文/奧特奇歐洲生物科學中心 Dr. Richard Murphy

如何甄別絡合物和螯合物

文/奧特奇歐洲生物科學中心 Dr. Richard Murphy

市場上有多種為動物補充營養(yǎng)的金屬絡合物形式的產(chǎn)品，并且根據(jù)微量元素是以絡合的形式或以其他形式與有機分子相聯(lián)系，來決定其是否命名為“有機微量元素”。絡合或螯合越來越被熟知，但是在動物飼料行業(yè)其概念卻常常被混淆。諸如金屬氨基酸絡合物、金屬氨基酸螯合物、金屬多糖絡合物和金屬蛋白鹽比比皆是，并且官方并未給出明確的定義來區(qū)分。例如，在表1中是由美國飼料控制官員協(xié)會(AAFCO，1998)所規(guī)定的農(nóng)業(yè)實踐中所用的有機微量金屬的各種定義。那么在這些模糊的定義中，我們?nèi)绾螀^(qū)分絡合物和螯合物呢？

1 絡合物與螯合物

一般來說，術語“絡合體”可用于描述金屬離子與一個分子或離子(配體)的反應所形成的物質(zhì)，這種物質(zhì)是含有具有孤對電子的原子。復雜的金屬離子通過供電子原子氧、氮和硫結合到配體上。僅包含一個供體原子的配體被稱為“單原子螯合配體”，而那些包含兩個或更多的供電子原子鍵結合至金屬離子的配體被稱為二、三或四配位基的配體。這些多供體種類，也可以稱為多配基配體。當這樣的配體由兩個或更多個供電子原子鍵結合到金屬離子上，所形成的絡合物含有金屬原子的一個或多個雜環(huán)，這種絡合物被稱為“螯合物”。氨基酸一個就是二配基的例子，經(jīng)由羧酸基團的氧和氨基的氮鍵結合到金屬離子上。與此相反，乙二胺四乙酸(EDTA)是一種六配基配體，其包含6個供體原子。它與大多數(shù)金屬離子形成高度穩(wěn)定的絡合物，但事實上，EDTA不是特別適用于形成微量元素螯合物，因為這種絡合物的生物利用效率極低。雖然螯合物可以形成四、五、六或七元環(huán)，但研究表明，具有五元環(huán)的螯合物穩(wěn)定性最好。值得注意的是，盡管所有螯合物都是絡合物，但并非所有的絡合物都是螯合物。螯合總體理論很簡單，但是形成穩(wěn)定的微量元素螯合物必須滿足以下標準：①螯合配體至少含有兩個原子能與金屬離子形成鍵；②配體必須與金屬形成封閉雜環(huán)；③空間上必須能螯合金屬；④所述配體與微量元素的比值必須滿足穩(wěn)定性最低要求。真正的螯合物具有金屬離子與氨基酸的氨基和羧基末端形成的“環(huán)狀結構”。螯合物是由無機礦物質(zhì)鹽在一定的條件下，與氨基酸和小肽發(fā)生酶促反應制備的。這些氨基酸和肽配體通過一個以上的點與金屬結合，確保金屬原子成為生物學上穩(wěn)定的環(huán)結構的一部分。氨基酸和蛋白質(zhì)的消化產(chǎn)物（如小肽）是理想的配位體，因為它們具有至少兩個官能團(氨基和羥基)，使得與微量元素形成環(huán)結構。只有所謂的“過渡元素”（如銅、鐵、錳和鋅）具備的物理化學特性，使它們能夠與氨基酸和肽形成配位共價鍵，并因此生成穩(wěn)定的絡合物。

表1 有機無機復合物的AAFCO定義

圖1 含有二價銅離子(0.001M)與甘氨酸(0.002M)的溶液中金屬離子解離曲線

2 氨基酸和肽作為配基

許多觀點認為，在形成微量元素螯合物方面，氨基酸比肽更適宜、更具優(yōu)勢，比其他產(chǎn)品的生物利用率更高。我們已經(jīng)考慮到一些確保礦物螯合物生物穩(wěn)定性的必要標準，但是，還必須考慮許多參與螯合過程的其他影響因素，其中主要包括：①相對平衡，包括金屬離子和配體；②水合金屬離子和存在的絡合物的置換反應動力學；③金屬離子和其絡合物的氧化還原行為；④涉及調(diào)節(jié)配基的反應。雖然我們很難簡化和解釋這些復雜的化學反應，但是，為了證明一些氨基酸比肽更適宜與微量元素肽螯合的觀點是錯誤的，我們將主要考慮影響絡合物平衡和穩(wěn)定的因素。當金屬鹽（如硫酸銅）溶解在水中與二齒配位體氨基酸配合，會形成一系列的絡合物。每個絡合物都有穩(wěn)定常數(shù)，同時受溶液的pH影響(如圖1)，其中銅(II)硫酸鹽與甘氨酸反應，突出了許多顯著特征：①根據(jù)溶液pH的不同，在給定濃度的金屬和氨基酸濃度條件下，金屬離子的分布；②二價金屬離子的螯合物不一定呈中性；③不同金屬離子具有不同的穩(wěn)定常數(shù)。因此，金屬作為特定物質(zhì)的比例不僅取決于溶液的pH，而且決定于絡合物的穩(wěn)定性常數(shù)。金屬絡合物的穩(wěn)定性最終取決于金屬離子和配體的化學性質(zhì)。就金屬離子對穩(wěn)定性的影響而言，增加離子電荷和提高電子親和力都將引起較高穩(wěn)定性的絡合物的形成。配體也具有影響絡合物穩(wěn)定性的特點，包括：①配體的堿度；②每個配體金屬-螯合環(huán)的數(shù)目；③螯合環(huán)的大??；④位阻效應；⑤共振效應；⑥配體原子。由于配位化合物作為路易斯酸-堿反應的產(chǎn)物，其中金屬離子是酸性，而配體是堿性，它們結合一般的基本配體，形成更穩(wěn)定的絡合物。螯合環(huán)的大小同樣是影響穩(wěn)定性的一個重要因素。進一步分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，金屬氨基酸螯合物和金屬蛋白鹽的相對穩(wěn)定性有明顯的區(qū)別。鑒于金屬蛋白鹽是從與氨基酸和部分水解蛋白的可溶性鹽的螯合得到的產(chǎn)物，因此對于給定的金屬離子，所述離子分布曲線對蛋白鹽的復雜性將遠大于相應的金屬氨基酸螯合物。如果認為該產(chǎn)品分布曲線是在給定的pH下相對穩(wěn)定的指標，并考慮二、三甚至四肽中的單個氨基酸混合物的無限結合，那么總的蛋白鹽穩(wěn)定性在較寬pH范圍內(nèi)理論上應遠比特定金屬氨基酸螯合物更大。

3 生物穩(wěn)定性

先前討論的其他影響因素有助于解釋螯合物的整體穩(wěn)定性。同時這些因素也可以用來評估在pH改變的條件下金屬蛋白鹽物化性質(zhì)的穩(wěn)定。雖然業(yè)界存在各種關于螯合的混淆和矛盾的觀點，但是微量元素螯合其實是一種相對簡單的化學合成過程。通常，我們能夠區(qū)分兩種真正的螯合形式，每一種都有特定的化學和生物物理特性?？梢酝ㄟ^仔細研究影響微量元素螯合的重要因素，在生物穩(wěn)定性乃至生物利用率和有效率的基礎上對產(chǎn)品進行區(qū)分?！?/p>

(來源：中國飼料行業(yè)信息網(wǎng))