Artículo de Dr. Richard Murphy
Director del Centro de
Biociencia Europeo de
Alltech
A medida que cambia el tipo de grupo de unión, también lo hace la fuerza de la unión entre este y el grupo de cobre; algunos se unen al cobre fuertemente y otros muy débilmente. Lo mismo puede aplicarse a todos los demás minerales como el cinc, el manganeso y el hierro. Lo que esto indica es que el tamaño del grupo de unión no es el factor más crítico que influye en la fuerza de unión y, en última instancia, la estabilidad de un quelato. Los reclamos de superioridad basados en el tamaño tienen claramente poco mérito. Sin embargo, simplemente aumentar el número de aminoácidos en un ligando puede no aumentar la estabilidad del complejo metálico y, por lo tanto, puede no necesariamente aumentar la proporción relativa de mineral unido. En última instancia, no solo el tipo de aminoácido influye en la estabilidad de un quelato, sino que la posición de los aminoácidos en un péptido también puede influir significativamente en cómo interactúan el ligando y el mineral. Esto se ilustra en la tabla 2, en la que se puede apreciar que los factores más críticos son la secuencia y la posición de los aminoácidos, en lugar del tamaño total. La sustitución de una histidina en el tripéptido GlyGly-Gly para producir Gly-Gly-His, por ejemplo, aumenta el valor de estabilidad y, por lo tanto, la proporción relativa de mineral unido (cobre, en este caso). Además, el cambio de la posición de esta histidina dentro de la secuencia tripeptídica (para formar Gly-His-Gly, por ejemplo) puede producir un aumento adicional en la fuerza de enlace y, como tal, un aumento en la proporción de mineral unido.
En términos prácticos, los cambios simples en la configuración de los aminoácidos en este tripéptido dan como resultado una mayor proporción de mineral unido en relación con el mineral libre y el ligando. Esencialmente, la estabilidad del quelato mineral puede verse significativamente influenciada no solo por el tipo de aminoácido, sino también por la configuración de los aminoácidos en una secuencia peptídica. Desde el punto de vista de la producción, es importante señalar que la extensión y el tipo de hidrólisis de una fuente de proteína para formar péptidos de cadena corta pueden influir significativamente en la secuencia de aminoácidos presentes en estos péptidos. La producción de un hidrolizado de proteínas óptimo para la quelación de minerales se puede realizar a través de la selección cuidadosa de las condiciones de hidrólisis. Esto asegura que el hidrolizado de péptidos tendrá las propiedades necesarias para garantizar la constancia y la estabilidad de la unión mineral en condiciones de cambio de pH.
Un estudio reciente que utilizó técnicas basadas en potenciometría analizó una serie de MTO comerciales utilizando un electrodo selectivo de iones de cobre para determinar sus estabilidades in vitro en un rango de pH que refleja las condiciones fisiológicas (ver figura). En este trabajo, las muestras se reconstituyeron y suspendieron antes de la valoración de los sobrenadantes y posteriormente se midió el porcentaje de cobre unido en un rango de pH de 3 a 8. Esto confirmó que existen diferencias notables en la estabilidad dependiente del pH de los MTO comerciales y que la cantidad de cobre unido varía considerablemente entre muestras. Además, los datos indican que algunos MTO tienen una capacidad baja o nula para estabilizar un enlace mineral en un pH ácido, con el consecuente impacto en la bioeficacia de los productos. Estas diferencias pueden atribuirse no solo al tipo de grupo de enlace utilizado, sino también al proceso de producción utilizado para generar el mismo.
¿COMPLEJOS O QUELATOS?
En términos generales, el término complejo se puede usar para describir el producto formado cuando
un ión metálico reacciona con un grupo de enlace
o ligando que contiene un átomo que tiene un par
de electrones. En el complejo, el ligando está unido
al ion metálico a través de átomos donantes, como
oxígeno, nitrógeno o azufre. Los ligandos que contienen solo un átomo donante se denominan monodentados, mientras que los que contienen dos o
más átomos donantes capaces de unirse a un ion
metálico se denominan bi-, tri- o tetradentados.
Estas especies de múltiples donantes también se pueden denominar polidentados.
Cuando dichos ligandos se unen a un ion metálico
a través de dos o más átomos donantes en el mismo
ligando, el compuesto formado contiene uno o más
anillos heterocíclicos que contienen el átomo metálico. Estos complejos se denominan quelatos (del
griego chele, refiriéndose a la garra de un cangrejo).
Algunos aminoácidos, como la glicina, son ejemplos de ligandos bidentados que se unen a los iones metálicos a través de un oxígeno del grupo
ácido carboxílico y el nitrógeno del grupo amino.
En contraste, el ácido etilendiaminotetraacético
(EDTA) es un ejemplo de un ligando hexadentado
que contiene seis átomos donantes. Forma complejos altamente estables con la mayoría de los
iones metálicos y, de hecho, no es particularmente
útil para la formación de quelatos minerales, ya
que la biodisponibilidad de tales complejos es despreciable.
También es importante recordar que, si bien todos
los quelatos son complejos, no todos los complejos
son quelatos. De hecho, aunque la teoría general detrás de la quelación es simple, hay una serie de criterios que se deben cumplir completamente para garantizar la generación de un quelato mineral estable:
- Un ligando quelante debe contener al menos dos átomos capaces de formar enlaces con el ion metálico.
- El ligando debe formar un anillo heterocíclico, con el metal como elemento de cierre del anillo.
- Debe ser físicamente (estéricamente) posible quelar el metal.
- La relación entre el ligando y el mineral debe cumplir con los requisitos mínimos de estabilidad.
Los quelatos verdaderos tienen una estructura de
anillo formada por la unión entre los extremos amino y carboxilo del aminoácido y el ion metálico.
AMINOÁCIDOS Y PÉPTIDOS
COMO LIGANDOS
La química detrás de los minerales traza orgánicos
(MTO) ha creado una gran confusión en la industria de la alimentación animal. Los términos tales
como complejos de aminoácidos metálicos, quelatos de aminoácidos metálicos, complejos de polisacáridos metálicos y proteinatos de metal abundan,
pero las definiciones oficiales siguen siendo vagas
e inútiles. A modo de ejemplo, las definiciones de
los MTO más comunes utilizadas en la práctica
agrícola según lo establecido por la Association of American Feed Control Officials (AAFCO, 1998)
aparecen en el cuadro 1. A diferencia de las definiciones de la AAFCO, el cuadro 2 ofrece una
descripción general de la clasificación de la Unión
Europea para los productos de cinc orgánicos en
el que se pueden apreciar las marcadas diferencias
entre las terminologías oficiales utilizadas para el
control reglamentario y la confusión obvia que
puede ocurrir al comparar productos.
Una característica importante de los quelatos orgánicos es su estabilidad mejorada gracias a la
conformación en la que el metal está sujeto por
el/los grupo/s de unión. En términos generales, la
estabilidad de un quelato es la característica definitoria de su biodisponibilidad y los quelatos con
baja estabilidad reducirán la eficacia del producto
de la sal inorgánica correspondiente. Los grupos
de enlace individuales, como los aminoácidos o los
péptidos, tienen el potencial de formar complejos o
quelatos con diversos grados de estabilidad. Es razonable esperar que los grupos de enlace, como los
péptidos, que tienen un mayor número de átomos
donantes, tengan mayor estabilidad que los aminoácidos simples, como la glicina. Siguiendo esta
lógica, se podría anticipar que los quelatos basados
en péptidos tendrían las propiedades fisicoquímicas necesarias para garantizar una estabilidad de
amplio alcance en condiciones de cambio de pH.
ESTABILIZACIÓN DE UN QUELATO:
EL EFECTO DEL LIGANDO
Cuando se trata de comparar quelatos o complejos
sobre la base de “lo que es mejor en este conjunto
de condiciones”, es necesario considerar muchos
factores diferentes. Sin embargo, es útil comparar
productos en términos de lo que se conoce como su
constante de estabilidad. Una constante de estabilidad (también conocida como constante de formación o constante de unión) es un valor de equilibrio
para la formación de un complejo o quelato en
solución. La constante de estabilidad general es el
producto de todas las constantes de estabilidad por
pasos. Por ejemplo, si K1
y K2
son las constantes de
estabilidad para la adición del primer y segundo
ligando, respectivamente, entonces la constante de
estabilidad general (β2
) es K1
x K2
.
Este valor es una medida relativa de la fuerza de
interacción entre un metal y el ligando en un quelato o complejo.
Podemos obtener este valor midiendo las proporciones relativas de metal ([M]), ligando ([L]) y quelato ([ML]):
[L] + [M] ↔ [ML]
Hay que tener en cuenta que hay una serie de factores que influyen en este equilibrio:
- El pH influye significativamente en el equilibrio entre ML y L + M.
- Otros factores adicionales como el tipo y la composición del ligando, las proporciones relativas de [L] y [M], etc.
En última instancia, la constante de estabilidad, β,
se puede definir como una medida de la relación
de la concentración de quelato con respecto a las
concentraciones del metal libre y el ligando bajo un
conjunto dado de condiciones. Por simplicidad, se
puede representar de la siguiente manera:
β = [ML] / [L][M]
Esencialmente, lo que esto nos dice es que cuanto
mayor sea el valor de la constante de estabilidad, mayor será la proporción del quelato o complejo que
está presente en relación con el ligando libre ([L]) o el
metal libre ([M]) en un determinado pH. Típicamente, la constante de estabilidad se presenta en valores
logarítmicos y puede servir como una guía útil cuando se comparan diferentes grupos de enlace.
Las constantes de estabilidad para un rango de ligandos, que incluyen aminoácidos simples, dipéptidos, tripéptidos, etc., se pueden obtener fácilmente de la base de datos de constantes de estabilidad
del NIST, que calcula el valor considerando el pH relativo, la fuerza iónica, la temperatura, el tipo de
ligando y las concentraciones de ligando y metal.
Véanse los datos de la tabla 1, que compara un
rango de ligandos cuando forman complejos con
el cobre en las mismas condiciones fisiológicas.
Para simplificar, los valores de estabilidad (datos
de registro) se han transformado y comparado en
una base relativa a la de la glicina. También se indica el peso molecular de cada ligando.
A medida que cambia el tipo de grupo de unión, también lo hace la fuerza de la unión entre este y el grupo de cobre; algunos se unen al cobre fuertemente y otros muy débilmente. Lo mismo puede aplicarse a todos los demás minerales como el cinc, el manganeso y el hierro. Lo que esto indica es que el tamaño del grupo de unión no es el factor más crítico que influye en la fuerza de unión y, en última instancia, la estabilidad de un quelato. Los reclamos de superioridad basados en el tamaño tienen claramente poco mérito. Sin embargo, simplemente aumentar el número de aminoácidos en un ligando puede no aumentar la estabilidad del complejo metálico y, por lo tanto, puede no necesariamente aumentar la proporción relativa de mineral unido. En última instancia, no solo el tipo de aminoácido influye en la estabilidad de un quelato, sino que la posición de los aminoácidos en un péptido también puede influir significativamente en cómo interactúan el ligando y el mineral. Esto se ilustra en la tabla 2, en la que se puede apreciar que los factores más críticos son la secuencia y la posición de los aminoácidos, en lugar del tamaño total. La sustitución de una histidina en el tripéptido GlyGly-Gly para producir Gly-Gly-His, por ejemplo, aumenta el valor de estabilidad y, por lo tanto, la proporción relativa de mineral unido (cobre, en este caso). Además, el cambio de la posición de esta histidina dentro de la secuencia tripeptídica (para formar Gly-His-Gly, por ejemplo) puede producir un aumento adicional en la fuerza de enlace y, como tal, un aumento en la proporción de mineral unido.
En términos prácticos, los cambios simples en la configuración de los aminoácidos en este tripéptido dan como resultado una mayor proporción de mineral unido en relación con el mineral libre y el ligando. Esencialmente, la estabilidad del quelato mineral puede verse significativamente influenciada no solo por el tipo de aminoácido, sino también por la configuración de los aminoácidos en una secuencia peptídica. Desde el punto de vista de la producción, es importante señalar que la extensión y el tipo de hidrólisis de una fuente de proteína para formar péptidos de cadena corta pueden influir significativamente en la secuencia de aminoácidos presentes en estos péptidos. La producción de un hidrolizado de proteínas óptimo para la quelación de minerales se puede realizar a través de la selección cuidadosa de las condiciones de hidrólisis. Esto asegura que el hidrolizado de péptidos tendrá las propiedades necesarias para garantizar la constancia y la estabilidad de la unión mineral en condiciones de cambio de pH.
Un estudio reciente que utilizó técnicas basadas en potenciometría analizó una serie de MTO comerciales utilizando un electrodo selectivo de iones de cobre para determinar sus estabilidades in vitro en un rango de pH que refleja las condiciones fisiológicas (ver figura). En este trabajo, las muestras se reconstituyeron y suspendieron antes de la valoración de los sobrenadantes y posteriormente se midió el porcentaje de cobre unido en un rango de pH de 3 a 8. Esto confirmó que existen diferencias notables en la estabilidad dependiente del pH de los MTO comerciales y que la cantidad de cobre unido varía considerablemente entre muestras. Además, los datos indican que algunos MTO tienen una capacidad baja o nula para estabilizar un enlace mineral en un pH ácido, con el consecuente impacto en la bioeficacia de los productos. Estas diferencias pueden atribuirse no solo al tipo de grupo de enlace utilizado, sino también al proceso de producción utilizado para generar el mismo.
CONSECUENCIAS
SOBRE LA BIODISPONIBILIDAD
En definitiva, la estabilidad de un MTO es de suma
importancia para su biodisponibilidad. Durante el
tránsito a través del tracto gastrointestinal (GI) y a
medida que el pH disminuye o se acidifica, todos los
MTO se someten a fuerzas fisiológicas que pueden
provocar la disociación del complejo mineral unido
y la liberación de iones minerales libres. Hay una
serie de consecuencias negativas de esta disociación
de los MTO inducida por el pH. Por ejemplo, el ion
mineral libre cargado puede reaccionar con componentes vegetales cargados negativamente, como el
ácido fítico, que pueden estar presentes en el tracto
GI o, peor aún, puede formar hidróxidos al alcanzar
un ambiente más alcalino en el intestino. Esto puede
dar lugar al fenómeno de la hidroxipolimerización
inducida por el pH y provocar la precipitación del
mineral y, por lo tanto, conducir a una reducción
muy significativa de la biodisponibilidad.
CONCLUSIÓN
Los complejos o quelatos con baja estabilidad no
liberarán el mineral en los lugares de absorción del
intestino y reducirán la efectividad del producto
en comparación con la de la sal inorgánica correspondiente. Necesitamos maximizar la estabilidad
dependiente del pH de los MTO para aumentar la
captación de minerales en el intestino. En conclusión, cuanto mayor sea la estabilidad de un MTO,
mayor será su biodisponibilidad.
