Хелати як у них розібратися

На ринку є різноманітні форми комплексних сполук металів, що використовуються в годуванні тварин. Всі ці різноманітні форми називають «органічними мікроелементами», оскільки мікроелементи, що входять до їх складу, утворюють комплекси, або інші типи хімічних сполук, з органічними молекулами.

Хімічні процеси комплексоутворення, чи утворення хелатів, розуміються по-різному різними фахівцями галузі кормовиробництва, що призводить до виникнення плутанини у термінах та інтерпретації властивостей продуктів. Часто зустрічаються такі терміни, як "комплекс металу та амінокислот", "хелат металу та амінокислот", "комплекс металу з полісахаридом", "протеїнат металу", проте офіційні визначення цих термінів розпливчасті і не прояснюють ситуацію. Як приклад у Таблиці 1 наведено різні визначення органічних мікроелементів, що використовуються у сільському господарстві, у формулюваннях Асоціації американських контролерів якості кормів (AAFCO, 1998).

Таблиця 1. Органічні комплекси мінералів – визначення термінів у формулюваннях AAFCO.

Комплекс металу та амінокислоти – продукт, що утворюється при формуванні комплексу між розчинною сіллю металу та амінокислотою.

Хелат металу та амінокислоти - продукт, що утворюється в результаті реакції іона металу з розчинної солі металу з амінокислотами при молярному співвідношенні, що становить один моль металу до одного – трьом (переважно, двом) молям амінокислот, з утворенням ковалентно-координаційних зв'язків. Середня молекулярна маса гідролізованих амінокислот повинна становити приблизно 150, а молекулярна маса хелату, що утворився, не повинна перевищувати 800.

Комплекс металу зполісахаридом - продукт, що утворюється при формуванні комплексу між розчинною сіллю та розчиненим полісахаридом.

Протеїнат металу - продукт, що утворюється при утворенні хелатів між розчинною сіллю та амінокислотами та/або частково гідролізованим білком.

Щоб розібратися в заплутаних визначеннях, що характеризують хімічні та фізичні властивості мікроелементів, насамперед необхідно виявити відмінності між термінами «комплекс» та «хелат».

Комплекси або хелати

Термін «комплекс» може використовуватися при описі сполук, що утворюються при взаємодії іона металу з молекулою або іоном (лігандом), які мають вільну пару електронів. Такі іони металів зв'язуються з лігандом за допомогою атомів-донорів, наприклад, кисню, азоту або сірки. Ліганди, що володіють лише одним атомом-донором, називаються монодентатними, а ліганди, що володіють двома і більше атомами-донорами, називаються бі-, три-або тетрадентатними, також їх іноді називають полідентатними.

Коли такі ліганди зв'язуються з іоном металу за допомогою двох і більше атомів-донорів, утворюється комплекс, що складається з одного або кількох гетероциклічних кілець, до складу яких входить атом металу. Такі комплекси називаються "хелати" (від грецького "chele" - клешня краба).

Амінокислоти є бідендатними лігандами, що утворюють зв'язки з іонами металу за допомогою кисню карбоксильної групи та азоту аміногрупи.

Етилендіамінтетраоцтова кислота (ЕДТА) є прикладом гексадентатного ліганду, який містить шість атомів-донорів. ЕДТА утворює дуже міцні комплекси з більшістю іонів металів і не дуже підходить для утворення хелатів мінералів, оскільки біологічна доступність таких комплексів невисока.

Хоча можутьутворюватися хелати, що містять чотири, п'ять, шість або сім кілець, встановлено, що найбільш стабільними є хелати, що містять п'ять кілець.

Також необхідно пам'ятати про те, що хоча хелати є комплексами, не всі комплекси є хелатами. Незважаючи на простоту теорії, що пояснює утворення хелатів, необхідно суворе дотримання безлічі умов отримання стабільного хелату мінералу.

Ліганд повинен містити два атоми, здатні утворювати зв'язки з іоном металу.

Ліганд повинен утворювати гетероциклічне кільце, причому метал повинен розташовуватися «наприкінці» цього кільця.

Освіта хелату металу має бути просторово (стерично) можливо. Для досягнення стабільності необхідно дотримуватись співвідношення кількості ліганду до мінералу.

Справжні хелати мають «кільцеву структуру», утворену ковалентно-координаційним зв'язком між амінною та карбоксильною групами амінокислоти та іоном металу.

Як правило, хелати утворюються в результаті реакції між неорганічними солями мінералів з приготовленою за допомогою ферментів сумішшю амінокислот і невеликих пептидів в контрольованих умовах. Такі амінокислотні та пептидні ліганди зв'язуються з іоном металу не в одній точці, а в кількох, внаслідок чого атом металу стає частиною біологічно стабільної кільцевої структури. Амінокислоти та продукти ферментативного руйнування білків, наприклад, невеликі пептиди, є ідеальними лігандами, оскільки вони мають як мінімум дві функціональні групи (амінну та гідроксильну), необхідні для утворення кільцевої структури з мінералом. Тільки «перехідні елементи», наприклад, мідь, залізо, марганець і цинк мають необхідні фізико-хімічні характеристики, що дозволяють їмутворювати ковалентно-координаційні зв'язки з амінокислотами та пептидами з утворенням біологічно стабільних комплексів.

Амінокислоти та пептиди як ліганди

Існують різні думки щодо переваг використання амінокислот у порівнянні з пептидами при утворенні хелатів мінералів, ще більше суперечок є щодо біологічної доступності таких продуктів. Ми вже розглянули загальні умови, необхідні для утворення біологічно стабільних хелатів мінералів, проте слід також враховувати й інші фактори, що впливають на утворення хелатів, основними з цих факторів є:

Стан рівноваги між кількістю іонів металу та кількістю ліганду.
Кінетика реакцій заміщення між гідратованими іонами металу та наявними комплексами.
Окисно-відновлювальні властивості іона металу та його комплексів.
Реакції за участю координованих лігандів.

Очевидно, що такий складний хімічний феномен не слід спрощувати надмірно. Однак, щоб прояснити ситуацію щодо переваг амінокислот або пептидів у процесі утворення хелатів мінералів, ми розглянемо фактори, що впливають на стан рівноваги та стабільність таких комплексів.

При розчиненні у воді солі металу, наприклад, сульфату міді (II), з додаванням амінокислоти як бидентатного ліганду, утворюється ряд комплексів, кожен з яких має власну константу стабільності, яка залежить від рН розчину. Це показано на малюнку 1 (реакція сульфату міді (II) з гліцином). З даних, показаних на цьому малюнку, можна зробити деякі важливі висновки:

Кількість різних містять метал сполук при заданих концентраціях металу таамінокислоти залежить від рН розчину.
Хелати іонів металу з подвійним позитивним зарядом який завжди нейтральні.
Різні іони металу мають різні константи стабільності, тому кількість металу у складі певних сполук залежить не тільки від величини рН розчину, а й від константи стабільності комплексу.

Малюнок 1. Графік зміни вмісту міді, включеної до складу різних сполук, при зміні рН у розчині, що містить мідь (II) (0,001М) та гліцин (0,002М). Горизонтальна вісь: рН. Вертикальна вісь: % Cu++

У різних іонів металів різні константи стабільності. Тому кількість металу, що входить до складу конкретної сполуки, залежить не тільки від величини рН розчину, а й від константи стабільності комплексу.

Стабільність містить комплекс комплексу залежить як від властивостей металу, так і від властивостей ліганду. Збільшення заряду іона, зменшення розміру та збільшення афінності електронів сприяє більшій стабільності. На стабільність комплексів впливають також деякі характеристики лігандів: (1) лужність ліганду, (2) кількість метало-хелатних кілець на одиницю ліганду, (3) розмір хелатного кільця, (4) просторові ефекти, (5) резонансні ефекти та (6) атом ліганду. Оскільки комплексні сполуки утворюються в результаті кислотно-основних реакцій, як правило, лужні ліганди утворюють більш стабільні комплекси. Також велике значення має розмір хелатного кільця.

Ще глибше проаналізувавши Рисунок 1, можна помітити наявність суттєвих відмінностей між відносною стабільністю хелатів металів, утворених амінокислотами та стабільністю протеїнатів металів. Оскільки протеїнат металу є продуктом реакції хелатоутворення міжрозчинною сіллю та амінокислотами та/або частково гідролізованим білком, можна припустити, що для конкретного іона металу кількість графіків, що характеризують утворення різних сполук, до складу яких входить метал, при утворенні протеїнату, буде набагато більше, ніж при утворенні хелату цього ж металу з амінокислотою . Якщо вважати графік, що відображає розподіл кількості міді між різними сполуками, індикатором відносної стабільності при даній величині рН, і враховувати нескінченну кількість комбінацій, можливих в результаті взаємодії як окремих амінокислот, так і ди-, три-і навіть тетрапептидів, то теоретично загальна стабільність протеїнату в широкому діапазоні рН має бути набагато більшою, ніж стабільність хелату даного металу з амінокислотою.

Очевидно, що в реальних умовах розглянуті додаткові фактори впливатимуть на стабільність хелату. Однак можна очікувати, що протеїнати металів будуть мати фізико-хімічні властивості, необхідні збереження сталості характеристик при зміні рН.

Незважаючи на наявність деякої суперечливої інформації, утворення хелатів металів – це не такий складний процес, в основі якого лежать фундаментальні закони хімії. Ми можемо виділити дві форми істинних хелатів мінералів, кожна з яких має певні хімічні та біофізичні властивості. Уважно вивчивши фактори, що впливають на утворення хелатів мінералів, можна виявити різницю між продуктами за показником біологічної стабільності і, отже, біологічної доступності.