dentina.

EJEMPLO: Vesículas de organismos unicelulares. EJEMPLO: Vesículas de organismos unicelulares.

EJEMPLO: Espacios que generan la células de algas en EJEMPLO: Espacios que generan la células de algas en la formación de coral. la formación de coral.



1) Nucleación1) Nucleación

La formación del biomineral se inicia con esta etapa.La formación del biomineral se inicia con esta etapa.En función de las condiciones, puede trascurrir por dos víasEn función de las condiciones, puede trascurrir por dos vías:

1.1) Nucleación homogénea : 1.1) Nucleación homogénea : el núcleo se forma en el senoel núcleo se forma en el seno

de una disolución sobresaturada creandose numerosos cúmulos o de una disolución sobresaturada creandose numerosos cúmulos o

conglomerados de iones que se mantienen unidosconglomerados de iones que se mantienen unidos

Embriones agitación térmica, agitación térmica,

Continuamente formándose y redisolviéndose Continuamente formándose y redisolviéndose

tamaño críticotamaño crítico NÚCLEONÚCLEO

La velocidad de formación de los núcleos, La velocidad de formación de los núcleos, aumenta rápidamenteaumenta rápidamente

una vez que se alcanza una sobresaturación críticauna vez que se alcanza una sobresaturación crítica

1.2) Nucleación heterogénea:1.2) Nucleación heterogénea: La presencia de un sustrato enLa presencia de un sustrato en

el medio modifica la energía libre requerida para formar un núcleo estableel medio modifica la energía libre requerida para formar un núcleo estable



1) Nucleación1) Nucleación

2) Crecimiento2) Crecimiento

Existen dos posibilidades desde el punto de vista energetico:Existen dos posibilidades desde el punto de vista energetico:

a)a) Formación de una fase cristalina a partir de una Formación de una fase cristalina a partir de una disolución y en una sola etapa. disolución y en una sola etapa.

b)b) Formación de esta fase a través de otras intermedias Formación de esta fase a través de otras intermedias de estructura cristalina diferente, la primera será amorfa. de estructura cristalina diferente, la primera será amorfa.

El proceso se puede complicar si existen especies que afecten a:El proceso se puede complicar si existen especies que afecten a:

- La velocidad de crecimientos del cristal - La velocidad de crecimientos del cristal

- Aceleradores - Aceleradores

- Inhibidores - Inhibidores


2) Crecimiento2) Crecimiento


La formación de La formación de AragonitaAragonita

Los iones MgLos iones Mg2+ 2+

Carbonato Carbonato Difosfato Difosfato Ciertos polifosfatos o nucleótidos, Ciertos polifosfatos o nucleótidos,

AminoácidosAminoácidos

Ácido aspárticoÁcido aspártico

Ácido glutámicoÁcido glutámico

Por el efecto de sus grupos carboxilato. Por el efecto de sus grupos carboxilato.

Del crecimiento cristalino delDel crecimiento cristalino del

HidroxiapatitoHidroxiapatito

inhibidores estabilizanestabilizan

Favoreciendo el crecimiento Favoreciendo el crecimiento superficialsuperficial

c) Matrices orgánicas. Influencia en la biomineralización.c) Matrices orgánicas. Influencia en la biomineralización.


La matriz es una superficie organizada que actúa como mediador La matriz es una superficie organizada que actúa como mediador de la mineralización.de la mineralización.

Las matrices pueden afectar no sólo al tamaño del mineral, sino tambiénLas matrices pueden afectar no sólo al tamaño del mineral, sino también a su orientación espacial y al a su orientación espacial y al control estructural.control estructural.

Minerales amorfosMinerales amorfosLos minerales biogénicos amorfos, tienen funciones tan variadas como precursores de fases cristalinas, almacén de iones o estructuras mineralizadas.

Estructuras silíceasEstructuras silíceasExoesqueletosExoesqueletosHuesosHuesos

En los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo En los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo multidisciplinar a la comprensión de ciertos sistemas, multidisciplinar a la comprensión de ciertos sistemas, como formación de:como formación de:

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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