Moléculas oclusas na matriz e precursores minerais são auto-organizados ou sua montagem é “supervisionada”? Aparentemente ambos, como pode ser observado a seguir, na formação das estruturas mineralizadas em corais. Veja abaixo um diagrama simplificado representando os diferentes modelos de biomineralização.
Figura 1.6: Diagrama dos Modelos Induzido e Controlado.
Modelo “biologicamente induzido” ou “biologicamente controlado”? De acordo com o primeiro modelo, a biomineralização é subproduto do metabolismo celular. Dada a supersaturação da água do mar nos espaços teciduais (em relação aos íons Ca2+ and CO32- ions), combinada com a elevação fotossintética do pH (alcalinização) e a necessidade de remover íons cálcio das células, espera-se que a calcificação seja induzida pelo conjunto de atividades normais das células. O argumento contra é de que, apesar dessas atividades serem realizadas por praticamente todas as células que compõem o coral, a calcificação não ocorre em todas as regiões do organismo, e as arquiteturas espécie-específicas do esqueleto sejam ainda mais surpreendentes (Fig. 1.6). Essas observações sugerem que deve haver algum grau de controle biológico sobre onde a calcificação ocorre (ou onde não ocorre).
Em ensaios que acompanharam a formação do esmalte nos dentes de roedores foi observado que camundongos com genes nocauteados não apresentaram falhas na mineralização. Isso pode ocorrer por redundância na função dos genes, mas pode ser que a biomineralização seja regulada não por proteínas individuais, e sim por montagens multiprotéicas complexas.
Proteínas com alta capacidade de capturar cálcio são encontradas no retículo endoplasmático do epitélio do esmalte; a precipitação de sais de cálcio poderia ocorrer, em algumas instâncias, dentro de vacúolos intracelulares, provavelmente combinados a proteínas da matriz, e o precursor mineral formado seria então exocitado ao local de formação do esmalte.
Figura 1.7: Ilustrações de corais – Ernest Hackel, 1899
Modelo Bio-inorgânico: corais controlam quando e onde o estado de saturação é elevado, possibilitando a nucleação e crescimento de fases minerais. Remoção de compostos inibitórios, bombeamento de íons, difusão facilitada, liberação de enzimas que acelerem as reações de fase fluida, uso de moléculas transportadoras ou transporte mediado por vesículas são etapas para alterar a composição iônica do meio extracelomático.
Fgura 1.8: Modelo Bio-inorgânico.
Modelo Mediado por Aditivos: corais exercem controle sobre outros fatores além da saturação tais como: a- liberação de compostos que interagem específicamente com os cristais que crescem(“envenenando” o crescimento de certas faces, promovendo nucleação de fases preferenciais ou inibindo qualquer nucleação). Acredita-se que aditivos orgânicos extraídos da matriz exerçam em experimentos de precipitação in vitro o mesmo papel que exercem no organismo. Fosfolipídios extraídos do esqueleto de corais (do grupo escleractíneo) foram capazes de se ligar ao cálcio, sugerindo que podem atuar como marcadores de sítios de nucleação de CaCO3.
Figura 1.9: Modelo Mediado por Aditivos.
Modelo Controlado por Molde de Matriz Orgânica: o organismo produz uma estrutura tridimensional que inicia, dirige e limita o crescimento dos cristais. O arranjo tridimensional dos diferentes grupos funcionais é crítico na determinação do crescimento do esqueleto. Esse modelo é amplamente observado em conchas de moluscos, além de ossos de vertebrados.
Figura 1.10: Modelo Controlado por Molde de Matriz Orgânica.
A partir dos modelos de biomineralização descritos, três principais mecanismos são observados, resumidos em três estudos de caso. Os estudos de casos mostram que nem todos os organismos utilizam as mesmas vias de nucleação. As Figuras abaixo representam esquematicamente três vias comuns que presumivelmente compartilham alguns dos mesmos estágios de nucleação:
Mineralização da matriz extracelular
Figura 1.11 – Esquema da via de nucleação envolvendo a matriz extracelular. Exemplificada pela formação da concha em foraminíferos radiais e formação mineral nos ossos, dentina, esmalte, conchas de moluscos ou cutículas de crustáceos.
Mineralização dentro de uma grande vesícula (sincício)
Figura 1.12 – Esquema de via de nucleação envolvendo espaço vesicular confinado (sincício). p ex: espícula larval do ouriço-do-mar
Mineralização dentro de vesículas que estão localizados no espaço intracelular
Figura 1.13 – Esquema de via de nucleação envolvendo a formação de elementos mineralizados em uma vesícula intracelular, onde o produto mineralizado definitivo pode permanecer no interior da célula (p. ex., cristais de guanina em pele de peixe) ou pode ser transportado para a superfície da célula (p. ex., foraminíferos).
