如何甄别络合物和螯合物

文/奥特奇欧洲生物科学中心 Dr. Richard Murphy

如何甄别络合物和螯合物

文/奥特奇欧洲生物科学中心 Dr. Richard Murphy

市场上有多种为动物补充营养的金属络合物形式的产品，并且根据微量元素是以络合的形式或以其他形式与有机分子相联系，来决定其是否命名为“有机微量元素”。络合或螯合越来越被熟知，但是在动物饲料行业其概念却常常被混淆。诸如金属氨基酸络合物、金属氨基酸螯合物、金属多糖络合物和金属蛋白盐比比皆是，并且官方并未给出明确的定义来区分。例如，在表1中是由美国饲料控制官员协会(AAFCO，1998)所规定的农业实践中所用的有机微量金属的各种定义。那么在这些模糊的定义中，我们如何区分络合物和螯合物呢？

1 络合物与螯合物

一般来说，术语“络合体”可用于描述金属离子与一个分子或离子(配体)的反应所形成的物质，这种物质是含有具有孤对电子的原子。复杂的金属离子通过供电子原子氧、氮和硫结合到配体上。仅包含一个供体原子的配体被称为“单原子螯合配体”，而那些包含两个或更多的供电子原子键结合至金属离子的配体被称为二、三或四配位基的配体。这些多供体种类，也可以称为多配基配体。当这样的配体由两个或更多个供电子原子键结合到金属离子上，所形成的络合物含有金属原子的一个或多个杂环，这种络合物被称为“螯合物”。氨基酸一个就是二配基的例子，经由羧酸基团的氧和氨基的氮键结合到金属离子上。与此相反，乙二胺四乙酸(EDTA)是一种六配基配体，其包含6个供体原子。它与大多数金属离子形成高度稳定的络合物，但事实上，EDTA不是特别适用于形成微量元素螯合物，因为这种络合物的生物利用效率极低。虽然螯合物可以形成四、五、六或七元环，但研究表明，具有五元环的螯合物稳定性最好。值得注意的是，尽管所有螯合物都是络合物，但并非所有的络合物都是螯合物。螯合总体理论很简单，但是形成稳定的微量元素螯合物必须满足以下标准：①螯合配体至少含有两个原子能与金属离子形成键；②配体必须与金属形成封闭杂环；③空间上必须能螯合金属；④所述配体与微量元素的比值必须满足稳定性最低要求。真正的螯合物具有金属离子与氨基酸的氨基和羧基末端形成的“环状结构”。螯合物是由无机矿物质盐在一定的条件下，与氨基酸和小肽发生酶促反应制备的。这些氨基酸和肽配体通过一个以上的点与金属结合，确保金属原子成为生物学上稳定的环结构的一部分。氨基酸和蛋白质的消化产物（如小肽）是理想的配位体，因为它们具有至少两个官能团(氨基和羟基)，使得与微量元素形成环结构。只有所谓的“过渡元素”（如铜、铁、锰和锌）具备的物理化学特性，使它们能够与氨基酸和肽形成配位共价键，并因此生成稳定的络合物。

表1 有机无机复合物的AAFCO定义

图1 含有二价铜离子(0.001M)与甘氨酸(0.002M)的溶液中金属离子解离曲线

2 氨基酸和肽作为配基

许多观点认为，在形成微量元素螯合物方面，氨基酸比肽更适宜、更具优势，比其他产品的生物利用率更高。我们已经考虑到一些确保矿物螯合物生物稳定性的必要标准，但是，还必须考虑许多参与螯合过程的其他影响因素，其中主要包括：①相对平衡，包括金属离子和配体；②水合金属离子和存在的络合物的置换反应动力学；③金属离子和其络合物的氧化还原行为；④涉及调节配基的反应。虽然我们很难简化和解释这些复杂的化学反应，但是，为了证明一些氨基酸比肽更适宜与微量元素肽螯合的观点是错误的，我们将主要考虑影响络合物平衡和稳定的因素。当金属盐（如硫酸铜）溶解在水中与二齿配位体氨基酸配合，会形成一系列的络合物。每个络合物都有稳定常数，同时受溶液的pH影响(如图1)，其中铜(II)硫酸盐与甘氨酸反应，突出了许多显著特征：①根据溶液pH的不同，在给定浓度的金属和氨基酸浓度条件下，金属离子的分布；②二价金属离子的螯合物不一定呈中性；③不同金属离子具有不同的稳定常数。因此，金属作为特定物质的比例不仅取决于溶液的pH，而且决定于络合物的稳定性常数。金属络合物的稳定性最终取决于金属离子和配体的化学性质。就金属离子对稳定性的影响而言，增加离子电荷和提高电子亲和力都将引起较高稳定性的络合物的形成。配体也具有影响络合物稳定性的特点，包括：①配体的碱度；②每个配体金属-螯合环的数目；③螯合环的大小；④位阻效应；⑤共振效应；⑥配体原子。由于配位化合物作为路易斯酸-碱反应的产物，其中金属离子是酸性，而配体是碱性，它们结合一般的基本配体，形成更稳定的络合物。螯合环的大小同样是影响稳定性的一个重要因素。进一步分析图1可以发现，金属氨基酸螯合物和金属蛋白盐的相对稳定性有明显的区别。鉴于金属蛋白盐是从与氨基酸和部分水解蛋白的可溶性盐的螯合得到的产物，因此对于给定的金属离子，所述离子分布曲线对蛋白盐的复杂性将远大于相应的金属氨基酸螯合物。如果认为该产品分布曲线是在给定的pH下相对稳定的指标，并考虑二、三甚至四肽中的单个氨基酸混合物的无限结合，那么总的蛋白盐稳定性在较宽pH范围内理论上应远比特定金属氨基酸螯合物更大。

3 生物稳定性

先前讨论的其他影响因素有助于解释螯合物的整体稳定性。同时这些因素也可以用来评估在pH改变的条件下金属蛋白盐物化性质的稳定。虽然业界存在各种关于螯合的混淆和矛盾的观点，但是微量元素螯合其实是一种相对简单的化学合成过程。通常，我们能够区分两种真正的螯合形式，每一种都有特定的化学和生物物理特性。可以通过仔细研究影响微量元素螯合的重要因素，在生物稳定性乃至生物利用率和有效率的基础上对产品进行区分。■

(来源：中国饲料行业信息网)