sábado, 28 de febrero de 2015

Proteinatos: la forma define la función


 Los complejos minerales que se utilizan para nutrición animal se comercializan en formas muy variadas. Reciben el nombre genérico (tal vez desafortunado) de “minerales orgánicos”, ya que están compuestos por oligoelementos unidos a moléculas orgánicas. 


Los distintos procesos químicos implicados en la reacción de unión o quelación (término con el que se conoce esta reacción) han creado mucha confusión en la industria de piensos. Abundan en el sector términos como complejo de metales y aminoácidos, quelatos de metales y aminoácidos, complejos de metales y polisacáridos o proteinatos de metales y, sin embargo, las definiciones oficiales siguen siendo ambiguas y de poca utilidad. En la tabla 1 se incluyen, a modo de ejemplo, las definiciones de los minerales orgánicos más comunes, traducidas al español a partir de las definiciones inglesas que ofrece la AAFCO (Association of American Feed Control Officials, 1998).

Definiciones de la AAFCO de los distintos minerales orgánicos
  • Complejo de metal y aminoácido: producto resultante de la reacción de una sal metálica soluble con un aminoácido para formar un complejo.
  • Quelato de metal y aminoácido: producto resultante de la reacción de un ion metálico de una sal metálica soluble con aminoácidos [en una relación molar de un mol de metal y de uno a tres moles de aminoácidos (preferiblemente dos)] para formar enlaces covalentes coordinados. El peso molecular medio de los aminoácidos hidrolizados debe ser de aproximadamente 150 Da y el peso molecular del quelato resultante no debe superar los 800 Da.
  • Complejo de metal y polisacárido: producto resultante de la reacción de una sal soluble con polisacáridos para formar un complejo.
  • Proteinato de metal: producto resultante de la quelación de una sal soluble con aminoácidos y/o proteínas parcialmente hidrolizadas.
Por lo general, los quelatos se elaboran a partir de la reacción, en condiciones controladas, de sales minerales inorgánicas con, por ejemplo, mezclas de aminoácidos y pequeños péptidos obtenidas por procesos enzimáticos. Estos aminoácidos o péptidos actúan de ligandos y se unen al ion metálico a través de un mínimo de dos sitios de unión, de manera que el átomo metálico acaba formando parte de una estructura en anillo biológicamente estable. Los aminoácidos o los pequeños péptidos obtenidos de la digestión de proteínas son excelentes ligandos, ya que presentan un mínimo de dos grupos funcionales que favorecen una unión estable con el ion metálico. Tan solo los llamados metales de transición, como el cobre, el hierro, el manganeso y el zinc, poseen las características físico-químicas necesarias para establecer enlaces covalentes coordinados con los aminoácidos y los péptidos y formar así complejos biológicamente estables.



 

Se han planteado muchos y variados argumentos acerca de las ventajas y la idoneidad para la elaboración de quelatos de cada ligando (aminoácidos o péptidos), así como un número incluso mayor de razonamientos sobre la biodisponibilidad resultante de cada tipo de mineral orgánico obtenido.




Factores como el pH, la proporción entre el ligando y el mineral o la fuerza iónica tienen una gran influencia en la estabilidad relativa que muestran los distintos quelatos. En muchos casos, los complejos formados por dipéptidos o tripéptidos presentan una mayor estabilidad que los complejos obtenidos de la reacción de una sal mineral con un único aminoácido.

Si queremos comparar quelatos o complejos para establecer cuál sería más adecuado en unas condiciones determinadas, son muchos los factores distintos que debemos considerar. Sin embargo, una apuesta bastante segura es compararlos en función de lo que se conoce como su “constante de estabilidad”. Esta constante (también llamada constante de formación) es el valor de equilibrio de la reacción de formación de un complejo o quelato en solución. Básicamente, la constante de estabilidad se mide a partir del cociente entre la concentración de ion metálico unido y la concentración de ion y ligando libres en unas condiciones determinadas. Los valores de esta constante para distintos ligandos como aminoácidos, dipéptidos, tripéptidos y otros péptidos de mayor tamaño pueden consultarse en una serie de bases de datos que incluyen el cálculo de este valor en función del pH, la fuerza iónica, la temperatura, el tipo de ligando y las concentraciones de ligando y mineral.

Las constantes de estabilidad pueden ser de gran ayuda a la hora de comparar distintos ligandos como aminoácidos, dipéptidos o tripéptidos. Por lo general, cuanto más elevada sea la constante de estabilidad, mayor la proporción relativa de ion metálico unido respecto al ion y ligando libres en unas condiciones determinadas. Obviamente, resultaría erróneo no tener en cuenta que hay excepciones a esta regla. Del mismo modo, la naturaleza misma de los procesos químicos que posibilitan la quelación añade a la lista factores adicionales que contribuyen en última instancia a la estabilidad de los complejos formados por los ligandos y los iones metálicos.

La mayoría de los aminoácidos y péptidos se unen a los iones metálicos a través de átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre. Los aminoácidos individuales conforman quelatos con distintas constantes de estabilidad que pueden consultarse en varias bases de datos. Parece lógico prever que sean los péptidos que tienen un mayor número de átomos donadores, y por tanto el potencial de formar más anillos de quelación al unirse al ion metálico, los que muestren una mayor estabilidad en comparación con los aminoácidos individuales como la glicina. Sin embargo, esto dependerá de que el péptido sea efectivamente capaz de formar más de uno de estos anillos. Como en el caso de los aminoácidos, los distintos complejos de péptidos también presentan distintos valores de estabilidad. En muchos casos, la estabilidad de los quelatos de péptidos puede ser mayor que la de los quelatos de aminoácidos individuales.



Por tanto, cabría esperar que los proteinatos (como los productos de la gama Bioplex®) sean productos con las características físico-químicas necesarias para garantizar una buena estabilidad en condiciones cambiantes de pH. 




Repasemos ahora los datos incluidos en la siguiente tabla que compara una serie de ligandos cuando forman quelatos de cobre en las mismas condiciones fisiológicas. Para que resulte más sencillo, los valores de estabilidad (expresados como log) se han transformado y comparado en relación con los de la glicina. También se especifica el peso molecular de cada ligando.

Valores de estabilidad relativa del quelato obtenido a partir de una serie de ligandos unidos al cobre en las mismas condiciones fisiológicas.


Fuente: 1. “Stability constants, determination and uses”, Peter Gans, 2. “Critically selected stability constants of metal complexes database”, NIST Reference Standard Database 46 (base de datos de referencia estándar 46 del NIST).

Los datos presentados en esta tabla muestran que no solo el tipo de aminoácido influye en la estabilidad de un quelato concreto, sino que también la configuración de los aminoácidos de un péptido puede determinar enormemente cómo interactúan el ligando y el ion metálico.

En algunos casos, aumentar simplemente el número de aminoácidos de un ligando no significa aumentar también la estabilidad del quelato y, por tanto, tampoco necesariamente la proporción relativa de ion metálico unido. Por el contrario, si revisamos los datos de la tabla correspondientes a los tres tripéptidos (Gly-Gly-Gly, Gly-Gly-His y Gly-His-Gly), nos daremos cuenta de que tanto la secuencia final como la posición de los aminoácidos de un péptido sí que tienen una gran influencia en la estabilidad relativa del quelato correspondiente.

La sustitución de la glicina por la histidina en el tripéptido Gly-Gly-Gly para obtener el tripéptido Gly-Gly-His, por ejemplo, contribuye a aumentar el valor de estabilidad del quelato y, por tanto, la proporción relativa de ion metálico unido (cobre en este caso). Asimismo, cambiar la posición de la histidina en la secuencia del tripéptido, de forma que tengamos por ejemplo el tripéptido Gly-His-Gly, supone un nuevo aumento en la estabilidad del quelato resultante y, a su vez, en la proporción de ion metálico unido. En pocas palabras, unos simples cambios en la configuración de los aminoácidos de este tripéptido se traducen en una mayor proporción de ion metálico unido respecto a los iones y ligandos libres.

Básicamente, la estabilidad de los minerales quelatados está enormemente influenciada no solo por el tipo de aminoácido sino también por la secuencia del péptido. El tamaño del ligando no reviste una importancia capital, pero sí el tipo de ligando.

Algunos autores han propuesto como método para comparar los distintos minerales orgánicos el cálculo de la relación molar entre el nitrógeno y el ion metálico. En la evaluación de proteinatos basados en soja, este cálculo no constituye un fiel reflejo del verdadero potencial quelante o de la estabilidad del producto. Esto se debe a la naturaleza del ligando utilizado, procedente de la soja, en el que aminoácidos como la cisteína, la histidina y los ácidos aspártico y glutámico se unen mediante quelación a los iones de metal a través de los átomos de azufre y oxígeno de sus cadenas laterales. Puesto que en esta cadena lateral ningún átomo de nitrógeno está implicado en la formación del enlace, considerar la relación molar entre el nitrógeno y el ion de metal provocaría una importante infraestimación del potencial de quelación de este tipo de productos.

Desde un punto de vista productivo, es importante tener en cuenta que la magnitud y el tipo de hidrólisis aplicada a una fuente proteica para obtener cadenas cortas de péptidos puede influir enormemente en la secuencia de aminoácidos de los péptidos resultantes. Las investigaciones llevadas a cabo en el centro europeo de Biociencia de Alltech han demostrado que para obtener un hidrolizado proteico "óptimo" para la quelación con iones de metal es necesario seleccionar cuidadosamente las condiciones en las que se efectúa la hidrólisis. Es así como la gama de minerales orgánicos Bioplex consigue que sus productos presenten las propiedades físico-químicas idóneas para garantizar una buena estabilidad del quelato en condiciones cambiantes de pH.

En conclusión, a pesar de la confusión y la información a menudo contradictoria que gira en torno a este concepto, la quelación es una reacción relativamente directa sustentada en una serie de procesos químicos fundamentales. 


Considerando cuidadosamente los factores que juegan un papel importante en esta reacción es cómo empezaremos a ser capaces de evaluar los distintos productos disponibles y su estabilidad biológica y, por tanto, la biodisponibilidad que ofrecen.