Figura 1
Caminhos de cristalização sob controles termodinâmico e cinético. Do ponto de vista termodinâmico, um sistema contendo precursores iônicos solúveis evolui para a formação direta da fase mais estável desde que seja rompida uma barreira de energia (∆G) associada à nucleação e crescimento dessa fase. Todavia, é comum a existência de um caminho cineticamente controlado, no qual a precipitação sequencial ocorre a partir de precursores menos estáveis, controlada por barreiras energéticas (∆G1,2,3). O rota adotada para a formação de mineral, rota de etapa única (caminho termodinâmico) ou precipitação sequencial (caminho cinético), depende da magnitude das barreiras energéticas associadas à nucleação, crescimento e transformação de fases intermediárias1111 Cölfen, H.; Mann, S.; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2003, 42, 2350.. Imagens de microscopia de eletrônica de transmissão dos produtos formados a partir de uma solução contendo PO43- e Ca2+ ao longo do tempo ilustram essa precipitação sequencial, na qual fosfato de cálcio amorfo (ACP) é prontamente formado na solução, que então evolui para octacálciofosfato (OCP) e, finalmente, hidroxiapatita (HAp). Note o aumento da razão Ca/P e a diminuição da solubilidade (Kps) ao longo da formação de HAp a partir dos seus precursores metaestáveis. Adaptado da referência1616 Habraken, W. J. E. M.; Tao, J.; Brylka, L. J.; Friedrich, H.; Bertinetti, L.; Schenk, A. S.; Verch, A.; Dmitrovic, V.; Bomans, P. H. H.; Frederik, P. M.; Laven, J.; van der Schoot, P.; Aichmayer, B.; de With, G.; DeYoreo, J. J.; Sommerdijk, N. A. J. M.; Nat. Commun. 2013, 4, 1507..
Figura 2
Os 7 níveis hierárquicos do osso. Nível 1: Cristais isolados de apatita extraídos de osso humano (lado esquerdo) e fibrila de colágeno não-mineralizada (lado direito) observados por microscopia eletrônica de transmissão (MET). Nível 2: imagem obtida por MET de uma fibrila de colágeno mineralizada do tendão de peru. Nível 3: micrografia MET de uma seção fina do tendão de peru mineralizado. Nível 4: Quatro padrões de organização de matriz lamelar de fibrilas encontrados no osso. Nível 5: imagem obtida por microscopia eletrônica de varredura (MEV) de um ósteon de osso humano. Nível 6: corte transversal de um fêmur humano fossilizado (cerca de 5.500 anos). Nível 7: Osso bovino inteiro. Adaptado da referência.55 Weiner, S.; Wagner, H. D.; Annu. Rev. Mater. Sci. 1998, 28, 271.
Figura 3
Organização multiescalar do colágeno. (a) Visão esquemática do ordenamento hierárquico do colágeno, variando da estrutura primária em escala molecular até fibras de colágeno com comprimentos da ordem de 10 µm. (b) Na tripla hélice de colágeno, as três cadeias polipeptídicas se entrelaçam de tal forma que seus resíduos de glicina estão dispostos para o interior da molécula, maximizando as interações intermoleculares que estabilizam a estrutura. (c) Mapas de densidade eletrônica de fibrilas de colágeno obtidos por cristalografia. O arranjo axial entre diferentes moléculas de colágeno dá origem à fibrila, que são arranjos alternados entre regiões de sobreposição e de lacuna. Imagem adaptada da referência.3030 Orgel, J. P. R. O.; Irving, T. C.; Miller, A.; Wess, T. J.; Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006, 103, 9001.
Figura 4
Mineralização das fibrilas de colágeno. A fibrila de colágeno é formada por regiões de sobreposição e lacuna que se intercalam ao longo do eixo da fibrila (a). ACP infiltra-se a partir das regiões de lacuna da fibrila (b). A ultraestrutura da fibrila de colágeno cria um ambiente confinado onde cristais de apatita são formados a partir do ACP infiltrado, dando origem à nanocristais orientados com seus eixos c paralelos ao eixo longo da fibrila de colágeno (c-g).
Figura 5
Representação esquemática do maquinário bioquímico das MVs. Diferentes enzimas e proteínas atuam em harmonia de modo a controlar localmente a razão Pi/PPi, assim como acumular Pi e Ca2+ necessários para a mineralização das fibrilas de colágeno. MVs acumulam Ca2+ e Pi no seu lúmen, dando origem à uma fase mineral de razão Ca/P ~1,0, típico da formação de uma fase amorfa e desordenada.185185 Wu, L. N. Y.; Yoshimori, T.; Genge, B. R.; Sauer, G. R.; Kirsch, T.; Ishikawa, Y.; Wuthier, R. E.; J. Biol. Chem. 1993, 268, 25084. O mecanismo pelo qual as MVs poderiam mediar a mineralização de fibrilas de colágeno a partir desta fase precursora ainda permanece carente de detalhamento, no entanto, alguns cenários podem ser especulados: (1) as vesículas contendo ACP poderiam se infiltrar diretamente na matriz de colágeno e liberar seu conteúdo, por efeito mecânico ou por ação de enzimas específicas186186 Mebarek, S.; Abousalham, A.; Magne, D.; Do, L. D.; Bandorowicz-Pikula, J.; Pikula, S.; Buchet, R.; Int. J. Mol. Sci. 2013, 14, 5036. (2) a fase precursora liberada pelas MVs poderia interagir com proteínas não-colagenosas (como a osteopontina), que controlariam a infiltração da fase precursora no interior das fibrilas de colágeno. Imagem adaptada da referência.9999 Bottini, M.; Mebarek, S.; Anderson, K. L.; Strzelecka-Kiliszek, A.; Bozycki, L.; Simão, A. M. S.; Bolean, M.; Ciancaglini, P.; Pikula, J. B.; Pikula, S.; Magne, D.; Volkmann, N.; Hanein, D.; Millán, J. L.; Buchet, R.; Biochim. Biophys. Acta - Gen. Subj. 2018, 1862, 532.